DE1439834A1 - Kernbrennstoffelemente - Google Patents

Description

Kernbrennstoffelemente

Die Erfindung bezieht eich auf Kernbrennstoffelemente und ein Verfahren zum Herstellen von Spaltstoff», oder Brennstoffelementen für Kernreaktoren.

Röhrenförmige Brennstoffelemente, in denen UOg-Spaltstoffteilchen in Hüllen aus korrosionsbeständigem Stahl getrennt voneinander angeordnet sind, haben sich in Kernreaktoren als zuverlässige Form von Spaltstoffelementen erwiesen» Sie Rohrform besitzt eine grosse» flexible Festigkeit und vorteilhafte thermische Eigenschaften. Das

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n hat einen hohen Schmelzpunkt, eine hohe Sichte und ist eine stabile chemische Form des Urans. Die Hülle oder die Matrix aus korrosionsbeständigem Stahl hat eine gute metallurgische Stabilität und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bewiesen, reagiert nicht mit den UOg-Spalt st of ft eilchen und weist eine hervorragende Festig-* keit bei hohen Betriebstemperaturen und starken Neutronen= flüssen aufο Ausserdem sind diese Eigenschaften von korrosionsbeständigem Stahl der Grund für seine Beliebtheit als Material für die Spaltstoffmatrix, wenn grosse Spaltet offbeschickungen und ein hoher Spaltstoffabbrand bei transportierbaren Reaktoren erforderlich sind, da die angeführten Eigenschaften von korrosionsbeständigem Stahl zu beträchtlichen Gewichtsersparnissen führen,

Das Prinzip zur Erzeugung dieser Brennstoffelemente war das "powder metallurgy system". Dieses "powder metallurgy system" ist in der US=Patentschrift 3 015 615 beschriebene Hierbei werden fein verteilte UOg-Spaltstoffteilchen mit einem Matrixmetall aus fein verteiltem korrosionsbeständigem Stahl vermischt und diese Mischung in einem flachen Streifen kalt gewalzt, der hierauf gesintert wrd. Das gesinterte Material wird wiederum kalt gewalzt und mechanisch auf Kerne oder Dorne oder dergleichen aufgewickelt, so dass röhrenförmige Pulver-Metallgemisch-Kerne, sogenannte

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Cermetkerne, entstehen. Dadurch ergibt sich eine innige und feste Bindung zwischen dem Spaltstoff und der Matrix. Es hat sich jedoch als sehr schwierig oder unmöglich erwiesen, sehr fein verteilte Teilchen von gleichförmiger Ctrösse und Form zu erhalten. Sie Verteilung oder Teilchengröese des Endprodukts bekannter Systeme ist nicht gleichförmig« Weiter ist die Vorfertigung des Cermetstreifens und die andere Kaltbearbeitung, die erforderlich ist, um das Material in die Rohrform zu bringen, kostspielig und zeitraubend und führt zu Schwierigkeiten, wenn man reproduzierbar eine gleichförmige Verteilung des Spaltstoffe in der Matrix anstrebt, insbesondere, wenn die Stärke des Streifens aus einem Metall und Pulvergemisch stark durch Kaltbearbeitung reduziert wird, um eine brauchbare Sichte zu erhalten. Auaserdem führt der hohe Verformungsdruck bei der Herstellung dieser Elemente zu Beschädigungen des Brennstoffe während des Walzens und der anderen Herstellungsmaeenahmen. Diese Beschädigung besteht hauptsächlich | in der Agglomeration, dem Spaltstoffbruch und der Balkenbildung des Spaltstoffe und führt infolge der örtlichen Spannungen, der Verbindung der Teilchenhohlräume, der Ausbildung grösserer Druckzellen oder des frühzeitigen Versagens wegen Blasenbildung oder des Portsetzens der Sprünge bis zur Oberfläche des Spaltetoffelements zu einer ungenügenden Fähigkeit der Matrix den Spaltstoff einzusohlies-

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B®n_f wodurch die SpaltstoffbeschiekuBg und der Abbrand auf niedere Werte begrenzt ist.

