DE60112853T2

DE60112853T2 - Aluminium Verbundmaterial, Al-Verbundpulver und Verfahren zu seiner Herstellung, und Herstellungsverfahren für Speicher für abgebrannte Brennelemente.

Info

Publication number: DE60112853T2
Application number: DE60112853T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hyogo-ku Murakami; Kazumi Hyogo-ku Ogura; Toyoaki Nishi-ku Yasui
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: US20020021779A1; TW497104B; EP1172449A1; ES2244566T3; EP1172449B1; DE60112853D1; US6726741B2; ATE302859T1; JP2002022880A; KR20020006492A; KR100439386B1; JP3207841B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Material, das bei der Herstellung eines Lagerungselements für abgebrannten Kernbrennstoff zu verwenden ist, umfassend ein Behälter oder einen Ständer. Solch ein abgebranntes Brennelementteil wird verwendet, um eine Anordnung für abgebrannten Kernbrennstoff nach dem Abbrennen aufzubewahren und zu lagern. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Materials.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Kernbrennstoffanordnung, welche nach Abbrennen in dem Endstadium des Kernbrennstoffzyklus nicht mehr verwendbar ist, wird abgebrannter Kernbrennstoff genannt. Dieser abgebrannte Kernbrennstoff wird gelagert und gehandhabt in einer Lagereinrichtung bis zu dem Zeitpunkt der Wiederaufbereitung. Zum Beispiel werden in diesem Stufenverfahren, das einen Kernbrennstoffecken nutzt, SUS-Ständer, welche quadratische Rohre bündeln, in den Becken eingetaucht und abgebrannte Brennstoffanordnungen werden in die quadratischen Rohre gesetzt, um den Erfordernissen der Kühlwirkung, der Abschirmwirkung und subkritischen Bedingung zu genügen.
In letzter Zeit ist Bor häufig zu Edelstahl zugesetzt worden, um die quadratischen Rohre herzustellen, welche Ständer ergeben. Konventionell wird ein Neutronenabsorbtionsmittel zwischen den quadratischen Rohren der Ständer bereitgestellt. Hingegen ist ein solches Neutronenabsorbtionsmittel nicht erforderlich, wenn quadratische Rohre aus Bor-versetztem Edelstahl verwendet werden. Dementsprechend kann eine Lücke oder Abstand zwischen anliegenden quadratischen Rohren vermindert werden und die Anzahl von quadratischen Rohren, die in die Beckengrube eingesetzt werden können, kann vergrößert werden. Folglich kann die Lagerkapazität von abgebrannten Brennstoffanordnungen erhöht werden.
Solche quadratischen Rohre können in verschiedenen Lagersystemen wie einem Behälter, horizontalem Silo, Becken und Brett benutzt werden. Hingegen, selbst beim Herstellen von Rohren beispielsweise lediglich für Ständer, ist die Anzahl von Rohren, die herzustellen ist, groß. Dementsprechend ist eine Technologie mit einer großen Anzahl von quadratischen Rohren gefragt, die effizient hergestellt werden können. Um die aus den abgebrannten Brennstoffanordnungen erzeugten Neutronen sicher zu absorbieren, muss die Struktur der quadratischen Rohre robust sein.
Neben Ständern aus quadratischen Rohren werden Ständer auch verwendet, die aus flachen Platten gemacht sind, um abgebrannte Brennstoffanordnungen zu lagern. Eine Technologie, mit der eine große Anzahl dieser flachen Platten effizient hergestellt werden kann, ist ebenso entsprechend gefragt. Weiterhin sind die abgebrannten Brennstoffanordnungen, die in einem Druckwasserreaktor (PWR) erhalten werden, schwer. Daher müssen Ständer, die solche Anordnungen aufnehmen und lagern noch stärker sein.
Dokument EP 1 083 240 A , welches eine europäische Patentanmeldung gemäß Artikel 54(3) EPÜ ist, und Dokument DE 43 08 612 A offenbaren Aluminiumkompositmaterialien, welche verwendet werden können zur Herstellung von Körben und Behältern zum Aufnehmen von abgebranntem Kernbrennstoff.
Dokument US 4,605,440 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Borcarbid-Aluminiumkomposits.
Dokument JP 10 195567 A offenbart ein selbstschmierendes Material, das aus einem Gemisch einer Aluminiumlegierung und anderen Partikeln besteht. Dieses Material ist zur Verwendung bei der Herstellung von Fahrzeugmotorkomponenten wie Schrauben oder Nieten vorgesehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Material bereitzustellen, durch dessen Verwendung stärkere Lagerungselemente für abgebrannten Kernbrennstoff in einer großen Anzahl hergestellt werden können.
Das Aluminiumkompositpulver gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird erhalten durch Einsetzen von mechanischem Legieren und Dispergieren von Neutronenabsorptionsmittel und dritten Partikeln, zusammengesetzt aus Oxid, Nitrid, Carbid oder Borid basierend auf mechanischem Legieren in einer Aluminiummatrix.
Das Neutronenabsorbtionsmittel, das in der Aluminiummatrix absorbiert ist, wirkt, um die Desorientierung (slipping) in der Kristallkörnchengrenze zu blockieren und das Material zu verstärken. Der dritte Partikel, zusammengesetzt aus Oxid oder dergleichen wird in der Aluminiummatrix dispergiert und fördert weiter die Blockierwirkung der Kristallpartikeldesorientierung (crystal slipping), so dass die Materialstärke weiter erhöht wird. Der Gehalt des dispergierten dritten Parikels ist 0,1 Gew.-% oder mehr gegen 30 Gew.-% oder weniger. Weiterhin ist die mittlere Partikelgröße des dritten Partikels, der in die Aluminiummatrix zugegeben wird, 0,01 μm oder mehr bis 10 μm oder weniger. Ferner ist der Gehalt des Neutronenabsorptionsmittels 1 Gew.-% oder mehr bis 20 Gew.-% oder weniger. Die mittlere Partikelgröße des Neutronenabsorptionsmittelpulvers, das zuzugeben ist, wird mit 0,01 μm oder mehr bis 100 μm oder weniger bevorzugt.
Das Herstellungsverfahren von Aluminiumkompositpulver gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte des Mischens von Aluminiumpulver als Matrixmaterial, Neutronenabsorptionsmittel und drittem Partikel, zusammengesetzt aus Oxid, Nitrid, Carbid oder Borid und Dispergieren des Grundneutronenabsorptionsmittels und dritten Partikels in der Aluminiummatrix durch mechanisches Legieren des gemischten Pulvers.
Unter mechanischem Legieren wird das Aluminium zerbröckelt, plattiert und abgeflacht. Daneben wird das Neutronenabsorptionsmittel wie B auch fein durch mechanisches Legieren bzw. Mischen geschliffen und wird gleichförmig in der geglätteten Aluminiummatrix dispergiert. Schließlich werden diese Flachpartikel gebunden, um gewöhnliche Partikel zu bilden. Als Ergebnis wird Kristalldesorientierung (crystal slipping) von Aluminium verhindert und eine ausreichende Stärke erhalten und weiterhin bei der Erfindung ist der dritte Partikel, der aus Oxid oder dergleichen zusammengesetzt ist, fein geschliffen und dispergiert in der Aluminiummatrix. Der dispergierte dritte Partikel wird betrachtet als die Blockierwirkung von Kristalldesorientierung (crystal slipping) zu fördern. Das Alμminiumkompositpulver, das bei dem Verfahren hergestellt wird, erhält eine sehr große Stärke.
Weiterhin können die Schritte des Ausbildens eines Oxidfilms vorher an der Oberfläche des Aluminiumpulvers und Mischen des Oxidfilms, der an der Oberfläche des Aluminiumpulvers als Oxid gebildet ist, in das Kompositpulver durch mechanisches Legieren zugefügt werden. Wenn das Oxid als dritter Partikel verwendet wird, wird das Oxid nicht getrennt zugegeben, sondern wird vorher als ein Oxidfilm an der Oberfläche des Aluminiumpulvers ausgebildet und dieser Oxidfilm wird abgeschält und geschliffen zum Zeitpunkt des mechanischen Mischens und dispergiert in der Matrix als dritter Partikel. Daher kann es die Arbeit des Herstellens des dritten Partikels oder des Schrittes von seiner Zugabe so ersparen, dass das Aluminiumkompositpulver leicht hergestellt werden kann.
