DE1906269A1

DE1906269A1 - Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffkoerpern

Info

Publication number: DE1906269A1
Application number: DE19691906269
Authority: DE
Inventors: Davis Dwight Evan; Tully Jun Geoffrey Robert; Stevens Dennis Wakefield
Original assignee: Gulf General Atomic Inc
Current assignee: Gulf General Atomic Inc
Priority date: 1968-02-07
Filing date: 1969-02-07
Publication date: 1969-10-09
Also published as: AT288511B; CH491467A; JPS5022198B1; NL6901976A; GB1201013A; US3558750A; FR2001469A1; DE1906269B2; BE728118A

Description

Dlpl.lng.-F.Weic^ninn,
DIpI. Ing. H. V eickncf.n, D.'.. PIr;?. Tr.K.rincke .

Qipl. Ing. F. A. Weickmann, Dipl. Cham. B. Huber
β München 27, MiüMr. 22

Sch/Gl

Gulf General Atomic Inc., San Diego/California / USA Verfahren eur Herstellung von Kernbrennstoffkörpern

Die vorliegende Erfindung betrifft Kernbrennstoffkörper, die in Kernreaktoren verwendet werden, und besieht sich insbesondere auf Brennetoffkurper, die aus einem in form von Eineeltellchen vorliegenden Kernbrennstoff hergestellt werden und in Hochtemperaturkernreaktoren eingesetzt werden.

Bronnelemente für Kernreaktoren besitzen dann Vorteile, wenn sie aus in Form von Einzelteilchen vorliegenden Kernbrennstoffen bestehen, und zwar in form von gepackten Betten aus Brennstoffteilchen. Befinden sich jedoch die Brennstoffteilchen in

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lockerem Zustand innerhalb eines Brennelemente, dann kenn dies aus Sicherheitsgründen nachteilig sein, und zwar dann, wenn das Brennstoffelement aufbrioht. Die Möglichkeit, dass die Teilchen Dei einem Unfall in dem Reaktor verstreut werden, wird dann vermieden, wenn die Teilchen miteinander verbunden werden. Ausserdem ist der Wärmeübergang in einem gebundenen Bett aus Brennstoffteilchen wirksamer, da keine Leerstellen vorhanden sind.

Bei dem Betrieb von Kernreaktoren, die mit hohen Leistungen gefahren werden, wobei ein fluides Kühlmittel zum Abziehen der Wärme von den Brennstoffelementen in dem Reaktorkern verwendet wird, ist es wichtig, einen wirksamen Wärmeübergang von dem Kernbrennstoff zu dem Kühlmittel strom zu erzielen. Je wirksamere Wärmeübertragungseigenschaften ein Brennelement besitst, desto niedriger kann die Brennelementtemperatur gehalten werden, um an den Kühlmittelstrom eine gegebene Wärmemenge pro Zeiteinheit abzugeben. Tiefere Brennstofftemperaturen ermöglichen längere , Brennzyklen und damit niedrigere Heaktorbetriebskosten.

Man strebt an, wirksame Methoden zur Herstellung von Brennstoffkörpern zu schaffen, die Betten aus miteinander- verbundenen Kernbrennstoff teilchen enthalten. Isasbesondere wird nach Möglichkeit ten gesucht, derartige Brennetoffkörp©r in situ in einem Brennelementteil herzustellen.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung von verbesserten Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffkörpern. Durch die Erfindung wird die Herstellung von Brennstoff körpern ermöglicht, die gepackte Betten aus miteinander verbundenen Brennstoff teilchen enthalten, wobei die Teilchen gleichmäsalg angeordnet sind. Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt* durch welches die Herstellung von dichten Kernbrennstoffkörpern er=

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möglicht wird. Auseerdem schafft die Erfindung ein verbessertes Verfahren zur in eitu-Hersteilung von Kernbrennstoffteilchenenthaltenden Körpern in einem Brennstoffelementteil, der aus Graphit hergestellt worden 1st.