Ee let deshalb ein Ziel dieser Erfindung UOg-Kernspaltstoffteilchen mit einer Matrix aus korrosionsbeständigem Stahl innig, fest und gleichförmig zn verbinden«

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von röhrenförmigen Spaltstoffel erneuten zu schaffen, in denen UOg^Spaltstoffteilchen in einer Matrix aus korrosionsbeständigem Stahl gleichförmig verteilt sind.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, die Beschädigung bei der Herstellung von rohrförmigen Dispersionen von IJOp in korrosionsbeständigem Stahl zu verring em oder zu vermeiden.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, eine hohe Spaltstoffbeschickung und einen hohen Spaltstoffabbrand in einem Kernbrennstoffelement zu erreichen, in dem UOg-Spaltstoff in einer Matrix aus korrosionsbeständigem Stahl verteilt ist.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung wird in der Schaffung eines Kernbrennetoffelements mit UOg-Oermet-Spaltstoff-

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teilchen gesehen, die in einer Matrix gleichförmiger Stärke aus korrosionsbeständigem Stahl eingeschlossen sind, wobei diese Matrix mit einer Hülle aus korrosionsbeständigem Stahl umgeben ist.

Sohlieselich besteht ein Ziel dieser Erfindung darin, eine neuartige Zusammensetzung zu schaffen, um Dispersionen von UO₂ und korrosionsbeständigem Stahl für Kernbrenn- g Stoffelemente zu erzeugen, die direkt in Bohren stranggepresst werden können, wobei der Spaltstoff gleichförmig In der Matrix verteilt ist.

Gemäss dieser Erfindung wird ein röhrenförmiges Kernbrennstoffelement geschaffen, indem eine Aufschlämmung aus kugelförmigen mit korrosionsbeständigem Stahl überzogenen Spaltstoffteilchen und einem flüchtigen Bindemittel bei niederer Temperatur direkt röhrenförmig verformt wird. Durch Verflüchtigen des Bindemittels, Verdichten und heia- " see ieoetatisches Pressen wird hierauf die Endverdichtung und Diffusionsblndung der Spaltetoffüberzüge erflndungsgemäss bewirkt. Insbesondere bei einer AusfUhrungsform des erflndungsgemässen Verfahrens wird eine Aufschlämmung aus sphärischen oder kugelförmigen UOg-Teilchen mit Überzügen aus korrosionsbeständigem Stahl und ein gummielastischer Binder in einen sich halb selbst tragenden röhrenförmigen

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ge Brennstoffelemente für Kernreaktoren zu erzeugen.

Anhand der figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Figur 1 seigt einen Teilquersohnitt durch ein erfindungageoäeeea Spaltstoffelement quer zur Achse desselben.

Figur 2 zeigt einen Teilquerschnitt durch das in Figur 1 dargestellte Spaltstoffelement.

Figur 3 zeigt einen Teillängsschnitt durch das in Figur 1 dargestellte Spaltstoffelement.

Figur 4 zeigt eine vergröseerte Photographic eines polierten Abschnitts bei einer 75-faohen VergrBsserung, wobei die sphärischen !^-Teilchen eine Grosse von -100 bis +HO mesh besitzen, das heisst eine Grosse, die der Durch- | fallsfraktion eines Siebes mit 0,149 mm und der Rückstandβ-fraktion eines Siebes mit 0,105 mm Haschenweite entspricht. Die sphärischen U0₂~Teilchen sind mit einer HUlIe aus korrosionsbeständigem Stahl von etwa 27 Mikron Stärke Überzogen und das Gewicht des Überzugs beträgt 78 #.

Figur 5 zeigt eine Photographic der in Figur 4 dargestellt ten Teilchen, wobei der Gewichteanteil des Oberzugs auf 123 Gewichts-£ erhöht ist.

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Die Figuren 6 und 7 zeigen Photographien der in Figur 4 dargestellten Teilchen mit auf 174 beziehungsweise 266 Gewichte=^ erhöhten Überzügen.