Das Aluminiumkompositmaterial der vorliegenden Erfindung wird erhalten durch Beinhalten eines Neutronenabsorptionsmittels und dritten Elements, zusammengesetzt aus Oxid, Nitrid, Carbid oder Borid in der Aluminiummatrix. Wie oben erwähnt, sind sie durch Dispergieren von feinem Neutronenabsorptionsmittel und drittem Partikel gleichförmig in der Aluminiummatrix effizient, um Aluminiumkörnchengrenzdesorientierung (slipping) zu blockieren und die Stärke des Materials zu erhöhen. Durch Sintern solcher Aluminiummatrixpulver sind das Neutronenabsorptionsmittel und dritte Element in dem Material so enthalten, dass die Stärke dramatisch verbessert werden kann. Die Sinterverfahren umfassen atmosphärisches Sintern, Vakuumsintern, Entladungssintern und andere und das Ausführen kann auch vor dem Sinterprozess geschehen. Solches Aluminiumkompositmaterial kann in dem Korb zum Beinhalten von Anordnungen abgebrannten Brennstoffs verwendet werden. Der Korb ist zusammengesetzt durch Aufstellen von quadratischen Rohren oder alternierendem Kombinieren von Plattenteilen.
In dem Aluminiumkompositmaterial ist der Gehalt des dritten Partikels 0,1 Gew.-% oder mehr bis 30 Gew.-% oder weniger. Weiterhin ist es vorzuziehen, dass die mittlere Partikelgröße 0,01 μm oder mehr bis 10 μm oder weniger ist. Weiterhin ist der Neutronenabsorptionsmittelgehalt 1 Gew.-% oder mehr bis 20 Gew.-% oder weniger.
Bevorzugtere Ergebnisse werden erhalten werden, wenn die mittlere Partikelgröße des Neutronenabsorptionsmittelpulvers, das zuzugeben ist, 0,01 μm oder mehr bis 100 μm oder weniger ist. Die Gründe dieser Effekte werden in der folgenden Beschreibung der Ausführungen erklärt werden.
Das Herstellungsverfahren eines Lagerungselements für abgebrannten Kernbrennstoff gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte des Mischens von Aluminiumpulver, Neutronenabsorptionsmittelpulver und drittem Element, zusammengesetzt aus Oxid, Nitrid, Carbid oder Borid, Ausführen des Mischpulvers, Einkapseln des vorgeformten Materials und Sintern des eingekapselten vorgeformten Materials.
Zuerst werden Aluminiumpulver, Neutronenabsorptionsmittel und dritter Partikel vermischt und das gemischte Pulver wird vorgeformt. Durch das Vorformen kann die Varianz von sich bildender Dichte unterdrückt werden. Nachfolgend wird das vorgeformte Material eingekapselt und gesintert. So werden Barren hergestellt, die das Lagerungselement für abgebrannten Kernbrennstoff bilden. Um Barren aus der Packungsverkapselung herauszunehmen, kann das Äußere oder Ende der Verkapselung geschliffen werden. Vorzugsweise wird das Sinterungsverfahren durch Heißpress- oder isostatisches Heißpressverfahren (HIP) durchgeführt. Daneben können Pseudo-HIP oder atmosphärisches Sintern auch eingesetzt werden. Lagerungselemente für abgebrannten Kernbrennstoff umfassen quadratische Rohre um einen Korb zusammenzusetzen oder Plattenteile um einen Flachplattenständer zusammenzusetzen.
Das Herstellungsverfahren eines Lagerungselements für abgebrannten Kernbrennstoff gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte des Mischens und mechanischen Mischens von Aluminiumpulver, Neutronenabsorptionsmittelpulver und drittem Element, bestehend aus Oxid, Nitrid, Carbid oder Borid und atmosphärisches Sintern oder Vakuumsintern des gemischten Pulvers.
Daher kann der Verkapselungsschritt weggelassen werden und das atmosphärische Sintern oder Vakuumsintern können ausgeführt werden. Durch Weglassen des Verkapselungsschritts ist Bearbeiten wie Schleifen von außen nicht nach atmosphärischem Sintern oder Vakuumsintern notwendig. Daher können Barren leicht hergestellt werden. Vorzugsweise wird das Sinterungsverfahren durch Vakuumheißpressen gemacht. Daneben kann Vakuumpseudo-HIP auch möglich sein. Durch Ausführen des Sinterungsverfahrens durch Vakuumheißpressen, welches billig ist, und von hoher Qualität können Lagerungselemente für abgebrannten Kernbrennstoff hergestellt werden.
Das Herstellungsverfahren von Lagerungselementen für abgebrannten Kernbrennstoff gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte des Mischens von Aluminiumpulver und Neutronenabsorptionsmittelpulver, einen Schritt des Ausbildens eines vorgeformten Materials durch kaltes isostatisches Pressen und Entladungssintern des vorgeformten Materials.
Durch Entladungssintern des vorgeformten Materials kann Sintern in einer kürzeren Zeit, verglichen mit gewöhnlichem Sintern vorgeformt werden. Dementsprechend können Lagerungselemente für abgebrannten Kernbrennstoff effizient hergestellt werden. Da das Einkapseln weggelassen wird, ist weiterhin Schleifen oder Bearbeiten von außen nicht erforderlich und Lagerungselemente für abgebrannten Kernbrennstoff können bei niedrigeren Kosten hergestellt werden. Vorzugsweise wird das Entladungssinterungsverfahren durch Plasmaentladungssintern gemacht. Durch die Entladungsenergie des Plasmasinterns wird der Passivierungsfilm von Aluminium entfernt und vorteilhaftes Sintern wird möglich. Neben dem Plasmaentladungssintern kann auch Hitzeplasmasintern angewandt werden.
Weiterhin kann ein Schritt des Ausbildens eines quadratischen Rohres oder eines Plattenmaterials zum Zusammensetzen eines quadratischen Rohres durch Extrusionsformen zugefügt werden. Auch ein Schritt zum Ausbilden einer Stange, die in ein Führungsrohr von abgebranntem Brennstoff einzuschieben ist, durch Extrusionsformen kann hinzugefügt werden. Bei diesen Verfahren können daher durch Extrudieren der hergestellten Barren, quadratischen Rohre oder Stangen leicht hergestellt werden als Lagerungsteile für abgebrannten Brennstoff. Die quadratischen Teile können nebenher direkt durch Extrusion ausgebildet oder durch Schweißen nach Extrudieren von Plattenteilen ausgebildet werden.
Das Mischverfahren kann weiterhin durch mechanisches Legieren ausgeführt werden. Das mechanische Legieren kann ausgeführt werden unter Verwendung verfügbarer Bohrwerke. Die Partikel werden graduell flach, wenn das Aluminiumpulver graduell im Bohrwerk plattiert wird. Das Neutronenabsorptionsmittel und dritter Partikel werden geschliffen durch das Bohrwerk und werden beträchtlich kleiner, verglichen mit der anfänglichen mittleren Partikelgröße und dann geknetet und dispergiert in die Aluminiummatrix. Nach mechanischem Legieren werden die flachen Partikel schließlich Partikel, die Neutronenabsorptionsmittel und dritten Partikel enthalten. Das Neutronenabsorptionsmittel kann daher fein und gleichförmig dispergiert werden und die mechanische Stärke von einem Lagerungsteil für abgebrannten Brennstoff kann erhöht werden.
Andere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen ersichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines quadratischen Rohrs.
2 ist ein Flussdiagramm, das das Herstellungsverfahren eines quadratischen Rohres gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung zeigt.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren eines quadratischen Rohres gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung zeigt.
4 ist ein Schema, das eine Struktur einer Vakuumheißpressmaschine zeigt, die bei diesem Herstellungsverfahren eines quadratischen Rohres verwendet wird.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren eines quadratischen Rohres gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung zeigt.
6 ist ein Schema, das eine Struktur einer Entladungsplasmasintermaschine zeigt, die bei diesem Herstellungsverfahren eines quadratischen Rohrs verwendet wird.
7 ist ein Schema, das die Struktur einer Attritormühle zeigt, die bei einem Herstellungsverfahren eines quadratischen Rohres gemäß einer vierten Ausführung der Erfindung verwendet wird.
