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KfK 3688 Februar 1984 Ergebnisbericht über Forschungs- und Entwicklungsarbeiten 1983 des Instituts für Material- und Festkörperforschung Kernforschungszentrum Karlsruhe

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KfK 3688 Februar 1984

Ergebnisbericht über Forschungs- und Entwicklungsarbeiten

1983 des Instituts für Material- und

Festkörperforschung

Kernforschungszentrum Karlsruhe

KERNFORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE

Institut für Material- und Festkörperforschung

KfK 3688

Ergebnisbericht über

Forschungs- und Entwicklungsarbeiten 1983

KERNFORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE GMBH, KARLSRUHE

Als Manuskript vervielfältigt Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor

Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH

ISSN 0303-4003

- 1 -

Das Institut für Haterial- und Festkörperforschung

besteht aus drei Teilinstituten mit unterschiedli­

chen Aufgabenbereichen. Das IHF I arbeitet bevorzugt

über Kernbrennstoffe und Brennstäbe, das I~W II über

Hüll- und Strukturwerkstoffe und IHF III über Brenn­

elemente und Plutoniumtechnologie. Dabei stehen die

Problemstellungen für Schnelle Brutreaktoren, Leicht­

wasserreaktoren, den Brennstoffkreislauf sowie für

die Fusionstechnologie im Vordergrund. Umfangreiche

Untersuchungen werden zum Brennelement- und Haterial­

verhalten, besonders nach Bestrahlungen durchgeführt,

wobei Betriebstransienten und Sicherheits- bzw. Stär­

fallexperimenten besondere Bedeutung zukommt. Im

Plutoniumlaboratorium werden Herstellungsfragen Pu­

haltiger Brennstoffe sowie vor allem experimentelle

Hethoden der Qualitätskontrolle behandelt. In geringe­

rem Umfang wird im IHF auch an Brennelementen für

Forschungsreaktoren und an nicht nuklearen \~erkstof­

fen für hohe Beanspruchungen gearbeitet. Geordnet

nach Forschungsschwerpunkten ergibt sich für die

Beiträge des Instituts folgende Gliederung:

1. Projekt Schneller Brüter (PSB)

1.1 Kernbrennstoffe und Brennelemente

1,2 Hüll- und Kernstrukturwerkstoffe

1.3 Anlagenstrukturwerkstoffe

1 .4 Sicherheitsuntersuchungen

2. Projekt Kernfusion (PKF)

3. Projekt Hiederaufarbeitung und Abfallbehand­

lung (PHA)

4. Projekt Nukleare Sicherheit (PNS)

5. Festkörper- und Haterialforschung (FH)

6, Institutseigene Forschungsvorhaben

Das I~W mit seinen vielfältigen experimentellen Ein­

richtungen bearbeitet verschiedene Themen in natio­

naler oder internationaler Abstimmung. Die Arbeiten

für das PSB erfolgen im Rahmen der Entwicklungsge­

meinschaft Schneller Brüter, wobei die Kooperation

mit Frankreich dominiert. Die Arbeiten im Projekt

Kernfusion werden im Rahmen der EG abgestimmt, außer­

dem besteht ein Entwicklungsvertrag zwischen KfK und

dem IPP Garching. Bei den PNS-Arbeiten bestehen enge

Kontakte zu den USA. Über Zusammenarbeit auf spe­

ziellen Gebieten und durch Gastwissenschaftler be­

stehen Kontakte zu zahlreichen Ländern.

Am 31 • 12. 1983 waren im HW 54 Akademiker, 26 Inge­

nieure, 67 sonstige Hitarbeiter, 3 Nach>vuchswissen­

schaftler, 9 Gastwissenschaftler und Delegierte be­

schäftigt. Hinzu kommen 8 Hochschulangehörige und

8 Doktoranden sowie 5 Hitarbeiter im Technologie­

Transfer-Programm.

Institut für Haterial- und Festkörperforschung

(UW)

Leitung: Prof. Dr. F.Thümmler

Dr. K.Anderko

Prof. Dr, K.Kummerer

1. PROJEKT SCHNELLER BROTER <PSB) 1.1 KERNBRENNSTOFFE UND BRENNELEMENTE

01.01.01 IHF Oxid-Brennstoff-Herstellung, Qualitäts­

kontrolle und Laborversuche

Charakterisierende Untersuchungen an Hischoxid

Die Untersuchungen an Hischoxidbrennstofftabletten, die

für die Bestrahlungsexperimente SNR-Phenix 1 und

SAPHIR von der Firma Alkern hergestellt wurden, er­

streckten sich auf Geometrie, Dichte, 0/H- Verhältnis,

Struktur, Hischkristallbildung und Löslichkeit. Nach

den bisherigen Ergebnissen an fünf OKOH- und einer

AUPuC-Herstellungsvariante sind die vorgegebenen Spe­

zifikationen in allen überprüften Größen erfüllt.

Die Arbeiten zur Qualifizierung des bei NUKEH ent­

wickelten Heißschlagverdichtungsverfahrens wurden ab­

geschlossen (18621). Heitere Untersuchungen hatten

französische Hischoxidbrennstoffe aus dem CABRI-Ver­

suchsprogramm zum Gegenstand. Besondere Herkmale die­

ser Tabletten sind großflächige Abplatzungen sowie ei­

ne sehr inhomogene Struktur. Der Pu-Anteil liegt bei

15,5%. Bei den 0/H-Bestimmungen erhält man bei Anwen­

dung des Verfahrens, bei dem 0/H = 2,00 über ein CO/COz

Gasgemisch eingestellt wird, höhere Herte, als wenn die

Tabletten an Luft oxidiert und dann im H2/n2o-Gemisch

auf 0/H = 2,00 reduziert werden. Die Differenzen wer­

den auf eine unvollständige Oxidation im CO/C02-Ge­

misch zurückgeführt. Sie machen sich wahrscheinlich

deshalb so stark bemerkbar, >~eil bei dem CABRI-Brenn­

stoff eine nahezu ideale feste Lösung des Puo2 im uo2

vorliegt. Aus diesem Grunde sind diese Ergebnisse auch

für den AUPuC-Brennstoff der ALKEH von Interesse.

Der Vergleich von verschiedenen Fertigungschargen für

KNK II und für Bestrahlungsexperimente läßt eine zu­

nehmende Fertigungsqualität bei ALKEH erkennen. Dadurch,

daß der Anteil von Hikrorissen in den Tabletten ab­

nimmt, steigt auch die Stabilität der 0/H-Verhältnisse

an. Gleichzeitig nimmt damit die Wärmeleitfähigkeit

zu (18792, 19096).

Die Untersuchungen zur Löslichkeit von unbestrahlten

uo2-Puo 2-Tabletten mit einem Pu-Anteil zwischen 25 und

75% wurden abgeschlossen. Es zeigte sich, daß die Lös­

lichkeit in siedender 10-molarer Salpetersäure nur

geringfügig besser ist als in 5-molarer Salpetersäure.

- 2 -

Wesentliches Ergebnis dieser Experimente ist, daß das

Probenmaterial bis zu einem Pu-Anteil von etwa 35%

vollständig löslich ist, während oberhalb von 60% we­

niger als 5% des eingesetzten Pu in der Lösung zu fin­

den sind (Abb. 1).

0 t: 5 i(f--

0

3 0

2 0

1

0

I .,I

+----~T-- f-----

-----i ---f, , .. ~fKJ 15m I ---l j_____ ------!311

I

I I

10

I ' I

I I I I

I J __ -Q\ I

--- -f--

~ 2030 40 5060/DSO

-----f!!!oi!!Jo- IPu;tJ+Pullges<>Ti~/ol

Abb. 1: Löslichkeit des Plutoniums aus U02-Puo 2-

Tabletten in Abhängigkeit vom Pu-Gehalt.

Tabletten aus Granulierbrennstoff, unbe­

strahlt, 6 Stunden Kochen unter Rückfluß

in 5- bzw. 10-molarer Salpetersäure

Nachdem auf dem Gebiet der Pulvercharakterisierung

mittels Siebanalysen gezeigt wurde, daß die Benüt­

zung eines Luftstrahlsiebes wesentlich effektiver

ist als die eines Rüttelsiebes, wurden seine Gren­

zen systematisch untersucht. Beim Sieben von uo2 ex

AUC, das im Rüttelsieb bei einem 20 pm-Siebboden et­

'~a 90% Rückstand auf,~eist, ist der Rückstand im

Luftstrahlsieb etwa 5%. Han kann bei diesem Pulver

das Luftstrahlsieb bis zu einem 10 pm-Siebboden ver­

wenden. Es ist allerdings zu beachten, daß die Sieb­

charakteristik stark von der Beladung abhängt. Aus

diesem Grund ist auch dieses Siebverfahren nicht ge­

eignet, echte Korngrößenverteilungen von uo2-Pulvern

zu bestimmen (19097). Parallel dazu wurde ein bild­

analytisches Verfahren entwickelt, das die Zuordnung

eines unbekannten Pulvers zu einem Satz von Huster­

pulvern ermöglicht. Dieses Verfahren wurde dahinge­

hend erweitert, daß jetzt auch Aussagen darüber mög­

lich sind, ob sich der Satz von Husterpulvern mit den

gewählten Parametern überhaupt trennen läßt. Des wei­

teren ist eine Aussage über die Signifikanz der Zu­

ordnung möglich. Das Verfahren wurde anhand eines

Satzes von fünf verschiedenen kalzinierten uo 2 ex

ADU-Pulvern getestet (V 19253).

Aufgrund von Analysen des Profils der Röntgenbeugungs­

linien wurde ein Hode11 für die Hischkrista11bildung

im System uo2-Pu0

2 erarbeitet, das Domänen konstan­

ter Pu-Konzentration annimmt. Nebeneinanderliegende

Domänen können deutlich verschiedene Pu-Gehalte auf­

weisen. Die Breite dieser Domänen liegt zwischen 40

und 90 nm. Eine Korrelation mit den Herstellungs­

bedingungen und dem Pu-Gehalt war nicht nachzuwei­

sen. Als praktisches Ergebnis liegt jetzt ein Pro­

gramm vor, das aus dem Röntgenbeugungsprofil die

technologisch bedeutsame Konzentrationsverteilung in

der festen Lösung, die Domänengröße und die Gitter­

verzerrungen berechnet (19495).