Sie Erfindung ermöglicht die Herstellung von Brennetoffkörpern, wobei Kernbrennstoffteilchen in eine Brennkammer eines Brennelements oder in den Hohlraum einer form gegeben und bis zu dem gewünschten Ausmaß verdichtet werden, worauf sie miteinander verbunden werden. Das Verbinden erfolgt durch Verwendung einee geeigneten fluide» organischen Bindemittels, das nach einer Pyrolyse ein solches Zuaammenhaltvermugen besitzt, welches dazu ausreicht, die Teilchen in Form eines festen Brennetoffkörpere bei hohen Temperaturen zusammenzuhalten. Je nach der beabsichtigten anschliessenden Reprocessing-Behandlung kann man ein Bindemittel wählen, das derart beschaffen ist, dasβ es eich in einfacher Weise durch eine geeignete ansohliessende Behandlung entfernen lässt, so dass man die Brennstoffteilchen in diskreter Form wiedergewinnen kann, ohne dabei ihre Oberzüge zu beschädigen. Eine Wiedergewinnung auf diese Weise ermöglicht eine mechanische Abtrennung vor einem anschliessenden Reprocessing. EiK.e derartige Methode wird in der US-Patentschrift 3 208 912 beschrieben.

Es ist möglich, sowohl eine gleichmässlge als auch eine relativ dichte Beschickung zu erzielen, und zwar durch Pullen einer Brennkammer oder eines Formhohlraumes mit diskreten Brennstoffteilchen in Abwesenheit eines Bindematerials. Durch Stampfen, FibrationskompaJctierung oder dergleichen können derartige Teilchen zu hohen Dichten gepackt werden. Darüber hinaus ist nach dem Füllen eine Untersuchung möglich, um festzustellen, ob die Beschickung vollständig ist„ Ferner wird eine Beschickung bis zu

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den gewünschten Dichten in exakter Weise erleichtert, da die Menge des in Form von Einzelteilchen vorliegenden Kernbrenn·=· stoffmaterials vor der Beschickung abgemessen werden kann, wobei die Kampaktierung in der Weise gesteuert werden kann, dass die Teilchen gerade die Brennstoffkammer oder den Formhohlraum ausfüllen«,

Das Füllen der Brennstoffkammer oder des Formhohlrauraes mit dem in Form von Einzelteilchen vorliegenden Brennstoff erleichtert ferner die gleichmässige Zuführung von Teilchen, die aus zwei oder mehreren, voneinander verschiedenen Teilchengruppen bestehen,, Würde man derartige Teilchen vermischen, die Mischung anschliessend mit einem geeigneten Bindemittel vereinigen und in eine Kammer in Form einer Paste einspritzen, dann ist keine'-Gewähr gegeben, dass die gleiche Teilchenverteilung in dem Endprodukt vorliegt. Dies ist insbesondere dann der Fall,* wenn die Gröesen der Teilchen der verschiedenen Gruppen verschieden sind, da in diesem Falle eine anschliessende mechanische Trennung durch eine Klassierung möglich ist. Es ist wahrscheinlich, dass Veränderungen in dor Verteilung der Teilchen an verschiedenen Stellen erfolgen, werm ein Einspritzen durchgeführt wird. Auf diese Weise ist die Endverteilung nicht einheitliche Ist jedoch eine gleichförmige Mischung aus awei oder mehreren Teilchengruppen in eine Brennstoffkammer eingefüllt worden, dann wird die gleichraässige Verteilung nicht durch Durchschicken des Bindemittels durch die Hohlräume zwischen den Teilchen· verändert.

Unter dem Begriff "Kernbrennstoff" sollen sowohl spaltbare Materialien, wie beispielsweiße Uran-233, Uran-235, Plutönium-239 sowie-derea Verbindungen^ als auch brütbare Materialien, wie bei-■spielsweise Thorii«a-232_f Uran-238 sowie Verbindungen dieser Isotope verstanden werden. Eo kann ssweckmässig sein, eine Mischung

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aus in erster Linie spaltbarem Material und aus einem in erster Linie brütbaren Material zu verwenden» wobei diese beiden Materialien Vor einem chemischen Reprocessing voneinander getrennt werden können. Beispielsweise kann Thoriumdicarbid als brütbares Material verwendet werden, während eine Mischung aus Urandicar— bid und einem Verdünnungsmittel (wie beispielsweise Thoriumdicarbid, Graphit oder Berylliumcarbid) als spaltbares Material eingesetzt werden kann.