8 ist eine vergrößerte Ansicht, die ein Hochenergiepulver zeigt, das durch mechanisches Legieren hergestellt ist.
9 ist ein schematisches strukturelles Schema einer pulverherstellenden Maschine zum Ausführen eines Herstellungsverfahrens gemäß einer fünften Ausführung der Erfindung.
10 ist ein exemplarisches Schema, das Pulver zeigt, welches hergestellt wird durch die Pulverherstellungsmaschine, die in 9 gezeigt ist.
11 ist eine Perspektivansicht, die eine Struktur eines Ständers vom Flachplattentyp zeigt.
12 ist ein erklärendes Schema, das eine Struktur einer Anordnung von abgebranntem Brennstoff zeigt.
13 ist eine Perspektivansicht, die eine Struktur eines Behälters zeigt.
14 ist eine schematische graphische Darstellung, die eine Al-Legierung zeigt, wenn sie mechanisch in einem spezifischen Zustand legiert wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Das Aluminiumkompositpulver, sein Herstellungsverfahren, Aluminiumkompositmaterial, das Lagerelement von abgebranntem Brennstoff und sein Herstellungsverfahren der Erfindung werden detailliert unten beschrieben unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen. Es muss hingegen angemerkt werden, dass die Erfindung nicht auf die veranschaulichten Ausführungen allein begrenzt ist.
In dem Aluminiumkompositmaterial einer ersten Ausführung der Erfindung wird neben B oder B-Verbindung ein dritter Partikel wie Oxid zugegeben und mechanisch legiert, so dass die Materialstärke verstärkt wird. Zu diesem Zweck werden in einen Behälter eine Attritormühle, Al oder Al-Verbindungspulver als Matrixmaterial, Pulver von B oder B-Verbindung als Neutronenabsorbtionsmittel und ein dritter Partikel, der Oxid, Nitrid, Carbid oder Borid enthält, beschickt.
Der Inhalt des dritten Partikels ist 0,1 Gew.-% oder mehr bis 30 Gew.-% oder weniger. Wenn kleiner als 0,1 Gew.-%, wird der Stärkeerhöhungseffekt nicht erhalten, oder wenn mehr als 30 Gew.-%, wird die Dehnung des hergestellten Materials erniedrigt. Die mittlere Partikelgröße des dritten Partikels der Al-Matrix ist 0,01 μm oder mehr bis 10 μm oder weniger. Wenn weniger als 0,01 μm, ist er sehr teuer am Markt und es wird schwierig, eine große Menge zu erhalten. Wenn mehr als 10 μm, so trägt er kaum zur Verbesserung der Materialstärke bei.
Der Gehalt an B oder B-Verbindung ist 1 Gew.-% oder mehr bis 20 Gew.-% oder weniger. Wenn weniger als 1 Gew.-%, wird die Neutronenabsorptionskapazität unzureichend oder wenn mehr als 20 Gew.-% werden Materialdehnung und -zähigkeit erniedrigt. Die mittlere Partikelgröße von B oder B-Verbindung ist 0,01 μm oder mehr bis 100 μm oder weniger. Wenn kleiner als 0,01 μm, ist sie teuer oder bei mehr als 100 μm wird die Stärke vermindert.
Neben B oder B-Verbindung kann jedes Element verwendet werden, das in der Lage ist, Neutronen zu absorbieren, wie Cd, Hf, Seltenerdelement oder ein anderes Element mit einem breiten Neutronenabsorptionsquerschnitt. Zum Beispiel wird in dem Fall eines Siedewasserreaktors (BWR) hauptsächlich B oder B-Verbindung verwendet, aber im Fall von PWR auf der anderen Seite wird Ag-In-Cd-Legierung verwendet. Die Zusammensetzung der Ag-In-Cd-Legierung ist allgemein 15 Gew.-% In und 5 Gew.-% Cd. Als das Seltenerdelement kann Eu, Sm oder Gd verwendet werden.
Beispiele von Oxid, das als dritter Partikel verwendet wird, umfassen Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂, MgO, TiO₂ und Cr₂O₃. Beispiele von Nitrid sind Si₃N₄ und BN. Beispiele von Carbid sind SiC, WC und Cr₃C₂. Beispiele von Borid umfassen ZrB₂. Der dritte Partikel ist nicht begrenzt auf diese Beispiele aber andere können, wie erforderlich, geeignet gewählt werden.
Verwendbare Beispiele von Al oder Al-Legierungspulver sind reines Aluminium (JIS 1xxx-Serien), Al-Cu-Aluminiumlegierung (JIS 2xxx-Serien), Al-Mg-Aluminiumlegierung (JIS 5xxx-Serien), Al-Mg-Si-Aluminiumlegierung (JIS 6xxx-Serien), Al-Zn-Mg-Aluminiμmlegierung (JIS 7xxx-Serien) Al-Fe-Aluminiumlegierung (Fe-Gehalt von 1 bis 10 Gew.-%) und Al-Mn-Aluminiumlegierung (JIS 3xxx-Serien), welche gewählt werden können, abhängig von dem erforderlichen Merkmal wie Stärke, Dehnbarkeit, Bearbeitbarkeit und Hitzeresistenz.
Als diese Beispiele von Al oder Al-Legierung wird abgeschrecktes und verfestigtes Pulver mit einer gleichförmigen und feinen Textur verwendet. Die Abschreck- und Verfestigungsverfahren zum Erhalten solcher abgeschreckter und verfestigter Pulver umfasst ein Einwalzenverfahren, Zweiwalzenverfahren, Zerstäubungsverfahren wie Luftzerstäubungsverfahren und Gaszerstäubungsverfahren oder andere bekannte Verfahren. Das Al-Legierungspulver, das durch ein solches Abschreck- und Verfestigungsverfahren erhalten wird, wird bevorzugt mit einer mittleren Partikelgröße von 5 bis 150 μm.
Spezifischer, wenn die mittlere Partikelgröße kleiner als 5 μm ist, ist das Pulver sehr fein und die Partikel aggregieren und formen einen großen Brocken von Partikeln und es gibt dort bereits eine Grenze bei der Herstellung durch ein Zerstäubungsverfahren (notwendig nur Feinpulver auszuwählen und zu verwenden, die Pulverherstellungsausbeute ist extrem erniedrigt und die Kosten sind erhöht) oder wenn die mittlere Partikelgröße 150 μm überschreitet, gibt es kein Abschrecken und Verfestigung mehr und daher gibt es Probleme einer Begrenzung bei der Herstellung durch Zerstäubungsverfahren und eine Schwierigkeit beim gleichförmigen Mischen mit Feinpartikelzusätzen. Die bevorzugteste mittlere Partikelgröße ist 50 bis 120 μm. Die Abschreckgeschwindigkeit des Abschreck- und Verfestigungsverfahrens ist 10²°C/Sek. oder mehr, vorzugsweise 10³°C/Sek. oder mehr.
Andererseits ist B oder B-Verbindung, die mit Al oder Al-Legierungspulver zu mischen ist, gekennzeichnet durch ein großes Absorptionsvermögen insbesondere von schnellen Neutronen. Bevorzugte B-Verbindungen, die in der Erfindung verwendbar sind, umfassen B₄C und B₂O₃. Insbesondere ist B₄C bevorzugt als Zusatzpartikel zum Strukturteil aufgrund großen Gehalts an B-Verbindung pro Gewichtseinheit, großem Neutronenabsorptionsvermögen in einer kleinen Menge und sehr hoher Härte.
Der dritte Partikel ist daher zusammengesetzt aus Oxid, Nitrid, Carbid oder Borid, aber kann auch andere Partikel enthalten. Zum Beispiel können als Zusatzelemente zum Ergeben hoher Stärke Zr oder Ti zugemischt werden.
Die so bei der vorgegebenen Geschwindigkeit beladenen Pulvermaterialien werden mechanisch legiert (MA) durch ein Attritormahlwerk. Neben dem Attritormahlwerk können ein allgemeines Walzwerk oder Schwingmühle verwendet werden. Durch MA wird das Al-Pulver oder Al-Legierungspulver durch die Kugeln zermahlen und plattiert und abgeflacht. Durch das MA-Verfahren werden B oder B-Verbindung und dritter Partikel fein geschliffen und gleichförmig in die Al-Matrix geknetet. Nach dem MA-Verfahren werden die flachen Partikel gewöhnliche Partikel, die Al oder Al-Legierung und dritte Partikel enthalten.