Veröffent­lichungen

18621

18792

19096

19097

V 19253

19495

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

01.01.01 P 06A B.Dörzapf

01.01.01 P 06B DP H.Elbel

01.01.01 P 06C DI (FR) E.Günther

01.01.01 P 06D R.Hanselmann

01.01.01 P 06E J.Heger

W.Jahraus

E.Kaiser

H.Laub

H.Nagel

R.Scherwinsky

Dr. D,Vo11ath

Dr. H.Wedemeyer

H.Wittmann

Thermoschockverhalten von Brennstoff- und Absorber­

Tabletten

Im Berichtszeitraum wurden Thermoschockversuche mit un­

bestrahltem und bestrahltem U,Pu-Hischoxid (KNK-Brenn­

stoff) durchgeführt. Die Thermoschockbeanspruchung er­

folgte durch rasches Aufheizen einzelner unbestrahlter

Tabletten oder bestrahlter Tablettenbruchstücke in ei­

nem Bad aus flüssigem Zinn. Die Auswertung der Versu­

che (unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Geo­

metrie der bestrahlten und unbestrahlten Brennstoff­

proben) ergab, daß sich die Thermoschockbeständigkeit

während der Bestrahlung bis zu einem Abbrand von 5%

nicht verschlechtert hat. Diese Aussage wird durch Ver­

suche mit uo2-Ringtabletten bestätigt, die nach einem

Abbrand von 3,5% ebenfalls keine Verschlechterung der

Thermoschockbeständigkeit zeigten. Verglichen mit U02 liegen die gemessene kritische Temperaturdifferenz von

310 Kund die daraus berechnete Rißspannung des Hisch­

oxids von ca. 100 ~ITa etwas niedriger als die entspre­

chenden Werte des U02' -Im Rahmen der Absorberwerkstoff­

Entwicklung wurden Thermoschockversuche mit unbestrahl­

ten Borkarbid-Tabletten durchgeführt. Aus den Aufheiz­

versuchen wurde die Rißspannung für Raumtemperatur zu

ca. 225 HPa, für 720°C zu ca. 115 HPa berechnet,

Veröffent- Primärberichte lichungen

Beteiligte Hitarbeiter

H,Blumhofer

Dr, H.Zimmermann

Chemische Reaktionen zwischen Oxidbrennstoff und

Hülle

- 3 -

Die Untersuchungen zu diesem Thema gelten vor allem

der Frage, unter welchen Bedingungen kombinierte me­

chanische und chemische Einwirkungen zu einem ver­

formungsarmen Bruch von Brennstabhüllrohren führen

können. Bei 500 - 700°C wurden Kriechberatversuche

an ca. 90 Rohrproben aus alternativen Hüllmaterialien

durchgeführt, die mit einer FeC1 2/Fe+CuO-Eingabe ver­

sehen waren, Die Standzeitreduktion durch das reak­

tive Cl+O-Potential verminderte sich mit steigendem

Cr-Gehalt (15 + 20%) der verwendeten er-Ni-Stähle,

besonders bei 500°C und entsprechend hohen Span-

nungen.

In HocleUstudien zur Hüllinnenkorrosion in Oxidbrenn­

stäben wurde die Rolle des reaktiven Spaltproduktes

Tellur näher untersucht. Es wurde gezeigt, daß bei

hohem 0-Potential die Bildung von kondensiertem FeTe

an der Hülle erfolgen kann, die möglichenqeise zu

einer katalytischen Beschleunigung der Hüllinnenkorro­

sion führt,

Veröffent­lichungen

19101

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

H.Blumhofer

Dr, O,Götzmann

K.Kurz

K,Rauhut

01,01,02 IHF Stationäre Bestrahlungsversuche mit

Oxidbrennstoff und Absorberwerkstoffen

Auslegung, Betreuung und Auswertung von stationären

Bestrahlungsexperimenten

Im Laufe des Jahres 1983 wurden für die FR 2-Kapsel­

versuchsgruppe 7 die Berichte mit den Bestrahlungs­

daten planmäßig erstellt als Grundlage für die zer­

störungsfreie Nachuntersuchung, In Fortführung die­

ser Untersuchungen an neuen Brennstoffvarianten wird

ein Bestrahlungsexperiment TOAST (Toleranz~ufweitungs­

studie) vorbereitet, in dem die Zulässigkeit von

kostenmindernden Spezifikationsaufweitungen nachge­

wiesen werden soll.

Die Arbeiten des Labors für Brennstabtechnologie

lassen sich schwerpunktmäßig den Bestrahlungsexperi­

menten in der KNK II sowie dem Betriebstransienten­

programm zuordnen, Es wurden Hüllrohre und Struktur-

teile geprüft, die einseitig verschweißten Hüllrohre

auf der Brennstabvermessungsanlage vermessen und die

Daten abgespeichert. Das Instrumentarium des Labors

wurde ergänzt durch ein mikroprozessorgesteuertes

Oberflächenmeßgerät sowie durch einen PDP 11/24-Rech­

ner, der die Aufgaben des alten.Rechners und dazu

wichtige Aufgaben der Hodell theorie übernimmt,

Veröffent- Primärberichte lichungen

Bestrahlungseinrichtungen

Beteiligte Hitarbeiter

DP D.Freund

H.Hill

DI O.Jacobi

Dr.Ritzhaupt-Kleissl

Im vergangeneu Jahr stand die Vorbereitung der Be­

strahlung des ersten KNK II-Ringbrennelementes mit

einem Karbidtestbündel im Vordergrund. Dieses Sonder­

element ist inzwischen unter Einschaltung der Abnahme­

instanzen assembliert und liegt für den planmäßigen

Einsatz im Februar 1984 bereit. Die Genehmigung dazu

wird nach Begutachtung aller auslegungs- und sicher­

heitstechnischen Unterlagen im Januar erwartet. Da­

neben läuft die Entwicklung eines wiederbeladbaren

Ringelementes mit auswechselbaren Testbündeln für die

Dritte Kernladung der KNK II. Dafür ist nach umfang­

reichen Entwurfsstudien mit der Detailplanung begonnen

worden,

Abb. 2: Ausschnitt aus dem KNK II-Ringbrennelement

mit Karbidtestbündel

Veröffent- Primärberichte lichungen

19498 01.01.02 P 06A

01,01.02 P 06B

01,01.02 P 06C

01.01.02 P 06D

Beteiligte Hitarbeiter

DI (FR) H,E,Häfner

DI (FR) K.Heckert

H.Hofheinz

Ing.grad K.Philipp

01.01.03 I}ffi Nachuntersuchung und Auswertung von

Oxidbrennstäben

Anwendung von Hodelltheorie auf stationäre Bestrah­

lungsexperimente

Die Bestrahlungsnachuntersuchungen der FR 2-Kapsel­

versuchsgruppe 7 wurden fortgeführt. So ist die zer­

störungsfreie Untersuchung für alle 10 KVE abge­

schlossen, Die zerstörende Untersuchung konnte nur

für die drei Prüflinge des KVE 167 vollständig durch­

geführt '~erden, Für die anderen Kapseln ergibt sich

folgende Situation: die zerstörende Nachuntersuchung

ist erfolgt bis auf die Löslichkeitsanalysen, die

Spaltgasmessungen und die radiochemischen Abbrand­

bestimmungen, Erste Rechnungen mit SATURN-2 ergaben

zu geringe Umstrukturierungen, die auf einen radia­

len Ausgangsstöchiometriegradienten bei dem getemper­

ten Brennstoff hinweisen, der zwischenzeitlich über

die Hikrosonde bestätigt wurde,

Für Bestrahlungsexperimente mit hochdichtem Brenn­

stoff ergaben sich Diskrepanzen zwischen Nachunter­

suchungsergebnissen und Rechnung. Es zeigte sich, daß

einige SATURN-2-Hodelle und Haterialdaten zu sehr auf

niederdichten Brennstoff zugeschnitten waren, Bisher

erstellt und getestet sind eine Reihe von Unterpro­

grammen zur thermischen und mechanischen Beschreibung

von Brennstoff und Hülle sowie für einige wesentliche

Umverteilungsphänomene, Die Hodellierung der Sauer­

stoffumverteilung z.B. basiert weiterhin auf der

sog, Soret-Beziehung. Es wird jetzt jedoch mit loka­

len Leerstellen-Überführungswärmen gerechnet, die

über eine neue physikalisch sinnvollere Darstellung

als Funktion der Plutoniumvalenz zu einer höheren

numerischen Sicherheit führen (Abb, 3) Bei der Plu-

···············•

; ···· .......

~ -10

1 -20

-30

-40L-----L-----~-----L-----L----~ 3.2 3.4 3.6 3.8

_____.... Plutoniumvalenz VPU

Abb. 3: Augepaßte (ß) Leerstellenüberführungswärme Q

(in kcal) als Funktion der Pu-Valenz VPU

- 4 -

toniumdiffusion '~ird die effektive Überführungswärme

weiter konstant mit -35 kcal angenommen, der Inter­

diffusionskoeffizient jetzt jedoch lokal als Funktion

von Temperatur und Plutoniumvalenz berechnet.

Hit den vorliegenden Programmen (SATURN-2, PSTAT) 'rur­

den eine Reihe von Nachrechnungen zu stationären Ex­

perimenten (CABRI-PHENIX Rig I, Rig 3, Transienten­

programm) durchgeführt.

Veröffent­lichungen

Primärberichte

01.01.03 p IOA

01.01,03 p lOB

01.01.03 p IOC

01.01,03 p IOD

01.01.03 p IOE

01,01,03 p IOF

01,01,03 p lOG

Beteiligte Hitarbeiter

DP D.Freund

DP H.Gärtner

H.Heck

B.Hahmoudian

Dr. R.Pesl

Dr. H.-J.Ritzhaupt-Kleissl

Nachuntersuchung von stationären Experimenten

An den Stäben aus dem KNK-Brennelement 202 wurden die

'~esentlichsten Untersuchungen abgeschlossen, Aus den

Abbrandanalysen ergab sich, daß die bisher angenommene

Drehorientierung des Bündels unrichtig war. Durch die

Korrektur rückt der Defektstab AI-1584 auf das höchste

Stableistungsniveau, ,.10durch sein Schaden eher erklärt

werden kann, Des weiteren bestätigten die Abbrandanaly­

sen sowohl die berechnete Abbrandhöhe als auch den ra­

dialen Leistungsgradienten innerhalb des Bündels, In­

zwischen liegen auch die ersten Daten aus der Untersu­

chung des KNK-BE 203 vor, das mit ca. 10% FI}ß den maxi­

malen Entladeabbrand ohne Schaden erreicht hat. Sie

zeigen, daß sich der Stabzustand gegenüber 5% Abbrand

kaum verändert hat, Insbesondere die Innenkorrosion

der Hüllrohre ist nicht angestiegen.

