DE1028703B - Verfahren zur Herstellung ummantelter Brennstoffelemente fuer Reaktoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft die Herstellung eines ummantelten Brennelementes für Reaktoren, das aus einem Kern aus spaltbarem Material besteht, der mit einer dicht schließenden Umhüllung, einem sogenannten Can, aus hochschmelzendem Metall versehen ist.

Die in einen Reaktor als Brennelemente eingebrachten Formkörper aus spaltbarem Material müssen aus Gründen der Korrosion durch das Kühlmittel und, um die Verunreinigung des Kühlmittels durch radioaktive Spaltprodukte zu vermeiden, mit einer schützenden Hülle umgeben sein. Aus neutronenökonomischen Gründen kommen hierfür nur Materialien in Frage, die einen geringen Neutroneueinfangquerschnitt aufweisen. Im \^ordergrund des Interesses stehen neben anderen Materialien je nach dem Reaktortyp Aluminium, hafniumfreies Zirkon und für bestimmte Zwecke Stahl. Die wichtigsten Anforderungen an ein auf diese Weise geschütztes Brennelement sind folgende:

a) Der Can-Werkstoff soll eine geringe Neutronenabsorption haiien:

b) der Can-Werkstoff soll nur in relativ dünner Schicht das spaltbare Material umgeben und gut wärmeleitend sein;

c) die »Verbindung« zwischen dem spaltbaren Material und dem Can soll möglichst innig sein, damit der Wärmeübergang vom spaltbaren Material zum Kühlmittel ungestört erfolgt:

ti) die »Verbindung« zwischen dem spaltbaren Material und dem Can-Werkstoff soll an keiner Stelle unterbrochen sein, da eine einzige Fehlstelle die Keimzelle zur Zerstörung des ganzen Elementes sein kann.

Diesen Anforderungen kann man gerecht werden durch Einlöten eines eingepaßten Werkstückes des spaltbaren Materials in das Can. wobei allerdings die Lotfrage und das Problem der diffusionsheinmenden Schichten noch nicht völlig gelöst sind und auch die Methode des Einlöten« gewisse .Schwierigkeiten bereitet.

Es wurde nun gefunden, daß die vorerwähnten Bedingungen auf relativ einfache AVei.se unter Vermeidung aller Schwierigkeiten erfüllt werden können, wenn man das in ein Can aus hochschmelzendem Metall eingebrachte spaltbare Material erfindungsgemäß im Schmelzfluß mit dem Can-Werkstoff ohne Lot porenfrei und homogen verschweißt. Dies kann z. B. durch Gießen od. dgl. erreicht werden.

Das Verfahren der Erfindung soll an Hand des

folgenden Beispieles, das die Ummantelung von Uranstäben mit Zirkon beschreibt, erläutert werden:

Der Schmelzpunkt des Zirkons liegt bei 1845° C.

der des Urans bei 1133° C. Das kubisch-raum-

Verfahren zur Herstellung ummantelter Brennstoffelemente für Reaktoren

Anmelder:
Deutsche Gold- und Silber-Scheideanstalt

vormals Roessler,
Frankfurt/M., Weißfrauenstr. 9

Dr. Manfred Becker, Hanau/M.,
ist als Erfinder genannt worden

zentrierte /5-Zirkon bildet mit dem kubisdi-raumzentrierten /-Uran eine lückenlose Mi.sehkristallreihe. Wenn man nun eine echte Verschweißung des Urans mit dem Zirkon erreichen will, so ist es notwendig, einmal alle Verunreinigungen zu vermeiden, zum zweiten das Uran im flüssigen Zustand mit dem in festem Zustand befindlichen Zirkon in Berührung zu bringen und zum dritten die Berührungszeit in Abhängigkeit von der Temperatur zu begrenzen, um eine Legierungsbildung in stärkerem Ausmaß zu vermeiden. Das wird erreicht, wenn man in ein Can aus Zirkon, das entweder durch Tiefziehen oder Strangpressen in der gewünschten dünnen Wandstärke hergestellt werden kann, einen z. B. durch Elektropolieren von der Oxydschicht befreiten Uranstab mit geringem Spiel einbringt und das Can zusammen mit dem Stab im Hochvakuum durch einen Induktionsofen absenkt. Dabei schmilzt das Uran partiell auf (ähnlich dem Zonenschmelzverfahren), füllt das Rohr ganz aus und bildet nach der Wiedererstarrung mit dem Zirkon einen weit besseren Kontakt, als dies beispielsweise durch Lötung oder Aufziehen erreicht werden kann. Durch die Dauer der Wärmeeinwirkung und die Höhe der Temperatur kann auch eine gewisse Legierungsbildung zwischen dem Uran und dem Zirkon, die zu einer noch verbesserten A^erbindung der beiden Elemente führt, gesteuert werden. Die erlindungsgemäß hergestellten Brennstoffelemente zeich-π en sich durch eine besonders gute Temperatur-Standfestigkeit aus und sind gegen Temperaturwechsel weit weniger empfindlich als die in der üblichen Weise aus gewalztem oder in anderer Weise mechanisch verformten! Material hergestellten.

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Claims (5)

PATENTANSPROCHEr

1. Verfahren zur Herstellung von Brennstoffelementen, die aus einem Kern spaltbaren Metalls bestehen, der mit einer dicht schließenden Hülle, einem sogenannten Can,, aus hochschmelzendem Metall versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß dais spaltbare Material im Schmelzfluß mit dem Can-Material ohne Lot porenfrei und homogen verschweißt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spaltbare Material in das Can in Form eines mit geringem Spiel eingepaßten Werkstückes eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit spaltbarem Material gefüllte Can durch einen Induktionsofen unter solchen Bedingungen hindurchgefü'hrt wird, daß zwar das spaltbare Material, jedoch nicht der Can-Werkstoff aufschmilzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das spaltbare Material in dem Can auf solche Temperaturen gebracht wird, daß eine dünne Zone der Legierungsbildung zwischen spaltbarem Material und Can entsteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als spaltbares Material Uran und als Can-Werkstoff Stahl oder Zirkon verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Selected Reference Material on Atomic Energy; Reactor Handbook, Engineering, 1955, S. 193.

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