Durch Zugeben des dritten Partikels und Bearbeiten durch MA wird daher die Materialstärke dramatisch vergrößert. Spezifisch, verglichen mit dem Material, das gesintert und geformt ist durch Mischen unter Verwendung einer gewöhnlichen Mischmaschine (wie einem Querrotationsmischer (cross rotary mixer) oder V-Mixer) wird gefunden, dass die Stärke um ein dreifaches erhöht ist. Da B oder B-Verbindung von hoher Härte fein und gleichförmig in der Matrix dispergiert ist, wird nicht nur Aggregation von B verhindert, sondern die Extrusionsleistungsfähigkeit ist daher verstärkt. Es ist daher auch effizient zum Vermindern des Verschleißes der Extrusionsdüse.
Wenn der dritte Partikel zugegeben wird, kann ein Oxidfilm auf der Oberfläche des Partikels ausgebildet werden durch vorheriges Oxidieren des Al-Pulvers oder Al-Legierungspulvers und der Oxidfilm kann fein in dem MA-Verfahren zerrieben werden, um in die Al-Matrix zu dispergieren. Das Oxidationsverfahren von Al-Pulver oder Al-Legierungspulver geschieht durch Erhitzen des Materialpulvers in der Atmosphäre. Das heißt, Al-Pulver oder Al-Legierungspulver wird in einen Heizbehälter gesetzt und gerührt unter Erhitzen bei 400°C bis 500°C. Durch Fortsetzen dieses Vorgangs für mehrere Stunden kann ein genügender Oxidfilm an der Oberfläche des Al-Pulvers oder Al-Legierungspulvers ausgebildet werden.
1 ist eine Querschnittsansicht eines quadratischen Rohres, das als Lagerteil von abgebranntem Brennstoff verwendet wird. Dieses quadratische Rohr 1 hat einen Querschnitt und ist gefertigt aus der Al-Legierung, die in der ersten Ausführung hergestellt ist. 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren des quadratischen Rohres zeigt, das in 1 gezeigt ist. Zuerst wird Al-Legierungspulver in dem Verfahren gebildet, das in der ersten Ausführung gezeigt ist (Schritt S201).
Als nächstes wird unter Einsetzen des Kompositpulvers in ein Gummigehäuse es auf 10^–2 Torr evakuiert und unter Vakuum mit einem luftdichten Klebeband abgedichtet und ein Hochdruck wird gleichförmig aus allen Richtungen bei gewöhnlicher Temperatur durch CIP (kalte isostatische Presse) zum Vorformen angewandt (Schritt S202). Der Formungsdruck von CIP ist 100 MPa bis 200 MPa. Durch das CIP-Verfahren wird das Volumen des Pulvers um etwa 20% vermindert und der Durchmesser des vorgeformten Materials wird 600 mm und die Länge ist 1500 mm. Durch Anwenden von Druck gleichförmig aus allen Richtungen durch das CIP wird ein ausgebildetes Material von hoher Dichte erhalten, das gering bei Fluktuation sich ausbildender Dichte ist.
Anschließend wird das vorgeformte Material im Vakuum in einer Aluminiumverkapselung abgedichtet (nahtlose Alμminiumlegierungsverkapselung: JIS 6063). Die Verkapselung wird auf etwa 10^–4 Torr evakuiert und auf 300°C geheizt (Schritt S203). Bei diesem Entgasungsvorgang können Gasverbindungen und Feuchtigkeit entfernt werden. Im nächsten Schritt wird das evakuierte und entgaste Material durch HIP reformiert (heiße isostatische Presse) (Schritt S204). Die Bildungsbedingung von HIP ist eine Temperatur von 400°C bis 450°C, eine Dauer von 30 Sekunden und ein Druck von 6000 Tonnen und das gebildete Material wird definiert als 400 mm Durchmesser aufweisend.
Um die Verkapselung zu entfernen, werden das Äußere und die Stirnseite geschliffen durch Bearbeitung (Schritt S205) und der heiße Barren wird heiß extrudiert unter Verwendung eines Buchsenextruders (Schritt S206). In diesem Fall ist die Extrusionsbedingung eine Heiztemperatur von 500°C bis 520°C und eine Extrusionsgeschwindigkeit von 5 m/Min. Die Bedingung kann geeignet geändert werden abhängig von dem Gehalt an B.
Nach Extrusionsformen und Glätten durch Zug (Schritt S207), werden ein nicht stationärer Teil und ein Auswertungsteil abgeschnitten und das Produkt wird erhalten (Schritt S208). Ein vervollständigtes quadratisches Rohr 1 hat eine Quadratform wie gezeigt in 1, wobei eine Seite des Querschnitts 162 mm ist und innen 151 mm ist.
In diesem Beispiel wird der Extruder mit Buchsentyp mit hoher Kompressionsgeschwindigkeit und geeignet zur Extrusion mit komplizierter Form von Aluminium oder anderen weichen Material verwendet, aber der Extruder ist nicht auf diesen Typ beschränkt. Zum Beispiel kann ein fester oder sich bewegender Dorntyp eingesetzt werden. Neben direkter Extrusion kann hydrostatische Extrusion angewandt werden und sie kann geeignet gewählt werden innerhalb eines möglichen Bereichs für den Anwender. Durch das HIP ist eine annähernde Netzformausbildung möglich, aber unter Berücksichtigung eines nachfolgenden Extrusionsschrittes kann es durch ein Pseudo-HIP ersetzt werden und eine ausreichende Präzision kann sichergestellt werden. Spezifisch wird ein Keramikgranulatmaterial als Drucktransfermedium in die Düse geladen, um in uniaxialer Richtung umfasst zu sein und gesintert zu werden. Durch dieses Verfahren kann auch ein vorteilhaftes quadratisches Rohr 1 hergestellt werden.
Anstelle der HIP kann eine Heißpresse verwendet werden. Der Heißdruck ist ein Verfahren des Sinterns durch uniaxialen Druck durch Erhitzen einer hitzebeständigen Düse. In diesem Fall wird bei dem Heißpressvorgang das vorgeformte Material in einer Verkapselung abgedichtet und evakuiert und entgast und wird bei 400°C bis 450°C erhitzt für eine Dauer von 10 Sekunden bis 30 Sekunden und bei 6000 Tonnen unter Druck gesetzt. Durch das nachfolgende Extrusionsverfahren kann ein Barren von einer ausreichenden Qualität durch das Heißpressen hergestellt werden, aber wenn der Sinterzustand nicht befriedigend ist, abhängend von der Barrengröße oder anderer Bedingung, kann HIP nicht angewandt werden. Die Vorteile des Heißpressens sind hohe Produktivität bei niedrigen Kosten. Neben dem Heißpressen kann das atmosphärische Sinterverfahren auch möglich sein. Der CIP-Schritt kann weiterhin weggelassen werden. In diesem Fall spart das die Arbeit des Einsetzens in ein Gummigehäuse und die Herstellung des quadratischen Rohres ist erleichtert.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren eines quadratischen Rohres 1 gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung zeigt. Wie in dem Diagramm gezeigt, liegt das Merkmal dieses Herstellungsverfahrens eines quadratischen Rohres 1 in der Verwendung einer Vakuumheißpresse (Vakuumheißpressvorgang: S303) anstelle des Verkapselungsversiegelns und Evakuierens, Heiz- und Entgasungsschritts (S203), HIP-Schritts (S204) und äußeren und endseitigen Schleifschritts (S205). Die anderen Schritte sind dieselben wie in einer zweiten Ausführung und die Erklärung wird weggelassen (Schritte S301, S302, S304 bis S306).
4 ist ein Diagramm, das eine Struktur einer Vakuumheißpressmaschine zeigt, die in diesem Herstellungsverfahren eines quadratischen Rohres verwendet wird. Diese Vakuumheißpressmaschine 10 ist zusammengesetzt aus einer Düse 11 und einem Düsenring 12, einem Fuß 13 und einem Stempel 14, angeordnet in der Düse 11. All diese Teile sind aus Graphit gefertigt. In der Formungskammer, bestehend aus Düsenring 12, Fuß 13 und Stanze 14, wird das vorgeformte Material P eingefügt, das in dem CIP-Vorgang hergestellt ist. Die Düse 11 ist umgeben von einer Graphitheizung 15.