Die Teilchen besitzen eine Grosse von weniger als 1000 u und liegen vorzugsweise in form von Sphäroiden vor. Gewöhnlich besitzt jedes Teilchen seinen eigenen Überzug, der dazu dient, die erzeugten gasförmigen Spaltprodukte zurückzuhalten. Beispiele für geeignete Überzüge dieses Typs werden in der US-Patentschrift 3 298 921 beschrieben. Beispielsweise kann ein derartiger Überzug aus einer inneren Schicht aus einem schwammartigen porösen pyrolytischen Kohlenstoff bestehen, die von einer äuse·- ren Schicht aus einem dichten isotropen pyrolytischen Kohlen-stoff umgeben ist. Eine feuerfeste Metallcarbidschicht kann ebenfalls verwendet werden, um die Spaltproduktretention bu erhöhen. Beispielsweise kann man eine Schicht aus dichtem Siliciumcarbid verwenden.

Es wird ein geeignetes Bindemittel verwendet, das die Herstellung eines festen Brennstoffkörpers ermöglicht, der bei den Reaktorbetriebstemperatüren eine ausreichende Festigkeit besitzt. Im Hinblick auf die Eigenschaften des Reaktors sollte das Bindemittel kohlenstoffhaltig sein, so dass nach der Pyrolyse ein Kohlenstoffnetzwerk zurückbleibt» das eine Matrix bildet, welche alle Teilchen einschließet,, Verwendbare Bindemittel sind thermoplastische Materialien, wie beispielsweise Pech, das in geschmolzener Form verwendet wird, sowie organische polymere hitEekärtbare Materialien oder Harze. Für bestimmte

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der vorstehend erwähnten Anwendungsgebiete ist es vorzuziehen. das» das Bindemittel nach der Pyrolyse einen Kohlenstoffrest bildet, der leichter oxydiert wird als die überzugsmaterlalien, welche die Kernbrennstoff teilchen bedecken. Phenolartige Harze werden bevorzugt, da sie einen hohen Prozentsatz an Kohlenstoff» rückstand pro Gewichts-Prozenteatζ an eingesetztem Harz liefern. Dieser Faktor ist daher definitiv von Vorteil» da ein Brennstoffkörper mit einer ausreichenden Festigkeit erzeugt wird..

Einer der Gründe, weshalb es vorzuziehen ist, Harze zu verwenden, die bei der Pyrolse einen hohen Prozentsatz an Kohlenstoffrückstand ergeben, 1st der, dass Harze, die hohe Prozentsätze an flüchtigen Materialien enthalten, während der Pyrolyse eine beträchtliche Schrumpfung erleiden. Nicht-flüchtiges kohlenstoffhaltiges Füllmaterial, wie beispielsweise Graphitpulver, wird gewöhnlich in Kombination mit einem Harz verwendet und ergibt eine festere Bindung als dies dann der Fall ist, wenn das Harss allein verwendet wird, da di© Anwesenheit eines kohlenstoffhaltigen Füllmaterials, das keine Pyrolyse erleidet, die Gesamtschrumpfung des Bindemittele während der Pyrolyse reduziert„ Füllmaterialien sollten bei den Reaktorbetriebetemperatüren stabil sein und geeignete Neutroneneinfangsquerschnitte besitzen. Bevorzugte Füllmaterialien sind Graphitpulver sowie Aktivkohle oder l'ierkohle» Aktivkohle verbessert die Retention von Schwermetall spaltprodukten in dem Brennstoffkörper, Im allgemeinen wird eine ausreichende Menge des Füllmaterial verwendet, und zwar eine derartige Menge, dass das Füllmaterial wenigstens ungefähr 50 Gewichts-^ des Rückstandes nach der Pyrolyse des Harzes ausmacht. Man kann jedoch auch ein Füllmaterial in einer Menge von ungefähr 80 bis ungefähr 20 $>, bezogen auf das Gesamtgewicht des Rückstandes aus Filimaterial und pyrolysi©rtem Ears, verwenden, und zwar je nach der Festigkeit dss Kohlenstoffrück-

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-7-standes, der von dem jeweiligen Harz erzeugt wird.

