Brennbares Material, das nach dem Brennen ein Kernbrennstoffelement liefert, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung des Materials
Die Erfindung betrifft ein brennbares Material, das nach dem Brennen ein Kernbrennstoffelement liefert, wobei in dem brennbaren Material spaltbare Brennstoffteilchen in einem Metallblatt verteilt sind. Dieses brennbare Material kann zur Herstellung eines Kernbrennstoffelements dienen, wobei man das brennbare Material zu einer starren Form zusammensintern lässt, die ein einheitlich verbundenes Kernbrennstoffelement darstellt.
So kann man ein Kernbrennstoffelement erhalten, das in einem zusammenhängenden schwerschmelzbaren Metallgebilde das spaltbare Material enthält.
Die Verwendung von Metallmänteln oder -umhüllungen als Schutz für Reaktorbrennstoffelemente ist bekannt, und es wurden verschiedene Versuche unternommen, diese Elemente durch Mäntel oder Behälter zu umgeben. Dies war insbesondere bei Anwendung mässiger Temperaturen erfolgreich. Derartige umhüllte oder im Behälter verpackte Brennstoffelemente waren aber auf verhältnismässig sehr einfache Formen oder Grössen beschränkt, gewöhnlich hatten sie die Form von Cylindern oder Stäben. Ummantelte Platten wurden hergestellt, indem unter starkem Druck Metallbleche zusammengewalzt wurden, die zwischen sich eine Schicht spaltbaren Materials hatten. Bei diesem Verfahren werden die Brennstoffteilchen zerbrochen oder verlieren ihre ursprüngliche Form.
Ziel der Erfindung war es die Herstellung verhältnismässig leichter, hochtemperaturbeständiger Brennstoffelemente und Gebilde mit komplizierter Form zu ermöglichen, z. B. mit gewellten Mänteln, Röhren und dgl. für Isolier- und Kühlöffnungen und dgl.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein brennbares Material, das nach dem Brennen ein Kernbrennstoffelement liefert, wobei in dem brennbaren Material spaltbare Brennstoffteilchen in einem Metall enthaltenden Blatt verteilt sind, das sich dadurch auszeichnet, dass das brennbare Material mindestens ein Gerüstblatt und ein dieses umgebendes Auflagematerial aufweist, wobei das Gerüstblatt aus einem gepulverten Metall und einem organischen Bindemittel aufgebaut ist und in diesem Gerüstblatt spaltbare Kernbrennstoffteilchen gleichmässig verteilt sind, und dass sich auf den äusseren Oberflächen dieses Gerüstblattes ein Auflagematerial gleichmässig verteilt befindet, wobei das Auflagematerial ein gepulvertes Metall und ein organisches Bindemittel hierfür enthält.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemässen brennbaren Materials, das sich dadurch auszeichnet, dass man aus einem gepulverten Metall, einem organischen Bindemittel und spaltbaren Kernbrennstoffteilchen das Gerüstblatt herstellt, bei dem die Kernstoffbrennteilchen gleichmässig verteilt sind, und dass man auf die äussere Oberfläche dieses Gerüstblattes ein Auflagematerial, das aus gepulvertem Metall und einem organischen Bindemittel besteht, gleichmässig verteilt.
Beispielsweise kann man nach dem Aufbringen des gepulverten Metalls und des organischen Bindemittels auf die Gerüstblätter die erhaltenen Schichten miteinander verkleben. Auch kann ein Schichtgebilde aus Brennstoff enthaltendem Gerüstblatt und brennstofffreiem Auflagematerial unter einem Druck zusammengewalzt werden, der nur ausreicht, um die Stärke der vereinigten Schichten um nicht mehr als 10 % zu vermindern.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemässen brennbaren Materials zur Herstellung eines Kernbrennstoffelementes. Hiezu lässt man das brennbare Material zu einer starren Form zusammensintern, die ein einheitlich verbundenes Kernbrennstoffelement darstellt.
Durch die erfindungsgemässen brennbaren Materialien gelingt es zum ersten Male sehr dünnwandige nahtlose, mehrfach ummantelte Komplizierte gewellte Gebilde herzustellen, die spaltbares Material in vorherbestimmter Form, Grösse und Lage in dem Körper enthalten. Bei diesen Gebilden können die Verbindungen zwischen den Teilen so beschaffen sein, dass sie sich nicht von dem Gebilde aus dem Material unterscheiden lassen, das die spaltbaren Teilchen umgibt; dies bedeutet einen beträchtlichen Vorteil für die gesamte Temperaturbeständigkeit des fertigen Gegenstandes gegenüber der geringen Temperaturbeständigkeit, die durch Hartverlöten von Metallteilen zu dünnwandigen Metallbehältern und dgl. erzielt wird.