Der Düsenring 12, Fuß 13 und Stempel 14 werden in einem Vakuumgefäß behaust. Das Vakuumgefäß 16 ist versehen mit einer Pumpe 17 zum Evakuieren. Der Stempel 14 wird angetrieben durch einen Hydraulikzylinder 18 der an der Spitze des Vakuumgefäßes 16 vorgesehen ist. Der Düsenring 12 wird angeordnet in der Düse 11, da es leichter ist, den Barren nach Unter-Druck-Setzen auszuziehen. Der Innendurchmesser der Düse 11 ist etwa 350 mm. Beim tatsächlichen Heißpressvorgang wird ein Schmiermittel angewandt und gesprüht auf gleitende Teile. Als Schmiermittel kann BN (Bornitrid) mit einer hervorragenden Schmiermittelleistungsfähigkeit verwendet werden. In diesem Beispiel wird einseitige Extrusion gezeigt aber zweiseitige Extrusionsverfahren oder Treibverfahren können auch eingesetzt werden.
Zum Vakuumheißpressen nach Anwenden des Schmiermittels in der Düse 11 wird das vorgeformte Material P eingefügt und der Stempel 14 darauf gesetzt. Das Vakuumgefäß 16 wird auf einen spezifischen Druck evakuiert und die Kammer wird auf 400°C bis 500°C durch die Graphitheizung 15 erhitzt. Der spezifische Temperaturbereich wird für 30 bis 60 Minuten aufrechterhalten und das Unterdrucksetzen wird bei etwa 200°C begonnen. Nach Unterdrucksetzen und Sintern des vorgeformten Materials P wird es herausgenommen zusammen mit der Düse 11 aus dem Vakuumgefäß 16 und der Barren B wird von der Düse 11 getrennt. Zu diesen Zeitpunkt wird der Barren B von außen extrudiert und der Düsenring 12 wird auch leicht herausgedrückt zusammen mit dem Barren B, so dass der Barren B leicht herausgenommen werden kann. Der entfernte Barren B wird extrudiert im nächsten Extrusionsschritt (S304) und gerichtet durch Zugspannung (Schritt S305) und abgeschnitten (S306) und ein quadratisches Rohr 1 wird als Endprodukt erhalten.
Gemäß diesem Herstellungsverfahren eines quadratischen Rohres 1 wird Verkapseln in eine Verkapselung weggelassen und der Barren B wird unter Verwendung einer Vakuumheißpresse ausgebildet und daher wird (1) Kostenaufwand der Verkapselung eingespart, (2) der Schneidschritt zum Entfernen der Verkapselung (Schritt S205) wird weggelassen und (3) das verbundene Herstellungsverfahren (Schritt S2207) kann weggelassen werden. Daher kann das quadratische Rohr 1 bei niedrigen Kosten hergestellt werden.
5 ist ein Flussdiagramm, das das Herstellungsverfahren eines quadratischen Rohres gemäß einer vierten Ausführung der Erfindung zeigt. Wie in dem Diagramm gezeigt, liegt das Merkmal dieses Herstellungsverfahrens eines quadratischen Rohres 1 in der Verwendung von Entladungsplasmasintern (Entladungsplasmasintervorgang: Schritt S503) anstelle von Versiegeln und Evakuieren, Heiz- und Entgasungsschritt (S203), HIP-Schritt (S204) und äußerer und stirnseitiger Schleifschritt (S205). Das Entladungsplasmasintern ist dazu da, unter Druck durch Nutzen von Entladungszündfunkenenergie eines flüchtigen Lichtbogenentladungsphänomens zu sintern. Die anderen Schritte sind dieselben wie in der ersten Ausführung und die Erklärung wird weggelassen (Schritte S501, S502, S504 bis S506).
6 ist ein Diagramm, das die Struktur einer Entladungsplasmasintermaschine zeigt, die in diesem Herstellungsverfahren eines quadratischen Rohres verwendet wird. Die Entladungsplasmasintermaschine 20 umfasst eine Graphitdüse 21, obere und untere Stempel 22, 23, die auch als obere Elektrode und untere Elektrode dienen, eine Stromquelle 24 zur Anwendung eines Pulsstromes auf die oberen und unteren Stempel 22, 23, einen Regler 25 zum Regeln der Stromquelle 24, ein Vakuumgefäß 29 zum Aufnehmen der Düse 21 und Stempel 22, 23, eine Pumpe 26 zum Evakuieren des Vakuumgefäßes 29 und Hydraulikzylinder 27, 28 zum Antreiben der Stanzen 22, 23. Das vorgeformte Material P durch CIP wird eingesetzt in einer Formkammer, bestehend aus der Düse 21 und Stempeln 22, 23.
Das Entladungsplasmasintern ist leicht zum Kontrollieren der Sinterenergie und leicht handhabbar, neben weiteren Vorteilen, aber Hochgeschwindigkeitssintern ist sehr wichtig für dieses Herstellungsverfahren. In der Heißpresse zum Beispiel ist die Sinterzeit etwa 5 Stunden und sie ist nur etwa 1 Stunde bei diesem Entladungsplasmasintern. Aufgrund von Hochgeschwindigkeitssintern kann die Herstellungszeit verkürzt werden.
Beim Zustand des Entladungsplasmasinterns wird der Vakuumgrad in dem Vakuumgefäß 29 ist 10^–2 Torr und die Temperatur wird angehoben auf 500°C für etwa 10 Minuten. Dieser Temperaturbereich wird für 10 bis 30 Minuten beibehalten und ein Druck von 5 bis 10 Tonnen wird angewandt. Wenn ein Pulsstrom angewandt wird zwischen den Stempeln 22 und 23 wird der Entladungspunkt in dem vorgeformten Material P bewegt und dispergiert in der gesamten Oberfläche. Im Funkenentladungsteil ist die Temperatur hoch, lokal (1000°C bis 10000°C) und der intergranulare Kontaktpunkt wächst zu einer Oberfläche an, wodurch eine engste Stelle ausgebildet wird, um im fusionierten Zustand zu sein. Als Ergebnis, selbst in diesem Fall eines Aluminiummaterials, das einen Hartoxidfilm ausbildet, durch Sprühwirkung von Entladungsplasma, wird der Oxidfilm auf der Aluminiumoberfläche zerstört, so dass der Barren leicht gesintert werden kann.
Gemäß diesem Herstellungsverfahren von Quadratrohr 1 kann die Sinterzeit verkürzt werden verglichen mit dem Fall der Verwendung der Heißpresse. Da der passive Film von Aluminium zerstört ist durch Entladungswirkung wird außerdem das Sintern leicht.
Die Vorteile des Weglassens des Verkapselungsvorgangs sind dieselben wie in der zweiten Ausführung. Neben Entladungsplasmasintern kann ein Heißplasmasinterverfahren auch eingesetzt werden. Das Heißplasmasinterverfahren ist druckloses Sintern unter Verwendung von Plasmahitze von ultrahoher Temperatur. Es ist auch möglich, durch gewöhnliches Entladungssintern herzustellen.
Der Ständer zum Aufnehmen von Anordnungen abgebrannten Brennstoffs kann auch als flachen Platten ausgebildet sein anstelle von quadratischen Rohren. 7 ist eine Perspektivansicht, die einen Ständer, gebildet aus flachen Platten, zeigt. In diesem Flachplattentypständer 60 werden zunächst durch Extrudieren eines Barrens, hergestellt durch die Herstellungsverfahren der zweiten bis vierten Ausführungen, Plattenteile 61 von etwa 300 mm bis 350 mm Breite gebildet. Nachfolgend werden mehrere Schlitze 62 aufeinanderfolgend in jedem Plattenteil 61 ausgebildet. Die Plattenteile 61 werden miteinander vertikal und seitlich an den Schlitzen 62 in Eingriff gebracht und ein Gitterabschnitt wird ausgebildet. In dem Fall eines Flachplattentypständers 60, da die Plattendicke kleiner ist als beim Quadratrohrtyp ist unterdessen die Menge von B, die zu dispergieren ist, im Al etwas größer. Dieser Flachplattentypständer wird verwendet als Behälter oder Ständer von einem Becken abgebrannten Kernbrennstoffs.