Aus dem Bestrahlungsexperiment RAPSODIE-II mit einem

Haxil!"'labbrand von 9, 7% Fnß, 7,6 mm Stabdurchmesser

und Hendeldraht-Abstandshalter wurden zwei Stäbe in

Karlsruhe untersucht. Bei der Dimensionskontrolle war

der Einfluß der Hendeldrähte durch 80 11m große Stabo­

valitäten zu erkennen, Auch die lokalen Hülldehnungen

am Ende der Brennstoffsäule, eine Folge der Reaktion

des Spalt-Cäsiums mit dem Brutstoff, vmren wieder vor­

handen. Sie können jedoch, nach den Erfahrungen mit

den langen Brennstoffsäulen der KNK-Stäbe, als typisch

für kurze Brennstoffsäulen gelten und sind damit für

die SNR-Geometrie nicht relevant,

Veröffent­lichungen

19104

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

L.Deffaa

Ing. H.Emst

Dr, D.Geithoff

Beurteilung des Brennstoffverhaltens in bestrahlten

Oxidbrennstäben

Die Auswertung der Hüllinnenkorrosion an KNK II/1-

Brennstäben mit einem max. Abbrand von 5,1% wurde

fortgesetzt. Wie Abb. 4 zeigt, war die Angriffstiefe

E ::1,

~ <II

100 I= x 0 E

::: ·;:::

"' c: 50 g

<II c: :§ a I

~iso-~--~~~~~7:---:::-----±0 °mm oben

Brennstofflänge

Abb, 4: Hüllinnenangriffstiefe in zwei KNK II/1-BE

mit max, Abbränden von 1,85% (BE 208) und

5,1% (BE 202), X= Stableistung, THm =Hüll­

temperatur

bei ähnlichem axialen Profil etwa doppelt so groß

wie nach 1,85% max. Abbrand, d.h. sie stieg im zwi­

schenliegenden Abbrandintervall noch stark an. Die

Untersuchung von Brennstäben mit etwa 10% max. Ab­

brand wurde begonnen.

In Cadarache wurden durch einen Delegierten die Vor­

bereitungen für die Brennstab-Parameterbestrahlungs­

versuche POUSSIX (Leervolumenerschöpfung) und

GICONDAS (Hüllinnenkorrosion) mitbetreut,

Veröffent­lichungen

V 18254

18620

18787

19100

Primärberichte

01.01.03 P 82A

01.01.03 P I lA

Beteiligte Hitarbeiter

H.Blumhofer

Prof. Dr. W.Dienst

Dr. O,Götzmann

Hikrobereichsanalyse an Hischoxidbrennstoffen in

verschiedenen Stadien des Brennstoffkreislaufs

Die Untersuchungen zum chemischen Zustand des Hisch­

oxids alter und neuer Fertigung in den verschiedenen

Stadien des Brennstoffkreislaufs wurden fortgesetzt.

Die Uran-Plutonium-Homogenität des unbestrahlten,

nach dem AUPuC-Verfahren hergestellten Hischoxids

ist ausgezeichnet (19098), Die radiale Entmischung

unter Bestrahlung ist wegen der hohen Brennstoff­

dichte (95% TD) und des niedrigen Ausgangs-0/H-Ver­

hältnisses (1,96) gering (Abb. 5), Der Puo2-Anteil

- 5 -

Zentral-­kanal

0~-------r---.----.+---. 1.~JJ~ __ _co::_.e ___ .::-o,6"'- rlro _0-.:.4._ __ _:0::,2~--

Abb, 5: Radiale Uran-Plutonium-Verteilung in einem

U0

, 76Pu0

, 24o 1, 96-AUPuC-Brennstoff nach 1,2%

Abbrand

des Rückstands nach Auflösung des bestrahlten Brenn­

stoffs in Salpetersäure liegt unter 0,05%, bezogen

auf den Puo2-Anteil im Hischoxid (18615). Ein quanti­

tativer Zusammenhang zwischen Puo2-Konzentration am

Zentralkanal und Stableistung wurde für niedrig dich­

ten Brennstoff unterschiedlichen Ausgangs-0/H-Verhält­

nisses aufgestellt (18787). Nach der Auflösung von be­

strahltem KNK II/1-Brennstoff alter Fertigung nach 5%

Abbrand ergaben sich aus der Struktur und der Zusam­

mensetzung des Rückstands bis zu 30% Puo2, bezogen auf

den Pu02-Anteil im unbestrahlten Hischoxid (18483,

19145), Zur Deutung der in bestrahlten Brennstoffen

auftretenden Spaltproduktausscheidungen wurden die

Phasendiagramme der Systeme Ho-Ru-Rh-Pd, Ru-Rh und

Bao-uo2-zro

2-Hoo

2 aufgestellt (18485, 18989, 19248),

Die experimentellen Bedingungen für die Kohlenstoff­

analyse in der Hülle bestrahlter Hischkarbidbrennstä­

be wurde diskutiert (18987).

Veröffent­lichungen

18483

18485

18615

18787

18987

18989

19098

19145

19248

Primärberichte

01.01.03 P 06A

Beteiligte Hitarbeiter

Dr. H.Kleykamp

W.Laumer

Dr. J,O,Paschoal (Gastwiss.)

H. Späte

01.01.04 I~W Experimente zum Brennelementverhalten

bei Betriebstransienten

Auslegung, Betreuung und Anwendung von Hodelltheorie

für nichtstationäre Bestrahlungsexperimente

Im Rahmen des Betriebstransientenprogramms, welches

im Jahre 1979 begonnen wurde, sind in der Zwischenzeit

die Experimente DUELL-I und -II zur Untersuchung des

Anfahrverhaltens, KAKADU-I und -II als Lastwechsel-

- 6 -

experimente, Hol-18/1A1 und 1B2 zur Simulation von

Reaktivitäts- und Kühlungsstörfällen sowie ein Brenn·

stoffanschmelzexperiment POTOH-0 durchgeführt worden

bzw. befinden sich unter Bestrahlung. Weitere Experi­

mente der Serien Hol-18 und POTOH sowie ein Experi­

ment OPOST für stationäre Überlast wurde vorberei-

tet.

Die Nachuntersuchungsergebnisse an den neueren Experi­

menten zeigten in einigen Punkten Abweichungen von den

modelltheoretischen Vorhersagen. Beim ersten Experi­

ment der Hol-18-Serie trat die erwartete Brennstoff­

umstrukturierung nicht ein, da wohl das angestrebte

Leistungsniveau (wegen eines Kühlmittelnebenstromes)

nicht erreicht wurde. Andererseits bestätigte dieses

Experiment die Funktionstüchtigkeit der Anlage, ins­

besondere des 3He- Schirmes.

Die früher festgestellte Schieflast in der DUELL-I­

Serie konnte im S.Experiment durch Einbau von Re­

flektoren und Absorbern beseitigt werden, wie die

Nachuntersuchung aufweist. Die Nachrechnung dieses

Hochleistungsexperimentes ist im Gange.

In dem ersten Schmelzexperiment POTOH-0 wurden drei

Stäbe im HFR kurzzeitig bis auf Leistungen von

800 W/cm gebracht. Eine modelltheoretische Aus,qertung

erfolgt nach Vorliegen der Bestrahlungsberichte,

Das neue Experiment HEDINA-K wurde spezifiziert. Da­

mit soll das mechanische Lastwechselverhalten von

SNR-Brennstoff im festen Kontakt mit dem Hüllrohr

durch In-pile-Hessung des Brennstabdurchmessers un­

tersucht werden.

Veröffent­lichungen

19239

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

DP D.Freund

DP H.Gärtner

H.Heck

DI O,Jacobi

DI K.Keller

Dr. L.Steinbock

Bestrahlungseinrichtungen für Transientenexperimente

Nach Abschluß der DUELL-Bestrahlungen mit 18 Oxid­

brennstäben im HFR Petten sind bisher drei KAKADU-Be­

strahlungen mit je z'qei Stäben mit KNK !I-Abmessungen

durchgeführt worden. Drei weitere Einrichtungen dieses

Typs, zwei davon mit vorbestrahlten KNK II-Stäben, be­

finden sich in Vorbereitung. Ein erster TRIOX-Einsatz

für Power-to-melt-Versuche (POTOH) ist im Kurzzeit­

versuch erprobt worden.

Im BR2 'vurde Hitte 1983 das zv1eite Experiment im .'{_ari­

able lrradiation ~onditions-Loop zur Vorbestrahlung des

Testbrennstabes vor Beginn des Transientenprogrammes in

Betrieb genommen. Ein dritter VIC-Bestrahlungseinsatz

mit einem vorbestrahlten KNK II-Brennstab wird vorbe­

reitet. Die technischen Voraussetzungen für die Brenn­

stabmantage und das Füllen des Einsatzes mit Natrium

wurden geschaffen,

Daneben ist die Entwicklung eines Heß- und Regel­

stopfens für die KNK II aufgenommen worden, mit dem

ein Testbündel in einem Ringbrennelement definierten

Temperaturtransienten untenqorfen werden kann. Dazu

soll der Stopfen auf dem Pilzkopf des Testbündels auf­

sitzen, so daß sein Natriumdurchsatz erfaßt und über

ein Regelventil verändert vierden kann, Als maximale

Natriumaustrittstemperatur sind 750°C vorgesehen. Die

umfangreichen Entwurfs- und Konstruktionsarbeiten ha­

ben die technische Durchführbarkeit dieses Vorhabens

aufgezeigt.

Veröffent­lichungen

Primärberichte

01.01.04 P OSA

01,01,04 P OSB

Beteiligte Hitarbeiter

DI (FR) H.E.Häfner

DI (FR) K.Heckert

W.Hofheinz

DI G.Reimann

DI H.Reiser

Nachuntersuchung von Transientenexperimenten

Die Nachuntersuchung der acht Brennstab-Prüflinge aus

der Serie DUELL -II, in der die Brennstoff-Umstruktu­

rierung in der Anfahrphase ermittelt werden sollte,

wurde beendet. In Ubereinstimmung mit den Hodellvor­

stellungen zeigte sich die Strukturumwandlung auch

nach zehntägiger Bestrahlungszeit noch nicht abge­

schlossen. Der Spalt zwischen Brennstoff und Hülle war

noch nicht geschlossen, und als Folge hatte der Zen­

tralkanal seine stationäre Größe erst zum Teil er­

reicht.

Hit dem Experiment POTOH-0 'rurde die Serie der Schmelz­

und tlberlast-Tests eröffnet. Die nach der Bestrahlung

in Petten durchgeführten Neutronendurchleuchtungen las­

sen darauf schließen, daß die Schmelzgrenze des Brenn­

stoffs in Teilbereichen überschritten wurde. Das Kon­

zept der heterogenen Tablettensäule - Brennstoff wird

mehrfach durch Brutstoff unterbrochen - hat sich für

die Erkennung von Schmelzeffekten offensichtlich be­

währt.