Sofern ein Schrumpfen des Bindemittels erfolgt, ist es von Bedeutung, dass dieses Schrumpfen kein Aufreissen der überzüge der Brennstoffteilchen verursacht. Ein organisches Harz besitzt eine Neigung zur Bildung einer ziemlich guten Bindung an verschiedene Materialien nach seinem Härten. Erleidet ein derartiges Harz auch ein gewisses Schrumpfen bei der Pyrolyse, dann kann eine derartige Bindung eine Rissbildung begünstigen. Es wurde festgestellt, dass eine derartige Rissbildung dadurch verhindert wird, dass die Brennstoffteilchen jeweils mit einem geeigneten Bindungstrennmittel, wie beispielsweise einem im Handel erhältlichen pulverförmigen Graphit, der in einer aufsprühbaren Porra in den Handel gebracht wird, oder mit einem hochschmelzenden Wachs beschichtet wird. Dieses Trennmittel verhindert das Auftreten einer vollständigen Bindung mit dem Beschichtungsmaterial für die Brennstoffteilchen während der Härtung und verhindert eine Zerstörung der Brennstoffteilchenüberzüge durch Rissbildung.

Die Einführung der beschichteten Brennstoff teilchen in die Brennstoffkammer an einem Teil eines Brennelements oder in einen Fonnhohlraum erfolgt nach irgendeiner geeigneten Methode, duroh welche gewährleistet.ist, dass die gewünschte Verteilung und Dichte άβτ Beschickung erzielt wird. Nachdem die Brennstoffteilchen auf die gewünschte Brennstoffdichte gepackt worden sind, wird eine fluide Mischung aus eines Harz/Füllstoff-Material unter Druck in die Brennstoffkaramer oder in den Formhohlraum zum Auffüllen der Leerstellen in dem gepackten Bett aus Brennstoffteilehen eingespritzt. Wird eine Form verwendet, dann kann sie aus jedem geeigneten Material bestehen, das eine ausreichende Festigkeit besitzt und bei den Härtungstemperaturen nicht mit

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dem Bindemittel reagiert. Diese Hä^tungstemperaturen betragen wenigstens ungefähr 15O⁰C. Gewöhnlich werden Formen aus rostfreiem Stahl verwendet.

Wird der Brennstoffkörper In situ gebildet» dann sollte daß Material des Brennetoffelementteiles, welcher die Brennstoffkammer aufnimmt, ähnliche Eigenschaften besitzen. Graphit mit einer ausreichenden Porosität, um das Entweichen von flüchtigen Bestandteilen, die während der Pyrolyse erzeugt werden, wobei der Graphit ausserdem den Pluiddrucken widerstehen muse, die während des Einspritzens des Bindemittels auftreten, wird als ausgezeichnet betrachtet. Graphit mit einer Porosität von wenigstens 0,1 cm /Sekunde, gemessen mit Helium bei 20⁰C sowie bei einem Druck von 1/2 Atmosphäre wird für diesen Zweck verwendet, ■

Für einige Anwendungszwecke kann es von Vorteil sein, die Brenn« stoffkörper in Formen herzustellen und sie anechlieeeend in Brennstoffkammern in einem Brennelement einzusetzen. Vie zuvor erwähnt, tritt während des Härtens und der Pyrolyse des organischen Harzes eine gewisse Schrumpfung auf, wobei diese Schrumpfung eine Herabsetzung der Dimensionen des Brennstoffkörpers während seines Überganges aus seinem grünen Zustand in seine fertige pyrolysierte Form zur Folge hat. Daher ermöglicht die Herstellung der Brennstoffkörper in einer Form eine genauere Anpassung der Brennstoffkörper an die Dimensionen der Brenn-= kammer„ Die Brennstoffkörper, die in Formen hergestellt werden, können mittels irgendeines geeigneten Klebemittels an die Wände der Brennstoffkammer gebunden werden, beispielsweise mittels Stelnkohleiiteerpech oder eines hitsehärtbaren Harzes«,

Jede geeignete Vorrichtung zum Einspritzen des flüssigen Bindemittels in den Formhohlraum oder in die Brennkammer kann ver-