In den zweiten bis vierten Ausführungen wird das Neutronenabsorptionsvermögen gegeben durch Dispergieren von Bor in dem Quadratrohr 1, um Anordnungen von abgebranntem Brennstoff am Erreichen des kritischen Punktes zu hindern. In einer sechsten Ausführung ohne Abhängigkeit von dem Quadratrohr 1 wird eine runde Stange zum Absorbieren von Neutronen aus den Anordnungen abgebranntem Brennstoff ausgebildet. Eine runde Stange 70 wird einen Regelungsstab-Clusterführungsrohr 72 (oder Messrohr) einer Anordnung 71 von abgebranntem Brennstoff eingeschoben, die in 8 gezeigt ist. Durch Einsetzen des runden Stabes 70 wird ein spezifisches Neutronenabsorptionsvermögen sichergestellt und es ist daher nicht notwendig, viel Bor in dem Quadratrohr 1 zu dispergieren. Das Herstellungsverfahren des runden Stabes 70 unterscheidet sich nur in der Form der Düse in dem endgültigen Extrusionsvorgang und daher kann dasselbe Herstellungsverfahren wie in den zweiten bis vierten Ausführungsformen eingesetzt werden.
Ein spezifisches Beispiel der Verwendung eines Quadratrohres 1 wird erklärt. 9 ist eine Perspektive, die einen Behälter bzw. Fass zeigt. 10 ist in axialer Richtung eine Querschnittsansicht des in 9 gezeigten Behälters. 11 ist in radialer Richtung eine Querschnittansicht des in 9 gezeigten Behälters. Dieser Behälter 100 wird hergestellt durch Drehen in einer Höhlung 102 eines Mantels 101 in Übereinstimmung mit der Außenform eines Korbes 130.
Der Mantel 101 und Bodenplatte 104 sind aus Kohlenstoffstahl geschmiedeten Stücken mit Gammastrahlenabschirmfunktion. Anstelle von Kohlenstoffstahl kann Edelstahl auch verwendet werden. Der Mantel 101 und Bodenplatte 104 werden durch Schweißen verbunden. Um die Einschlussleistungsfähigkeit als druckdichtes Gefäß sicherzustellen, wird ein Metallkorb zwischen einer ersten Dichtung 110 und dem Mantel 101 bereitgestellt.
Die Lücke zwischen dem Mantel 101 und dem Außenrohr 105 wird aufgefüllt mit Harz 106, welches ein hochpolymeres Material ist, das viel Wasserstoff enthält mit Neutronenabschirmfunktion. Auch zwischen dem Mantel 101 und Außenrohr 105 werden mehrere Kupferinnenrippen 107 zur Wärmeleitung angeschweißt und das Harz 106 wird im fluiden Zustand in den durch die Innenrippen 107 ausgebildeten Raum gegossen und wird gekühlt und verfestigt. Die Innenrippen 107 sind bevorzugt bei hoher Dichte in dem Teil mit einer großen Wärmekapazität vorzusehen, um gleichförmig zu kühlen. Eine Wärmeexpansionstoleranz 108 von einigen Millimetern wird vorgesehen zwischen dem Harz 106 und dem Außenrohr 105.
Die Dichtung 109 besteht aus einer ersten Dichtung 110 und einer zweiten Dichtung 111. Die erste Dichtung 110 ist eine Scheibe aus Edelstahl oder Kohlenstoffstahl zum Abschirmen von Gammastrahlen. Die zweite Dichtung 111 ist eine Scheibe aus Edelstahl oder Kohlenstoffstahl und ihre obere Oberfläche wird abgedichtet mit Harz 112 als Neutronenabschirmelement. Die erste Dichtung 110 und zweite Dichtung 111 werden an den Mantel 101 mit Edelstahl oder Kohlenstoffstahlbolzen 113 angeheftet. Metallkörbe werden zwischen die erste Dichtung 110, zweite Dichtung 111 und Mantel 101 gesetzt und das Innere wird dicht abgedichtet. Die Dichtung 109 ist umgeben durch ein Hilfsabschirmelement 115, abgedichtet mit Harz 114.
An beiden Seiten des Behälterhauptkörpers von Hauptkörper 116 gibt es einen Zapfen 117 zum Federn des Behälters 100. In 9 wird das Hilfsabschirmelement 115 bereitgestellt aber beim Befördern der Tonne 100 wird das Hilfsabschirmelement 115 entfernt und ein Stoßdämpfer 118 wird vorgesehen (siehe 10). Der Stoßdämpfer 118 wird zusammengesetzt durch Zusammensetzen eines Pufferteils 119 wie Rotholz in einem Außenrohr 120, das aus Edelstahlmaterial gefertigt ist.
Der Korb 130 ist zusammengesetzt aus 69 Quadratrohren 1 zum Zusammensetzen einer Zelle 131 zum Aufnehmen von Anordnungen abgebrannten Brennstoffs. Die Quadratrohre 1 werden hergestellt durch das Herstellungsverfahren der ersten bis fünften Ausführungen. 12 ist eine Perspektivansicht, die ein Einsetzverfahren von Quadratrohren zeigt. Die Quadratrohre 1, die in dem obigen Verfahren hergestellt werden, werden sequenziell entlang der inneren Bearbeitungsform der Höhlung 102 angesetzt.
Wie in 12 und 10 gezeigt, werden Dummyrohre 133 an beiden Seiten der Quadratrohrreihe 5 oder 7 Zellen in der Höhlung 102 eingesetzt. Die Dummyrohre 133 werden verwendet zum Vermindern des Gewichts des Mantels 101, wobei eine gleichförmige Dicke des Mantels 101 gefertigt wird und die Qudadratrohre 1 sicher befestigt werden. Die Dummyrohre 133 werden auch aus Aluminiumlegierung, die Bor enthält, gemacht und werden in demselben Vorgang hergestellt. Unterdessen können die Dummyrohre 133 weggelassen werden.
Die Anordnungen von abgebranntem Brennstoff, die im Behälter 100 aufgenommen werden müssen, enthalten spaltbare Materialien und Spaltprodukte, erzeugen Strahlung und sind begleitet von Zerfallshitze und es ist daher notwendig, die Kühlfunktion aufrecht zu halten, die Abschirmfunktion und die Funktion, die kritische Masse verhindert, von Behälter 100 sicher über den Lagerungszeitraum (etwa 60 Jahre). Im Behälter 100 der ersten Ausführung wird durch Bearbeitung des Inneren der Höhlung 102 des Mantels 101 das Äußere des Korbes 130, der aus Quadratrohren 1 besteht, in nahezu dichtem Kontaktzustand (ohne breiten Spalt) eingesetzt und eine innere Rippe 107 wird vorgesehen zwischen dem Mantel 101 und Außenrohr 105. Dementsprechend leitet sich die Hitze von dem Brennstoffstab zum Mantel 101 durch das quadratische Rohr 1 oder Heliumfüllgas und wird hauptsächlich von dem Außenrohr 105 durch die Innenrippe 107 freigesetzt.
Die Gammastrahlen, die aus den Anordnungen abgebrannten Kernbrennstoffs erzeugt werden, werden abgeschirmt durch Mantel 101, Außenrohr 105 oder Dichtung 109, die aus Kohlenstoffstahl oder Edelstahl hergestellt ist. Außerdem werden Neutronen abgeschirmt durch Harz 106, um Wirkungen der Aussetzung von Betreiberarbeitern gegenüber der Strahlung zu vermindern. Spezifisch wird es gestaltet, um eine Abschirmfunktion zu erhalten, so dass die Oberflächendosisäquivalentmaß von 2 mSv/h oder weniger und Dosisäquivalentmaß von 100 μSv/h oder weniger bei 1 m von der Oberfläche garantiert werden kann. Da Aluminiumlegierung mit Bor in dem Quadratrohr 1 zum Zusammensetzen der Zelle 131 verwendet wird, ist sie effizient, um das Erreichen der kritischen Masse durch Absorbieren von Neutronen zu verhindern.