In Figur 1 ist ein röhrenförmiges Spaltstoffelement dargestellt, das für die Verwendung in einem Kernreaktor geeignet ist, wie er in der US-Patentanmeldung Serial Number 684 501 beschrieben wird. Bei Betrachtung eines der Uran» dioxyd^Spaltstoffteilchen, die als dunkle Kreise zu sehen sind und deren Hüllen aus korrosionsbeständigem Stahl bestehen, die als hellere umgebende Zonen zu sehen sind, sieht man, dass die Matrix oder Hülle als Druckbehälter dient, der die Spaltprodukte einschllesst und der die in der Hülle entstehenden Kräfte aufnimmt» Das einzelne Spaltetoffelement besteht aus einer Vielzahl solcher Behälter oder Zellen, die einen Cermetkem bilden, der von Endabschlüasen und einer röhrenförmigen Hülle aus korrosionsbeständigem Stahl umgeben ist, wie die helleren in« neren und ausseren Teile, in denen sich keine Spaltstoffteilchen befinden, andeuten«

Bei der Herstellung von UO₂, das für das erfindungsgemässe Kernbrennstoffelement geeignet ist, 1st es zuerst notwendig, das üblicherweise verwendete keramische UO« in glatte Kugelchen zu formen. Vorteilhafterweise besitzen diese

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Teilchen eine gleichförmige Grosse, die zwischen -100 und 4-140 mesh beträgt (der Durchfallsfraktion eines Siebes mit 0,149 und der Rückstandsfraktion eines Siebes mit 0,105 mm Haschenweite entspricht), wie sie handelsüblich erhältlich sind. Die Herstellung von UOg-Teilehen in Kugel« form kann durch übliche keramische Verfahren, wie sie in den meisten keramischen Laboratorien durchgeführt werden, erfolgen. Diese Teilchen können beispielsweise hergestellt werden, wie es in der schwebenden US-Patentanmeldung Serial Number 27 227 beschrieben wird« Diese Teilchen werden dann mit einem gleichförmigen Überzug aus korrosionsbeständigem Stahl überzogen, der eine Stärke zwischen 20 und 50 Mikron besitzt, basierend auf einer Spaltstoffbeschickung von 30 bis 50 Gewichts-^ UO₂« Der korrosionsbeständige Stahl kann ein 17,5 bis 12,5 austhenitischer Stahl mit hoher Festgkeit und grosser Geschmeidigkeit sein.

Der Überzug der UOg-Kügelchen mit korrosionsbeständigem Stahl muss kontinuierlich sein und zu diesem Zweck können in der Metallurgie übliche Verfahrenemassnahmen gewählt werden, wie sie in den meisten,metallurgischen und keramischen Laboratorien praktiziert werden. Beispielsweise können die Überzüge der Teilchen durch Elektrogalvanisieren, stromloses Plattieren, Überziehen im Dampf und durch Wasserstoffreduzierung der Oxyde, wie es beispielsweise in der US-Patentschrift 2 969 309 und im Artikel »Coated Fuel

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Particles" von FoM. Cain, Β_βΙι_β Vondora mad F. Forscher, vorgetragen auf der IAEA symposium in Wien, Österreich vom 10ο bis 13. Mai I960,beschrieben wird· Die Anwendung und Reduktion von Metalloxyden, mit denen die UOg-Teilchen überzogen sind, kann ebenfalls die Verwendung eines flüchtigen organischen Bindemittels, wie es weiter unten beschrieben wird, und eines üblichen korrosionsbeständigen Stahlpulvers eirischliessen, das beispielsweise aus 74 Gewichts=^ FegO», 18 Gewichts=»^ Cr^O» und 8 Gewichts-^ NiO bestehtο Geeignete, mit korrosionsbeständigem Stahl überzogene UOg^Teilohen, die einen solchen Überzug besitzen, der bei hoher Temperatur reduziert wurde, sind in den Figuren 4 bis 7 dargestellt. Der durch den Überzug bedingte Zuwechs dieser Teilchen beträgt etwa von 78 Gewichts- # bis etwa 266 Gewichts»^ und die Stärke der Überzüge beträgt von etwa 20 bis' 50 Mikron«

Ein geeignetes, durch Verflüchtigen entfernbares, kautschukartiges Bindemittel, das sich zum Aufschlämmungsextrudieren der mit korrosionsbeständigem Stahl überzoge^: TSBTL UOg-Kügelchen eignet, besteht aus einer viskosen Auf= schlämmung von Stärke, zum Beispiel "Steratex brand atarch'O Zu weiteren Stärkebindern gehören unter anderem Methylzellulosestärke, einfache Stärke und Methyeel und Ceramel C Stärkesorten oder Kombinationen derselben. Ein weiterer, mit grossem Vorteil zu verwendender, durch Verflüchtigen