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wendet werden, Dabei kann man sich eineshydraulischen, pnauniatisohan oder mechanischen Druckee bedienen. Beispielsweise kann eine gewöhnliche Schmierpistole verwendet werden, wobei eine entsprechende Abdichtung zwischen ihr und der Form oder dem Brennelement bestehen muss. Die Einspeisvorrichtung muss nur dazu in der Lage sein, den Druck zur Vertilgung zu stellen, der dazu erforderlich ist, das fluide Bindemittel in den Brennstoffkörper in seiner gesamten Länge einzupressen. Der erforderliche Druck ist eine Punktion der Länge des Brennstoffkörpers, der Viskosität des fluiden Bindemittels und der Grosse sowie der Packungsdichte der Brennstoffteilchen. Zur Herstellung von Brennstoffkörpern mit einer Länge von 38 - 76 cm (15 - 30 inches) und einem Durchmesser von 1,2 cm (1/2 inch) liegen die erforderlichen Drucke zwischen ungefähr 35,2 und ungefähr 98,4 kg/cm (500 - 1400 psi). Zur Herabsetzung der Füllzeiten können in bestimmten fällen auch höhere Drucke angewendet werden.

Wird ein Brennstoffkörper in einer Form aus rostfreiem Stahl hergestellt, dann bestehen hinsichtlich der Drucke keinerlei Beschränkungen, da eine derartige Form jedem Druck zu widerstehen vermag. Wird jedoch der Brennstoffkörper in situ hergestellt, beispielsweise in einer Kammer in einem Graphitblock, dann sollte die Viskosität des Bindemittels derart gesteuert werden, dass Brennstoffkörper mit einer vernünftigen Länge und einer vernünftigen Brennstoffdichte hergestellt werden können, ohne dass dabei die Gefahr besteht, dass eine Hissbildung an dem Graphitbrennelementteil auftritt, wodurch anschllessend eine Schädigung und/oder ein Versagen des Brennelements verursacht wird. Dia Viskosität lässt sich durch Auswahl des einges&ts-.teri Harzes, die Menge des zugesetzten Graphits oder der zugegeben&n Aktivkohle sowie durch die Temperatur, bei welcher das Bindemittel eingespritzt wird, steuern,, Wird das Bindemittel

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In sine Brennstoff kammer mit ainam rlngiörmigen Qusrsehnltt von. ungefähr 12,7 ma C1/2 inen) und einar I&ng® ύοά wöBlgstans 381 aaa (15 inches) eingespritzt, wobei die Brennkammer alsh In einem Block aus Graphit mit geeigneten Eigenschaften befindet, dann sollte die Viskosität des verwendeten Bindamitlala vorzugsweise nicht mehr als ungefähr 500 000 Centipoise betragen, ■

Bei der Herstellung des Brennstoff körpers Ia situ Innerhalb einer Kammer in einem porösen Graphitbrennalesant ist noch ein weiterer Gesichtspunkt au beachten. Ist die Brennkammer ziemlich lang, beispielsweise langer als ungefähr 508 um (20 inches), dann besitzt das Harz eine Neigung, In die Seitenwand der Brennkammer einzusickern. Ein auf diese Weise eintretender Bindemittelverlust kann eine ünglelchmässigkeit der fertigen Matrix zur Folge haben und ferner eine Blockierung innerhalb der Brennkammer verursachen, und zwar als Folge einer Anreicherung von Füllstoff an einer Stelle, an welcher eine merkliche Menge dee Harzes durch Heraussickern verlorengegangen ist.