Gemäß diesem Behälter 100 durch Bearbeiten des Inneren der Höhlung 102 des Mantels 101 können weiterhin die Quadratrohre 1 zum Ergeben des Äußeren des Korbes 130 in nahezu dichtem Kontaktzustand eingesetzt werden und die Stirnoberfläche der Quadratrohre und Höhlung ist breit und die Wärmeleitung aus den Quadratrohren 1 läuft glatt. Auch durch Entfernen des Lückenbereichs in der Höhlung 102, wenn die Anzahl von zusammensetzenden Quadratrohren 1 die gleiche ist, wird der Mantel 101 kompakt und leichtgewichtig. Wenn der Außendurchmesser des Mantels 101 hingegen nicht geändert wird, kann die Anzahl von Zellen beibehalten werden, so dass die Aufnahmekapazität von Anordnungen für abgebrannten Kernbrennstoff erhöht werden kann. Spezifisch können in diesem Behälter 100 69 Anordnungen abgebrannten Kernbrennstoffs behaust werden und der Außendurchmesser des Hauptkörpers 116 der Tonne kann auf 2560 mm und das Gewicht auf 120 Tonnen gedrückt werden.
Ein anderes Beispiel der Verwendung von Quadratrohren wird erklärt. 13 ist eine Perspektivansicht, die ein Becken mit abgebrannten Brennstoff für PWR zeigt. Dieses Becken mit abgebrannten Brennstoff 200 stellt eine Vielzahl von Quadratrohren 1 auf, die in den zweiten bis vierten Ausführungen hergestellt sind und hat einen Ständer 202, der getragen wird durch Trägerplatten 201 an seinen oberen und unteren Teilen. Der Ständer 202 wird installiert in einer stahlbetonverstärkten Grube 203 und das Innere der Grube 203 wird ausgekleidet mit Edelstahlplatte 204 zum Verhindern von Wasseraustropfen aus der Grube. Das Innere der Höhle 203 wird immer gefüllt mit Borsäurewasser. Da das Becken von abgebranntem Brennstoff 200 aus den Quadratrohren 1 zusammengesetzt ist, ist das Neutronenabsorptionsvermögen hoch und die strukturelle Einwandfreiheit wird sichergestellt. Daher sind die Anordnungen von abgebranntem Brennstoff am Erreichen der kritischen Masse effizient gehindert.
Beispiele:
Bei der Herstellung von Aluminiumkompositmaterial in der ersten Ausführung wurde JISA6N01 verwendet als Al-Pulver und seine durchschnittliche Partikelgröße war 70 μm. Als die B-Verbindung wurde B₄C-Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von 9 μm verwendet. Der Gehalt des B₄C-Pulvers war 5 Gew.-%. Die B₄C-Partikel werden fein in der Al-Legierung dispergiert und verhindern daher Desorientierung (slipping) aus Verwertung und verbessern die Stärke. Als Pulvermaterial an drittem Partikel wurden Al₂O₃, BN, SiC und ZrB₂ verwendet, die mittlere Partikelgröße und Gehalt wurden wie unten spezifiziert festgelegt.
Tabelle 1
Das MA-Verfahren wurde durchgeführt unter den folgenden Bedingungen. 14 ist eine schematische graphische Darstellung, die eine Al-Legierung zeigt, wenn das MA unter den folgenden Zuständen abgearbeitet wird. In der graphischen Darstellung zeigt Bezugszeichen 141 Al, 142 sind B₄C-Partikel und 143 sind dritte Partikel.
Tabelle 2
Das hergestellte Al-Legierungspulver wurde gelöst in 10% Salzsäure und ungelöster B4C-Partikel und dritter Partikel wurden filtriert und getrocknet und beobachtet im Elektronenmikroskop und die mittlere Partikelgröße wurde bestimmt. Die Ergebnisse sind unten gezeigt.
Tabelle 3
Unter Verwendung des Al-Legierungspulvers, hergestellt durch das MA-Verfahren wurden Zugbeanspruchung und Reißdehnung gemessen. Zuerst wurde das MA-Pulver in eine Graphitdüse getan und in evakuiertem Zustand wurde es unter Druck gesetzt und gesintert bei einer Temperatur von 500°C und ein geformtes Material von 40 mm im Durchmesser und 40 mm Höhe wurde hergestellt. Nachfolgend bei einem Extrusionsverhältnis von 25 wurde der Durchmesser von 40 mm auf 8 mm vermindert. Als Ergebnis wurde ein Stabteststück erhalten. Das Teststück wurde bei 200°C für 100 Stunden gehalten und gekühlt und das Teststück wurde in eine geeignete Form zum Testen bearbeitet. Der Zugtest wurde durchgeführt bei der Temperaturbedingung von 200°C. Die Testergebnisse sind unten gezeigt. Teststücke 3, 4, 6, 10 wurden als Vergleichsbeispiele hergestellt.
Tabelle 4
Nr. 3, 4, 6, 10: Vergleichsbeispiele
Als Ergebnis des Experiments zeigten alle Teststücke 1, 2, 5, 7, 8, 9 mit Zugeben des dritten Partikels eine Zugstärke über 300 MPa. Die Reißdehnung war auch günstig mit 4% oder mehr. Im Gegensatz dazu war im Vergleichsteststück 3 die mittlere Partikelgröße des dritten Partikels nach MA 13 μm und in diesem Fall wurde nicht nur die ausreichende Zugstärke nicht erhalten, sondern auch der Wert war kleiner als jener des Teststückes 10, das keinen dritten Partikel zusetzt. Die Reißdehnung des Teststücks 3 war etwa 2% und ein ausreichender Wert wurde nicht erhalten. Im Teststück 4 war der Gehalt des dritten Partikels 0,05 Gew.-%, aber wenn verglichen mit Teststück 10, das keinen dritten Partikel zusetzt, wurde weder Zugstärke noch Reißdehnung bemerkenswert geändert. Im Teststück 6, da der Gehalt des dritten Partikels 35 Gew.-% war, wurde eine ausreichende Zugstärke erhalten, aber die Reißdehnung war 1% niedrig.
Wie beim dritten Partikel scheint daher der B4C-Partikel eine Wirkung auf die Förderung des Verhaltens zur Unterdrückung von Desorientierung (slip) zu haben und durch Definieren des Gehalts im Bereich von 0,1 bis 30 Gew.-% oder weniger, der mittleren Partikelgröße des dritten Partikels in der Al-Matrix im Bereich von 0,01 μm oder mehr bis 10 μm oder weniger ist erkannt worden, dass Stärke und Reißausstreckung erhöht werden kann. Anstelle des Oxids (Teststücke 1, 2, 5) unter Verwendung von Carbid (Teststück 7), Nitrid (Teststück 8) oder Borid (Teststück 9) als dritten Partikel ist auch erkannt worden, dass die Stärke und Reißdehnung erhöht werden können.
Wie hier erklärt, kann in dem Aluminiumkompositpulver der Erfindung als erster Aspekt durch Einsetzen von mechanischem Legieren, da Neutronenabsorbtionsmittel und dritter Partikel in der Matrix dispergiert sind, die Materialstärke erhöht werden. Insbesondere günstige Wirkungen werden erhalten, wenn der Gehalt des dispergierten dritten Partikels 0,1 Gew.-% oder mehr bis 30 Gew.-% oder weniger ist. Hingegen, wenn der dritte Partikel so zugegeben wird, dass die mittlere Partikelgröße des dritten Partikels in der Aluminiummatrix 0,01 μm oder mehr bis 10 μm oder weniger sein kann, werden weitere günstige Effekte erhalten.
Nachfolgend in dem Aluminiumkompositpulver ist der Gehalt an Neutronenabsorbtionsmittel bevorzugt 1 Gew.-% oder mehr bis 20 Gew.-% oder weniger und auch die mittlere Partikelgröße des Neutronenabsorbtionsmittelpulvers, das zuzusetzen ist, ist bevorzugt 0,01 μm oder mehr bis 100 μm oder weniger. Als Ergebnis wird die erforderte Zähigkeit erhalten und Erniedrigen der Stärke kann vermieden werden.
Beim Herstellungsverfahren von Aluminiumkompositpulver der Erfindung wird durch Zugeben eines Neutronenabsorbtionsmittels zu Aluminiumpulver und auch Zugeben eines dritten Partikels wie Oxid, da Neutronenabsorbtionsmittel und dritte Partikel gleichförmig in der Al-Matrix dispergiert sind, durch mechanisches Legieren dieser Pulvermaterialien eine sehr große Stärke erhalten.