Ferner können die unter Verwendung der erfindungsgemässen Materialien hergestellte Kernbrennstoffelemente so geformt und bemessen sein, wie sie nach bekannten Verfahren aus schwerschmelzbaren Metallen nicht erhalten werden konnten. Die so erhaltenen Brennstoffelemente können zusammengesetzte Kurven und dünne Mäntel haben, die flache Blätter oder Platten verbinden, so dass ein ausserordentlich wirksamer Wärmeaustausch mit dem Kühlgas oder der Kühlflüssigkeit möglich ist. Weil diese Brennstoffelemente als Metallkomponente Niobium, Wolfram, Molybdän oder anderen schwerschmelzbaren Metallen enthalten können, sind sie sehr beständig bei ausserordentlich hohen Temperaturen und gegenüber der Erosion durch die heissen Gase, die sich mit beträchtlicher Geschwindigkeit bewegen.
Die unter Verwendung der erfindungsgemässen Materialien erhaltenen Kernbrennstoffelemente können die spaltbaren Materialien in Teilchenform in vorherbestimmter Lage innerhalb verhältnismässig dünner Blätter oder Platten aus Metall enthalten, wobei das spaltbare Material vollständig von dem Metall umgeben ist, so dass es gegen Korrosion, Wärme- und Gaserosion geschützt werden kann. Die erfindungsgemässen Materialien für die Herstellung metallischer Kernbrennstoffelemente, können eine ausserordentlich unregelmässige Form besitzen. Kernbrennstoffelemente sollen viele Durchlässe haben, in denen die Schichten und anderen Teile des Gebildes einen dünnen Querschnitt haben.
Das erfindungsgemässe brennbare Material kann eine selbsttragende ungebrannte Platte sein, die teilchenförmiges spaltbares Material und Metallpulver mit einem Bindemittel für Idasselbe enthält, und die zur Verarbeitung zu komplizierten Gebilden geeignet ist, die zu Hochtemperatur-Kernbrennstoffelementen gesintert werden können.
Die Herstellung derartiger Gebilde, wie sie in den Zeichnungen angegeben sind, sowie von ähnlichen Gebilden, kann nach dem folgenden Verfahren erfolgen.
Ein weichgemachtes Rohgemisch, das feinteilige Metallteilchen (Metallpulver), weichmachende und bindende Bestandteile, z. B. organische polymere Harze, und flüchtige Mittel zur Einstellung der Viskosität enthält; wird nach einem geeigneten Verfahren zu einem dünnen Film oder Blatt verformt, z. B. durch Beschichten, Besprühen, Auspressen, Giessen, Walzen und dgl.
Derartige Filme lassen sich beliebig dünn, z. B. etwa 0,025 mm stark, herstellen, solange der Film eine ausreichende Konsistenz hat, nach Entfernung der die Viskosität beeinflussenden Flüssigkeiten seinen Zusam- menhalt bei der Verarbeitung zu erhalten. Sehr dünne Filme sind aber so empfindlich, dass sie sich schwierig verarbeiten und handhaben lassen, während Filme von mehr als 3 mm Stärke für die hier beschriebene Verarbeitung zu stark werden.
Um die Einhüllung zu bewirken, wird ein erstes Blatt, das Metallpulver und ein organisches Bindemittel enthält, derart hergestellt, dass es winzige Teilchen eines spaltbaren Materials in einer chemischen Form eingebettet oder gleichmässig verteilt enthält, in der es nicht mit dem Metall reagiert oder sich in diesem löst. Hierfür werden die Oxyde der Actiniden bevorzugt, doch können auch andere schwerschmelzbare Actinidenverbindungen, z. B. Carbide, Nitride und dgl., verwendet werden, auch die Metalle selbst sind in manchen Fällen geeignet.
Wenn auch die Form der verwendeten Teilchen gewöhnlich nicht wesentlich ist, werden diese spaltbaren Actinidenverbindungen bevorzugt in Form sehr kleiner Kugeln oder kugelartiger Gebilde verwendet, weil sie in dieser Form fester sind als unregelmässig geformte Teilchen.
Das so erhaltene Rohblatt wird dann auf seiner gesamten Oberfläche mit Blättern gleicher oder anderer Stärke aus einem Rohfilm überzogen, der das gleiche Metallpulver, Bindemittel und die gleichen die Viskosität senkenden Medien, aber keine Kernbrennstoffteilchen enthält. Die Blätter werden miteinander mittels eines Kittes verklebt, der Metallteilchen und Bindemittel in Form einer Aufschlämmung oder Paste enthält. Nach einem anderen Verfahren können die Blätter miteinander vereinigt werden, indem ihre aufeinanderliegenden Oberflächen mit einem Lösungsmittel, wie es zur Herstellung der Blätter verwendet wurde, befeuchtet werden und das vereinigte Schichtgebildet mit Walzen zur Vereinigung und zur Entfernung von Luft zusammengepresst wird.
Die für diese Art der Herstellung und Vereinigung der Schichtgebilde angewendeten Mittel erhalten mindestens in erheblichem Masse die ursprüngliche isotrope Natur der Blätter. Eine übermässige Dehnung beim Walzen muss also vermieden werden. Einfaches Pressen und andere für diesen Zweck geeignete mechanische Massnahmen sind bekannt.