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entfernbarer kautschukartiger Binder besteht aus Polyvinylalkohol entweder allein oder in Kombination mit den oben erwähnten Stärken. Ein weiteres, mit Vorteil allein oder zusammen mit den oben erwähnten Bindemitteln anwendbares, durch TerflUchtigen entfernbares, kautschukartiges Binde» mittel ist Galaktomannan (indian guar tree gum), das ein wohlbekanntes, hydrophiles Kolloid für die Verwendung als Suspendiermittel ist. Eine geeignete Kombination ist eine λ Aufschlämmung aus Guarbohnenmehl (jaguar brand guar gum compound), das von Stein-Hall und Company vertrieben wird und Hethyloellulosestärke sowie Guarbohnenmehr enthält. Diese oben erwähnten organischen Bindemittel haben sich als vorteilhaft herausgestellt, da mit ihnen eine geringe Schrumpfung erfolgt, sie wohlfeil sind, ihre Viskosität leicht mit Wasser eingestellt werden kann und sie eich leicht und vollständig verflüchtigen lassen, ohne sich unter Hinterlassung von Kohlenstoffresten beim Extrudieren zu zersetzen. Wie nachfolgend ausführlich erläutert f wird, ist das richtige Verhältnis von Bindemittelwassergehalt zu überzogenen Teilchen wichtig, um den Vorteil der erfindungsgemässen Masanahmen zu erhalten, das heisst beispielsweise eine Beschädigung während des Herstellungsverfahrens zu vermeiden und eine gleichförmige Dispersion während und nach dem Strangpressen zu erreichen.

Das kalte Strangpressverfahren nach dieser Erfindung besteht darin, die Rohrform direkt zu extrudieren, während

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eine minimale Änderung in der Form, der Integrität und der Verteilung des .mit korrosionsbeständigem Stahl überzogenen IK^-Spalt stoffe stattfindet. Eine Reihe von Versuchen wurde durchgeführt, wobei das Gewichtsverhältnis von Bindemittel zu Feststoffen von 0,028 bis 0,060 und das Gewientsverhäitnis von Wasser zu Feststoffen von 0,14 bis 0,28 variiert wurde· Sie beeten Ergebnisse wurden mit einem Gewichtsverhältnis von Bindemittel zu Feststoffen von 0,48 und einem Gewichteverhältnis von Wasser zu Feststoffen von 0,24 erhalten. Mit diesen Werten wird eine Zusammensetzung des Presslings aus 81,2 Gewichts*-^ Feststoffen, 3,8 Gewichts=·^ Bindemittel, 15 Gewichts^ Wasser und ein Pressling, der die richtige Teilchenverteilung mit der geringen Gefahr der Spaltstoffbesehädigungsmöglichkelt und einer grossen GrUnfestigkeit für die weitere Bearbeitung ergibt, erhalten.

Während des darauf folgenden Trocknungsverfahrens wird das Bindemittel aus dem Pressling entfernt. Zuerst wird das Wasser entfernt, indem erhitzte Luft über den Press= ling zwischen 8 und 24 Stunden lang geblasen wird. Biese Entfernung des Wassers kann in kürzerer Zeit in einem Vakuum oder in niederevakuierten Räumen erfolgen. Bas rest» liehe Bindemittel wird: hierauf bei hohen Temperaturen verflüchtigt, nachdem der Pressling in einem vorher erhitzten Ofen vorgetrocknet wurde. Es wurde dabei überraschender-

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weise gefunden, dass es möglich ist, die Probe direkt in die heiase Zone des Ofens zu bringen und bis zu 1300⁰C zu erhitzen. Bei dieser Temperatur verflüchtigt sich das BindeMlttel schnell und keine Zerstörung des porösen Presslinge wurde beobachtet. Diese Verfahrensmassnahme führt weiter zu einem gehärteten Pressling, der einer rauhen Behandlung unterzogen werden kann, ohne dass .er auseinanderbricht· Wenn das Bindemittel in der reinen λ

trockenen Wasseretoffatmosphäre bei 1300⁰C entfernt wird, wird ebenfalls eine vollständige Reduktion des Überzugs aus korrosionsbeständigem Stahl auf den UOg-Kügelchen gewährleistet.

Kassnahmen zum Verdichten des Presslings, die dann angewandt werden, führen zu dem Geraderichten und Vorverdichten desselben vor dem isostatischen Pressen. Bei dieser Arbeitsweise wird die Dichte des Presslings von etwa 50 f* bis zu etwa 65 bis 35 °J° erhöht. "

Geeignete Abschlussenden werden aus Schmiedeeisenpulver hergestellt, beispielsweise extrudiert oder gewalzt. Der Ceraetkem und die Abschlussenden werden nicht durch Schweissnähte oder Verbindungen verbunden. Vorteilhafterweise werden die Enden der Umhüllung aus korrosionsbeständiges Stahl und die Abschlussenden so bearbeitet, dass sie einen guten mechanischen Kontakt miteinander besitzen.

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Bas Hüllmaterial für die Rohre wird vorteilhafterweise aus einem Rohrmaterial aus korrosionsbeständigem Stahl mit einer Stärke von 0,2032 bis 0,4572 mm hergestellt· Getrennte Hüllen werden auf der Innenseite und der Aussenseite des Cermetkerns angebracht. Biese Komponenten werden dann zusammen mit den Abschlussenden, die zwischen den Hüllen angeordnet sind, über einen Born oder einen Kern geschoben und die entsprechenden, miteinander in Eingriff stehenden Flächen werden leicht in einer Form, die eine geringe Grössenverringerung bewirkt, gezogen, wobei die einzelnen Bestandteile in einem innigen Kontakt miteinander stehen. Bann werden die Komponenten bei Temperaturen behandelt, die hinreichend gross sind, um die Diffu» sionshindung der sich berührenden Oberflächen einzuleiten. Bie Temperaturen dieser Behandlung betragen beispielsweise bis zu etwa 1300 CV

Vor dem isostatischen Pressen müssen die Hüllrohre evakuiert und verschwelest werden, um sie am Umfang mit-den ^ * Abschlussenden abzudichten, so dass ein Gaseintritt in ^^: das Rohr verhindert wird. In geeigneter Weise werdeh deshalb Schweissnähte zwischen den Hüllrohren und den Abschlussenden gelegt.

Bas isostatische Verpressen hat den Vorteil, dass die Verdichtung auf das gewünschte Mass mit von vielen Seiten her

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gerichteten Kräften erfolgt, so da·« dl· bteehrieb·»· ?«apteilung dee UOg-Spaltetoffe, die durch das erläuterte Strangpressen und Ziehen erhalten wurde, nicht v*rftadert oder beschädigt wird. Zu diesem Zweck wird der umhüllte Pressling heiss in einem inerten Gas, wie zum Beispiel Helium, bei etwa 1177⁰C (2150⁰F) und einem Druck von etwa 700 Atmosphären (10 000 pel) 3 Stunden lang gepresst.

Bei Verwendung von mit korrosionsbeständigem Stahl überzogenen TK^-KUgelchen für das erfindungegemässe Verfahren, das aus Strangpressen, Ziehen und isostatischem Pressen besteht, kann der Vorteil eines direkt geformten röhrenförmigen Produkte mit den vielseitig angreifenden Druckkräften bei der isostatischen Verdichtung bei hohen Temperaturen ausgenützt werden, um eine Cermetstruktur mit idealer oder nahezu idealer UOg-Teilchenverteilung in dem korrosionsbeständigen Stahl zu erhalten, wobei die Bruchgefahr, die Gefahr der Balkenbildung und die Gefahr der Zerstörung der Spaltstoffteilohen auf ein Minimum be-, schränkt werden. Weiter enthält das auf diese Weise erzeugte Spaltetoffelement eine hohe Spaltstoffbeschickung in einer starkwandigen Cermetumhüllung, wobei ein hoher Spaltstoffabbrand und damit eine lange Lebensdauer des Reaktors gewährleistet ist· Zu diesem Zweck besitzen die Brennstoffelemente nach dieser Erfindung eine Beschickung von 50 bis 50 Gewichte«»^ UO₂ i» einer 0,762 bis 3,810

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starken Ummantelung, wodurch ein 60 bis 90 $iger U Abbrand und eine lebensdauer von 60 bis 100 Megawatt~Jahren erreichbar ist, verglichen mit den Werten von bekannten Brennstoffelementen bei einer Beschickung von 20 bis 35 Gewicht8-fo UOgt einer Ummantelung von 0,635 bis 0,889 mm und mit einem 30 bis 45 ^igen υ ' «Abbrand sowie einer Lebensdauer von 15 bis 30 Megawatt-Jahren. Diese Brennstoffelemente nach der Erfindung sind in den Figuren 1 bis 3 dargestellt. In den Figuren 2 und 3 ist eine 60-fache Vergrösserung gewählt. Figur 2 zeigt einen Querschnitt und Figur 3 einen Längsschnitt des erfindungsgemässen Brennstoffelements mit einer Beschickung von 39 Gewichts·=^ UOg und einer Teilchengrösse zwischen -=100 bis +1.40 mesh. Die Teilchen befinden sich in einer gleichmässigen homogenen, die Deformation verhindernden matrix.