Veröffent- Primärberichte lichungen

01.01,04 P 04A

01,01,04 P 04B

01,01.04 P 04C

Beteiligte Hitarbeiter

L. Deffaa

Ing. W.Ernst

Dr. D.Geithoff

01 ,01 ,OS IHF Untersuchungen zum Verhalten defekter

Brennstäbe

Betreuung, Nachuntersuchung und Auswertung von De­

fektstabexperimenten

- 7 -

Ziel dieser Experimente ist das Studium des Betriebs­

verhaltens defekter Stäbe, Im Jahre 1983 wurde der

Brennstab des Experimentes RSS nachuntersucht. Es

handelte sich um einen bis 2,2% FI~ß vorbestrahlten

Brennstab (Typ SUPERPHENIX) mit einem punktförmigen

Defekt (~ 0,3 mm), Dieser Stab hatte nur minimale

Defektsignale gezeigt, Jetzt stellte sich heraus, daß

der Defektbereich mit Hetallspänen zugesetzt war, Des­

halb hatte nur ein geringer Na-Eintritt aber kein

Brennstoffaustritt stattgefunden, wie es die Keramo­

grafie anhand des Reaktionsproduktes erwies, Jedoch

wurde ein 137cs-Austausch beobachtet, Es wurde wei­

terhin im SILOE das Experiment PSO - ein PHENIX­

Brutstoffstab mit künstlichem Defekt - gefahren, Die

Tabelle in Abb, 6 zeigt die Testmatrix mit der Pla­

nung bis 1984/8S.

Exptrlmnl Bnnntlomenl- Yorhalnhlvngo- Typ dll Plmngs-Bmlchm1 Typ 1hhnnd hl ~I prlmir dtllkls 1l1dlum

s 2 SNR-300 Mk Ia 0 301 I mm' 1hgnchlosm Shh 0: 6 mm ollon

HOII1: 1.1970 <

s 4 dlo. 11 RAPSOOIE-BDndol 30 x I mm' lhtllcilomn 10,6 II ~ ollu

s 3 dlo. 11 RAPSOOIE-BO.dtl 5 x 0,5 mm' obgucllouon 10.6 II ~ mlöltl

YOLGA-RSI SUPERPHENIX 11 ATHENA Y B. 30 1 0.2 mm' shguchlomn 18~ PuD,+ 23~ u•. 12,5 II ~ IOD 11m Rnl-

HOIIt: 316 < RAPSDOlE dich d, HOIIt Shb 0: 8,65 mm

YOLGA-RS5 SUPERPHENIX II CYCLOPE I loch: 0,3 mm0 Bnlnhlung 18~ PuD,+ 23~ U'. 2,2 II ~ mliltl bmdol

HOIIt: 316 Tl< RAPSDOlE NschunlormhU!I Shh 0: 8,65 mm beendal

YOLGA·PSI SUPERPHENIX 11 OPHELIE Otltklln Höht geplant 14 ~ PuD, ohnt U'. I 0 II ~ 8nnnsloii-Sivlo lür I, B4 HOII1:15115TI< PHENIX Dlmmlon noch Sl1h 0: 8,65 mm nlchldollnltrt

YOLGA-PSO PHENIX· xmax = 450 W/cm Hmlollunga- z.ZI.unlor Brulalolf-SIIb 568 EFPO dtllkl Bulnhlunglm HOII1: 316 ' PHENIX SILDE

Stab 0: 13.4 mm

KSI SNR-300 Mkla ex. KNK II Deiakt geplant Slab 0:6 mm 4.6 ·~!. lnMIIIa IOr B4/85 HOIIal.4981< Brannalolf-S!ule

Abb. 6: Testmatrix der Defektstabversuche im SILOE­

Reaktor

Veröffent­lichungen

Primärberichte

Ol.Ol,OS P 21A

Beteiligte Hitarbeiter

F.Bauer

Dr. P.\ifeimar

Hikrobereichsanalyse defekter Brennstäbe

Aus der Höhe der lokalen Freisetzung flüchtiger

Spaltprodukte aus dem Brennstoff transient bestrahl­

ter Brennstäbe konnten die Bereiche geschmolzenen

Brennstoffs in den Bestrahlungsexperimenten SANDIA

FD.l und CABRI All bestimmt werden (18482), Aus den

Struktur- und Elementanalysen an stationär bestrahlten

defekten Brennstäben ergab sich eine stärkere Pluto­

nium-Anreicherung im Brennstoffzentrum als bei in­

takten Brennstäben gleicher Stableistung, Brennstoff­

schmelzen im zentralkanalnahen Bereich am unteren

Stabende und mehrphasige Natriumuranöplutonatschich­

ten mit hohem U/Pu-Verhältnis an der Brennstoffober­

fläche (1910S, 19419),

Veröffent- Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter lichungen

18482 Ol,Ol.OS p ISA R.Fritzen

1910S O!,Ol,OS p !SB Ing. H.D.Gottschalg

19419 01,01 .OS p !SC Dr. H.Kleykamp

01 ,01, 16 IHF Untersuchungen an optimierten Kern­

brennstoffen

Anwendung von Hodelltheorie auf Karbid-Bestrahlungs­

experimente

Die Hauptaufgabe betraf die Bestrahlung eines Karbid­

testbündels in der KNK II, insbesondere die Fertigung,

Prüfung und Abnahme der Stäbe sowie die Dokumenta­

tion, Auf Anforderung des Gutachters wurden ergänzen­

de Rechnungen zur Karbidstabauslegung durchgeführt.

Sie zeigten, daß auch unter den vorgegebenen Stör­

fallbedingungen weder Brennstoffschmelzen noch Hüll­

rohrversagen auftritt, Nach anfänglichen Schwierig­

keiten wurde auch die Fertigung der Brennstäbe sowie

die Assemblierung des 19-Stab-Bündels erfolgreich ab­

geschlossen, Weiterhin wurde in Zusammenarbeit mit

INTERATOH die Karbidstabspezifikation überarbeitet.

Veröffent­lichungen

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

H.Hill

DI O,Jacobi

Dr. H.-J.Ritzhaupt-~

Nachuntersuchung und Auswertung von Bestrahlungsex­

perimenten mit Karbid-Brennstäben

Die ausklingenden Arbeiten zur Karbid-Nachuntersu­

chung l<erden überwiegend extern abgewickelt, Der Auf­

trag an Hanqell wurde mit der Erstellung des Unter­

suchungsberichtes zunächst abgeschlossen, Es zeigte

sich jedoch, daß für eine Interpretation der beobach­

teten Phänomene (Zentralkanal) noch Abbrandanalysen

erforderlich wurden,

Im EIR-Hürenlingen befinden sich fünf Teststäbe in

der Nachuntersuchung, Die bisherigen Ergebnisse las­

sen ein durchaus enqartungsgemäßes Stabverhalten er­

kennen, Bemerkenswert ist der Befund an einem defekten

Stab, daß im Gasplenum noch Spaltgas und Helium-Füll-

- 8 -

gas vorhanden war. Offenbar versiegelt das als Bin­

dung eingesetzte Natrium den Spaltgasraum gegen den

Riß in Höhe der Brennstoffsäule vollkommen. Die Un­

tersuchung eines Einzelstabes in Jülich ist beendet.

Eine Dokumentation ist in Vorbereitung, Kürz1ich be­

gonnen 'qurde am Institut für Transurane mit der zer­

störungsfreien Untersuchung von zwei Stäben aus dem

Zyklier-Experiment CAREL. Der Umfang der Arbeiten ist

hier entsprechend der aktuellen Bedeutung bereits

stark eingeschränkt.

Veröffent­lichungen

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

Ing. l·l.Ernst

Dr, D.Geithoff

Dr, P,Weimar

Bestrahlungseinrichtungen für Karbidexperimente

Im BR 2 in Hol sind mit Hol 10/3 und Hol 11/C5 die

letzten Karbidbestrahlungen ausgelaufen. Das 19-

Stab-Testbündel, das zur Abrundung und zum vorläu­

figen Abschluß des Karlsruher Karbidprogrammes über

375 Tage im z'qeiten Kern des KNK II-Reaktors bestrahlt

werden soll, steht mit seinem Trägerelement, vom TÜV

abgenommen, zum Einsatz bereit. Die Bestrahlung soll

im Februar 1984 beginnen.

Veröffent­lichungen

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

DI (FH) H,E,Häfner

VI, Hofheinz

Ing.grad K.Philipp

01,05.04 I~W Reparatur von Brüterbrennelementen, me­chanisches Headend der Brüterbrennstoff­wiederaufarbeitung

Detektion und Auswechslung von defekten Brennstäben

Als Voraussetzung für die Reparatur wurde ein Ver­

fahren zur Identifizierung einzelner defekter Brenn­

stäbe in einem bestrahlten Brennelement ausgearbeitet,

Es beruht auf einer vergleichenden Hessung des Innen­

druckes durch induktive Vermessung von speziellen

Druckmeßdosen, ?ie im unteren Brennstabbereich ange­

ordnet sind. Das Verfahren wurde mittels einer proto­

typischen Reparatureinrichtung getestet. Es ist ge­

plant, für die dritte KNK-Kernladung eine größere Zahl

von Brennstäben für die probeweise Defektdetektion

auszurüsten, Die Vorbereitungen dafür wurden begonnen.

Versuchs-Behälterlagerung von KNK Ir-Brennelementen

Zur Erprobung der trockenen Zwischenlagerung von hoch­

abgebrannten Brüterbrennelementen wird ein Lagerver­

such mit instrumentierten KNK TI-Brennelementen vor­

bereitet, Dazu wurden Planungsarbeiten insbesondere

für die Temperatur- und Aktivitätsübenqachung sowie

die HeBdatenverarbeitung durchgeführt. Außerdem sind

wir.maßgeblich an der Entwicklung des Gesamtkonzep­

tes beteiligt, Derzeit sind zwei Konzepte für die

Beladung des Behälters. in Diskussion, und z'qar ent­

weder im Hasser des HZFR-Lagerbeckens oder in der

Heißen Zelle.

Veröffent­lichungen

18617

19146

19161

Primärberichte Beteiligte ~1i tarbeiter

DI H,Deckers

DI H.Reiser

U,Reuter

Korrosionsuntersuchungen zur Untenqasserzerlegung

Die Entwicklungsarbeiten zur Zerlegung von bestrahl­

ten Natrium-Brüter-Brennelementen unter lo/asser

schließen auch Korrosionsuntersuchungen ein. Es ist

zu prüfen, ob durch Natronlauge aus Na-Resten und

Hasser nachträglich die Stabhüllen korrodieren und

ihre Integrität beeinträchtigt 'qird. Aus dem dreitei­

ligen Versuchsprogramm sind zwei Bereiche abgeschlos­

sen: die Korrosionsuntersuchungen an unbestrahlten

Hüllrohrproben und die Tests an zehn bestrahlten

ganzen Stäben aus dem defekten KNK TI-Brennelement

NY202, Die Untersuchungen an Rohrabschnitten von be­

strahlten KNK II-Stäben in den Heißen Zellen laufen

noch.