Das so erhaltene zusammengesetzte Schichtgebilde ist ein rohes (ungebranntes) Gebilde, das zur weiteren Verformung oder Vereinigung mit anderen Blättern oder Gebilden zu einem komplizierteren Produkt geeignet ist, das aber auch allein als Blatt weiterbehandelt werden kann. In jedem Falle lässt sich das Rohprodukt leicht zu jeder erforderlichen Form, z. B. zu gewellten Blättern und dgl., verformen, die wie hier beschrieben weiter verarbeitet werden können.
Wenn die Rücken der Wellen an einer Seite eines gewellten Filmes mit einer ebenen Platte verschweisst werden sollen, kann das Rohmaterial, aus dem das zu sinternde Blatt hergestellt wird, mit organischen Lö sungsmitteln verdünnt, als Klebmedium zur Befestigung der Teile aneinander über die Wellenrücken gestrichen werden. Noch einfacher können die zu vereinigenden aneinanderstossenden Teile mit einem Lösungsmittel für das Bindemittel befeuchtet und dann zusammengepresst werden, worauf die rohen Blätter aneinander haften.
Wenn das Gebilde, z. B. durch Verdampfen des Lösungsmittels trocknet, wird eine vorläufige, aber feste Bindung zwischen den Teilen des Gebildes hergestellt, die nach dem Brennen eine feste und starre Verschweissung wird. Die vorläufige Verbindung kann auch auf andere Weise, z. B. durch Warmverschweissen hergestellt werden.
Wenn bei der Verbindung ein Lösungsmittel verwendet wird, wird der fertig geformte Gegenstand solange trocknen gelassen, bis praktisch alle flüchtigen Lösungs mittel oder organischen Flüssigkeiten aus den Verbindungsstellen entwichen sind. Die erhaltenen Rohgebilde sind für die Handhabung fest genug und können sogar zurechtgeschnitten, geglättet oder anderweitig bearbeitet werden. Dann werden die Gebilde in der Wärme vereinigt, indem sie Temperaturen unterworfen werden, die zum Sintern der sinterfähigen Bestandteile in bekannter Weise ausreichen.
Bei der Herstellung der Gebilde werden Massnahmen, bei denen sich die Teilchen auf irgendeine Weise ansondern, z. B. durch Ausrichtung der Achsen oder Verschiebung der gleichmässigen Verteilung, vermieden oder durch entsprechende Massnahmen zur Erhaltung der Gleichmässigkeit kompensiert. Die rohen ungebrannten Gebilde sind also im wesentlichen isotrop. Sie schrumpfen daher beim Brennen in allen Richtungen praktisch gleichmässig und ergeben ein Gebilde, das praktisch keine Verwerfungen und inneren Spannungen enthält.
Das erhaltene fertige Metallgebilde ist im wesentlichen ein zusammenhängendes Metallblatt oder eine Anzahl von Metallblättern und Mänteln, die in einer inneren Zone Teilchen aus einem spaltbaren Material gleichmässig verteilt in vorherbestimmter Lage enthalten, wobei die Teilchen von einer äusseren Zone umgeben sind, die von Brennstoffteilchen frei ist und einen zusammenhängenden Mantel darstellt; der Metallanteil des Blatts ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass er sich homogen aus Metallkörnern zusammensetzt und mechanisch nicht bearbeitet ist. Die spaltbaren Teilchen behalten ihre ursprüngliche Grösse und Form, weil die zur Herstellung der Rohprodukte angewendeten Verfahren, auch bei kompliziertester Form, die Teilchen nicht zerstören oder verändern.
Diese Merkmale des erfindungsgemässen Produkts sind sehr wertvoll. Die Gebilde sind ausserordentlich beständig gegen Verziehen in der Wärme. Die Kernbrennstoffteilchen sind in den Blättern an bekannten und gewählten Stellen und in der gewünschten Verteilung angeordnet. Sie sind durch einen zusammenhängenden Mantel überzogen, der sie vor ihrer Umgebung schützt und die bestmögliche Wärmeübertragung erlaubt. Sie sind fest, und kein Teil des Gebildes ist durch eine Verbindung, weder geschweisst noch gelötet, aus einem anderen Mantel oder mit unterschiedlicher Kornstruktur des Metalls geschwächt.
Erfindungsgemäss können Kernbrennstoffelemente aus sinterfähigen, schwerschmelzbaren, verhältnismässig hochschmelzenden Metallen, wie Wolfram, Molybdän, Chrom, Titan, Zirkonium, Vandium, Niobium, Tantal, Eisen, Nickel und Legierungen derartiger Metalle, die für Kernreaktoren geeignete Eigenschaften aufweisen, hergestellt werden. Rostfreier Stahl ist z. B. eine sehr brauchbare Legierung, wenn mässig hohe Temperaturen angewendet werden.
Mit der Bezeichnung schwerschmelzbares Metall sollen sowohl reine Metalle als auch Legierungen verstanden werden, die einen hohen Schmelzpunkt besitzen und vorzugsweise oberhalb von 1300 C schmelzen.