Es wurde gefunden, dass dieses Problem dadurch gelöst werden kann, dass die innere Seltenwand der Brennstoffkammer mit einem geeigneten Harz» das vor der Beschickung mit den Brennstoff teilchen polymerisiert wird, abgedichtet wird. Im allgemeinen kann man dazu jedes hitzehärtbare Harz verwenden, beispielsweise ein Phenolharz oder Furfurylalkohol. Durch Behandeln der Seitenwände mit einer^ kohlenstoffhaltigen Substanz dieses Typs wird ein Heraussickern des Harzes aus dem Bindemittel verhindert, während die Porosität des Graphits gegenüber flüchtigen Bestandteilen nicht merklich verändert wird. Dies 1st insbesondere deshalb der Fall, da ein Harz in ähnlicher Weise eine Pyrolyse erleidet, und auf diese Weise die Poren, ir, welchen en sich befunden hat, weiter öffnet. Durch Behandeln der Brennstoffkammerseitenwand

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und durch Härtung des Harzes, mit welchem die Seitenwand behandelt worden ist, wird der Graphitkörper an der Stelle verfestigt, an welcher die Beanspruchungen während des Einsprltzens des Bindemittels am grössten sind. Daher erleichtert eine Behandlung mit einem derartigen hitzehärtbaren Harz nicht nur ein gleichmäeeiges Einspritzen des Bindemittels durch die ganze Länge der Kammer hindurch, sondern schafft auch eine zusätzliche Festigkeit, um den Beanspruchungen zu widerstehen, die durch den hohen Druck verursacht werden, unter welchem das Einspritzen durchgeführt wird.

Das folgende Beispiel erläutert verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung, ohne jedoch die Erfindung zu beschränken.

Beispiel

Spaltbare und brütbare Brennstoff teilchen, die Uran- und Thoriumdicarbide enthalten, werden hergestellt. Die Brennstoffteilchen sind Sphäroide mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 200 ji bzw. 400 ji. Die Brennstoff teilchen werden mit pyrolytischem Kohlenstoff durch Pyrolyse von gasförmigen Kohlenwasserstoffen hergestellt. Die beschichteten Brennstoffteilchen werden lose in den Hohlraum einer Form aus rostfreiem Stahl eingefüllt und zur Erzielung einer Dichte von ungefähre 64 Volumen-^ geschüttelt. Der Hohlraum besitzt eine länge von 381 mm (15 inches) und einen Durchmesser von 12,7 mm (1/2 inch).

Eine mit Harz gefüllte Mischung wi:cd hergestellt„ Diese Mischung enthält 70 Gewichts-?* eines speziellen verdünnten Pheaolformaldehydharzes (Plyophen 5023) _f 20 Gewichts·=·^ Graphit und 10 Gewiohts-jS Aktivkohle. Die Mischung besitzt sine Viskosität von ungefähr 500 OCO Centipoise. Weniger als 2 $> der Graphitteilchen

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sowie der Aktivkohleteilchen "besitzen eine Grosse von mehr als 30 u. Die Aktivkohle besitzt eine Oberfläche von 100Om /g, wie anhand der BEt-Stickstoffmethcde ermittelt wird. Dieses Harz er·» gibt einen Kohlenstoffrückstand, der ungefähr 55 - 60 # seines Gewichts ausmacht. .

Ein Ende der Form wird mit einer Einspritzvorrichtung verbunden. Diese Einspritzvorrichtung wird mit der Bindemittelmlsehung gefüllt, v/ährend das entgegengesetzte Ende des Hohlraumes mit einer porösen Platte verschlossen wird. Diese Platte ermöglicht ein Entweichen von Gas, verschliesst jedoch den Hohlraum im _; übrigen vollkommene Die Einspritzvorrichtung besteht aus einer Düse, welche gegen das eine Ende der Form abgedichtet ist, sowie aus einem Vorratsbehälter, in welchen das Bindemittel gefüllt wird. Diese beiden Teile der Vorrichtung sind mit einer Zwischen« kammer über Steuerventile verbunden. Ein Kolben, der mit eisern doppelt wirkenden hydraulischen Zylinder verbunden ist, bewegt sich innerhalb der Zwischenkammer hin und her. Die Zwischenkam-» mer wird durch Abziehen des Kolbens, wobei das Bindemittel aus dem Vorratsbehälter in die Zwischenkamnier flieset, gefüllt. Dann wird durch Bewegen des Kolbens in der entgegengesetzten Richtung die mit Harz gefüllte Mischung durch die Düse unter Druck in den Hohlraum gepresst. Dieser Druck reicht dazu aus, dass die Mischung durch die Leerstellen des gepackten Bettes : fliesst und diese Leerstellen zwischen den beschichteten Teilchen aus Kernbrennstoff ausfüllt. Das Fliessen des viskosen Bindemittels erfolgt In notwendiger Weise sehr langsam, so dass die ganze Kraft des hydraulischen Zylinders ausgeschöpft werden muss. Zum Füllen erreicht der Druck in der Düse einen Wert von ungefähr 67,5 kg/cm² {960 psi). Ein vollständiges Füllen des V FormliohXraumes dauert ungefähr 30 Minuten.