Veröffent­lichungen

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

Dr. O,Götzmann

DI (FH) H,E.Häfner

H.Kempe

K.Kurz

DI L. Schäfer

01 ,05 ,05 UW Versuche zum Löslichkeitsverhalten

bestrahlter und unbestrahlter Schnell­

brüterbrennstoffe

Der im IHF I vorgesehene Beitrag wird unter dem Vor­

haben 01,01,03, Nachuntersuchung und Auswertung von

Oxidbrennstäben, behandelt.

1.2 HÜLL- UND KERNSTRUKTURWERKSTOFFE

01.01.10 UW Eigenschaften unbestrahlter Referenz­

und Alternativwerkstoffe für Hüllrohre

und Kernkomponenten

Entwicklung martensitischer und austenitischer Stähle

Über die Optimierungsarbeiten am martensitischen Stahl

1.4914 mit 12% Chrom wurde auf internationalen Ta-

- 9 -

gungen in drei Vorträgen ausführlich berichtet

V 18974, V 19441, V 19444). Für die Anwendung als

Kastenwerkstoff wurde eine stickstoffarme und o-Fer­

rit-freie Variante entwickelt, mit der eine Übergangs­

temperatur der Kerbschlagzähigkeit von -17°C (Iso-V­

Querproben) erreicht wurde. Zusammen mit einer Zeit­

standfestigkeit von 80 ~Wa bei 600°C und 104 Stunden,

dem problemlosen Schweißverhalten und der guten Ver­

arbeitbarkeit zu Brennelementkästen sind die bisher

untersuchten Materialeigenschaften als zufrieden­

stellend zu beurteilen. Zur weiteren Charakterisie­

rung der mechanischen Eigenschaften wurden umfang­

reiche Kerbschlag- und Zugversuche mit Proben in ver­

schiedenen Vergütungszuständen durchgeführt, Abb, 7

veranschaulicht für die Standardhärtetemperatur

1075°C den Verlauf der Zugfestigkeit in Abhängigkeit

von der Anlaß- und Prüftemperatur.

RNO-D (14914)

Chg. 51482

gehärtet: 1075' 30' I Luft

Zugfestigkeit Rm in

Abhängigkeit von der

Anlaß- und Prüftemperatur

I .,,

f'ROFTE~PERAIIJ'I I'C]

Abb. 7: Zugfestigkeit des martensitischen Cr-Stahles

I .4914

Von verschiedenen Varianten einer austenitischen Ent­

wicklungslegierung mit 25% Ni und 10% Cr wurden Zug­

versuche (mit Stahl 1.4970 vergleichbare Ergebnisse)

und Untersuchungen des Rekristallisationsverhaltens

durchgeführt. Im Rahmen des Bündelbestrahlungsex­

perimentes Charlemagne ergab ein Vergleich von

unbestrahltem Hüllrohrmaterial, daß der Stahl 1.4970

gegenüber den Stählen AISI 316 ohne und mit Titan die

doppelte Zeitstandfestigkeit (4000 Stunden) besitzt,

daß sich die Bruchdehnung der titanstabilisierten

Stähle aber nicht unterscheidet. In einem Vergleich

aller bisher im IMF II auf ihre Zeitstandeigenschaf­

ten untersuchten Hüllrohrmaterialien wurden interes­

sante Hinweise auf die Hirksamkeit verschiedener Le­

gierungselemente (z.B. Ho, B, Si, Nb), der Haterial­

behandlungszustände und der Rohrabmessungen gefunden.

Der Stahl 1.4970 hat von allen 16 Legierungen aus 42

Chargen im Temperaturbereich von 600 bis 750°C ein­

deutig die höchste Zeitstandfestigkeit (19447),

Hechanische Eigenschaften bei wechselnden Belastungs­

bedingungen

Es wurden die Auswirkungen spezieller Kühlmitteldurch­

flußstörungen des SNR-300, der Notkühlfälle EVA und

EVI, auf die Standzeit von Brennstäben dadurch (an un­

bestrahlten Hüllrohren) simuliert, daß Zeitstandver­

suche bei 650°C durch eine vierstündige Temperatur­

exkursion auf 850°C unterbrochen- wurden, Zur Berech­

nung des Standzeitverlustes irrfolge der Temperatur­

exkursion erwies sich die "life fraction"-Regel in

ihrer bisherigen Form als nicht geeignet, was seine

Ursache in den Strukturänderungen des Herkstoffes hat.

Veröffent-lichungen

18622

V 18974

18991

V 19441

V 19444

19447

Primärberichte

OI,Ol,IOPOSA

01.01.10 P 05B

OI.Ol,IO P 05C

01,01.10 P 05D

OI,Ol,IO P 06A

01.01.10 P 07A

01.01,10 P 07B

OI,Ol,IO P 07C

Beteiligte Hitarbeiter

DI D.Gulden

H,Kempe

DI (FH) E.Haterna-Horris

H.Heinzer

I~.Meyer

B,Ritter

DI L, Schäfer

Dr, H. Scheibe

Ing, H. Schirra

B,Seith

DI C.Hassilew

E.Heis

H. Zimmermann

01,01,12 IMF Bestrahlungsversuche mit Hüllrehr­

und Kernstrukturmaterial

Bestrahlungsverhalten des Referenzmaterials SNR-~~ Ia

Die Rolle von sekundär gebildeten Titankarbiden für

die Unterdrückung des Schwelleus und der Hochtempera­

turversprödung in titanstabilisierten Stählen wird

seit geraumer Zeit diskutiert. Untersuchungen am Hüll­

werkstoff 1.4970 haben gezeigt, daß sekundäre Titan­

karbide bei Bestrahlung unterhalb etwa 550°C nicht

auftreten oder, falls sie durch eine vorangegangene

thermisch-mechanische Vorbehandlung erzeugt wurden,

durch die Neutronenbestrahlung aufgelöst werden, Dies

stützt die frühere Beobachtung, daß stabilisierte

Stähle nur oberhalb 550°C deutlich weniger schwellen

als unstabilisierte Stähle. Heniger deutlich ist der

Einfluß der sekundären Titankarbide auf die Helium­

versprödung. Die elektronenmikroskopischen Untersu­

chungen an Zeitstandproben mit unterschiedlichen

thermisch-mechanischen Vorbehandlungen zeigen zwar

- 10 -

eine Anhäufung von Heliumblasen an den Grenzflächen

von Titankarbiden, jedoch wird die Verteilung und

Größe von Heliumblasen wie auch der Ausscheidungen

selbst in weit stärkerem Maße von der Kaltverformung

selbst beeinflußt (Abb, 8), Die Bildung von Helium-

Abb, 8: Nukleation von Heliumblasen an Versetzungen

(a) und Ausscheidungen (b) im bestrahlten

Stahl I, 4970

blasen an den Korngrenzen '~ird von den unterschied­

lichen Hikrostrukturen im Korninnern kaum beein-

flußt.

Die Analysen aus den Hol-Z-Experimenten zum Zeit­

stand- und Kriechverhalten unter Bestrahlung sind

für die austenitischenStähle 1.4981, 1.4988 und

1.4970 weitgehend abgeschlossen '~orden, Für alle

drei Herkstoffe wurde bei hohen Bestrahlungstem­

peraturen eine von der Defektrate, dem Herkstoff und

der Temperatur abhängige Ubergangsspannung beobach­

tet, bei der eine sprunghafte Änderung der Spannungs­

abhängigkeit der Kriechrate eintritt. Unterhalb die­

ser Ubergangspannung besteht ein linearer Zusammen­

hang zwischen Kriechrate und Spannung. Die Ergeb­

nisse sind formelmäßig zusammengefaßt worden. Sie

erlauben eine Beschreibung der bestrahlungsinduzier­

ten Kriechdeformation über einen '~eiten Anwendungs­

bereich, geben jedoch über den standzeitbegrenzenden

Schädigungsmechanismus keine Aussage,

Brennstababschnitte aus dem KNK II-Element 202 zeig­

ten an Stellen mit Reibmarken von Gitterabstands­

haltern eine deutliche Reduktion der Zeitstandbruch­

dehnung,

Herkstoffentwicklung für höhere Abbrände

Die Simulationsexperimente zum Schwellverhalten ver­

schiedener Varianten austenitischer Entwicklungs­

legierungen vom Typ XIO NiCrMoTiB 25 10 wurden mit Un­

tersuchungen zur Temperatur- und Dosisabhängigkeit

weitgehend abgeschlossen, In Abb, 9 ist das Schwell­

verhalten verschiedener Sonderlegierungen und des

·~

'·' Oß

t 0,4

~

i 0

1,6

'·' Oll

0,4

00

1.4970

elGtKV OLG

'

C619

A LG+A 6LG

C618 ULG+KV OLG

(> C615LG

\~I Streubandder I I~ BB29(•C615) 1 (mltverst:h.therm-1_1 mec.h. Vor~handiU11yen

40

DOSIS(dpa,N/2)

60

~--,

I I I I I I I I

I I I L>

60

Abb. 9: Dosisabhängigkeit des Schwelleus der Referenz­

legierung 1.4970 und mehrerer Entwicklungs­

legierungen vom Typ XIO NiCrHoTiB 25 10 bei

575°C

Referenzmaterials 1.4970 als Funktion der Bestrah­

lungsdosis dargestellt, Für die matrixgehärteten Le­

gierungen 1.4970 und C618 führt eine 20%-ige Kaltver­

formung zu einer deutlichen Schwellreduktion, Die

y'-gehärtete Legierung C619 zeigt bei vorangegangener

Auslagerungsglühung im Vergleich zum lösungsgeglüh­

ten Zustand eine verminderte Inkubationszeit, die je­

doch mit einer bei höheren Dosen verminderten mitt­

leren Sch,4ellrate gekoppelt ist, Die verbesserte

Schwellresistenz aller Entwicklungslegierungen ist

schließlich auch bei 625°C zu beobachten, wo alle

Fe-25Ni-IOCr Sonderlegierungen unabhängig vom Material­

zustand ein gegen Null konvergierendes· Schwellen zei­

gen, Die Ergebnisse der bisherigen sehr umfangreichen

Screening-Experimente wurden zusammenfassend darge­

stellt und vorgetragen (18259, V 18849). Der Schwer­

punkt der Arbeiten verlagerte sich inzwischen auf die

Qualifizierung z~1eier Großchargen vom Typ XIO

NiCrHoTiB 25 10 und die Vorbereitung von Haterial-

und Brennstabbestrahlungen, in denen das integrale

Verhalten dieser l~erkstoffgruppe getestet w·erden

soll.