Eine Vielzahl organischer Bindemittel kann zur Herstellung der biegsamen (plastischen) rohen sinterfä- higen Filme und Blätter verwendet werden, die zur Herstellung der Kernbrennstoffelemente verwendet werden können dienen. In der Wärme härtbare oder thermoplastische hochmolekulare Kunststoffe oder Elastomere können verwendet werden, z. B.
Polyvinylharze, wie Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyvinylacetat, Polymethylmethacrylat, Polyvinyl äthyl äther, Polyvinyloctyl äther und dgl., Polyester, wie Poly-diäthylenglykoladi- pat, Polyäthylenglykolterephthalat, Poly-1,4-butylenglykolsebacat, Poly-2,2-dimethyl-1,3-propandioladipat und dgl.; mit Diisocyanaten vernetzte Polyester, Phenol Formaldehyd-Harze, Melaminharze, Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Polyäthylen, fluorierte Alkylacrylatharze, wie Poly-1,1-dihydroperfluorbutylacrylat und dgl.; Polyvinylidenfluorid, Mischpolymerisate aus den Monomeren der genannten und anderer Harze, Elastomere, wie Polystyrol-Butadien, Nitrilkautschuke, Butylkautschuke und dgl.; wasserlösliche Bindemittel, wie Methylcellulose, Polyvinylalkohole und dgl.
In manchen Fällen ist es zweckmässig, einen Weichmacher für bestimmte Harzgemische zu verwenden, um die Biegsamkeit und Verarbeitbarkeit des lösungsmittelfreien Films zu verbessern. Bei anderen Harzen ist gewöhnlich kein Weichmacher erforderlich, manche Polymerisate werden als innerlich weichgemacht bezeichnet (z. B. Polyacrylsäureester von langkettigen Alkoholen).
Netzmittel können in kleinen Mengen verwendet werden, um die Dispersion der Metallteilchen in dem Bindemittel zu fördern. Die Lösungsmittel, die verwendet werden, um dem Gemisch von Bindemittel und Metallpulver eine so kleine Viskosität zu verleihen, dass man daraus Blätter und andere Gebilde herstellen kann, können natürlich organische Lösungsmittel oder Wasser oder wässrige Lösungsmittel sein. Bevorzugt werden die verschiedenen Bestandteile des Bindemittelsystems so gewählt, dass sie miteinander verträglich sind.
Die Menge des polymeren Bindemittels kann verhältnismässig klein sein. Mengen von etwa 1 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 5 Gew.-%, organisches Bindemittel, auf das Gewicht des Metalls bezogen, können verwendet werden. Beim Brennen der rohen Gegenstände werden zweckmässig die Blätter oder anderen Gebilde, die durch Entfernung eines grösseren Teils des Lösungsmittels stabilisiert worden sind, zunächst erwärmt, um die vollständig von Lösungsmittel zu befreien, und dann bei einer Temperatur gebrannt, bei der das Bindemittel verdampft oder sich zersetzt, worauf sie in einer inerten oder Wasserstoffatmosphäre gebrannt werden können, um eine Oxydation des Metalls zu verhindern und alle restlichen Spuren von Bindemittel oder dessen Zersetzungsprodukten zu entfernen.
Wenn die Metalle in feuchtem oder trockenem Wasserstoff ohne Bildung von Hydriden gebrannt werden können, die eine unerwünschte Versprödung bewirken, können entweder flüchtige (verdampfbare, nicht verkohlende) oder in der Wärme zersetzbare Bindemittel verwendet werden. Wenn die Metalle unter den Bedingungen des Brennens in Wasserstoff Hydride bilden, werden flüchtige Bindemittel verwendet, und es wird im Vakuum oder in inerten Gasen gebrannt.
Weitere Merkmale der so herstellbaren gesinterten Kernbrennstoffelemente werden nun an Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert:
Fig. 1 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines aus rohen Blättern zusammengesetzten Gebildes.
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch ein aufeinandergeschichtetes Gebilde nach Fig. 1, und zeigt, dass in den Rohblättern die Kernbrennstoff enthaltenden Teile vollständig von Teilen ohne Kernbrennstoffe umgeben sind.
Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Stapel von Fig.
2 nach dem Brennen.
Fig. 4 ist eine perspektivlsche Ansicht eines zusammengesetzten gesinterten Schichtgebildes aus gewellten Blättern zwischen dünnen ebenen Blättern, das eine Einheit für ein Brennstoffelement darstellt, das mittels Gas gekühlt werden kann.
Fig. 5 ist eine Vergrösserung des mit einem Kreis bezeichneten Teils von Fig. 4.
Fig. 1 zeigt einen dünnen Film 10, der die Unterlage darstellt, einen ähnlichen dünnen Film 12 mit kleinerer Fläche, in dem das teilchenförmige spaltbare Material verteilt ist, ein Blatt 13 mit einer Aussparung, die dem Brennstoffblatt 12 entspricht, und sonst mit der gleichen Fläche wie Blatt 10; Blatt 14 ist wieder genau wie Blatt 10 aufgebaut und bildet die Deckschicht für das Ganze.
