DE1414732A1

DE1414732A1 - Kernbrennstoffelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1414732A1
Application number: DE19601414732
Authority: DE
Inventors: Taylor Kenneth Merland
Original assignee: Carborundum Co
Current assignee: Unifrax I LLC
Priority date: 1959-11-30
Filing date: 1960-11-04
Publication date: 1968-10-03
Also published as: GB952090A; US3166614A

Description

TZE ÖARBöRUHnJM COMPANY
Niagara Palls, Hew York, USA

Kernbrennstoffeleinent rind Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung "bezieht sich auf Erzeugnisse mit "bestimmten neuen Eigenschaften für Hochtemperaturanwendung, insbesondere auf Kernbrennstoffelemente_β Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Kernbrennstoffelements, das als integrierenden Bestandteil ein als Reaktionsbremse wirkendes Iviaterial enthalte Im übrigen soll das Kernbrennstoffelement die Spaltprodukte festhalten und insbesondere für Kiesbettreaktoren verwendbar sein, die die Eitse verbreiten für eine chemische Reaktion oder für eine physikalische Änderung, wie beispielsweise für die Vergasung von Kohle» Das Kernbrennstoffelement soll ausserdem sehr widerstandsfähig sein gegen Erosion und Korrosion, und in sich fest genug sein für die notwendige ■Handhabung und gegen innere Spannungeno Das Kernbrennstoffelement soll auch bei. inneren Spannungen seine Abmessungen so wenig wie möglich ändern«.

In den Zeichnungen zeigen

3?ig»1 teilweise in Ansicht, teilweise im axialen Schnitt, ein kugelförmiges Brennstoffelement für festen Brennstoff gemäss der Erfindung,

Fig.2 teilwtise in.Ansicht, teilweise im axialen Schnitt, eine gegenüber lig.1 andere Ausführungsform eines Kernbrennstoffelements gemäss der Erfindung,

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Wo/läü

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3?igo3 teilweise in Ansicht, teilweise im axialen Schnitt, eine noch andere Ausführungsfο rau

Erfindung sgeißäss hat das Kernbrennst off element zwecks Erreichung der oben genannten Eigenschaften einen Kern aus Neutronenspaltmaterial, mit oder ohne Zusätze, das in einer G-raphitmasse verteilt ist, und das Element hat weiterhin einen im.wesentlichen undurchlässigen Belag aus Siliziumkarbid· Ein solches Brennstoffelement widersteht sehr hohen Temperaturen, das G-raphit wirkt als Reale ti ons bremse, und der Belag aus Siliziumkarbid schützt das G-raphit gegen Erosion, Abrieb und Oxydation und hält die Spaltprodukte fest»

Vorzugsweise haben die Brennstoffelemente aus festem Brennstoff Kugelform_e Sie können aber auch andere Formgebung habeno Kugelförmige Brennstoffelemente sind für Kiesbettreaktoren gut geeignet, weil infolge der Kugelform zwischen benachbarten Etementen Räume entstehen, durch die das G-as hindurchtreten kann, und weil sie gleichzeitig eine minimale, der Erosion und dem Abrieb durch das G-as ausgesetzte Oberfläche haben·

Der Kern des Brennstoffelements kann zusätzlich zum Brennstoff, deh· zusätzlich zu dem ITeutronenspaltmaterial mit oder ohne Zusätze ,ein feuerfestes Material enthalten, wie beispielsweise Siliziumkarbid., Zirkonkarbid, Titankarbid, Berylliumkarbid oder Molybdänkarbid, (sowie auch, in kleineren Anteilen, Zirkonsilizid oder Titansilizid·) Die Anwesenheit solcher feuerfesten Materialien wirkt sich günstig auf den Vfärmeausdehnungskoeffizienten des Brennstoffelements aus und bringt diesen näher an den Koeffizienten des Belageso -Ausserdem begünstigt die Anwesenheit dieser feuerfesten Materialien die !Festigkeit seigensehaf ten des Kernse Der mit Kohlenstoff oder Graphit gebundene Kern kann auch noch

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anderes als Reaktionsbremse wirkendes Material enthalten, wie "beispielsweise Berylliumkarbid_β

Lach einer anderen erfindungsgemässen Konstruktion ist der Kernkörper verstärkt oder gebunden durch ein feuerfestes Karbid, beispielsweise Siliziumkarbid, ZirkonkarMd oder Titankarbide Sin solcher Kernkörper kann, als Einschluß oder vorzugsweise in gleichmässiger Verteilung, ein als 'Reaktionsbremse wirkendes Material und das Neutronenspaltmaterial, mit oder ohne Zusätze, enthalten« Vorzugsweise ist Graphit das die Reaktion bremsende keramische Material bei einer Silizium— karbidbindungj weil nämlich dieses Material in vielen Rohmi-. schungen, aus denen der Kern hergestellt wird, vorhanden ist« Aber es kann auch als die Reaktion bremsendes Material Berylliumoxyd verwendet werden, oder auch Mischungen aus Graphit und Berylliumkarbide

Der aktive Brennstoff des Elementes ist ein neutronenSpaltmaterial oder eine Mischung eines solchen Materials mit fördernden Zusätzeno Typische Brennstoffe dieser Art sind Reutronenspaltstoffe wie metallisches Uran, oder Uranverbiiidungen wie Urankarbid, Uranoxyd und dergl· sowie Uransilizid in allen Formen, Uran-Beryllium-Legierungen, Mischungen aus dem Vorgenannten β Diese Materialien können Gemische sein mit fördernden Zusätzen wie beispielsweise Thorkarbid· Der Brennstoff kann natürlich oder angereichert sein·

Der keramische feuerfeste Belag, der den Kern umgibt, ist vorzugsweise eine Siliziumkarbidschicht· Andere gute Schutzbeläge sind Zirkonkarbid, Titankarbid oder Mischungen der drei genannten Karbide, sowie auch siliziertes Siliziumkarbid, hexagonales Siliziumkarbid gebunden mit kubischem Siliziumkarbid., siliziumkarbidgebundenes Graphit, Siliziumnitrid- und siliziumnitridgebundenes Siliziumkarbid· Der Belag soll die

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Spaltprodukte festhalten und widerstandsfähig sein gegen Erosion, Abrieb und gegen chemischen Angriff, deshalb werden Beläge mit hoher Dichte bevorzugte Wenn ein Kern einen in einer Graphitmasse verteilten Brennstoff hat, erreichen die Brennstoffpartikel oft beim Gebrauch des Elements aussergewönnlich hohe Temperaturen. Bei einigen Brennstoffen erfolgt oft eine chemische Reaktion zwischen den Brennstoff— Partikeln an der äusseren Oberfläche des Kerns und dem Belagmaterial· Um aus solchen Reaktionen entstehende Schwierigkeiten zu vermeiden kann der Belag aus zwei Schichten bestehen, und zwar aus einer inneren Schicht eines feuerfesten Materials, das gegenüber dem Brennstoff neutral ist, also beispielsweise Graphit, und aus einer äusseren Schicht aus einem der vorgenannten * feuerfesten keramischen Belagmaterialien·

Das Brennstoffelement kann auch einen kleinen Anteil eines brennbaren Giftes, wie beispielsweise Borkarbid, enthalten» Die Anwesenheit eines solchen Materials macht die Kontrolle fast automatisch, da beim Betrieb des Reaktors sowohl der Brennstoff als auch das Gift zusammen verbraucht werden.

Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Beispielen erläutert·

Beispiel 1

Kernbrennstoff in einer Graphitmasse verteilt dünner Bel§g aus.Siliziumkarbide

Als Brennstoff wurde ein Urankarbid hergestellt durch* Kohlen— stoffreduktion des Urandioxyds bei 2400⁰O. Dae Produkt ist ein im wesentlichen einphasiges, stöohiometrisches Urankarbid der Formel UO₂* Das Urankarbid wurde zerkleinert, gemahlen und gesiebt auf eine Partikelgrösse von vorwiegend 100-200 Mikron.

_5_

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Dann wurde isotropisclies Graphit, das eine sehr ähnliche Wänaeausdehnung hat wie Siliziumkarbid mit hoher. Die lit e, zerkleinert und auf folgende Partikelgrösse zermahlen :

UeSoStaadardmaschengrösse. Gewichtsprozent

-1,5 + 0,75 mm , 0„2 -0,75 + 0,4 mn - 11.2-

-0,4 + 0,2 mm i6»0

-0,2 + 0,135 mm 26.9

-0,135 + 0,09 mm 17*8

-ü,09 + 0,075 .'IDDi-. 12.-7

kleiner als 0,075 ram 21 „2

Dann wurde eine Mischung aus dem Graphit, dem Urankarbid und Bindematerialien hergestellt in folgenden Verhältnissen :

Bestandteile Gew_eQ?eile

Graphit Urankarbid . 44»8

■irockenes, "gepulvertes Phenolharz 21 Flüssiges Pheiiolharz 48₀5

Vor ü-afuguns des flüssigen I-Iarzes wurden die trockenen Bestandteile sorgfältig gemischt und dann wurde die Gesamtmischung drei Stunden lang durchmischt, um eine gleichmässige Verteilung aller bestandteile der Rohmisellung zu erreichen₀ Dann wurde die KohBiischung in kugelige Gebilde gepresst, und zwar bei einem Druck von 420 kg/cmο Diese Kugeln wurden in einen Vakuumofen gebracht und 24 Stunden lang bei 8O⁰O, und dann weitere 24 Stunden lang bei 180⁰C gehärtet.

Die gehärteten Kugeln vnirden dann in einem Vakuuminduktionsofen erhitzt, bis maximal 2100⁰O, um das Harz zu karbonisieren·

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Nach Abkühlung wurden die Kugeln aus dem Ofen herausgenommen.

Dann wurde ein Schlamm mit folgenden Bestandteilen hergestellt: Bestandteile G-ewoTeile

Flüssiges Phenolharz . . 135

Äthylalkohol 115

SiliziumkarMd : ■ .

Masohenweite 0,005 mm 100

¹¹ etwa 0,04 mm 50

¹¹ » 0,07 mm 100

leines Graphit 60

Tragant-Gummi 15

Die Bestandteile des Schlamms wurden sorgfältig gemischt, um ein üindringen von Luft zu verhindern»

Ein kleiner Anteil dieses Schlamms wurde von Hand in die Oberflächen der Kugeln eingerieben, um deren Poren zu füllen. Dann wurden die Kugeln in den Schlamm eingetaucht und luftgetrocknete Nach dem Lufttrocknen wurden die Berührungspunkte der Kugeln mit dem Schlamm behandelt, um so einen durchgehenden Belag herzustellen, und die belegten Kugeln wurden dann in einen Ofen eingebracht und in einer neutralen Atmosphäre Stunden lang bei 8O⁰O, und dann weitere 24 Stunden lang bei 180⁰O gehärtet» Der Schlamm kann auch durch Sprühen aufgebracht werden.

Die belegten Kugeln wurden dann in Graphittiegel mit einem kleinen Betrag von metallischem Silizium eingebrachte Diese kugeligen Gebilde hatten je einen Durchmesser von 38 mm, und für jede Kugel waren etwa 8 g Silizium vorhanden· Jeder Tiegel wurde dann in einem Vakuumofen auf 1900⁰O erhitzt, und die Maximal temperatur wurde etwa 10 Minuten lang beibehaltene Das

BAD GFU^:;<_;·- ~⁷"*

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-m Υ Μ

Abkühlen auf Raumtemperatur erfolgte" in" etwa 16 Stunden_e Ein erfolgreiches Brennen wurde auch in einer neutralen Atmosphäre bei Atmosphärendruck durchgeführte

Das Silizium reagierte bei hohen Temperaturen mit dem Kohlenstoff des Belages, und mit dem zusätzlichen Kohlenstoff des Eelages, der sich bei Karbonisieren des Harzes in dem Schlamm bildet« Etwas Silizium drang auch durch den Belag hindurch und reagierte mit dem G-raphit und dem Kohlenstoff in dem Kern, ' einscliliesslich des Kohlenstoffs, der sich durch Karbonisieren der Earzbindung niederschlüge

Der Siliziumkarbidbelag auf den Brennstoffelementen hatte eine Dicke von etwa 0,25 mm_e Oxydationsteste und ein Eintauchen der Kugeln in heisse Flüssigkeiten ergaben, dass die Siliziumkarbidbeläge im wesentlichen undurchlässig waren· Das vorerwähnte Verfahren stellt ein bevorzugtes Vorgehen zur Herstellung von Brennstoffelementen dar, bei denen der feste Brennstoff in einer G-raphitmasse eines Kerns verteilt ist, der mit Silizium^ karbid hoher Dichte belegt isto Änderungen sind möglich, beispielsweise kann das gepulverte Harz in der Rohmischung weggelassen werden, wenn man einen anderen Binder, der karbonisierbar oder vollkommen flüchtig ist, anwendete Der Kern kann in fast jedem Ofen gebrannt werden, der entsprechende lemperaturen erreicht und eine neutrale Atmosphäre, beispielsweise ein Vakuum· hat« Das Pressen kann in üblichen Formen erfolgen, oder auch isodrom«

V.

In dem Schlamm für den Belag kann das Siliziumkarbid ersetzt sein, durch Zirkonkarbid und 'fitankarbid mit feinen Partikeln, und in einem solchen Falle dient Zirkon- oder Sitan-Metall statt des Siliziummetalls zur Reaktion mit dem Kohlenstoff in dem ,Belage

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Bei der Herstellung der dünnen Belagschient muss darauf geachtet werden, dass eine Karbidschicht mit grösstmöglicher Dichte entsteht ι dehe die Schicht soll nicht porös sein, undurchlässig, fest und widerstandsfähig gegen chemischen Angriff»

Vorzugsweise ist das Brennst off material fest und in dem Graphit duroh Trockenmischung fein verteilt·' G-leiche Ergebnisse erhält man aber_? indem man die kugeligen G-.e"bilde aus einer Mischung ohne Brennstoff herstellt und dann die Kugeln mit einer Lösung imprägniert« Hierfür kann eine Lösung aus Urannitrat oder an«· derem Material verwendet werden« Beim Brennen kann dann das niedergeschlagene Urannitrat in das Oxyd oder Karbid umgewandelt werden« 3?ig«1 zeigt, ein Brennstoffelement einer solchen Art mit einem festen Kern 11, dessen Brennstoffρartikel gleiohmässig in einer Graphitmasse verteilt sind· Der Belag ist ein dünner Sil£ziumkartIdbelag, dessen Dicke der Deutlichkeit wegen in ]?ig«1 übertrieben dargestellt ist·

Beispiel 2

Kern t Brennstoff verteilt in einer G-raphitmasse, die

durph ein Netzwerk von Siliziumkarbid verstärkt, ist·
Belag ι dünner Belag aus Siliziumkarbid.

Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde etwas abgewandelt, um festere Kerne zu erzeugen· Zu diesem Zweck wurde die Rohmisohung wie im Beispiel 1 hergestellt, und wurde unter einem Druck von 210 kg/cm , anstatt von 420 kg/om gepreßt, bo dass, sich für das Brennen weniger kompakte poröse Gebilde •rgaben· Tür diesen Zweck hat es eioh gezeigt, dass Brack« ten 140-280 kg/om ausreichend sind» Die Kugeln wurden dann in einem Vakuumofen gebrannt, um, wie vorher, das Harz auszuhärten, und dann wurden sie in einem Vakuuminduktionsofen In

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Gegenwart von Silizium erhitzt· Die Temperatur lieas man, wie vorher, "bis auf 210O⁰O ansteigen, um zunächst das Harz zu karbonisieren und darauf die Kugeln mit dem Silizium zu infiltrieren. Das Silizium reagierte mit dem Kohlenstoff und mit dem Graphit und "bildete netzwerkartiges Siliziumkarbid in Übereinstimmung mit den Infiltrationswegen des Siliziums β Die Kerne hatten bedeutend höhere Festigkeit wegen der Anwesenheit des Siliziumkarbids»

Der Belag wurde wie bei Beispiel 1 aufgebrachte

Statt Siliziummetall kann Zirkon- oder Titan-Metall zur Infiltration des Kerns benutzt werden₀ Für den Belag können au eil die diesen Metallen entsprechenden Karbide verwendet werden· Auch andere feuerfeste Metalle und deren Karbide können benutzt werden_e Dieses Verfahren verringert den Anteil des Kohlenstoffs in dem Kern nicht wesentlioh, weil eine Infiltration stattfindet·

Beispiel 3

Kern t in einer Graphitmasse verteilter Brennstoff. Belag * innere Lage aus Graphit, aussere lage ein dünner .Siliziumkarbidbelage

Der Graphit-Brennstoffkern wurde wie im Beispiel 1 hergestellt· Dann wurde eine Mischung hergestellt, die im wesentlichen der Kernmischung entspricht, aber keinen Brennstoff oder Zusätze enthält· Eine Schicht dieser Mischung wurde auf den Kern aufgedrückt und ausgehärtet, so dass ein mit Graphit "belegter Kern entsteht· Der Kerndurchmesser war ungefähr 38 ram, und die Dicke der Schutzschicht war etwa 3f1

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Der graphitbelegte Kern wurde dann mit einem Siliziumkarbidsohlamm "belegt, wie im Beispiel 1, und nach Brennen des mit dem Siliziumkarbidsohlamm belegten Kerns in Gegenwart von Siliziummetall, wie im Beispiel 1, entstand ein im wesentlichen undurchlässiger Siliziumkarbidbelag hoher Dichte mit einer Dicke von etwa 0,25 mm* Ein Element dieser Art zeigt die Pig.2, wo das Brennstoffelement 20 einen Kern 21 aus Graphit und Brennstoff hat sowie eine Graphit schutz schicht 22 und einen äusseren Belag 23 aus undurchlässigem Siliziumkarbid hoher Dichte· In der Zeichnung ist die Dicke des Belags 23 der Deutlichkeit wegen übertrieben dargestellt»

Wie im Beispiel 1 kann auch hier der Belag aus Titankarbid oder Zirkonkarbid bestehen, und das Brennen des belegten Elementes erfolgt dann in Gegenwart des Metalls, dessen Karbid gebildet werden soll·

Beispiel 4

Kern t !ester körniger Brennstoff eingebettet in einer

Graphitumhüllung·
Belag » dünner Siliziumkarbidbelag·

2ine Menge Urankarbid, hergestellt wie im Beispiel 1 be-.schrieben > wurde in im allgemeinen kugelige fform gepreßt,

i)ann wurde eine Mischung von Graphit und Harz hergestellt, wie die Mischung für den Kern im Beispiel 1, mit der Ausnahme das» bei der Mischung das Urankarbid fortgelassen wurde· Diese Üia chung wurde ,um das Brennst of fkügelohen gepreßt und ausgthärte't, so dass, ein Kern eigener festigkeit entstand« Dann

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wurde der Belag wie im Beispiel 1 aufgebracht ο

gej5 zeigt Brennstoffelemente dieser Art· Das Brennstoffelement 30 hat ein Brennstoffkügelehen 31 aus TJrankarbid, das im Mittelpunkt eines kugeligen Graphitkerns 32 liegt« Der Graphitkem 32 ist mit einem dünnen Belag 33 aus Siliziumkarbid versehen O

Hierbei sind sehr viele Abänderungen möglich, beispielsweise kann das Brennstoffkügelehen 31 ausser dem Brennstoff noch Zusätze enthalten, und es kann auch ein Streokungsmaterial enthalten, wie beispielsweise Zirkonkarbid,

Bei einem Brennstoffelement mit einem Durchmesser von 25-38 mm genügt eine Dicke von etwa o,25 mm, bei dem Belag 33«Bin wie beschrieben hergestellter Belag aus einem feuerfesten Karbid ist widerstandsfähig gegen Abrieb und Erosion, und ist auch neutral gegen chemischen Angriff« Auch ein dünner Belag von Siliziumkarbid genügt, um ein Entweichen der Spaltprodukte von dem Brennstoffelement zu verhindern, besonders wenn man beachtet, dass die Siliziumkarbidschioht eine grbestmögliche Dichte hat« Zusätzlich kann man das Entweichen von Spaltprodukten verhindern, indem man den G-raphitkörper oder die G-raphitsohioht, die ja unter dem Siliziumkarbid liegt, vor Auftrag des Belages imprägniert mit Teer, Asphalt, Furfurol, Furfurol-Alkohol oder Harz, und dann karbonisierte Dieses Torgehen kann solange wiederholt werden, bis kein Teer, Asphalt oder Harz mehr in den Graphit·· körper oder in die Graphit schicht zwangsweise eingebracht werden kann, und dies zeigt an, dass der Graphitkörper oder die,Schicht im wesentlichen undurohlassig ist· Ausserdem schliesst der über das verdichtete Graphit aufgebrachte Auftrag das Element gegen Entweichen von Spaltprodukten ab·

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Beispiel 5

Kern χ SiIiziumkarbidgebundenes Graphit mit verteiltem Brennstoff
Belag t Dünner Siliziuiukarbidbelag

Gepulvertes Uransilizid wurde gemischt mit körnigem Graphit, fein gepulvertem Graphit, metallischem Silizium und Phenolharze Die Mischung wurde in die Form einer Stange gepresst, die dann in einer Kohlenstoffatmosphäre gebrannt wurde bei einer Temperatur, bei der das Silizium mit dem Graphit und mit einem Teil des Kohlenstoffs der Atmosphäre reagierte und Siliziumkarbid bildete» Die so hergestellte Stange war eine siliziumkarbidgebundene. Stange mit gleichmässig verteiltem gepulvertem Uranoxyd und zwischenräumigem Graphit.

Dann wurde eine Mischung hergestellt aus feinem Siliziumkarbid ι Graphit, flüssigem Phenolharz und pflanzlichem Gummi, wie im Beispiel 1· Diese Mischung wurde aussen auf die Stange aufgebracht· Die belegte Stange wurde zwecks Aushärtung des Harzes erhitzt und dann in Gegenwart von freiem Silizium gebrannt» um den Kohlenstoff in dem Belag in Siliziumkarbid umzuwandeln»

Derart hergestellte Brennstoffelemente haben mehrere Vorteile. Der Kohlenstoff in dem Kern wirkt als Reakt ions bremse, ist aber gegen Oxydation geschützt, wenn das Element in einer oxydierenden Atmosphäre benutzt wird« Ausserdem ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des siliziumkarbidgebundenen Graphits sehr nahe dem des Belages, so dass die Gefahr eines Eeissens bei inneren Spannungen auf Grund der während des Gebrauchs des Brennstoffelementes verursachten Hitze verringert ist· Es sind auch Brennstoffelemente hergestellt worden, bei denen zwischen dem Graphit enthaltenden siliziumkarbidgebundenen Kern und dem Siliziumkarbidbelag hoher Dichte eine Schicht

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Graphit angeordnet v/ird· Manchmal ist solches zusätzliches Graphit wünschenswert als die ?.eaktion br ens ende s Material, und cusserden trennt das zusätzliche Graphit den oiliziumkarbidbelag von dem Teil des Brennstoffs, der an der Oberfläche des Kerns liegte

In Abv/and lung der beschriebenen Anordnung wurde auch gepulverter Uranoxydbrennstoff in eine längliche Stange gepresst, und der Kern wurde dann um diese Brennstoffstnage gebildet· Der -Äern vairde in der am Anfang dieses Beispiels angegebenen Art gebildet ,"mit Ausnahme- dass der gepulverte Brennstoff aus der für die Herstellung des Kerns bestimmten Mischung fortgelassen wurde« Dann wurde der Siliziumkarbidbelag aufgebracht, wie im zweiten Teil dieses Beispiels angegeben·

Beispiel 6

ii.ern : Brennst of fküg eichen

Belag J eine dicke Siliziumkarbid-gebundene Graphitschicht O

Js wurde ein Brennstoffkügeichen nach Beispiel 4 hergestellt· Für die Schutzschicht um das Brennstoffkügelchen wurden Graphit· partikel - 1,5 + 0,4 mm Maschenweite gemischt mit Graphitmehl 0,075 mm Maschenweite, und zwar im Verhältnis 70 GewoTeile gröberer Partikel mit 30 Gew«Teilen Mehl« Mit dem Graphit wurde eine Mischung von 4 Teilen eines trockengepulverten Phenolj?orLialdehydharzes und 5 Teilen von Vinsolharz vermischt, und zwar etwa 20 Gew«7ε der Graphitmischung·

Diese trockenen Bestandteile warden'vermischt, und die Mischung wurde dann mit etwa 20 Gew «Z/o (bezogen auf die Trockenmischung) Kiefernöl angefeuchtet, um das Harz aufzulösen· Nach Sieben zwecks Aufbruchs von Aggregaten wurde die Mischung um das

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Ί Ti ^ I el

Brennstoffkügelchen bei etwa 136 kg/om aufgepresst und "bei. etwa 150 0 ofengetrocknet, um das Harz auszuhärten<> Das gehärtete Gebilde wurde bei 2100-2200⁰C mit Silizium imprägniert·, um das mikrokristalline Graphit in Siliziumkarbid umzuwandeln _f wobei man das Gebilde in einem Iiidukt ions ofen in einer neutralen Argonatmosphäre in Gegenwart von feiii verteiltem Siliziummetall Masciienv/eite - 0,6 + 0,19 erhitzte_β

Dieses Brennstoffelement bestand aus einem kleinen Lreim— stoffkügelchen, das von einem verhältnismässig dicken feuerfesten Belag umgeben war, der hauptsächlich aus Siliziumkarbid hoher Dichte mit kornförmigen Graphiteinschlüssen bestände Während des Silizierens wurde nur das sehr feine Graphit in Siliziumkarbid umgewandelte Die körnigen Graphiteinschlüsse verbesserten "den Y/iderstand der Umhüllung gegen Wärmestösse, und ausserdem wirkten sie als die Heaktion bremsendes Material.

Die Graphiteinschlüsse in dem Belag zeigten sich als unregelmassige Linien und ausserdem waren sie abgerundet oder tafelförmige Ihre Grosse betrug zwischen 0,12 mm bis etwa 2 mm, vorwiegend zwischen 0,73 mm und 1,81 mm_o Mehrere der Einschlüsse hatten etwa gleiche Abmessungen

Wenn eine Yergrösserung des die Reaktion abbremsenden Materials erwünscht istj so kann man das sehr gut durch Modifizierung der beschriebenen Zusammensetzung erreichen, indem man auf das Brennstoffkügelchen direkt eine Graphit schicht aufbringt <, Es sind auch gute Brennstoffelemente hergestellt worden mit einem Brennstoffkügelchen, das in einer Graphitkugel eingebettet ist, die ihrerseits in einer Umhüllung aus siliziumkarbidgebundenem Graphit liegt und nach den vorhergehenden Verfahren hergestellt ist·

Die Eohmischung für die.äussere Umhüllung kann auch noch

INSPECTED

ORIGINAL

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ειηα-ere -iateri alien enthalten, je nach den gewünschten Eigenschaften der Umhüllungc Beispielsweise wirkt metallisches Beryllium als Heaktionsbrerase« Auch Berylliumoxyd und Berylliumkarbid können für diesen Zweck verwendet werden, ebenso können auch andere feine Metalle, wie beispielsweise Titan, Molybdän und öhrom der Roliniischung für die Umhüllung beigegeben werdene

Beispiel 7

Kern ι kohlenstoff gebundener Kern mit, verteiltem

Brennstoff und ein verteiltes verträgliches feuerfestes Material

Belag : Innere Lage Graphit, aussere lage ein dünner Belag aus Siliziumkarbid

'ISs wurde ein Brennstoffelement hergestellt, das einen verhältnismässig grossen Kern hatte, der in einer verhältnismässig dünnen Siliziumkarbidschicht eingeschlossen war_o Die Eöhini3ellung für den Kern wurde hergestellt aus einer Mischung von Brennstoffρ Graphit, körnigem Berylliumkarbid und einer für Bindungszwecke während des Brennens genügenden Menge eines flüssigen unl gepulverten Phenolharzes· Diese Mischung wurde in eine kugelige Form gepresst und dann in eine Schutzschicht eingeschlossen, deren Mischung hauptsächlich aus Graphit bestand, wie im Beispiel 3» Dann wurde über die innere G-raphit schicht eine Schutzschicht aus Siliziumkarbid aufgebracht, wie im Beispiel 3« Das Berylliumkarbid modifizierte den.Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns und wirkte ausserdem als lieaktionsbrenisec Das körnige feuerfeste Material kann beispielsweise auch, anstelle von Berylliumkarbid, Titankarbid-Zirkonkarbid und Siliziumkarbid sein, wobei sich dann allerdings

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die die Reale tion bremsende Wirkung etwas vermindert ₀ Gegebenenfalls kann die innere Belaglage, die hauptsächlich aus Graphit besteht, fortgelassen werden·

Beispiel 8

Kern ι Uran-Beryllium-Legierung Belag : Innere Lage Graphit, aussen eine dünne Siliziumkarbidschicht

Es wurde ein Brennstoffkügelchen aus einer Uran-Beryllium-Legierung hergestellt, im wesentlichen mit der Formel UBe.-Das Kugelchen wurde durch Heißpressen des Legierungspulvers hergestellt« Auch durch Kaltpressen und Sintern sind solche Kügelchen mit Erfolg hergestellt worden· Dieses Brennstoffkügelchen wurde in eine verhältnismässig dicke-Graphitschutzschicht eingeschlossen, wie im Beispiel 4» Dann wurde über die innere Graphitschicht eine dünne Schicht aus Siliziumkarbid hoher· Dichte aufgebracht, wie im Beispiel 4o

Es sind auch gute Brennstoffelemente mit Brennstoffkügelchen hergestellt worden» die aus einer Mischung von Berylliumkarbid und Brennstoff bestanden und ebenso aus Mischungen von Berylliumoxyd und Brennstoffe

Bei Anwendung von Beryllium in dem Brennstoffkügelchen, entweder -in direkter Verbindung mit Uran oder in Form einer Berylliumverbindung ι der Uran zugemisoht ist, oder mit einer Uranverbindung, wirkt das Beryllium als Reale ti ons bremse· Die Graphit s ohioht ist auch als Ee akt ions bremse wertvoll und. trennt ausserdem den Brennstoff von dem Siliziumkarbidbelag·

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Beispiel 9

Kern : Zarkonkar "bid, Graphit und verteiltes Urankarbid Belag : Eine dünne lage Siliziumkarbid

Die iiohrnischling für den Kern wurde hergestellt durch Mischen feiner Partikel Urankarbid als Iieutronenspaltmaterial» Zirkonkarbid, Graphit und Phenolharzbinder _β Das Zirkonkarbid und die Graphitρartikel hatten vorwiegend eine Partikelgrösse unter 5 Kikron« Der grösstejinteil der Mischung war das Graphit, der Anteil ürankarbid betrug etwa 10 Gew_o$ der Mischung· Diese ^ wurde kaltgepresst und dann in einer neutralen Atmosphäre bei etwa 2000°0 erhitzt, wobei sich ein starrer, seine Porm aufrechterhaltender Körper ergäbe

Die Belagmischung enthielt feines körniges Siliziumkarbid und eine karbonisierbare Harzbindunge Diese Mischung wurde um den Kern herum als eine lage gleicher Dicke aufgebracht. Dann wurde der belegte Kern gebrannt, um das Harz zu karbonisieren, und um das Siliziumkarbid zu rekristallisieren« Dieser Belag hatte eine Porosität von etwa 25 VoI,^,

Dann \rarde der poröse Siliziumkarbidbelag mit einer lösung Phenol-Jamaldehyd-Earζ imprägniert₀ Der Belag wurde dann gebrannt, um das Harz zu karbonisieren, und um auf diese Tifeise in den Poren des Belages einen Betrag an Kohlenstoff niederzuschlagen, der etwa 85 — 95 Gew_e$ des Betrages entspricht, der theoretisch notwendig ist, um nach !Reaktion mit dem Silizium die Poren des Belages vollständig auszufüllen. Manchmal ist zum Niederschlag des richtigen Kohlenstoffbetrages in den Poren ein mehrmaliges Imprägnieren mit dem Harz oder mit einem anderen karbonisierbaren Material notwendig,

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Iiach. niederschlag des richtigen Betrages an Kohlenstoff in den Poren wurde das Element siliziert, um den Kohlenstoff bxi Ort und Stelle in Siliziumkarbid umzuwandeln, um so um den Kern herum eine Schicht Siliziumkarbid hoher Dichte zu bilden., Eine Nachprüfung ergab, dass der Belag eine Dichte von etwa 3»15 g/cnr hatte ο Gute Ergebnisse wurden auch dann erzielt, wenn statt eines Teils des Graphits oder statt allen Graphits bei der Herstellung des Kerns Berylliumverbindungen verwendet wurden ο Ebenso ergaben sich zufriedenstellende Ergebnisse, wenn man statt des Zirkonkarbids als feuerfeste Verdünnung des Kerns Titankarbid und Siliziumkarbid verwendete„

Das vorgenannte Verfahren hat besonderen Y/ert für die Bildung dichter Karbidbeläge und kann auch ein poröses feuerfestes Karbidskelett durch Sintern oder dergle herstellen, indem man einen bestimmten Betrag an Kohlenstoff in den Poren des Karbidskelettes niederschlägt und dann mit einem entsprechenden Metall erhitzt, um das Skelett zu imprägnieren und um, wenigstens teilweise, das Imprägniermetall und den zwischenräumigen Kohlenstoff an Ort und Stelle in Karbid umzuwandeln.

Man kann auch durch Pressen, Giessen,. Rammen oder dergl· eine Mischung herstellen, die aus feuerfestem Karbidpulver oder —körnern besteht, sowie aus Kohlenstoff, und/oder einem karbo— nisierbaren Bindematerial, wie flüssiges Phenolharz, worauf man trocknet und aushärtet, karbonisiert und dann mit einem entsprechenden Metall erhitzt, um wenigstens teilweise den Kohlenstoff in dem gebildeten Körper, an Ort. und Stelle in das Metallkarbid umzuwandeln· Auf diese Weise ergeben sich sehr dichte Karbide des Sili'ziiBBjZirkons und Titans·

Die besten Ergebnisse erreicht man oft, wenn der Betrag an Kohlenstoff in den Poren 90$ des Betrage%Λ&}** wie er theore-

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I t I *t / OC

tisch notwendig ist, um unter voller Ausfüllung der Poren mit Karbid mit dem Lie tall zu reagieren« Sehr gute Ergebnisse ergeben sich im allgemeinen, wenn der Betrag des Kohlenstoffs 85 - 95 >■£ dieses theoretischen Betrages ist© Wird eine Metall— mischung zur Reaktion mit dem zwischenräumigen Kohlenstoff verwendetρ oder werden zwei verschiedene Metalle nacheinander verwendet, jedes in geringerem Betrage als zur vollständigen :ueaktion mit dem Kohlenstoff erforderlich, dann ergibt sich ein zusammengesetzter Körper, beispielsweise ein, zusammen«·* gesetzter Körper aus Zirkonkarbid und Titankarbid_o

Gute Beläge können auch gebildet werden, indem man ein Skelett eines Metallkarbides mit dem zwischenräumigen Karbid eines anderen Metalls infiltriert« Beispielsweise kann ein Zirkonkarbid-Skelett dicht und undurchlässig gemacht werden durch Bildung von zwischenräumigem Siliziumkarbide Gewöhnlich enthält ein solcher Belag einen kleinen int eil Zirkon·· silizid· Wird ein Titankarbid-Skelett infiltriert und mit Siliziumkarbid verdichtet, dann enthält der Körper kleine Anteile von Titansilizid·

Die Umwandlung des Kohlenstoffs in Karbid durch Metallimprägn.ierTlhg erfordert eine hohe Temperatur, die aber unter der Zersetzungstemperatur des Karbides liegt« Beispielsweise wird ein Silizieren zur Erzeugung von Siliziumkarbid vorzugsweise bei 2000 - 2150⁰O durchgeführt, aber es können auch höhere, unter der Zersetzungstemperatur des Siliziumkarbids liegende Temperaturen und niedrigere Temperaturen, aber über etwa 17OQ⁰G, angewendet werden* Vorzugsweise soll die Temperatur so hoch sein und so lange angewendet werden, dass das gebildete Siliziumkarbid in·hexagonale Kristallform überführt wird ο

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Beispiel 10

Kern: Graphit, Zirkonkarbid und verteiltes Urankarbid, Belag: Eine dünne Schicht Siliziumkarbid,,

Es wurde eine Mischung hergestellt aus Urankarbid, Graphit, einein verhältnismässig kleinen Teil Zirkonkarbid und einen wärmehärtbaren Epoxyharz. Diese !lischung wurde zu einem Kern für ein -Brennstoffelement geformt, und das Harz wurde ausgehärtet, um den Körper ei^ensteif zu machen.

Dieser Kernkörper wurde dann mit einem Siliziumkarbid enthaltenden Schlamm belegt, wie in Beispiel 1, und der belegte Kernkörper wurd.e in Gegenwart von Silizium gebrannt, um zunächst das Harz zu karbonisieren und dann eine Reaktion des Siliziums mit dem Kohlenstoff in dem Kern und in dem Belag des Kerns zu bewirken. Die dünne lage Siliziumkarbid hatte die gleichen wünschenswerten Eigenschaften wie bei Beispiel I₀

Dieses Brennstoffelement hat einen Kern, bestehend aus Brennstoff, Zirkonkarbid und einer Mischung von Kohlenstoff und Graphit sowie mit etwas Siliziumkarbid, das sich an Ört und' Stelle durch Infiltration des Siliziums gebildet hatte, und ausserdem etwas Siliziumkarbid am Umfang. Die dünne Siliziumkarbidschicht bildete mit dem Kern ein Ganzes. Fahrend des Silizierens drang das Silizium bis zu einem gewissen Grade in den Kern ein und bildete etwas von dem Kohlenstoff in dem Kern zu Siliziumkarbid um. Der Belag selbst bestand hauptsächlich aus Siliziumkarbid mit einer Dichte von etwa 3,12 gr/οπΓ . Der Vorteil eines¹ Brennstoffelementes dieser Art ist, dass das feuerfestere Zirkonkarbid neben dem Brennstoff liegt, d.h.an einer Stelle, wo die Temperaturen bei Gebrauch des Elementes in einem

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Ileaktor an'höchsten sind, und dass das chemisch mehr neutrale Siliziumkarbid an der Aussenflache dss Elementes liegt und so das Element gegen chemischen Angriff schützt.

jeispiel 11

Kern: brennstoff und körniges Siliziumkarbid, verteilt in einer kohlenstoffgebundenen G-raphi tnias se.

Belags Eine dünne Schutzschicht des Siliziumkarbids,

Es wurde eine Lischung mit folgenden Gewichtsteilen hergestellt :

Pein verteiltes SiC 20

Körniges Graphit

0,75 mm ^aschenweite 50

Pech 15

Teer 10

Brennstoff 5

jjiese Laschung wurde geformt und dann zu einem gebundenen Erzeugnis karbonisiert. Das gebundene Erzeugnis wurde dann in Gegenwart, von Silizium erhitzt zwecks Bildung einer dünnen Schutzschicht aus Siliziumkarbid an der Oberfläche.

Beispiel 12

Kern: G-raphit mit verteilten uirkonkarbidkörnern und mit Brennstoff.

Belag: 2irkonkarbid.

Der kugelförmige Kern wurde hergestellt durch Pressen einer Lischung aus feinverteiltem Graphit, etwa 25 Gewichtsprozent (des Graphits) feinvorteilten Zirkonkarbids, etwa 10 Gewichtsprozent (des Graphits) angereicherten Urankarbids und einem karbonisierbaren Harzbinder·

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Dann wurde ein Schlamm hergestellt durch Vermischen von Zirkonkarbidpulver, gepulvertem Kohlenstoff und einer Alkohollösung eines karbonisierbaren Harzes. Der Kern wurde dann mit diesem Schlamm belegt, und der belegte Kern wurde in einem ^fen gehärtet und getrocknet.

Dann wurde ein zweiter Schlamm hergestellt durch Vermischen von Zirkonhydrid mit einem kleinen Anteil einer alkoholischen Lösung des karbonisierbaren Harzes. Der zweite Schlamm wurde dann über den ersten Belag des Kerns aufgebracht, und das Harz wurde ausgehärtet. Dann wurde der belegte Gegenstand in einer neutralen Atmosphäre gebrannt bei einer Temperatur, die ausreicht, um zunächst das Harz in dem Gegenstand zu karbonisieren und dann eine Abspaltung des Zirkonhydrids zu bewirken, um das metallische Zirkon freizugeben. Das Zirkon reagierte dann mit dem gepulverten Kohlenstoff des ersten Belages und mit dem Kohlenstoff, der sich in der ITähe der Kernoberfläche gebildet hatte. Auf diese Weise wurden der Belag und der Kern verdichtet und vereinigt.

Anstelle von Zirkonhydrid kann gepulvertes metallisches Zirkon verwendet werden, oder eine andere Zirkonverbindung, die sich beim Brennen zersetzt und metallisches Zirkon freigibt. Während des Brennens kann auch anstelle einer neutralen Atmosphäre eine reduzierende Atmosphäre oder ein hohes Vakuum Anwendung finden. Es kann in ähnlicher Y/eise auch Siliziumnitrid als Quelle für Silizium zersetzt werden, was insofern bei der Herstellung von iOrmkörpern vorteilhaft ist, als die Zersetzungstemperatur des Siüziumnitrids hoch ist.

Dieses Vorgehen ist allgemein anwendbar zur Bildung von Belägen von Titankarbid, Zirkonkarbid und-Siliziumkarbid. Die Belagmaterialien können auch so gewählt werden_f dass sich, zusammengesetzte Beläge,wie beispielsweise Karbidmisohungen und feste Kärbidlösungen, bilden.

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Dasselbe Vorteilen ist angewendet worden, um einen Belag für einen Grapliitkern herzustellen, der aus einer Schicht 'fitankarbid hoher Dichte besteht.

Des erfindungSoemäss benutzte Graphit, das den graphitgebundenen Kern bildet, soll so ausgewählt sein, dass der Ausdehnungskoeffizient des Kerns ungefähr der gleiche ist wie der des *ichutzbelages. Aus dieseia. Grunde hat das Graphit einen geringeren Järme-Ausdehimngskoeffizienten als beispielsweise Siliziumkarbid, weil nämlich einige Brennstoffuaterialien, z.B. Urankarbid, einen höheren Wärme-Ausdehnungskoeffizienten haben als Siliziumkarbid, und weil es erwünscht ist, dass der Koeffizient des zusammengesetzten Kerns dem des .ie lag es entspricht.

v'rraphit ist das bevorzugte feuerfeste keramische Laterial zur Bremsung der Reaktion. Andere zufriedenstellende Materialien für diesen Zweck sind Beryllium und viele seiner Verbindungen. Auch Mischungen aus Graphit und Berylliumkarbid sind zufriedenstellend. Zwecks Anpassung des Wärme-Ausdehnungskoeffizienten des Kerns und zwecks Anpassung der Feuerfestigkeit des Kerns v/erden körnige Karbide verwendet'.

Ler Schutzbelag des Brennstoffelementes kann bestehen aus selbstgebundenen Karbiden des Siliziums, i'.itans oder Zirkons, oder aus einem dieser mit ihrem entsprechenden Lie tall gebundenen. Karbide oder auch mit anderen lietallen gebundenen Karbiden, lis kann auch ein Hitrid sein, beispielsweise nitriertes Silizium oder ein durch nitriertes Silizium gebundenes Siliziumkarbide Der Belag kann auch feuerfeste Metallverbindungen„enthalten, wie beispielsweise verteilte Oxyde, die durch Siliziumkarbid öder durch nia?triertes Silizium gebunoen sind. ¥ird Siliziumkarbid als Belagmaterial verwendet, so kann es in derselben Kristallforia oder in

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verschiedener Kristallform gebunden sein. Beispielsweise kann der Belag liexagonales Siliziumkarbid sein, das durch kubisches Siliziumkarbid gebunden ist.

Soweit der Ausdruck Siliziumkarbid, l'itankarbid, Zirkonkarbid, Liiscliungen davon und nitriertes Silizium gebraucht wurden, so soll dieser Ausdruck sich nicht nur beispielsweise auf Siliziumkarbid per se beziehen, sondern auch umfassen siliziertes Siliziumkarbid, durch nitriertes Silizium gebundenes Siliziumkarbid, sowie siliziumkarbidgebundene feuerfeste Materialien, beispielsweise G-raphit oder auch Siliziumkarbid mit einer Kristallform, die durch eine zweite Kristallform gebunden sind. Ebenso sollen darunter verstanden werden titangebundenes Karbid;, zirkongebundenes Ksrbid, Karbidmischungen und Lösungen, die selbstgebunden, metallgebunden oder durch andere Karbide dieser Gruppe gebunden sind.

Ebenso sollen die Ausdrücke Kern und Belag in weitestem Sinne verstanden werden, denn wenn beispielsweise zwischen dem den Brennstoff enthaltenden Teil des Elementes und der undurchlässigen Umhüllung eine Graphitschicht angeordnet wird, dann kann'man natürlich diese Graphitschicht entweder als Teil des Kerns oder als Teil des Belages betrachten. In der vorhergehenden Beschreibung ist ein solcher Graphitbelag,der Übereinstimmung wegen, immer als Teil des Belages betrachtet worden, aber die Ansprüche sollen nicht auf eine solche Auslegung allein beschränkt sein.

Patentansprüche t

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Claims

Patentansprüche t

Ι« Kernbrennstoff element» dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Körper ein Ueutronenspalt material, ein als Reaktionsbremse wirkendes Material sowie im wesentlichen undurchlässig«, keramische Schutzumhüllung enthält.

2· Kernbrennstoff element "bestehend aus einem Kern au« Neutronen Spaltmaterial und einem als Reaktions brems· wirkenden Material und aue einem den Kern einsehliesaenden, mit dem Kern integralen Belag aus einen im wesentlichen undurchlässigen keramischen Schutzmaterial·

3. Kernbrennstoff element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das als Reaktionsbremse wirkende Material ein keramisches Material ist, und ausserdem ein brennbares Gift hinzugefügt ist*

4, Kernbrennstoff element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, da«· der Sehutzbelag mit dem Kern gebunden ist und aus wenigstens einem Karbid aus der Gruppe Siliziumkarbid, Titankarbid und Zirkonkarbid besteht«

5» Kernbrennstoffelement nach eines der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass um einen zentral liegenden Kern aus Neutronen Spaltmaterial ein als Reaktionsbrems· wirkendes Material herumgelegt iet, auf das der Sehutzdurch Bindung aufgebracht ist«

öRJGiNÄL $

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14147c

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6. Kernbrennstoffelement naoh Anspruoh 1, daduroh gekennzeichnet, dass die Schutzumhüllung aus zwei übereinander liegenden Lagen besteht, von denen die innere Lage aus Graphit ohne Brennstoff, und die äussere Lage hauptsächlich aus wenigstens einem Karbid der Gruppe Siliziumkarbid, Titankarbid und Zirkonkarbid besteht*

7. Kernbrennstoffelement naoh einem der Ansprüohe 2-6, daduroh gekennzeichnet, dass der Kern aus eineai Graphitkörper aus darin eingeschlossenem Neutronenspaltmaterial besteht, und dass der Belag hauptsächlich aus einer Lage Siliziumkarbid besteht.

8. Kernbrennstoffelement naoh Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass das Neutronenspaltmaterial hauptsächlich Urankarbid ist.

9· Kernbrennstoffelement naoh einem der Ansprüohe 2 - 8 , daduroh gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kerns in allen !Richtungen ähnlich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sohutssbelages ausgewählt ist.

10. Kernbrennstoffelement naoh einem der Ansprüohe 1-9» daduroh gekennzeichnet, dass das Material des Kerns Kohlenstoff und ein feuerfestes Karbid aus der Gruppe SlllaiuB)-, Beryllium-, Molybdän-, Titan- und Zirkonkarbid enthält, wobei der Kohlenstoff den Kern zusammenhält, und dase der Sohutabelag aus der Gruppe Silizium-, Titan- und Zirkonkarbid gewählt ist.

11. Kernbrennet off element naoh Anspruoh 1, daduroh gekenn-

* zeichnet, dass die Schutzumhüllung aus selbstgebundenen Karbiden der Gruppe Siliziumkarbid, Titankarbid und Zirkonkarbid beetent, wobei die Karbide duroh das freie

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Metall gebunden eind, au· dem sie hergestellt sind, sowie aus siliziertem Slllsiumkarbld, duroh nitrierte· Silizium gebundene« Karbid, durch Siliziumkarbid gebundene feuerfeste,Oxyde und durch nitrierte· Silizium gebundene Oxyd··

12. Kernbrennstoffelement, bestehend aus einem Neutronenepaltmaterlal enthaltenden Iraphitkern, auf dessen Oberfläohe eineim wesentlichen Schute·ohieht aus Siliziumkarbid durch Bindung aufgebracht 1st«

IJ. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1» gekennzeichnet durch einen Kern au· al· Kealctionsbremee wirkenden Material mit eingeschlossenem Neutronen»paltmaterial_f der einen im wesentlichen undurchlässigen Umfang·teil hat» der Graphit und «in Karbid au· der Gruppe Siliziumkarbid, litankarbld, Zirkonkarbid enthält, wobei der Umfangsteil de· Kern* mit einer im wesentlichen undurchlässigen keramischen Sohutieohioht belegt iet, und der Kern «owie dl« Sehuteeohioht «inen im wesentlichen gleichen Wärmeausdehnungikoeffiaienten haben.

14· Kernbrennstoff element naoh Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aueätilioh freie· Metall au« der Gruppe Silicium, Titan, Zirkon enthält·

15· Verfahren zur Herateilung «in·· feuerfesten ausamaengesetzten Körpers naoh einem der Ansprüche 1 - I4, dadurch gekennzeichnet, da·· eunäohet «in gebundener Kohlenstoff enthaltender Körperteil geformt wir*,auf dem ein weiterer Sehutekürper duroh Bindung aufgebracht wird,der au· einem karbonieierbaren Bindemittel und au« einem feuerfesten Karbid aus der Gruppe Siliiiumkarbid,

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Titankarbid, Zirkonkarbld besteht, wobei da« Auf bringen derart erfolgt» da.ee eine Misohung der Kristall· dee feuer fee tezi Karbide mit dem fcarboniei erbaren Bindemittel ale Belag aufgebracht wird, worauf das -Bindemittel karbonleiert und damit der Belag porös gemacht wird» gegebenenfalle der Belag mit zusätzlichem Kohlenetoff Infiltriert wird, und «war bie der Kohlenetoffgehalt 85 - 95J* dee Be trage β let» der theoretieoh sur Umbildung • dee' Belage« in ein fee tee Carbid notwendig let, worauf dann der Belag einer Umgebung ausgesetzt wird» die ein Metall der Gruppe Silizium, Titan, Zirkonium» oder Mischungen davon, abgibt, und zwar solange und bei eoloher Temperatur, daee Karbidbildung eintritt unter im weeentliohen vollständiger Umeeteung des Kohlenetoff* zu Karbid.

16· Verfahren sur Hereteilung eines Kernbrennstoffelementes naoh einem der Aneprüoht 1-14» dadurch gekennaeiohnet» dase ein Neutronenspaltmaterial und ein als Eeaktionebremse wirkendes Material und eine die anderen Seile dee Elemente umgebende Umhüllung «u.einem Körper geformt werden, um den ein keramiaohes als Reaktionsbremee wirkendes Material gelegt wird, das gegenüber dsm Brennstoff und den Spaltprodukten neutral ist, worauf um dieses Material eine keramische, feuerfeste Sehutseehioht Äuroh Bindung aufgebracht wird«

17. Verfahren naoh Anspruoh 16, dadurch gekenn Belohnet, dass der Körper ein« AuseenflHohe hat» die naoh ßeaktiem mit einer Subs tan« eine im wesentlichen undurchlässige Sehuteaohioht aus einer feuerfesten, keramleohen Zusaameneeteuag bildet» worauf der Körper in.einer Umgebung gebrannt wird, die die genannte Substani abgibt, und, ■war solange und bei solcher Temperatur, dass die Bildung der feuer fee ten keramischen ßohutisueaiaieneeteung eintritt.

/πι ι

18. Verfahren zur Herstellung eine« Kembrsnnstofielsmsntee nach einem der Ansprüche 1 -14t dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Mischung, die neutronen*paltmateriml und Kohlenetoff enthält, ein Körper gebildet wird, wobei der Kohlenetoff nur im .äusseren jüeil vorhanden iit, BO data er mit einem Metall der Gruppe Siliaium, Titan, Zirkon reagieren kann unter Bildung einer im wesentlichen undurchlässigen Schutzschicht eines Karbids des be* treffenden Metalle, worauf der Körper in einer Umgebung gebrannt wird, die ein Metall der Gruppe abgibt» und zwar so lange und bei solcher Temperatur, dass die Karbidlöaung eintritt.

19. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennatoffelementea nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennseioh.« net, dass ein Kern geformt wird, der aus Neutronen-Spaltmaterial besteht, wobei dieses ^eutxonenspaltmaterial gleiohmässlg in einer kasse verteilt ist,die ein feuerfestes keramisches Beaktionsbrsmsmatevial enthalt und einen äusseren Seil hat» der mit Metallen aus der Gruppe diliaium, Titan, Zirkon» und Misohungsa davon, unter Bildung eines Karbids reagiert» und dass dieser Ίίβχη in einer Umgebung gebrannt wir*, dis tin install aus der genannten Gruppe abgibt bsi einer Temperatur und für eine Dauer, die die Kaibidmildung ermöglicht·

20. Vorfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffelement*· naoh einem der Ansprüche 1-14, wobei die unduroh» lässige keramlsohe Sehutssehieht das Brennstoffelement elnsohllesst, dadurch gekennzeichnet, «ass sin Kern aus Nsutronsnspaltmaterlal gebildet und um diese· Koni ein Belag mit einem die fieaktion abbremsenden Material gebildet wird aus der Materialgruppe Graphit» Be rylliua-

duron karbid und Berylliuaoxyd, und Aase man sins äussere

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flao&e aus Kohlenstoff auf diesem Belag eine undurchlässige Karbldsehutssohie&t bilden lässt, worauf das belegte Korn in einer Umgebung gebrannt wird, die ein Metall der Gruppe Silizium, Titan und Zirkon abgibt bei den Karbidbildungetemperaturen·

21· Verfahren nach Anspruch. 20, daduroh gekennzeichnet, dass um den Kern herum ein Belag von körnigem Siliziumkarbid gebunden wird, das ein zusammenhängendes zwisohenräumiges Netzwerk hat, und das β in die Zwischenräume soviel Kohlenstoff eingebracht wird,' dass dieser mit einem Metall aus der Gruppe Silialum, Titan und Zirkon reagiert und soviel Metallkarbld bildet, dass eine feste Hasse entsteht, worauf der Kern mit seinem kohlenstoffhaltigen Belag in einer Umgebung gebrannt wird, die ein Metall au* der genannten Gruppe abgibt, eodass das Metall in den Belag eindringt und mit dem Kohlenstoff unter Bildung von Metallkarbiden reagiert und sioh so eine hohe Sieht· ergibt.

22· Verfahren naoh Anspruch 21» daduroh gekennzeichnet, dass um den Kern ein Belag aus Siliziumkarbid gebildet wird, worauf der belogt* Kern zweoke Bindung des Siliziumkarbids gebrannt wird und so um den Kern eine poröse Siliziumkarbidsehioht entsteht, worauf 41· Poren dieser Schioht mit soviel Kohlenstoff gefüllt werden» dass dieser mit einem Metall au· 4er Gruppe Silisium, Tita* und Zirkon reagiert und genügend metallisch·· Karbid zur Ausfüllung der Belagperea gebildet wird, worauf der Kern mit dem Belag In einer Umgebung gebrannt wird, dl· ein Metall aus der genannten Gruppe abgibt, da· dann in dl· 8ehioht eindringt und mit dem Kohlenstoff in 4en Poren unter Bildung von Metallkarbiden Karbi4 hoher Dichte reagiert,

89» Verfahren naeh einem 4er Ansprüche 20*22, daduroh gek*nnselehnet, ta·· ·1η Körper au· einer Mischung v·»

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Neutronenspaltmaterial und einem dit Reaktion bremsenden Material hergestellt wird, und dass auf diesen Körper eine Sohutzsohioht aus einem Karbid und Graphit gebunden wird» die hauptsächlich, aus abgesonderten Graphitmaseen besteht, die eingelagert sind in eine im wesentlichen homogene Masse eines stabilen Karbide, weloh letzteres die Schutzschicht zusammenbinde t«

24· Verfahren nach Anspruch 25» daduroh gekennzeichnet» dass mit dem Körper ,ein Belag vereinigt wirdι der besteht aus einer Graphitmasse zusammenhängender poröser Struktur,und ■■ dass der belegte Körper in Gegenwart von wenigstens einem der Metalle aus der Gruppe Silizium, Zirkon und Titan ge* brannt wird bei Temperaturen, unter denen sioh Karbide bilden, derart, dass sioh ein stabiles Karbid bildet«welohes üraphitpartikel in einer homogenen Karbidnasse einkapselt·

25. Verfahren naeh einem der Aniprüoh· 17 - 24» daduroh gekennzeichnet, dass der Körper auch ein brennbares aus Borkarbid bestehendes Gift enthält, wobei das Heutronenepaltaaterial und das Gift gleiohmässig in einer 6-raphitmasse verteilt sind, und wobei am.äusseren Teil des Kerns eine Sohioht •us reinem kohlenstoff vorgesehen ist, worauf dann der Kern .in Gegenwart wenigstens eines Metalles aus der Gruppe Silizium, Titan und Zirkon gebrannt wird sweeks vollständiger ^umwandlung der genannten Kohlenstoffsohiekt ia eine undurchlässige Karbid·chioht.

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