- I I -

Über das Bestrahlungsverhalten der martensitischen

12%-Ghromstähle 1.4923 und 1.4914 wurde eingehend

berichtet (V 19441, 19444, 19443). Die Bestrahlung

bei Raumtemperatur führt zu einer starken Erhöhung

der Streckgrenze und Zugfestigkeit, die mit einer

Reduktion der Gleichmaßdehnung verbunden ist. Der

Effekt ist vergleichbar mit der bei austenitischen

Stählen beobachteten Verfestigung. Bei Bestrahlung

oberhalb 400°C setzt eine Entfestigung des Haterials

ein, die im wesentlichen als Folge von Erholungs­

vorgängen gedeutet werden kann. Dies hat direkte

Auswirkung auf die Standzeitfestigkeit nach Bestrah­

lung, bei der eine relativ geringe Erniedrigung

beobachtet wird. Von besonderer Bedeutung ist die

Beobachtung, daß trotz der Bildung von Heliumblasen

an primären Austenitkorngrenzen und an Grenzflächen

der Hartensitnadeln der Bruchmechanismus trans­

kristallin bleibt und der sekundäre Kriechbereich

bei Bestrahlung nicht verkürzt wird. Die Anfällig­

keit dieser Werkstoffgruppe gegenüber der Helium­

versprädung ist also gering. Hinsichtlich des be­

strahlungsinduzierten Kriechens dieser Stähle zeich­

net sich folgender Trend ab: Im Gegensatz zu auste­

nitischen Stählen, die in einem Temperaturbereich

von 400 - 550°C das sog. SIPA-Kriechen mit linearer

Spannungsabhängigkeit zeigen, können die im Harten­

sit I .4914 beobachteten Kriechverformungen mit einem

Norton'schen Kriechgesetz beschrieben werden, dessen

Spannungskoeffizient bei 5 liegt, und das eine Akti­

vierungsenergie von 3 eV ergibt (Abb. 10). Das In­

pile-Kriechen ist somit thermisch aktiviert und

ähnelt dem thermischen Kriechen, Allerdings ist die

Kriechrate durch die Bestrahlung um mindestens eine

Größenordnung beschleunigt. Eine Superplastizität,

wie man sie bei Austeniten wegen des auftretenden

ro o_

21o-2

" "' '-' ~

~10-3

"'

Bestrahlungsinduziertes Kriechen

des Werkstoffes Nr. 1.4914

!Mol 58 Versuche)

A~a<!en:

, • 2Px ID'x .?x expl-3,0hD [1/<\la) mit

k • 1/11 600 [eV IJ(] IBoltnnam Koostantel

Spannung a [MPa]

600° c

1:5DD°C

/ /450°C

602271

Abb. 10 Bestrahlungsinduziertes Kriechen des Werk­

stoffes 1.4914 in den Hol 5-Experimenten

SIPA-Hechanismus vermutet, tritt bei dem Stahl 1.4914

nicht auf.

Veröffent- Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter lichungen

16242 01.01.12 P 34A G.Bürkle

18256 01.01.12 p 36A Dr, K.Ehrlich

18259 01.01.12 p 37A DI D.Gulden

18264 01.01.12 p 37B G.Hecker

V 18441 01,01.12 p 38A Dr. R.Heidenreich

18687 01.01.12 p 38B DI (FR) E.Haterna-Horris

18789 01.01.12 p 38C F.Polifka

V 18849 B.Ritter

V 18852 DI L,Schäfer

V 18981 Ing, H,Schirra

V 18982 Dr. W. Schneider

19102 T.Stober

19103 DI C. Wassilew

19159

19442

19443

19444

19497

Haterialbestrahlungseinrichtungen

Im Vordergrund der Arbeiten standen Bestrahlungsein­

richtungen für KNK II. Das wiederbeladbare Haterial­

testelement HTE 2 konnte wie vorgesehen Anfang des

Jahres fertiggestellt werden und wurde im Juni in

die Reflektorposition 521 eingesetzt. Es ist mit 458

Haterialproben in offenen und gekapselten Probenhal­

tern, Aktiniden- und Dosimeterproben beladen (Abb. II).

Für den nächsten Probenwechsel wurden doppelwandige

Natriumkapseln mit Gasspalt ausgelegt und die Beschaf­

fung in die Hege geleitet. Es ist weiterhin geplant,

Kapseln mit selbsttätiger Temperaturregelung mittels

Wärmerohrsystem einzusetzen. Die thermodynamischen

Berechnungen zeigen, daß das gewählte Konzept reali­

sierbar ist.

Die Arbeiten an der Hüllrohrtesteinrichtung für die

KNK-Zentralposition konzentrierten sich auf die Be­

reitstellung der Bestrahlungseinsätze und die Erpro­

bung der Out-of-pile-Anlagen. Die dazu.gehörende

Druckversorgungsanlage wurde Hitte des Jahres er­

folgreich in Betrieb genommen. Ein Dauerversuch mit

einem Dummy-Einsatz läuft seit Oktober 1983. Er soll

Aufschluß geben über die Funktionsfähigkeit der kom­

pletten Anlage im Langzeittest. Das zentrale Ring­

brennelement wurde gegen Ende des Jahres fertigge­

stellt. Für den instrumentierten Haterialbestrahlungs­

stopfen in der Reflektorposition 511 wurden die Spe­

zifikation und die detaillierten Fertigungsunterla­

gen erstellt und dem Gutacher übergeben.

ETAGE Y Materialproben in offeheh Probenruhron

ETAGE l'l Materialproben in Natriumkapseln

frAGE lii Aktiniden- urod Dosimeterproben in Kapseln

ETAGE li Mal etialproben in ~ffenen Probenrohren

~1aterialproben

in offenen Pröbenrohren

Probenbetadung

Ermüdungsprobe ~­Temperatur­rnonlt(lr IPVT- Aufnehmerl

Abb, II: Typische Probenbetadung des HTE 2 für

KNK-Reflektorposition

Das vom !HF vorgeschlagene Konzept für das wieder­

beladbare Haterialbestrahlungselement NABEL im

SNR 300 wurde weiterentwickelt und eine detaillierte

Durchführbarkeitsstudie angefertigt, Eine HABEL-Ee­

ladung enthält ca, 1650 Haterialproben, Etwa ein

Drittel davon sind innendruckbelastete Hüllrohrpro­

ben, die zur Untersuchung des bestrahlungsinduzier­

ten Kriechens dienen.

Im BR 2 wurden zwei Hol 3B-Einsätze bei Probentem­

peraturen von 650°C bis zu einer maximalen Fluenz

(E > 0, I HeV) von ca, S•I021 n/cm2 bestrahlt. Für die

laufenden Hol SB-Kriechexperimente wurde eine weite­

re Kapsel bereitgestellt.

Veröffent­lichungen

18789

Primärberichte

01.01.12 p 35A

01,01.12 p 35B

01.01.12 p 35C

01,01.12 p 35D

01,01.12 p 35E

Beteiligte Hitarbeiter

H.-D.Großgarten

DI (FH) K.~lüller

DI P,Norajitra

U.Philipp

DI G.Reimann

H.Schleger

DI L.Schmidt

R. Vouriot

- 12 -

1,3 ANLAGENSTRUKTURWERKSTOFFE

0 I .0 I, 13 IHF Untersuchungen an SNR-Strukturwerk­

stoffen

Zeitstand- und Kriechversuche

Die Versuche an Proben mehrerer SNR-Chargen des Herk­

stoffes 1.4948 mit niedrigen Spannungen laufen im Zeit­

bereich 50 - 85000 Stunden. Von der Charge GH 402

wurde das Zeitstandfestigkeitsverhalten im Tempera­

turbereich 500 - 800°C bis ca. 20000 Stunden bestimmt.

Die Herte liegen innerhalb des Streubandes für SNR­

Chargen. Die elektronenmikroskopischen Nachuntersu­

chungen von Proben der Charge GH 206 mit unterschied­

lichen thermischen Vorbehandlungen, die bei 550 und

700°C auf ihr Zeitstandverhalten geprüft worden lvaren,

sind abgeschlossen. Zeitstandversuche bei 600°C an

bestrahlten Proben der Charge GH 206 aus einer HFR­

Bestrahlung sind in den HZ begonnen 1vorden,

Zyklische Verfestigung so1vie kombinierte Kriech- und

Ermüdungsbeanspruchung

Im Rahmen des Programms "Zyklische Verfestigung"

wurde der Einfluß der Gesamtdehnungsamplitude ßet auf

die Bruchlastwechselzahl Nf an den beiden Herkstoffen

1.4948 und 1.4919 untersucht. Für ßet ~0.4% zeigt

der Herkstoff 1.4948 eine höhere Ermüdungsfestigkeit

im Vergleich zum 1.4919. Im High-Cycle Fatigue-Be­

reich (N > 105 Lastwechsel) ergeben sich für beide

Haterialien dagegen et1va die gleichen Nf-Herte.

Eine Auswertung der Haltezeitversuche innerhalb des

Programms "Kombinierte Kriech- und Ermüdungsbean­

spruchung" zeigt, daß die Abhängigkeit der Bruchlast­

wechselzahl v?n der Haltezeit je nach Temperatur ver­

schieden ist, bedingt durch ein unterschiedliches

Relaxationsverbalten 1vährend der Haltezeit, Bei

T :5 500°C ergibt sich nur eine schwache Relaxation,

so daß die Spannung während der Haltezeit nur wenig

abnimmt und somit die Schädigung mit jedem Zyklus

deutlich zunimmt. Daher zeigt sich bei längeren Hal­

tezeiten eine verstärkte Reduzierung der Bruchlast­

Hechselzahl. Für T ~ 650°C erfolgt während der Halte­

zeit eine starke Abnahme der Spannung. Dies hat zur

Folge, daß mit wachsender Haltezeit die Kriechschädi­

gung nur noch sch1vach zunimmt, und daß daher nur noch

eine geringe Abnahme der Bruchlastwechselzahl zu er­

warten ist. Für Haltezeitversuche bei 650°C wurde

mit Hilfe der "Life Fraction"-Regel die Bruchlast­

wechselzahl in Abhängigkeit von der Haltezeit be­

rechnet. Es ergab sich eine sehr gute Übereinstimmung

mit den experimentellen Herten.

- 13 -

Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen an be­

strahlten Proben des Herkstoffes 1.4948 zeigen bei

rein zyklischer Beanspruchung (Haltezeit = 0) einen

transkristallinen Bruchverlauf, In Abb. 12 sind die

für einen Ermüdungsbruch typischen Schlvingungs­

streifen zu erkennen, die entstehen, wenn der Riß

mit jedem Lastwechsel eine bestimmte Strecke fort­

schreitet. Bei Versuchen mit Haltezeit (Abb. 13)

Abb. 12: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme

des bestrahlten Herkstoffes 1.4948, Halte­

zeit = 0, 160-fache Vergrößerung

Abb. 13: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des

bestrahlten Herkstoffes 1.4948, Haltezeit

48 Stunden, 80-fache Vergrößerung

stellt man fest, daß diese Schwingungsstreifen feh­

len. Diese Tatsache deutet auf einen interkristalli­

nen Bruch hin, bzw. einen Hischbruch, bei dem der

interkristalline Anteil überwiegt. Dieser Anteil er­

höht sich nut zunehmender Haltezeit infolge der

größer werdenden Kriechschädigung.