Durch Aufeinanderschichten mit einem Leimmedium zwischen den Blättern und den Rändern von Blatt 12 und der Aussparung in Blatt 13 aus dem Rohmaterial, aus dem die Blätter 10 und 14 hergestellt worden sind, verdünnt mit organischen Lösungsmitteln oder Flüssigkeiten zur Verringerung der Viskosität zu der eines dünnen Kitts, wird das Ganze vorläufig zu einer Einheit verschweisst.
In Fig. 2 wird eine derartige vorläufig verbundene Einheit, wie sie aus den in Fig. 1 gezeigten Teilen erhalten wird, im Querschnitt gezeigt. Die Stärke der Blätter ist zur besseren Erkennbarkeit vergrössert. Die Verbindungen zwischen den Teilen sind normalenveise unsichtbar, nachdem das Lösungsmittel verdampft ist, sie sind hier nur angegeben, um die ursprüngliche Lage der Teile zu zeigen.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch das Schichtgebilde von Fig. 1 nach dem Brennen. Auch hier sind die Abmessungen vergrössert. Die Brennstoffteilchen sind als kleine Kugeln angegeben, obwohl, wie erwähnt, auch unregelmässig geformte Teilchen verwendet werden können. Die gesamte Einheit ist zu einer zusammenhängenden homogenen Metallmasse gesintert, in der die Brennstoffteilchen 16 in ihrer ursprünglichen Lage verteilt sind.
Die Fig. 4 und 5 sind Beispiele für ein Brennstoffelement unter Verwendung gewellter Filme. Die gewellten Filme 20 des Gebildes sind voneinander durch dünne ebene Blätter 21 getrennt, mit denen sie durch Sintern verschweisst sind. Die Schweisszone 22 ist in Fig. 5 angegeben (brennstoffreies Mantelmaterial mit Abstand von den Enden der Blätter). Die Zone ist unaffällig und zeigt praktisch keine Grenz- oder Verbindungslinie zwischen den gewellten Filmen 20 und den ebenen Blättern 21, die gewellten und ebenen Filme sind also gut miteinander verschmolzen, und das Metallkorn in dem Gebilde ist praktisch homogen.
Wenn hier von Verschweissen und Sinterschweissen die Rede ist, ist damit eine gegenseitige Verbindung durch thermische Erstarrung bzw. Verfestigung gemeint, wobei sich berührende Teile der Filme oder Blätter zusammensintern und nur Materialien verwendet werden, die die gleichen Bestandteile wie die Filme selbst enthalten. Bevorzugt wird die Schweissstelle zwischen den Wellenrücken und den ebenen Blättern oder zwischen den sich berührenden Teilen anderer Gebilde durch thermische Vereinigung der vorläufigen Verbindungen, die mit den Bestandteilen der zu verbindenden Blätter (oder der Oberflächenschicht der zu verbindenden Blätter, die Kernbrennstoffteilchen enthalten) gebildet werden, wie es die Beispiele zeigen, so dass die fertigen gebrannten Gegenstände einen nahtlosen Aufbau erhalten, bei dem man das Metall der Verbindungen (vgl.
Fig. 5) nicht von dem Material der sich berührenden Oberflächen der Blätter unterscheiden kann. Die Verbindungen in diesen Gegenständen haben die gleiche thermische Beständigkeit wie die verbundenen Blätter.
Fig. 5 zeigt eine Stelle mit einem gewissen Abstand von den Enden der Blätter, um das schichtartig in den gewellten und ebenen Blättern verteilte spaltbare Material zu zeigen. Die gestrichelten Bereiche 23 zeigen die Brennstoffteilchen.
Die Erfindung wird weiter durch die folgenden Beispiele erläutert, in denen alle Teile, wenn nicht anders angegeben, Gewichtsteile sind.
Beispiel 1
Ein plastisches Rohgemisch wird aus 48,5 Teilen Molybdänpulver (durch ein Sieb mit 0,044 mm lichter Maschenweite passiert), 5 Teilen eines Tetrapolymerisats und etwa 20 Teilen eines Lösungsmittelgemischs aus 22,1 % Äthylacetat, 38,9 % Cellosolveacetat und 38,95 % Nitroäthan hergestellt. Das Tetrapolymerisat besteht aus etwa 30 Gew.-% Octadecylacrylat, 30 % Acrylsäurenitril, 35 % Cyclohexylacrylat und 5 % Acrylsäure, die in Äthylacetat mischpolymerisiert wurden. Es hat die Form eines Organosols, und es wird eine ausreichende Menge Cellosolveacetat und Nitroäthan zugesetzt, um das oben angegebene Lösungsmittelgemisch zu bilden.
Die Aufschlämmung wird dann etwa 18 Stunden in einer rotierenden Mühle zu einem gleichmässigen homogenen Gemisch vermahlen. Die homogene Aufschlämmung wird mit einer Stärke von etwa 0,625 mm auf eine wenig haftende Oberfläche, d. h. mit Polyäthylen überzogenes Papier, aufgebracht und der Überzug teilweise trocknen gelassen (d. h. bis nur noch etwa 20 % des Lösungsmittels zurückgeblieben sind). Die erhaltene Stärke beträgt etwa 0,25 mm.
