DE1208014B

DE1208014B - Kugelfoermiges Brennstoffelement fuer Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren und Vorrichtung zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE1208014B
Application number: DEN23747A
Authority: DE
Inventors: Lothar Rachor
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1963-09-05
Filing date: 1963-09-13
Publication date: 1965-12-30
Also published as: GB1083993A; GB1083992A; BE632732A; DE1210095B; US3284314A; DE1210096B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21c

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer: 1208 014

Aktenzeichen: N 23747 VIII c/21 g

Anmeldetag: 13. September 1963

Auslegetag: 30. Dezember 1965

Gegenstand der Hauptpatentanmeldung N 23119 VIII c/21 g ist ein kugelförmiges Brennstoffelement für Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren aus Spaltstoff und Moderator oder Spaltstoff, Brutstoff und Moderator, bei dem der Spaltstoff in einer Ausnehmung eines kugelförmigen, aus Graphit bestehenden Gerüstkörpers angeordnet ist; der Brennstoff bzw. Brutstoff ist auf der Wand des Hohlraumes der Kugel aufgebracht, und der restliche Hohlraum ist mit einer neutronenphysikalisch günstigen, hochtemperaturbeständigen Masse, vorzugsweise Graphit, ausgefüllt.

Als besondere Ausführung wird in der Hauptpatentanmeldung beschrieben, daß die Ausnehmung der Graphitkugel kugelförmige oder annähernd kugelförmige Gestalt hat.

Der Hauptpatentanmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanische Festigkeit und die Fallbeständigkeit solcher Bauelemente zu verbessern. Dies wird bei den in der Hauptpatentanmeldung beschriebenen Brennelementen dadurch erreicht, daß gemäß der Erfindung der Querschnitt der Einfüllöffnung wesentlich kleiner ist als der Querschnitt der Ausnehmung. Versuche haben beispielsweise ergeben, daß sich für kugelförmige Brennelemente vom Durchmesser d bei sonst gleicher Konstruktion, z. B. einer Hohlkugel mit einem Hohlraumdurchmesser von 0,6 d, bei Verringerung des Bohrungsdurchmessers von 0,37 auf 0,25 d die minimal ertragene Fallzahl um den Faktor 4 erhöht. Durch weitere Verringerung des Durchmessers auf 0,2 bis 0,15 d läßt sich die Beständigkeit der Kugeln noch darüber hinaus erheblich verbessern. Die starke Abhängigkeit von der Größe des Bohrungsdurchmessers ergibt sich auch aus Zerdrückversuchen und läßt sich durch theoretische Untersuchung der Spannungsverteilung bei Belastung erklären.

Vorzugsweise liegt das Verhältnis von öffnungszu Hohlraumdurchmesser der Kugel zwischen 0,5:1 und 0,2:1.

In der A b b. 1 ist ein derartiges Brennelement im Schnitt dargestellt. Es besteht aus einer Hohlkugel 1, die mit einem Stopfen 2 verschlossen ist, wobei der Durchmesser der Öffnung wesentlich kleiner als der des inneren Kugelraumes ist.

Der Kopf 3 des zum Verschluß der Bohrung dienenden Stopfens 2 wird vorteilhaft konisch ausgebildet, die Konuslänge beträgt vorzugsweise 30 bis 50% der Stopfenlänge. Der konische Stopfenkopf überträgt auf den Stopfen einwirkende äußere Kräfte auf die Kugelwand, ohne das Gewinde zu belasten. Ein Konuswinkel zwischen 30 und 60° hat sich als Kugelförmiges Brennstoffelement für
Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren und
Vorrichtung zur Herstellung desselben

Zusatz zum Patent: N 23119 VIII c/21 g —
Auslegeschrift 1202 910

Anmelder:

NUKEM Nuklear-Chemie und -Metallurgie

Gesellschaft m. b. H., Wolfgang bei Hanau

Als Erfinder benannt:
Lothar Rachor, Klein-Auheim

günstig ergeben. Ein zu spitzer Konus schädigt die Kugel durch Keilwirkung, ein zu flacher Konus ist seinerseits durch Randausbrüche gefährdet.

Die Gewindekonstruktion gewährleistet zusammen mit einer einwandfreien Verkittung, daß bei jeder Beanspruchung der Stopfen in seiner Lage gehalten wird. Die Gewindetiefe beträgt vorteilhaft ein Zehntel bis ein Fünfzehntel des Gewindeaußendurchmessers.

Um einen sicheren Stopfensitz ohne Schädigung des Gewindes zu gewährleisten, ist es notwendig, den Stopfen mit einem definierten Drehmoment einzuschrauben. Die Höhe des Drehmomentes ist im wesentlichen abhängig vom Gewindedurchmesser.

Damit sich beim Fallenlassen der Stopfen nicht lockert, wird eine Verkittung vorgenommen. Der Kitt ergibt nach der anschließenden Verkokung (Erhitzung auf 1000 bis 1800° C) eine fest haftende Verbindung zwischen Stopfen- und Bohrungsgewinde, die durch eine Schlagbeanspruchung nicht beschädigt wird. Gut verkokende Kitte mit hoher Festigkeit und geringer Sprödigkeit werden hergestellt aus Phenolharzen, Epoxyharzen, Furfuralkohol, Furfuralkoholderivaten oder anderen Furanderivaten, entweder einzeln oder in Kombination.