Anhand des nachfolgenden Beispiels wird eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zur Erzeugung des beschriebenen Brennstoffelements erläutert.

Beispiel

Sphärische UOg-Teilchen mit einer Grosse von -100 bis +140 mesh, die mit einer Hülle aus korrosionsbeständigem Stahl von etwa 27 Mikron Stärke überzogen waren, wurden verwendet. Die überzogenen Teilchen besessen etwa 39 Gewichts-^ UO«· Die zum Strangpressen vorgesehenen Komponenten wurden dann

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wie folgt ausgewogen: 30,9 Gewichts-¹,* überzogenes UO₂, 3,9 GewichtS-9& Bindemittel und 15,2 Gewichts-^ destillier« tee Wasser. Das feste Bindemittel und die mit korrosionsbeständigem Stahl überzogenen UOg-Teilehen wurden etwa 5 Minuten⁷pro 500 g gemischt, bis sie gut durchmischt waren. Das destillierte Wasser wurde innerhalb von 15 Minuten zugesetzt, während das Mischen fortgesetzt wurde, um eine dicke gummielastische Mischung zu bilden. Die m

Mischung wurde dann 1/2 Stunde lang vor dem Strangpressen stehen gelassen.

Hierauf wurde die Mischung unter relativ niederem Druck von etwa 1 Tonne pro inch aus einem geeigneten (nicht dargestellten) Strangpressmundstück extrudiert und in eine lange, sich halb selbst tragende gummielastische Röhre geformt. Dieser Rohrpressling wurde zusammen mit anderen gleichartigen Presslingen auf einer V-förmigen perforierten Stellage gesammelt und in Raumluft 24 Stunden lang ™ getrocknet. Hierauf wurde 18 Stunden lang oder unter Vakuum 10 Stunden lang Luft durchgeblasen, um das Wasser zu entfernen. Während dieser Zeit schrumpfte der Aussendurchmesser des Presslings um etwa 3,8 ?$ ein, die Wandstärke änderte sich jedoch nur geringfügig.

Die Presslinge wurden dann in reinem, trockenem Wasserstoff bei etwa 1100 bis 115O⁰C eine Stunde lang und in reinem,

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trockenem Wasserstoff bei 1300⁰C 3 Stunden lang wärmebehandelt, um das Bindemittel zu entfernen und um die Diffu~ sionsbindung der überzogenen Teilchen aneinander einzuleiten.

Die nächsten Verfahrensmassnahmen bestanden in dem Aus= richten und Verdichten der Presslinge durch Kaltwalzen, wobei die Wandstärke reduziert wurde. Zu diesem Zweck wurde das Rohr auf einen harten Stahlkern aufgezogen und dann in einem bis sechs Durchgängen gewalzt» wobei die Wandstärke in einem Durchgang etwa um 10 °β> reduziert wurde,, Zwischen jedem Walzgang wurde eine Wärmebehandlung in trockenem Wasserstoff bei etwa 1300⁰O eingeschaltet. Durch Variation der Anzahl der Durchgänge kann die Dichte der röhrenförmigen Presslinge zwischen 50 % der gewünschten Enddichte

in unausgerichtetem Zustand bis 85 $> nach sechs Durchgängen variiert werden« Die gesamte Reduktion nach sechsmaligem Walzen betrug 36 % für den Durchmesser des Rohres und 55 i° für die Wandstärke, wobei eine Dichte von 85 $ erreicht wurde. Eine letzte Wärmebehandlung wurde während einer Stunde in trockenem Wasserstoff bei 1300⁰C durchgeführt, um das vorgerichtete Rohr anzulassen.