Eine zweite 0,25mm starke Schicht, die aus dem gleichen Rohmaterial wie die erste Schicht besteht, aber ausserdem ungefähr 5 Teile angereichertes Uranoxyd enthält (im wesentlichen von U235), wird dann mit dem Rakel auf die teilweise getrocknete erste Schicht aufgebracht und auch teilweise trocknen gelassen (d. h. bis zu 20 % Restlösungsmittel gehalt). Schliesslich wird eine dritte Schicht auf die zweite Schicht mit dem Rakel aufgebracht, die auch nach dem Trocknen 0,25 mm stark ist und nur aus dem gleichen Rohgemisch wie die erste Schicht besteht. Das gesamte Schichtgebilde wird an der Luft bei Raumtemperatur getrocknet, wonach die Stärke etwa 0,63 bis 0,76 mm beträgt.
Das getrocknete Schichtgebilde wird von dem mit Polyäthylen überzogenen Papier abgelöst und etwa die Hälfte des Streifens auf eine 0,25mm starke Aluminiumfolie gelegt. Die Aluminiumfolie und das Schichtgebilde werden zusammen durch eine Wellvorrichtung geschickt, deren Walzen etwa 130 C haben, und mit etwa 8 Wellen von 1,3 mm Höhe je 2,54 cm versehen.
Der Teil des Schichtgebildes, der nicht gewellt wurde, wird auf der einen Seite mit einem dünnen Überzug aus einer Aufschlämmung bestrichen oder besprüht, die aus dem gleichen Rohmaterial wie die äusseren Schichten besteht, und dann mit der überzogenen Seite gegen die oberen Rücken der Wellen des gewellten Films gelegt. Das Lösungsmittel aus der aufgebrachten Aufschlämmung dringt etwas in die Ober flächenteile der anliegenden Wellenrücken ein und verdampt dann bei Raumtemperatur.
Quadrate werden aus dem erhaltenen zusammengesetzten Blatt aus gewelltem Film und ebenem Blatt geschnitten und zu dem in Fig. 4 angegebenen Gegenstand aufeinandergestapelt, wobei die äussere Fläche des ebenen Blatts jeweils mit einem dünnen Überzug aus dem Rohgemisch dieses Beispiels überzogen wird, so dass das zusammengesetzte Gebilde an den Berührungsstellen zwischen den Wellenrücken und den ebenen Blättern verleimt wird. Die Ränder des Schichtgebildes werden dick mit dem Rohgemisch überzogen, um das spaltbare Material abzuschliessen. Der erhaltene zusammengesetzte Gegenstand wird dann bei Raumtemperatur trocknen gelassen und in einer inerten Atmosphäre (z. B. in Wasserstoff) 16 1/2 Stunden bei einer maximalen Temperatur von etwa 1750 C, die etwa 1/2 Stunde lang in der Mitte der Brennzeit eingehalten wurde, gebrannt.
Das erhaltene zusammengesetzte gesinterte Metallgebilde kann als ummanteltes Brennstoffelement für Atomreaktoren dienen.
Eine erhöhte Festigkeit bei grösserer Dichte des Metalls wird erzielt, wenn man die Menge des Bindemittels auf etwa 2 bis 3 Teile je 100 Teile Molybdän herabsetzt.
Beispiel 2
Ein Gemisch von 20 Teilen Uranoxyd, keramisches Material in Form von Schrot von etwa 50 bis 75 # Durchmesser, und 151,2 Teilen Wolframpulver (zwischen Siebgrössen von 0,044 und 0,037mm lichter Maschenweite) wird in trockener Form gründlich mit etwa 8 Teilen gepulverter Methylcellulose (4000 CPS) in einem Schüttelmischer gemischt. Dem Gemisch werden 17 ccm Wasser und 8 Tropfen Glycerin zugesetzt und das feuchte Gemisch wird etwa 20 Minuten durchmischt. Die erhaltene feuchte plastische Masse wird zu Blättern von etwa 0,6 mm Stärke ausgewalzt. Das erhaltene gewalzte Blatt wird getrocknet, z. B. zwischen beschwerten Platten mit glatter Oberfläche, deren Oberfläche mit einem Ablösungsmittel besprüht worden ist, um ein Festkleben zu vermeiden.
Wenn Präzisionsteile hergestellt werden sollen, werden die rohen Blätter bevorzugt zwischen beschwerten polierten Metallplatten getrocknet. Bevorzugt wird im Vakuum getrocknet. Das getrocknete Blatt wird in Wasserstoff bei 550 C vorgebrannt, um das Bindemittel zu vertreiben. Das Blatt wird dann im Vakuum (10 Torr) in der folgenden Weise gesintert: 25 Minuten bei 700 C; 10 Minuten bei 1600 C; 10 Minuten bei 2125 OC; anschliessend Abkühlen. Die mikroskopische Untersuchung des Blatts nach dem Sintern zeigt ein wohlkristallisiertes dichtes Blatt.