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Ein Brennelementteil in Form eines Blockes aus Graphit mit einem ringförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von ungefähr 76 mm (3. inches) und einer Länge von 787 mn (31 inches) wird mit 4 Brennkammern versehen, wobei jede ungefähr einen Durchmesser von 12,7 mm (1/2 inch) und eine Länge von 762 mm (30 inches) besitzt. Die Zentren dieser Kammern liegen symmetrisch auf einem Kreis mit einem Radius von ungefähr 19,0 mm (3/4 inoh). Die Achsen der 4 Brennkammern verlaufen parallel zu der Achse des Graphitzylinders. Der Graphit besitzt eine Porosität von ungefähr 0,1 cm /Sekunde, gemessen mit Helium bei 20⁰C sowie unter einem Druck von 1/2 Atmosphäre. Der Stab mit den 4 Brennkammern, die in ihm gebildet sind, wird in ein Bad aus einer Mischung eingetaucht, die aus 10 Mol Furfurylalkohol und 1 Mol Maleinsäureanhydrid besteht, wobei die Eintauchzeit 120 Minuten beträgt. Dann wird der Stab entfernt, abtropfen gelassen und 90 Minuten lang zur Härtung des Harzes auf 100⁰C erhitzt.

Die 4 Brennkammern werden ans GhIi es send mit beschichteten Brennstoff teilchen auf eine Dichte von ungefähr 64 Volumen-^ in der ., gleichen Welse wie die zuvor beschriebene Form gefüllt.

Die vorstehend beschriebene Mischung aus Phenolharz» Graphit und Aktivkohle, wird gleichzeitig in die 4 Brennkammern unter Verwendung der gleichen Einspritzvorrichtung eingespritzt. Auch in diesem Falle erreicht der Düsendruck ungefähr 67,5 kg/cm (960 psi). Das Füllen aller 4 Brennkammern dauert ungefähr 1 1/2 Stunden.

Sowohl die Form als auch der Brennelementteil, die nunmehr mit Teilchen und Bindemittel gefüllt sind, werden anschliessend in einen Ofen gegeben und ungefähr 16 Stunden lang auf eine Temperatur von ungefähr 9O⁰C erhitzt, worauf 4 Stunden lang bei einer Temperatur von 120⁰C erhitzt wird. Dabei wird das Harz gehärtet.

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Während des Erhitzens werden die Enden der Brennkammern verschlossen» im ein axiales AusfHessen des Bindemittels aus den Kammern zu verhindern. Die ziemlich kleine Menge an flüchtigen Bestandteilen, die erzeugt werden, wird aus dem grünen Brennkörper in den Hohlraum über poröse Verschlüsse an jedem Ende der Form entweichen gelassen.

Nach Beendigung des Erhitzens werden die Form und der Brennelementabschnitt langsam auf Zimmertemperatur abkühlen gelassen. Der gehärtete Brennkörper wird aus dem Formhohlraum, entfernt und ™ in eine Halterung aus porösem Graphit eingesetzt, Die Halterung besitzt die Form eines geschlitzten Rohres aus porösem Graphit mit einem inneren Durchmesser, der gegenüber dem äusseren Durchmesser des gehärteten Brennkörpers leicht überdimensioniert ist. Die Enden der aus einem geschlitzten Rohr bestehenden Halterung werden verschlossen. Nachdem die Halterung in ein entsprechendes Loch in einem Behälter eingeführt worden ist, werden Endverschlüsse auf jedes Ende aufgeschraubt, um die Enden des Brennkörpers während der Pyrolyse zu arretieren.