Veröffent- Primärberichte lichungen

18623 01.01. 13 P 01A

18624 01.01.13 P 01B

18790

18848

19340

Beteiligte Hitarbeiter

H.Baumgärtner

Ing. R.Groß

H.Pfeifenroth

Ing. D.Rodrian

Dr, H, Scheibe

Ing. H.Schirra

DI R.Schmitt

Dr. H.Schneider

H,Schweiger

B,Seith

E.Heis

01.01 .14 Il1F Natriumeinfluß auf die Herkatoff­

eigenschaften

Kriech- und Ermüdungsversuche zum Natriumeinfluß

sowie Nachuntersuchungen

Das Versuchsprogramm zur Ermittlung quantitativer Da­

ten zum Einfluß flüssigen Natriums auf die Werkstoff­

eigenschaften bei 550°C und auf das Verhalten von

fehlerhaften Schweißnähten wurde in den beiden Kreis­

läufen CREVONA und FARINA fortgesetzt. Die Zeitstand­

versuche an geschweißten Proben mit scharfen Anrissen

ergaben in Natrium eine verkürzte Standzeit, der

Effekt hielt sich jedoch im Rahmen des am Grundwerk­

stoff 1.4948 gefundenen (19241). Die Versuche am Na­

triumkreislauf sind abgeschlossen, von den Nachunter­

suchungen fehlen nur noch die mikroanalytischen Unter­

suchungen an Anrissen und Bruchflächen,

Versuche am Grundwerkstoff 1.4948, Charge 325 in

CREVONA stellten sicher, daß Natrium auch ohne Gehalte

an Blei und anderen Schwermetallen die Standzeit et­

was verkürzt. Entsprechend verhielt sich auch die

Großcharge 402. Eine Versuchsserie mit dem Struktur­

werkstoff des Superphenix AISI 316 L SPH wurde zur Er­

mittlung des Zeitstand- und Kriechverhaltens in Natrium

begonnen.

Die Ermüdungsversuche konnten nach erfolgreichem Ab­

schluß der methodischen Entwicklung am Kreislauf

FARINA aufgenommen werden. Die Versuche ohne Halte­

zeit am Grundwerkstoff 1.4948 im vorkorrodierten Zu­

stand bei 550°C wurden weitgehend abgeschlossen. In

den Natriumversuchen ist im Vergleich zu den Referenz­

versuchen nur eine geringfügige Änderung der Last­

wechselzahlen bis zum Bruch eingetreten. Ein günstiger

Effekt des Natriums, der verschiedentlich beschrieben

worden ist, kann in unseren Versuchen nicht bestätigt

werden. Für Versuche mit Haltezeiten sind Vorversuche

- 14 -

erfolgreich abgeschlossen worden. Die Teststrecke flir

Rißfortschrittsuntersuchungen unter Wechsellast in

Natrium ist fertiggestellt und das Extensometer zur

direkten Hessung in Natrium geprlift worden. Das Pro­

zessorprogramm wurde Uberarbeitet und mit Erfolg ge­

prlift.

Nachuntersuchungen an Zeitstand- und Ermlidungsproben

mit metallkundliehen und chemisch-analytischen Hetho­

den wurden begonnen. Die Reinheit des Natriums wurde

chemisch-analytisch kontrolliert, Sauerstoff, Kohlen­

stoff, Stickstoff und einige Schwermetalle wurden be­

stimmt. Derartige Natriumanalysen wurden auch an

Natriumproben aus dem !RB vorgenommen.

Veröffent-lichungen

V 18258

18473

18790

19241

V 19242

V 19354

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

01,01,14 P 01A Dr. Ch.Adelhelm

01.01.14 P 01B Dr. H.U.Borgstedt

01.01.14 P 02A Ing. G,Drechsler

01.01.14 P 02B DI G.Frees

01.01.14 P 02C Dr. P.Gadd (Gastwiss.)

01.01.14 P 03A DC V.Ganesan (Gastwiss.)

Ch.Gosgnach

G.Nagel

E.Nold

Z.Peric

DC S.R.Pillai (Gastwiss.)

K.Rauhut

B.Seith

G.Wittig

1,4 SICHERHEITSUNTERSUCHUNGEN

01.02.09 I~W In-pile-Versuche zum Transientenver­

halten

Betreuung und Auswertung der CABRI- und CAPT-Versuche

sowie versuchsbegleitende Rechnungen

Die Sch>verpunkte der Arbeiten zum Projekt CABRI la­

gen in der Hitarbeit bei der Vorbereitung, Durchflihrung

und Auswertung der Experimente, der Entwicklung von

Rechenmodellen zum transienten Brennstabverhalten, der

Analyse von Haterialdaten sowie der Betreuung der

Nach~ntersuchung. Es wurden neben Beschreibungen des

Endzustandes der Teststrecken der Versuche B4, B5, BI4

und BIS Beiträge zur Definition der zerstörenden Nach­

untersuchung an den Experimenten AI3, BI2, B4, BS, BI4

und BIS geliefert. In einer zusammenfassenden Dokumen­

tation der ersten 1S Experimente wurde an der Darstel­

lung der Ergebnisse mitgewirkt.

Die modelltheoretischen Arbeiten betrafen das Scha­

denspotential der Wärmespannungen im Hlillrohr während

einer Transiente, die Entwicklung eines Hodells zum

Spaltgasverhalten in der Brennstoffschmelze, Untersu­

chungen zum Kontakt HUlle/flUssiger Brennstoff sowie

zum Spaltgasaustritt aus defekten Brennstäben. In der

weiterentwickelten und in einer umfangreichen Dokumen­

tation vorgestellten Version des Rechenprogrammes

TRANSIENT ist nun eine Berechnung von Dehnungsprofilen

bei Schmelzdruckaufbau durch Leervolumenerschöpfung

enthalten.

Die Analyse der Haterialdaten betraf im wesentlichen

die Wärmeleitfähigkeit des (U,Pu)-Hischoxides bei ho­

hen Temperaturen und ihre Stöchiometrieabhängigkeit.

Aus Heßwerten flir 1000- 2100°C, einem CEA-Datensatz

Uber 0/H-Abhängigkeiten und der Annahme konstanter

Diffusivitäten oberhalb 2100°C ~mrden Referenzformeln

entwickelt, die noch nicht ausdiskutiert sind.

Für das Programm CAPT wurde aus dem Code TRANSIENT zu­

sätzlich eine Kapselversion entwickelt, welche es ge­

stattet, die C-Serie (transiente Kapselbestrahlungs­

experimente im Reaktor TREAT) nachzurechnen. Diese

Version Hurde auf dem KfK-Großrechner implementiert

und in einer ersten Phase getestet.

Veröffent­lichungen

18788

191S3

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

DP D.Freund

H.Heck

B.Nahmoudian

Dr. R.Pesl

Dr.Ritzhaupt-Kleissl

Dr.H.Steiner

Röntgenbildverarbeitung bei den CABRI-Nachuntersu­

chungen

Die Haterialverteilung innerhalb der GABRI-Testein­

sätze soll möglichst llickenlos und genau festgestellt

werden, um die weitere Nachuntersuchung zu planen, die

Brennstabverhaltensmodelle zu überprüfen und die Neu­

tronenkamera (Hodoskop) nachzueichen. Die 1982 begon­

nene Hethodenentwicklung für eine quantitative Aus­

wertung der NEU-Radiografien Hurde mit den Versuchen

BI2 und A4 abgeschlossen. Es gelang, die Ungenauigkeit

bei der Bestimmung der axialen Hassenverteilung auf

etwa 10% zu reduzieren.

Zur weiteren Fehlerreduktion und fUrdie tomografische Be­

schreibung des Testeinsatzes mit Viebvinkelradiografien

~mrde ein elektronisches Radiografiesystem entwickelt,

dessen Prototyp Hährend der Röntgenaufnahmen an BI4 er­

probt Hurde. Die ersten Ergebnisse mit diesem System

bestätigen die Erwartungen (Abb. 14).

Wie bisher HUrden die Schnittpläne flir GABRI-Testein­

sätze nach AusHertung der Röntgen- und Gammagrafien in

Zusammenarbeit mit Hodelltheoretikern erarbeitet.

.---------------- Molybdänrohr

Q:Projektion auf Höhe -7273m (unterer Brufstoff}.

.o.: dito -7174mm (unterer Brennstoff mit Kanalfü/lunf;J Bildindex- .

200. 600. 800. 1000.

Abb, 14: Gemessene relative Röntgenintensität Uber

die Breite des Einsatzes BI4 (Bildindex

1000 ::: 25,4 nun)

Veröffent­lichungen

18612

Primärberichte

01,02,09 P 17A

Beteiligte Hitarbeiter

DI H.Deckers

DI D,Piel

Dr. L.Steinbock

CABRI-Versuchseinsätze und Testinstrumentierung

Auch 1983 wurde weiterhin bei der Firma NTG die Fer­

tigung von Versuchseinsätzen betreut, von denen bis­

her drei StUck ausgeliefert und erfolgreich einge­

setzt wurden. Daneben wurden im !HF III mehrere wei­

terentwickelte Teststab-Abstandshaltersysteme sowie

eine Schockteststrecke filr Eichversuche an verschie­

denen Druckaufnahmern hergestellt, Vereinbarungs­

gemäß werden nun im !HF entwickelte und sorgfältig

erprobte DHS-Druckaufnehmer filr die Testinstrumen­

tierung eingesetzt, Die Anfertigung und technische

Abnahme einer größeren Zahl dieser Sensoren war bei

der Firma INTERATOH zu betreuen.

Veröffent­lichungen

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

DI H.Deckers

H.-D-Großgarten

DI H.Lehning

U.Reuter

01.02.10 !}W In-pile-Versuche Uber Kühlungs­störungen

Experimente mit Kühlungsstörungen im BR 2 (Hol 7C)

Bei den Experimenten Hol 7C/4 und 5 werden bestrahl­

.te Brennstäbe aus KNK !I/I-Brennelementen eingesetzt

(Zusammenarbeit mit IRE und CEN-Hol), Das Testbündel

Hol 7C/4 wurde im Juli mit Stäben aus einem Element

mit 48 }md/kgH Spitzenabbrand beladen. Am 7.12.83

konnte die 'transiente Testphase im BR2-Reaktor er-

- 15 -

folgreich durchgeführt werden. Zur fernbedienten

Bündelmontage waren diverse Vorversuche erforderlich

Abschließend konnte nachgewiesen werden, daß das zum

Einbetten der Brennstoffkugeln in die Blockade einge­

brachte Paraffin nach der Stabmontage mit Warmluft

vollständig ausgetrieben werden kann~

Veröffent­lichungen

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

H.Schleger

DI L,Schmidt

01,02,13 HW Sicherheits- und Zuverlässigkeits­

untersuchungen

Inhärente Abschaltsysteme

Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines in­

härent sicher wirkenden Abschaltsystems fUr den SNR 2.