Auch bei dem Herstellungsverfahren von Aluminiumkompositpulver der Efrindung durch Ausbilden eines Oxidfilms auf der Oberfläche des Aluminiumpulvers und mechanisches Legieren wird der Oxidfilm getrennt und geschliffen und dispergiert in der Aluminiummatrix. Es spart daher die Arbeit des Herstellens des dritten Partikels oder des Schrittes des Zugebens des dritten Partikels, so dass das Aluminiumoxidpulver leicht hergestellt werden kann.
In dem Aluminiumkompositmaterial der Erfindung als achter Aspekt wird, da das Neutronenabsorbtionsmittel und das dritte Element, zusammengesetzt aus Oxid, Nitrid, Carbid oder Borid in der Sinteraluminiummatrix enthalten sind, ein Kompositmaterial hoher Stärke erhalten. Insbesondere der Gehalt an drittem Partikel ist 0,1 Gew.-% oder mehr bis 30 Gew.-% oder weniger, so dass ein günstiges Ergebnis erhalten wird und wenn seine mittlere Partikelgröße 0,01 μm oder mehr bis 10 μm oder weniger ist, wird weiterhin ein günstiges Ergebnis erhalten werden.
Darüber hinaus kann in dem Aluminiumkompositmaterial, wenn der Gehalt des Neutronenabsorptionsmittels 1 Gew.-% oder mehr bis 20 Gew.-% oder weniger ist und die mittlere Partikelgröße des Neutronenabsorptionsmittelpulvers, das zuzusetzen ist, 0,01 μm oder mehr bis 100 μm oder weniger ist, eine erforderliche Zähigkeit erhalten werden und Erniedrigen der Stärke kann vermieden werden.
Bei dem Herstellungsverfahren von einem Teil zur Lagerung abgebrannten Brennstoffs der Erfindung durch Mischen von Aluminiumpulver, Neutronenabsorptionsmittelpulver und dritten Partikel und Ausführen des gemischten Pulvers, wird dieses vorgeformte Material gesintert nach Verkapselung. Als Ergebnis wird das Teil zur Lagerung abgebrannten Brennstoffs hoher Qualität und hoher Stärke hergestellt. Wenn das Sinterverfahren durch Heißpressen oder HIP geschieht, wird das Teil zur Lagerung abgebrannten Brennstoffs von hoher Qualität und hoher Stärke weiterhin hergestellt.
Bei dem Herstellungsverfahren von einem Teil zur Lagerung abgebrannten Brennstoffs der Erfindung ist, da atmosphärisches Sintern oder Vakuumsintern durch Weglassen von Verkapselung geschieht, die Bearbeitung wie Zermahlen von außen nicht erforderlich und das Herstellungsverfahren ist vereinfacht. Als ein Ergebnis kann das Teil zur Lagerung abgebrannten Brennstoffs bei sehr niedrigen Kosten hergestellt werden. Auch durch Durchführen des Sinterverfahrens durch Vakuumheißpressen kann ein billiges und hochqualitatives Teil zur Lagerung abgebrannten Brennstoffs hergestellt werden.
Bei dem Herstellungsverfahren von einem Teil zur Lagerung abgebrannten Brennstoffs der Erfindung wird, da das vorgeformte Material durch Entladung gesintert wird, das Sinterverfahren in einer kurzen Zeit vollendet. Demgemäß kann die Herstellungseffizienz erhöht werden. Wenn das Entladungssinterungsverfahren durch Entladungsplasmasintern gemacht wird, ist das Sinterverfahren daneben verbessert und Barren von hoher Qualität werden bei niedrigeren Kosten erhalten.
Auch beim Herstellungsverfahren eines Teils zur Lagerung abgebrannten Brennstoffs der Erfindung durch Extrudieren der Barren, die im obigen Verfahren hergestellt sind, können quadratische Rohre oder Stäbe leicht als Teil zur Lagerung abgebrannten Brennstoffs hergestellt werden.
Bei dem Herstellungsverfahren eines Teils zur Lagerung abgebrannten Brennstoffs der Erfindung als einundzwanzigster Gesichtspunkt werden durch mechanisches Legieren bzw. Legieren eingeschliffener Neutronenabsorbtionsmittel und dritter Partikel geknetet und dispergiert im Aluminiumpulver. Das verhindert daher Aggregation beim Sintern und die Zusammensetzung des Teils zur Lagerung abgebrannten Brennstoffs, das durch dieses Verfahren hergestellt wird, ist homogen und die mechanische Stärke ist erhöht.

Claims

Herstellungsverfahren für Aluminiumverbundpulver mit den Schritten: – Mischen von Aluminiumpulver als Matrixmaterial, Neutronenabsorber und einem dritten Teilchen, wobei das dritte Teilchen von dem Neutronenabsorber verschieden ist und aus Oxid, Nitrid, Carbid oder Borid besteht, der Inhalt an dem Neutronenabsorber 1 Gew.-% oder mehr bis 20 Gew.-% oder weniger beträgt und die mittlere Teilchengröße des Neutronenabsorbers 0,01 μm oder mehr bis 100 μm oder weniger beträgt und der Gehalt an dem dritten Teilchen 0,1 Gew.-% oder mehr bis 30 Gew.-% oder weniger beträgt und die mittlere Teilchengröße des dritten Teilchens in der Aluminium-Matrix 0,01 μm oder mehr bis 10 μm oder weniger beträgt, und – Dispergieren des gemahlenen Neutronenabsorbers und des dritten Teilchens in der Aluminium-Matrix durch mechanisches Legieren des Pulvergemischs.
Herstellungsverfahren für Aluminiumverbundpulver nach Anspruch 1, ferner umfassend die Schritte: – Ausbilden einer Oxidschicht vorläufig auf der Oberfläche des Aluminiumpulvers und – Einmischen der auf der Oberfläche des Aluminiumpulvers ausgebildeten Oxidschicht als Oxid in das Verbundpulver durch mechanisches Legieren.
Herstellungsverfahren zur Herstellung eines bei der Lagerung von abgebranntem Kernbrennstoff zu verwendenden Elements mit den Schritten: – Herstellen eines Aluminiumverbundpulvers gemäß Anspruch 1 oder 2 und – Sintern des Aluminiumverbundpulvers.
Herstellungsverfahren für ein Lagerungselement für abgebrannten Kernbrennstoff gemäß Anspruch 3, wobei der Sinterschritt durch atmosphärisches Sintern oder Vakuumsintern des Pulvergemischs erfolgt.
Herstellungsverfahren für ein Lagerungselement für abgebrannten Kernbrennstoff gemäß Anspruch 3, wobei der Sinterschritt durch Vakuumheißpressen erfolgt.
Herstellungsverfahren zur Herstellung eines bei der Lagerung von abgebranntem Kernbrennstoff zu verwendenden Elements mit den folgenden Schritten: – Herstellen eines Aluminiumverbundpulvers gemäß Anspruch 1 oder 2; – Vorformen des Aluminiumverbundpulvers zu einem vorgeformten Material; – Einkapseln des vorgeformten Materials in Behältern; – Sintern des eingekapselten vorgeformten Materials.
Herstellungsverfahren für ein Lagerungselement für abgebrannten Kernbrennstoff gemäß Anspruch 6, wobei der Sinterschritt durch Heißpressen oder isostatisches Heißpressen erfolgt.
Herstellungsverfahren zur Herstellung eines bei der Lagerung von abgebranntem Kernbrennstoff zu verwendenden Elements mit den folgenden Schritten: – Herstellen eines Aluminiumverbundpulvers gemäß Anspruch 1 oder 2; – Vorformen des Aluminiumverbundstoffpulvers zu einem vorgeformten Material durch isostatisches Kaltpressen; – Entladungssintern des vorgeformten Materials.
Herstellungsverfahren für ein Lagerungselement für abgebrannten Kernbrennstoff gemäß Anspruch 8, wobei der Entladungssinterschritt durch Plasmaentladungssintern erfolgt.
Herstellungsverfahren für ein Lagerungselement für abgebrannten Kernbrennstoff gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, ferner umfassend den Schritt des Ausbildens eines quadratischen Rohrs oder eines Plattenmaterials zum Zusammenfügen eines quadratischen Rohrs durch Extrusionsformen.
Herstellungsverfahren für ein Lagerungselement für abgebrannten Kernbrennstoff gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, ferner umfassend den Schritt des Ausbildens eines in ein Führungsrohr für abgebrannten Kernbrennstoff einzusetzenden Stabes durch Extrusionsformen.