In der Abb. 2 ist eine Vorrichtung dargestellt, mit der eine Graphithohlkugel für das den Gegenstand der Erfindung bildende Brennelement auf einer Drehscheibe besonders günstig herstellbar ist.

Die Vorrichtung erzeugt mit einem außerhalb der Graphitkugel geführten Drehmeißel einen Teil der Innenkontur der Hohlkugel durch Bewegung der ab-

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gerundeten Spitze desselben auf einem Kreisbogen, dessen Radius dem der Hohlkugel entspricht, und den Rest der Innenkontur in der Endstellung des Werkzeuges mit dessen kreisförmig profilierter Schneide. Die Arbeitsbewegung des Drehmeißels besteht im wesentlichen aus einer Schwenkung um einen Punkt im Bereich der Kugelöffnung, die dadurch bei ausreichender Starrheit des Werkzeuges sehr eng sein kann.

Beschreibung

Ein Drehmeißel 4 ist auf einem Schwenkteil 5 befestigt, das die Führungsnut 6 und den Bolzen 7 trägt. Darunter befindet sich die Grundplatte 8 mit dem Führungsbolzen 9 und der Führungsnut 10.

Das Schwenkteil 5 ist in der Führung 6 um den Bolzen 9 drehbar, wobei der Bolzen 7 in der Nut 10 gleitet. Anschläge 11 und 12 begrenzen die Schwenkbewegung. Durch nicht besonders gezeigte Maßnahmen ist dafür gesorgt, daß der Werkzeugträger sich nicht von der Grundplatte abheben kann.

Arbeitsgang

Der Drehmeißel 4 wird durch Verschieben der Grundplatte 8 bei Stellung des Schwenkteils 5 am Anschlag 11 in die vorgebohrte rotierende Kugel 13 eingeführt, bis die Grundplatte 8 an den Anschlag 14 stößt. Die Spanabnahme erfolgt während der Drehung des Schwenkteils 5 bis zum Anschlag 12. Durch das Zusammenwirken der beiden Führungen 6 und 10 wird die Spitze des Drehmeißels auf dem Kreisbogen 15 bewegt. Die restliche Innenkontur der Kugel wird durch die kreisförmig gekrümmte Schneidefläche 16 des Drehmeißels erzeugt.

Abb. 3 zeigt die geometrischen Grundlagen der Konstruktion. Eine Drehung der Geraden g um den Punkt D allein würde den Kreisbogen k erzeugen. Zur Erzielung des Kreisbogens k_x um den Kugelmittelpunkt K ist eine Längsverschiebung der Geraden g um die Strecke α notwendig. In sehr einfächer Weise ist diese Längsverschiebung möglich durch Führung eines geeigneten Punktes der Geraden g auf einer geraden Linie s senkrecht zur Verbindungslinie DK in geeignetem Abstand von D. Die Strecke a_x auf der Geraden g zwischen der Sehne s und dem Kreisbogen k₂ entspricht mit hinreichender Genauigkeit der Strecke α zwischen den Kreisbogen k und k_v

Claims

Patentansprüche:

1. Kugelförmiges Brennstoffelement für Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren, bei dem der Brennstoff bzw. Brutstoff auf der Wand des Hohlraumes der Kugel aufgebracht ist und der restliche Hohlraum mit einer neutronenphysikalisch günstigen, hochtemperaturbeständigen Masse, vorzugsweise Graphit, ausgefüllt ist, gemäß Patentanmeldung N 23119 VIIIc/21 g, d a durch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Einfüllöffnung wesentlich kleiner ist als der Querschnitt der Ausnehmung.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus dem Durchmesser der Einfüllöffnung zum Hohlraumdurchmesser zwischen 0,5 :1 und 0,2:1 liegt.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Verschluß der Öffnung dienende Stopfen ein konisches Kopfteil besitzt.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel 30 bis 60° beträgt. ■

5. Brennstoffelement nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verkittung mit kohlenstoffhaltigen Stoffen und anschließender Verkokung eine fest haftende Verbindung zwischen Stopfen und Bohrung hergestellt ist.

6. Vorrichtung zur Aushöhlung von Graphitkugeln für Brennstoffelemente nach Anspruch 1 auf Drehmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Herstellung der Ausnehmung dienende Drehmeißel (4) auf einem Schwenkteil (5) befestigt ist, der Nut-Bolzen-Führungen (6, 9 bzw. 7,10) aufweist, wodurch bei einer Schwenkbewegung sich gleichzeitig eine Längsverschiebung des Schwenkteils (5) mit dem daran befestigten Meißel (4) so überlagert, daß ein Teil der Werkzeugschneide bei der Schwenkung einen Kreis beschreibt, dessen Radius dem Hohlraumradius entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die übrige Schneidefläche des Drehmeißels als Abschnitt eines Kreises ausgeführt ist, dessen Radius dem Hohlraumradius entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen