DE1920980A1 - Herstellung von Kernbrennstoffelementen - Google Patents

Description

Herstellung von Kernbrennstoffelementen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoff-Elementes, welches Kernbrennstoffteilchen enthält, die durch das Aufbringen einer äusseren Schicht befähigt sind, Spaltprodukte zu binden.

Es sind bis heute verschiedene Verfahren zur Einarbeitung dieser beschichteten Teilchen in Brennstoffelemente vorgeschlagen worden. Nach einigen dieser Verfahren wird das Zusammenfügen einer Anzahl von Teilchen zu einem Agglomerat durch ein Umhüllen der beschichteten Teilchen mit einem Material bewirkt, welches als Bindemittel zum Zusammenhalten der Teilchen dient. Nach einem solchen in der britischen Patentschrift 1 134- 117 beschriebenen Verfahren werden die beschichteten Teilchen beispielsweise zunächst mit einer Umhüllung aus in der Wärme aushärtendem Kunstharz überzogen und dann in einen geeigneten Hohlraum eingebracht, um dort zum Festhalten in ihrer Lage erhitzt zu werden. Auf diese Weise kann innerhalb eines gegebenen Haumes eine hohe Packungsdichte der Teilchen erreicht werden, wodurch einzelne Teilchen sich nur schwer unbeabsichtigt

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aus dem Verband lösen und verlorengehen können. Gemäss dem in der obenerwähnten Patentschrift beschriebenen Beispiel vnirde dieses Umhüllen durch Umwälzen von beschichteten Teilchen in einer Trommel erreicht, in v/elcher sich eine pulverförmige Mischung von mittels eines Spritzers Lösungsmittel erweichten Phenolformaldehyd-Harzes befand. Eine kleine Menge harzbehandelter pulverisierter Graphit (bis zu 20 Gew.-% des Harzes) vnirde mit dem Harz gemischt, um das Harz zu einem f reif liessenden Pulver zu machen. Demzufolge bestand die Umhüllung hauptsächlich aus Harz mit etwas Graphit.

Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die gemäss diesen alteren Vorschlägen hergestellten Brennstoffelemente unter gewissen Umständen den Anforderungen nicht genügen. Beispielsweise kann die Bindung zwischen benachbarten Teilchen, die scheinbar miteinander in Berührung stehen oder nur durch eine sehr dünne Harzschicht voneinander getrennt sind, leicht zusammenbrechen, und zwar sowohl während der Herstellung aufgrund der erheblichen Kontraktion des Kunstharzes während der Verkokung als auch im Einsatz, wenn die aufgrund der längenänderung zu erwartenden Spannungen und Verformungen auftreten.

Der Erfindung liegt die-Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Kernbrennstoffelemente aus beschichteten Teilchen zu schaffen, welches frei von den Nachteilen älterer Vorschläge ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass auf die äussere Oberfläche beschichteter Kernbrennstoffteilchen eine weitere Umhüllung in BOrm einer dünnen Schicht aus Graphitpulver und Harz mit 20 bis 70 'Gew.-% Graphit, Rest Kunstharz, aufgebracht wird, und derartige Teilchen dann bei gegenseitiger Berührung erhitzt werden, um ein Zusammenballen der Brennstoffteilchen zu bewirken.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung vnirde erkannt, dass durch

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ORIGINAL INSPECTED

eine Erhöhung des Graphitpulveranteils an der Graphit-Harz-Mischung auf 20 bis 70 Gew.-% ein beträchtlich festeres Agglomerat erzielt wurde. Aus diesem Grund sieht das Verfahren nach der Erfindung vor, Teilchen aus Spaltprodukte zurückhaltendem Kernbrennstoff mit einer Umhüllung von erfindungsgemässer Zusammensetzung aus Graphit und Kunstharz zu versehen. Eine bevorzugte Zusammensetzung liegt zwischen 40 und 60 Gew.-% Graphitpulver, wobei Kunstharz den Restbestandteil ausmacht. Nach diesem abgewandelten Verfahren umhüllte Teilchen sind.in weit höherem Masse zur Bildung fest zusammenhängender Stoffe oder Agglomerate geeignet, als solche, die auf bekannte Weise umhüllt worden sind. Die scheinbar geringfügige Änderung des Graphitgehaltes der Umhüllung lässt zwischen den Teilchen eine Pufferzone entstehen, die dem hergestellten Agglomerat zu guter Belastbarkeit und Ortsbeständigkeit der Teilchen verhilft.