Der Behälter plus Brennstoffelementteil werden erneut in einen Ofen gegeben, worauf mit der Pyrolyse in einer trockenen Stiok- m stoffatmosphäre begonnen wird. Dabei wird ein leichter Temperaturanstieg über den Bereich hinweg, in welchem der Hauptteil der Zersetzung erfolgt, aufrechterhalten, um zu verhindern, dass übermässige Mengen an flüchtigen Bestandteilen entweichen, wodurch möglicherweise eine Zerstörung der gebildeton Matrix erfolgen könnte. Die Temperatur wird während einer Zeitspanne von mehr als 1 Stunde auf ungefähr 15O⁰C erhöht. In den nächsten 3 Stunden wird die Temperatur auf 250°0 gebracht. Der Temperaturanstieg wird dann auf ungefähr 10⁰C pro Stunde verlangsamt _t so dass eo ungefähr 25 Stunden oder mehr dauert, bis 5OO°C erreicht

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sind. In den nächsten 3 Stunden wird die Temperatur auf 600⁰C erhöht, worauf eine Geschwindigkeit von ungefähr 50°G pro Stunde eingehalten wird, so dass in 6 Stunden 9OO°C erreicht sind. Die !Temperatur wird 1 Stunde lang auf 900^eC gehalten, worauf der. Ofen langsam abkühlen gelassen wird. Während einer Zeitspanne von ungefähr 7-8 Stunden wird auf Zimmertemperatur abkühlen gegelassen. Nach Beendigung dieser Zeitspanne wird der oarbonisierte Brennkörper aus der porösen Haltevorrichtung entnommen.

Eine Untersuchung des Brennkörpers zeigt, dass er gleichmässig ausgebildet ist und sehr gut für eine Verwendung in einem Kernreaktor geeignet ist. Sine Untersuchung zeigt ferner, dass der Brennelementabschnitt frei von Rissbildung ist und sich in einem guten Zustand befindet. Das Gefüge eignet sich in der vorliegenden Form für eine Verwendung in einem Kernreaktor.

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Claims

- 16 Patentansprüche

1,1 Verfahren zur flerstellung eines festen Kembrennstoffkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kammer, welche die ungefähre Grosse und Form des gewünschten Brennkörpers besitzt, verwendet wird, die Kammer mit dem Kernbrennstoff in Form von Einzelteilchen in der gewünschten Dichte beschickt wird, ein fluidee Bindemittel unter Druck in die gefüllte Kammer in der Weise eingepresst wird, dass das Bindemittel durch die eingefüllten Teilchen aus Kernbrennstoff flieset und gleichmässig die Kammer füllt, indem es die Leerstellen zwischen den Brennstoff teilchen einnimmt, und das gleichmässige Aggregat aus Brennstoff teilchen und Bindemittel auf eine zur Pyrolyse des Bindemittels und zur Bildung e.nes festen Brennstoffkörpers ausreichende Temperatur eine entsprechende Zejt lang erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Kammer ein Hohlraum in einem Kernbrennstoff elementteil ist j der aus einem feuerfesten Material mit einer Porosität besteht, die dazu ausreicht, dass ein Durchgang von !flüchtigen Bestandteilen möglich ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennelementteil aus Graphit mit diner Porosität von wenigstens ungefähr 0,1 cm²/Sekund«, gemessen unter Verwendung von Heliuia bei 20⁰C sowie unter einem Druck von 1/2 Atmosphäre, besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Bindemittel ein hitzehärtbaree Harz enthält, das einen höhen Feststoff gehalt aufweist, wobei dieses Harz nach der Verkohlung wenigstens ungefähr 50 Kohlenstoff hinterlässt.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daes das verwendete Bindemittel ein hitzehärtbares Harz enthält» wobei das Harz in der Kammer gehärtet wird und das Aggregat aus gehärtetem Bindemittel und Teilchen aus der Kammer entfernt und in einer dicht angepassten Haltevorrichtung aus einem porösen Material pyrolysiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Wandoberfläche der Kammer Bit einen Abdichtungsmittel zum Versehliessen der Poren vor der Einfüllung der Teilchen und vor dem Einspritzen des Bindemittels behandelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, daduroh gekennzeichnet» dass als Abdichtungsmittel eine organische Substanz verwendet wird» die während der Pyrolyse des Bindemittels pyrolysiert.

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