Zur vorherbestimmten Anordnung der Brennstoffzo- ne in dem Blatt werden Rohblätter hergestellt, die etwa 95 Teile Wolframpulver der gleichen Korngrösse wie oben, das 2 Mol-% Nickel als Sinterhilfsmittel enthält, und 5 Teile Methylcellulosepulver (4000 CPS) enthalten. Diese Bestandteile werden gründlich gemischt und dann mit ausreichend Wasser (V2 Teil oder mehr) und etwa 1 Teil Glycerin als Weichmacher versetzt, um nach gründlichem Mischen ein Blatt zu erhalten. Das Blatt wird noch feucht -zu etwa 0,25 mm Stärke ausgewalzt und zu Stücken von ungefähr 5 x 7,5 cm Grösse zerschnitten. In einige dieser Blätter wird in der Mitte eine Aussparung 2,5 x 5 cm geschnitten.
Die Blätter werden noch feucht aufeinandergelegt, wobei ein Blatt mit Aussparung auf ein volles Blatt gelegt und in die Aussparung ein rohes, feuchtes 0,25 mm starkes Blatt, das in die Aussparung passt und 10 % UO2-Schrot enthält, wie es oben hergestellt wurde, gelegt wird; oben auf die gesamte Anordnung wird dann noch ein durchgehendes einfaches Blatt gelegt. Das Ganze wird zwischen Walzen unter solchem Druck hindurchgeschickt, dass die gesamte Stärke um etwa 5-10 % vermindert wird. Das erhaltene ummantelte rohe Blatt wird sorgfältig zur Entfernung der Feuchtigkeit getrocknet, wobei ein Verziehen des Gebildes vermieden wird. Es wurde dann etwa 30 Minuten auf 500 C erwärmt und dann etwa 10 Minuten bei 1750 C in einem Ofen unter feuchtem Wasserstoff gebrannt.
Beispiel 3
Ein Gemisch von 400 Teilen Wolfram (passiert Siebmaschen mit ungefähr 0,035 mm lichter Weite), 60 Teilen Methylcellulose (60 HG 4000 CPS), die gründlich trocken vermischt wurden, wird mit 20 Teilen Wasser und 7 Teilen Glycerin zusammen mit einer kleinen Menge Netzmittel (z. B. einem Alkyläther von Polyäthylenglykol) vermischt. Nach gründlichem Mischen wird das feuchte Gemisch auf einer Kautschukmühle mit 0,05 mm Walzenabstand ausgewalzt. Das erhaltene Blatt wird quer gewalzt, d. h. es wird nach der Herstellung noch einmal in einer Richtung von 90 zur ursprünglichen Walzrichtung gewalzt. Das erhaltene sehr dünne Blatt, etwa 0,22 mm stark, wird feucht gehalten.
Ein zuvor hergestelltes Rohblatt der gleichen Zusammensetzung und Stärke, das aber 30 Mol-% Uranoxydschrot, das zwischen lichten Siebmaschenweiten von 0,149 und 0,105 mm liegt, enthält, wird zu einer kleineren Grösse als die Hälfte des brennstoffreien Wolframblatts geschnitten. Unter Feuchthalten aller Blätter wird das Brennstoff enthaltende Blatt auf das brennstoffreie Blatt gelegt, das dann über dem Brennstoff enthaltenden Blatt derart zusammengelegt wird, dass dieses von einem Mantel umgeben ist. Das Rohprodukt wird sorgfältig zum Vertreiben von Luftblasen zusammengepresst, und die Ränder werden durch leichten Druck miteinander verbunden. Das zusammengesetzte Blatt wird dann unter Druck durch Kalanderwalzen geschickt, um den Mantel mit dem Brennstoffblatt zu verbinden.
Um isotrope Eigenschaften zu behalten, werden die Blätter quergewalzt, d. h. in einem Winkel von 90C zur ersten Walzrichtung, wobei mit einem Walzenabstand von 0,3 mm eine Endstärke von etwa 0,5 mm erhalten wird. Bevorzugt wird die Stärke um etwa 5-10 % vermindert. Erforderlichenfalls werden grosse überschüssige Ränder des brennstoffreien Mantels abgeschnitten.
Das erhaltene zusammengesetzte Blatt kann wie in Beispiel 1 gewellt werden, und eine Anzahl derartiger Blätter, z. B. abwechselnd eben und gewellt, kann zu einem Gebilde mit zahlreichen parallelen Durchlässen vereinigt werden. Ein aus Wolframpulver, Methylcellulose und Wasser bestehender Kitt wird zur Verbindung der Blätter an der Berührungsstelle verwendet. Die trockenen lederartigen rohen Blätter können aber auch lediglich mit Wasser an den Stellen befeuchtet werden, an denen sie verbunden werden sollen. Wenn die Blätter unter leichtem Druck aufeinadergelegt werden, haften sie aneinander und werden beim Trocknen fest verbunden.
Diese Gebilde werden sorgfältig getrocknet, dann in Wasserstoff auf etwa 500 C erwärmt und in feuchtem Wasserstoff bei etwa 1750 C gebrannt.
Nach den Verfahren der Beispiele 2 und 3 können sowohl Brennstoff enthaltende als auch Mantelblätter unter Verwendung von Molybdän, Niobium, Tantal, Zirkonium und dgl. hergestellt werden. Ebenso können Legierungen, wie rostfreier Stahl, verwendet werden. In allen diesen Fällen werden Metallpulver verwendet, das ein Sieb mit etwa 0,044 mm lichter Maschenweite passiert. Wenn gepulverter rostfreier Stahl verwendet wird, werden die getrockneten Blätter bei etwa 1350 C in einem Wasserstoffofen gebrannt, nachdem sie etwa 30 Minuten auf 500 C vorgewärmt worden sind.
Wenn die brennbaren Materialien gepulverte Metalle enthalten, die beim Brennen in Anwesenheit von Wasserstoff Hydride bilden, z. B. Titan, Zirkonium, Tantal usw., wird zweckmässigerweise ein flüchtiges Bindemittel verwendet, und die brennbaren Materialien werden in einer inerten Atmosphäre gebrannt. So wird z. B. feingepulvertes (kleiner als 0,044mm lichte Maschenweite) Tantal mit 3 % gepulvertem Methylmethacrylat und einem organischen Lösungsmittel für das Polymerisat vermischt. Brennstoff enthaltende und brennstoffreie Blätter werden wie oben beschrieben hergestellt und in der gleichen Weise mit dem verwendeten Lösungsmittel verbunden.
Bei etwa 20 Minuten Brennen bei etwa 2100 C in einer Argonatmosphäre werden nach 30 Minuten Vorerhitzen im Vakuum (10-4 Torr) auf etwa 300 C unbearbeitete isotrope Blätter aus Tantal erhalten, die UO2-Brennstoffteilchen enthalten.
PATENTANSPRUCH 1
Brennbares Material, das nach dem Brennen ein Kernbrennstoffelement liefert, wobei in dem brennbaren Material spaltbare Brennstoffteilchen in leinem Metall enthaltenden Blatt verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare Material mindestens ein Gerüstblatt und ein dieses umgebendes Auflagematerial aufweist, wobei das Gerüstblatt aus einem gepulverten Metall und einem organischen Bindemittel aufgebaut ist und in diesem Gerüst-Blatt spaltbare Kernbrennstoffteilchen gleichmässig verteilt sind, und dass sich auf den äusseren Oberflächen dieses Gerüstblattes ein Auflagematerial gleichmässig verteilt befindet, wobei das Auflagematerial ein gepulvertes Metall und ein organisches Bindemittel hierfür enthält.
UNTERANSPRÜCHE
1. Brennbares Material nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das gepulverte Metall ein schwer schmelzbares Metall ist.
2. Brennbares Material nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schwerschmelzbare Metall Wolfram ist.
3. Brennbares Material nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schwerschmelzbare Metall Tantal ist.
4. Brennbares Material nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schwerschmelzbare Metall rostfreier Stahl ist.
5. Brennbares Material nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schwerschmelzbare Metall Molybdän ist.
6. Brennbares Material nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schwerschmelzbare Metall Niobium ist.
7. Brennbares Material nach Patentanspruch I oder einem der Unteransprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflagematerial 1 bis 10 Gew.-% organisches Bindemittel enthält.
PATENTANSPRUCH II
Verfahren zur Herstellung eines brennbaren Materials nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man aus einem gepulverten Metall, einem organischen Bindemittel und spaltbaren Kernbrennstoffteilchen das Gerüstblatt herstellt, bei dem die Kernbrennstoffteilchen gleichmässig verteilt sind, und dass man auf die äussere Oberfläche Idieses Gerüstblattes ein Auflagematerial, das aus gepulvertem Metall und einem organischen Bindemittel besteht, gleichmässig verteilt.
UNTERANSPRÜCHE
8. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass man nach dem Aufbringen des gepulverten Metalls und des organischen Bindemittels auf die Gerüstblätter die erhaltenen Schichten miteinander verklebt.
9. Verfahren nach Patentanspruch II oder Unteranspruch 8, Idadurch gekennzeichnet, dass man die Schichtgebilde aus Brennstoff enthaltendem Gerüstblatt und brennstoffreiem Auflagematerial unter einem Druck zusammenwalzt, der nur ausreicht, um die Stärke der verenigten Schichten um nicht mehr als 10% zu vermindern.
PATENTANSPRUCH III
Verwendung des brennbaren Materials nach Patentanspruch I zur Herstellung eines Kernbrennstoffelements, dadurch gekennzeichnet, dass man das brennbare Material zu einer starren Form zusammensintern Iässt, die ein einheitlich verbundenes Kernbrennstoffelement darstellt.
UNTERANSPRÜCHE
10. Verwendung nach Patentanspruch III, dadurch gekennzeichnet, dass man ein brennbares Material verwendet, bei dem die in den Gerüstblättern enthaltenen Kernbrennstoffteilchen bei der beim Sintern angewandten- Temperatur gegen das Metallpulver des Gerüstblattes inert sind.
11. Verwendung nach Patentanspruch III oder Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man ein brennbares Material verwendet, in dem das schwerschmelzbare Metall Wolfram ist.
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