Die Ausführung dieses Verfahrens ist jedoch nicht einfach. Um es in wirtschaftlicher und praktikabler Weise anzuwenden, ohne Pulver und Lösungsmitteltropfen im gesamten Umkreis der Verfahrensausübung zu verteilen, sollte nach folgender Verfahrensweise vorgegangen werden: Pulvermischung und Lösungsmittelspritzer sind in abwechselnder Folge einzubringen und zu keinem Zeitpunkt sollten sowohl Pulver als auch Lösungsmittel gleichzeitig eingebracht werden. ,

Das Verfahren beinhaltet vorzugsweise ein Umwälzen der Teilchen in einer Rührtrommel, wobei die Harz-Graphit-Pulvermischung durch ein Schwingsieb auf die Teilchen gestäubt wird. Alle paar Sekunden wird das Schwingen des Siebes angehalten und dadurch die Pulverzufuhr unterbrochen und es wird kurzzeitig Lösungsmittel für das Harz in die Trommel gesprüht. Nach der Zugabe des Lösungsmittels wird die Pulverzufuhr bei zwischenzeitlicher Zugabe von Lösungsmittel fortgesetzt, bis die Teilchen eine Umhüllung von richtiger Schichtdicke erhalten haben. Die abwechselnde Zufuhr von Pulver und Lösungsmittel wird sodann beendet und

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das Umwälzen fortgesetzt, bis die Teilchen hart und trocken geworden sind. Die Teilchen sind damit für die Bildung eines Agglomerates vorbereitet, welches entweder durch einen einfachen Einformvorgang oder dadurch erzielt wird, dass die Teilchen mit oder" ohne Vibration in einen Hohlraum eines Graphitkörpers eingebracht werden, wo sie an Ort und Stelle aushärten.

Durch, derartige Formgebungsverfahren hergestellte'rohrförmige Agglomerate neigen jedoch dazu, in Längsrichtung zu reissen. In diesem Zusammenhang wurde erkannt, dass das Reissen überwiegend durch den Widerstand beeinflusst wird, der dem Schrumpfen des ringförmigen Körpers durch die innere ringförmige Wandung der Form entgegengesetzt wird.

Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gibt ein Herstellungsverfahren für ringförmige Brennstoffkörper an, nach welchem eine ringförmige Zusammenballung beschichteter Teilchen erzielt wird, die durch eine Zwischenschicht aus einer Graphit-Harz-Mischung sowohl voneinander getrennt als auch miteinander verbunden sind, wobei ein Fernhalten der Teilchen von der inneren Wandung der Form dadurch erzielt wird, dass in der Mitte des ringförmigen Brennstoffkörpers eine Schicht aus einem Werkstoff ausgebildet wird, die während der Polymerisation des Harzes ihre Lage beibehält und danach ohne wesentlichen Rückstand zerfällt.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Bildung ringförmiger Agglomerate beschichteter Teilchen innerhalb eines ringförmigen Brennstoffbehälters wird im folgenden an einem Beispiel beschrieben:

750 g Kernbrennst off teilchen, jedes von etwa 1 100 u Durchmesser und zuvor mit einem die Spältprodukte zurückhaltenden Material beschichtet, werden in eine Drehtrommel eingebracht, die sich um eine um einen kleinen Winkel gegen die Horizontale geneigte Achse dreht, und deren oberes Ende zum Einführen der für das Verfahren

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benötigten Materialien geöffnet ist. Die Trommel wird mit 30 Umdrehungen pro Minute um ihre Achse gedreht. Die Zufuhr des aus einer Mischung gleicher Gewichtsanteile pulverisierten Graphits und Phenolformaldehyd-Harzes bestehenden Palvers wird mittels eines Schwingaufgebers oberhalb des Umwälzbereiches der Brennstoffteilchen vorgenommen und davon ganz unabhängig wird eine Einsprühvorrichtung für denaturierten Alkohol verwendet.