Hierauf wurde das Rohr aus dem Keramik-Metall-Gemisch, oder das Cermetrohr mit den Verschlussenden und den Rohrhüllen zu einem Kernbrennstoffelement zusammengesetzt, um das iso-

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statische Pressen vorzubereiten. Der rohrförmige Pressling, geeignete Endstücke aus korrosionsbeständigem Schmiedeeisen und die Hüllen für das Rohr aus korrosionsbeständigem Stahl wurden aufdie geeignete Grosse bearbeitet. Dann wurden die Bestandteile zusammengesetzt, indem 1o) ein Verschlussteil das Cermetrohr und das andere Verschlussende über ein inneres Umhüllungerohr geschoben und 2.) das äu88ere Umhüllungsrohr auf ein Verschlussende, das Cermetrohr und das andere Verschlussrohr aufgepasst wurden. Ein gehärteter Dorn wurde zwecks Ausfluchtung der Anordnung verwendet.

Die Anordnung wurde dann unter Verwendung des gehärteten Dorne in einer Form gezogen, bis die Bestandteile einen engen Kontakt miteinander hatten. Hierauf wurde die Zusammensetzung in eine Elektronenstrahlechweieekammer gebracht und evakuiert, um die Luft in der Vorrichtung zu entfernen. Jedes Ende des Rohre wurde dann verschwelest, so dass die innere Umhüllung das Verschlussende und die aussere Umhüllung das Rohr vakuumdicht einschloss»

Die abgedichtete Anordnung wurde dann isostatisch bei einem Druck von 700 kg/cm (10 000 psi) und bei einer Temperatur von 1177°C (2150⁰F) gepresst. Helium wurde als Druckübertragungsmedium bei der isostatischen Pressung verwendet. Nach dem isostatischen Vorpressen des röhrenförmigen Brenn-

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8toffelementQ wurde dieses ausgerichtet, chemisch gereinigt und auf seine Endgrösse bearbeitet. Sas resultieren·* de Metall-Keramik-Gemisch ist in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellt und in der Praxis wurden die hohen Dichten, die die oben genannten hohen Beschickungen ergaben, tatsächlich erhalten«

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wird ein Produkt erhalten, das den bisher bekannten Dispersionen von UOg in korrosionsbeständigem Stahl in Röhrenform überlegen ist, was die optimale Konstruktion und Ausnützung der Materialien betrifft. Ein praktisches Herstellungsverfahren ist mit einer idealen oder nahezu idealen Cermetstruktur kombiniert. Bei dieser Konstruktion werden optimale UOg-Teilchengrössen (-100 bis +140 mesh), Brennstoffbeschickungen (30 bis 50 Gewichts-jS UOg), ein mit korrosionsbeständigem Stahl überzogenes Spaltstoffteilchen (20 bis 50 Mikron stark) und eine flüchtige Bindemittelaufschlämmung (5,9 Gewicht s-$ Bindemittel und 15,2 Gewichts-^ Wasser) verwendet, um die gleichförmige Teilchenverteilung und den glefchförmigen Abstand der Teilchen voneinander zu gewährleisten» Diese Zusammensetzung ist für die Herstellung von Spalt- , stoffelementen durch Strangpressen, Walzen und isostatisches Pressen ausgezeichnet geeignet.

Die Verfahrensmassnahmen des Strangpressens, Walzens und isostatischen Fressens nach dieser Erfindung haben über-

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raschenderweise eine minimale Beeinflussung der Abmessungsänderungen der Konstruktion und der Materialeigenschaften ergeben. Beispielsweise das Strangpressen der Aufschlämmung, durch das die Überzogenen Teilchen in die gummielastische Röhrenform gebracht werden, beseitigt die Probleme, die . bisher bei der bekannten Kaltverformung von verdichteten Pulverkörpern auftraten. Die Strangpressung der Aufschlämmung ermöglicht ebenfalls die Bildng von stärker mit Spaltstoff beschickten Keramik-Metall-Gemischen als bisher möglich war. Ebenso wird eine minimale Kaltbearbeitung durch Verwendung der Walzverdichtung angewandt, um dem röhrenförmigen Pressling die richtige Grosse zu geben, ihn auszurichten und ihn vorzuverdlchten« Ausserdem wird das isostatische Druckverfahren angewandt, um den grössten Teil der Cermetverdichtung und die Umhüllung des Cermetrohlings sowie das Abschliessen desselben an den Enden und das Verbinden mit der Hülle durchzuführen, wobei eine maximale, von allen Seiten gerichtete Druckkraft auftritt· Ausserdem sind alle diese beschriebenen Herstellungsmass·=· nahmen nach dieser Erfindung mit minimalen nachteiligen Wirkungen auf die Stabilität des Brennstoffs verbunden, wie zum Beispiel das nachteilige Brechen des Spaltstoffs, Balkenbildung und Agglomeration.

In Anbetracht der oben aufgeführten Vorteile schafft diese Erfindung eine ideale oder nahezu ideale Cermetstruktur,

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die Möglichkeit des höheren Spalt8toffabbrandes und eine langete Kernlebensdauer, sowie eine einfachere Herstellung von Spaltstoffröhren unter Verwendung eines Strangpressverfahrens· Es können höhere UOp-Spaitstoffbeschickungen in äen röhrenförmigen Elementen angewandt werden. Weiter wird eint Verfahren zum Erhalten stärkerer Kernummantelungen bei minimalem Bruch und minimaler Balkenbildung der Spalt» stoffteilchen erreicht. Die Erfindung vermeidet deshalb die Nachteile bisher bekannter Verfahr.ensmassnahmen, bei denen Pulver gewalzt und in flache Streifen geformt und hierauf die Streifen verschweisst werden, wobei eine Agglomeration, Bruchbildung und Verluste hingenommen werden mussten.

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Claims (6)

1. Patentansp

   .\ Verfahren zum Verformen von me tallUberzogenen Spalt stoffteilchen in ein Rohr mit einer den Spaltstoff enthaltenden Matrix, in der diser Spaltstoff hochverdichtet und verteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese Teilchen mit einem Bindemittel in die Rohrform stranggepresst werden, dass dieses Bindemittel durch Verflüchtigen entfernt wird und dass diese Teilchen verdichtet und die Überzüge der Teilchen durch Diffusion miteinander verbunden werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung und das'Verbinden der Teilchenliberzüge durch Diffusion dadurch erfolgt, dass das stranggepresste Rohr einer hohen Temperatur ausgesetzt, gewalzt und einer heiesen isostatischen Druckbehandlung unterzogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spaltstoff aus UOp-Teilehen besteht, die in einer Matrix aus korrosionsbeständigem Stahl verteilt sind.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr nach dem Strangpressen und vor dem Walzen_tVorverdichten, Ausrichten und isostatischen Fressen mit einem Hüllmaterial überzogen wird.

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5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Üög-Ktigeichen _f die mit korrosionsbeständigem Stahl überzogen sind, mit einem flüchtigen Bindemittel und Wasser zu einer Aufschlämmung versetzt werden, die extrudiert wird, dass das extrudierte Rohr getrocknet wird, das Bindemittel aus dem extrudierten Rohr durch Verflüchtigung bei holier Temperatur entfernt wird, hierauf das Rohr ausgerichtet und vorverdichtet wird, indem es gewalzt wird, dann der Pressling an beiden Enden und an den Sei« ten umhüllt wird» die Anordnung in einer Form gezogen wirdj evakuiert wird und die Enden nach dem Evakuieren mit den Hüllseiten verschweigst werden, worauf die Vorrichtung bei etwa 1177⁰C und 700 kg/cm 3 Stunden lang verdichtet w^rd»
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ÜOg^Teilehen TJ enthalten^ eine Spaltstoffbesehickung von 30 bis 50 G-ewioIits-^ in einem. 0,762 bis 3,810 mm starken Matrix-Hüllmaterial dispergiert ist und 60 bis 90 °/o U -^-Abbrand bei einer Lebensdauer von 60 bis 100 Megajahren erreicht wird,

   7β Zusammensetzung sum Herstellen iron röhrenförmigen Kern«= brenne toff element en» in denen UOg-Teilöhen in einer Matrix aus korrosionsbeständigem Stahl„ mit dem diese Teilchen überzogen sind, verteilt sind, gekennzeichnet durch ein

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   flüchtiges Bindemittel und durch eine Grosse der ₂ Telichen, die eich durch die' Durchfallsfraktion eines Siebes mit 0,149 mm und die Rückstandsfraktion eines Siebes mit 0,103 mm Maschenweite ergibt, wobei die Überzüge von 20 bis 50 Mikron stark und die Teilchen in einer Menge, von 80,9 Gewichte-$ sowie das Bindemittel in einer Menge von 3,9 Gewi ent a-jS vorliegen und der übrige Gewichteanteil destilliertes Wasser ist.

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