Der Aufgeber wird sodann in Schwingungen versetzt, um die Pulvermischung in die Trommel einzuführen. In Abständen von einigen Sekunden wird der Schwingaufgeber zwischenzeitlich angehalten, so dass die Pulverzufuhr aufhört und mittels der Einspritzvorrichtung wird sodann denaturierter Alkohol in die Trommel eingesprüht. Während sich die Trommel fortlaufend dreht, wird die Zufuhr der Pulvermischung wiederholt wegen des Einspritzens des Lösungsmittels unterbrochen. Auf diese Weise wird auf den umgewälzten Teilchen eine aus der Mischung bestehende Umhüllung aufgebaut. Wenn genügend Pulvermischung zum Aufbau der richtigen Schichtdicke der Umhüllung zugeführt worden ist, d.h., wenn die zugeführte Pulvermischung auf 6% des Gewichtes der Teilchen angewachsen ist, wird die Zufuhr der Materialien abgebrochen. Das Drehen der Trommel wird fortgesetzt, um restliches Lösungsmittel zu trocknen, und dann beendet.

Die Teilchen werden sodann aus der Trommel entnommen und in nichtausgehartetem Zustand unter Vibration in den ringförmigen Hohlraum eines doppelwandigen rohrförmigen Behälters eingebracht. Der Behälter besteht aus Graphit und wird von zwei koaxialen Rohren von geeignet unterschiedlichen Durchmessern gebildet, wodurch ein ringförmiger Hohlraum mit Abmessungen gebildet wird, wie sie der beabsichtigten Wandstärke des herzustellenden Agglomerats entsprechen. Um ein Heissen in Längsrichtung bei der nachfolgenden Verkokung des Agglomerats zu verhindern, wird eine dünne Polyfehenschicht von 0,1225 nun Dicke auf der inneren Oberfläche des Hohlraumes aufgebracht.

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Zum Polymerisieren des Harzgehaltes des umhüllenden Pulvers sowie zum Festlegen der Teilchen in ihrer Lage wird das Gefäss mit seinem Inhalt in Luft auf 200°C erhitzt. Der Behälter wird sodann in einen von einem Inertgas durchspülten Ofen eingebracht und auf 800⁰C erhitzt, wobei das Harz verkokt. Eine abschliessende Wärmebehandlung wird bei 1800 C im Vakuum durchgeführt, um das Agglomerat zu entgasen. Der Behälter wird sodann mit Hilfe einer Absperrvorrichtung verschlossen und ist damit zur Verwendung als ein Kernbrennstoff enthaltendes Teilstück eines Kernbrennstoffelementes bereit. Die w röntgenographische Untersuchung zeigt, dass die Polythen— schicht während der Wärmebehandlung unter Bildung eines unbedeutenden Kohlenstoffrückstandes zerfällt, wodurch sich ein ringförmiger freier Raum zwischen dem Agglomerat und. der inneren Oberfläche des Behälters ausbildet. Auf diese Weise ist das Agglomerat in der Lage, in Richtung der Behälterachse zu kontrahieren, ohne in Längsrichtung zu reissen.

Anstatt ein Agglomerat von Breonstoffteilchen an Ort und Stelle innerhalb eines Brennstoffbehälters zur direkten Verwendung in einem Kernreaktor zu erzeugen, kann ein Agglomerat auch auf ähnliche Weise innerhalb einer Form hergestellt werden, k aus der es nach dem Verkokungs— oder dem Entgasungsprozess entnommen wird. Der aufgrund des Zerfalls der Polythenschicht entstandene freie Raum in der Mitte des Agglomerate dient bei dieser AusführungsforiB dazu, das Lösen des Agglomerates aus der Form zu erleichtern.

Patentansprüche s

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Claims (2)

1. P';a t ent a ii s ρ r ü c Ii e

   / ..,... .■.. - - 1.,, Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoff-Elementes, wel-

   ^ ches Kernbrennstoff teilen en enthält, die durch das Aufbringen einer äusseren Schicht befähigt sind, Spaltprodukte zu binden, dadurch gekennzeichnet, dass auf die äussere Oberfläche beschichteter Kernbrennstoffteilchen eine weitere Umhüllung in !Form einer dünnen Schicht aus Graphitpulver und Harz mit 20 bis 70 Gew.-% Graphit, Eest Kunstharz, aufgebracht wird und derartige Teilchen dann bei gegenseitiger Berührung erhitzt werden, um ein Zusammenballen der Brennstoffteilchen zu bewirken.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitpulveranteil an der weiteren Umhüllung zwischen 40 und Gew.-% liegt, während der Restanteil aus pulverisiertem Kunstharz besteht.'

   3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Umhüllung durch Umwälzen der Teilchen in einer Rührtrommel aufgebracht wird, während abwechselnd eine Pulvermischung aus Harz und Graphit und ein Spritzer Lösungsmittel für Harz zugegeben, wird.

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