Im Jahr 1983 wurde ein Konzeptvorschlag ausgearbei­

tet und erste orientierende Vorversuche durchgeführt.

Ähnlich wie beim französischen Konzept soll eine ge­

lenkige Absorberstabeinheit mittels einer elektro­

magnetischen Kupplung am Absorbergestänge aufgehängt

sein. Nach unserem Konzept soll nun die Abschaltung

bei einem Ansteigen der Natriumtemperatur am Core­

Austritt mittels einer Curiepunkt-gesteuerten Sensor­

Schalter-Einheit durchgeführt werden, die die Strom­

zufuhr zum Kupplungsmagneten unterbricht. Abb.l5

zeigt den Aufbau der Schaltereinheit: Ein Dauermagnet

bildet mit den Gehäuseteilen und einem Schaltgewicht

einen magnetischen Kreis, Das Schaltgewicht über­

brUckt im angezogenen Zustand die elektrischen Kon-

Hi\fsspule.

magnetisches Joch !Armco-Eisen)

magn. Hi!btnschluO

Sensorenelement (Nife 65/35)

Keramik-Führung

Abb.l5: Bauprinzip einer Curiepunkt-gesteuerten

Sensor-Schalter-Einheit

- 16 -

takte für den Erregerstrom der Kupplung. Im Magnet­

kreis befindet sich ein Sensorelement, das direkt von

Natrium umgeben ist und daher Temperaturänderungen

sehr schnell folgt, Nach tiberschreiten der Curie­

temperatur der Nickel-Eisen-Legierung bei etwa 610°C

wird die Abschaltung ausgelöst. Hittels einer zusätz­

lichen Hilfsspule kann das Schaltgewicht zurückge­

holt oder die Funktion des Abschaltsystems getestet

werden,

Es wurden erste Versuche zum Nachweis der Funkt'ions­

fähigkeit der Schaltereinheit und zur Kontrolle der

}~gnetkreisauslegung durchgeführt. Rechnungen für

einen typischen Lass of Flow-Störfall ergaben, daß

die Schaltverzögerung weniger als 2 Sekunden betra­

gen wird.

Veröffent- Primärberichte lichungen

01,02,13 P 04A

Beteiligte Mitarbeiter

DI P.Norajitra

DI H.Reiser

H.Schleger

R,Vouriot

01.02, 16 INF Na-Temperatur und -Durchflußmessung

zum Störfallnachweis

Bestrahlung von Bauteilen der Reaktorinstrumentierung

Im Berichtszeitraum waren noch zwei Langzeitbestrah­

lungsexperimente im BR2 in Betrieb. Beide werden

voraussichtlich Mitte 1984 die angestrebte Neutronen­

dosis (E > 0,1 MeV) von ca, 1o22n/cm2 erreichen, Die

Experimente dienen der Erprobung von Hirbelstrom­

durchflußmessern, Temperaturmeßsystemen und Lithium­

niobat-Schallsensoren unter betriebsnahen Bedingungen,

Trotz kleinerer Schwierigkeiten ist der Betriebsver­

lauf bisher durchaus erfolgreich, Auch der letzte

Versuchseinsatz mit Sauerstoffmeßsonden zur Untersu­

chung im Gamma-Fluß konnte fertiggestellt werden, Die­

ses Experiment wird Anfang 1984 beendet,

Veröffent­lichungen

Primärberichte I Beteiligte Mitarbeiter

DI (FR) K.Heckert

01,02.18 l}W Statistische Detektionsverfahren

Akustische Siederlektion in KNK II

Zur akustischen Früherkennung von Kühlungsstörungen

in Brennelementen natriumgekühlter Reaktoren 1qird in

Zusammenarbeit mit dem IRE der Einsatz eines elek­

trisch beheizten Siedegenerators in der Zentralposi­

tion der KNK II geplant, Die Nachfertigung der Heiz­

stäbe in der KfK-Hauptwerkstatt, die nach dem Ausfall

des auswärts bestellten Heizbündels erforderlich ge­

worden war, ist mit den letzten Prüfungen erfolgreich

abgeschlossen worden, Die zugehörige Druckversorgungs­

und Regelungsanlage wurde von uns spezifiziert und

die einzelnen Komponenten beschafft; die Anlage 1qird

zur Zeit im IRE montiert, Die Natrium-Siedeversuebe

sollen in der von Hai bis Juli 1984 geplanten Abschalt­

phase der KNK II durchgeführt werden,

Veröffent­lichungen

Primärberichte

!Beteiligte Mitarbeiter

DI G.Reimann

01 ,02, 26 IHF Haterialdaten für Störfallanalysen

Aufbau und Eigenschaften von Kernschmelzen

Das Benetzungsverhalten von uo2

und Stahl mit und ohne

Spaltprodukte wurde unter Na-Dampf bei Temperaturen

T > 1420°C untersucht. Es zeigte sich, daß für das Be­

netzungsverhalten die Anwesenheit von Na-Dampf von

ausschlaggebender Bedeutung ist, Hierdurch erreicht

der mit steigender Temperatur sinkende Benetzungs­

winkel den Hert e = 90° statt bei 1800°C (ohne Na­

Dampf) schon bei 1650°C,

Die Hessung des Einflusses von oxidischen Spaltpro­

dukten auf die Temperaturleitfähigkeit von uo2 wurde

untersucht (Abb, 16), Enqartungsgemäß zeigt sich

ein deutlicher Einfluß nur bei Temperaturen T < 1000°C,

~ 0,028

~ 0,024 H.-----t--- - uol rein

- U01 + Spaltprodukte -~ 0,020 :c ~ 0 016 1-------'<+----+--­:§'

I 1 o.o12 ~ 0,008 ----+--"'--="'~-~ -----F-----d

0,004

1000 1200 1WO 1600 1800 2000 Temperatur I •c I

Abb. 16: Temperaturleitfähigkeit cr von uo 2 (•) und

uo 2 + Spaltprodukte (-) als Funktion der

Temperatur

Verträglichkeitsuntersuchungen von stöchiometrischem

uo 2 in evakuierten, elektronenstrahlgeschweißten

Holframkapseln bei T = 2900°C zeigten nach Abkühlung

dendritische und globulare Ausscheidungen von l'lolfram

im Urandioxid, was auf stärkere Löslichkeit von H in

U02

bei dieser Temperatur hinweist, Die chemischen

\ifechselwirkungen sind von einem Ausmaß, das eine ein­

deutige Messung der Härmeleitfähigkeit von flüssigem

uo2

in Wolframkapseln nicht erlaubt.

Unter Berilcksichtigung des inzwischen etablierten

Modelill der effektiven Temperaturleitfähigkeit von

heterogenen Werkstoffen wurde die Temperaturleit­

fähigkeit von Borax- und Na-Tetraboratschmelzen mit

verschiedenen Anteilen von uo2 gemessen.

- 17 -

Veröffent- Primärberichte lichungen

Beteiligte Mitarbeiter

18263 01,02.26 P 03A

18992

19155

19440

V,Karcher

Ing. G.Rejman

W.-D.Sältzer (Doktorand)

Dr. B.Schulz

2. PROJEI<T KERNFUSION <PI<F)

03,02,01 I~W Untersuchung nichtmetallischer

Fusionsreaktorwerkstoffe

Strukturmaterialien: Vorbereitung eines Versuchs­

und Bestrahlungsprogramms

Keramische Strukturmaterialien werden im Bereich der

Ersten Wand eines Fusionsreaktors benötigt, oder

bieten eine Alternative zu metallischen vlerkstoffen.

Zunächst wurde eine Datenbasis erstellt ilber die an

diese Werkstoffe gestellten Anforderungen und die

bisher bekannt gewordenen Eigenschaften vor und nach

Bestrahlung. Darauf aufbauend wurden ein Versuchs­

programm und geeignete Bestrahlungsexperimente de­

finiert, die im Rahmen des europäischen Fusions­

technologieprogramms mit den Partnern CEA (Paris),

GEN (Mol) und UKAEA (Harwell) durchgefilhrt werden

sollen, Verschiedene Abstimmungsgespräche hierzu

fanden statt.

Vorchargen eines in das Bestrahlungsprogramm einzu­

beziehenden Referenzmaterials (dichtes, technisch

reines SiC) wurden charakterisiert, Ein Labor-Unter­

suchungsprogramm an Sie-Werkstoffen zur mechanischen

Stabilität unter stationären und transienten Be­

dingungen wird vorbereitet.

Veröffent- Primärberichte Beteiligte Mitarbeiter lichungen

18260 03.02,01 P 39B G,Braun (Univ.)

V 18475 Ch.Gosgnach

V 18476 Dr. G,Grathwohl (Univ,)

V 18811 DI (FH) H.Iwanek (Univ.)

V 19347 Dr. F.Porz

19349 K.Rauhut

Eigenschaften von oxidischen Brutstoffen

Die Auswahl eines geeigneten festen Brutstoffes er­

fordert zunächst eine genauere Kenntnis der physika­

lischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften

der in Betracht kommenden Lithium-Oxide (i,b. Alumi­

nate und Silikate), Die Neuaufnahme entsprechender

Untersuchungen wurde durch eine Literaturstudie ein­

geleitet.

Es wurden Proben der oxidischen Lithiumverbindungen

a- und y-LiAl02

, Li2sio

3 und Li

4sio

4 hergestellt,

zum Teil die Kinetik ihrer Bildungsreaktionen unter­

sucht, ihre Phasenumwandlungen und Schmelztemperatu­

ren ilberprilft und die reinen Phasen röntgenographisch

und thermoanalytisch charakterisiert. Hit der Unter­

suchung der lvasseraufnahme und -abgabe der Verbindungen

wurde begonnen.

An y-LiAl02

wurde mit Hilfe der Laser-flash-Hethode

die Temperaturleitfähigkeit gemessen, Hierbei deutet

sich an, daß der Herstellungsprozeß eine nicht un­

erhebliche Rolle filr die Wärmeleitfähigkeit spielen

wird. So zeigt Abb, 17 den auf 100% TD korrigierten

0, 10 ,-----,---,----,--,---.-----,--,---,----.-----,

• eigene Messungen {1983) ~ 0•09

• Baker, Hollenberg { 1982) ~ 0,08 ~--+-~ korrigiert auf 100"1. Dichte -

: o.o7 I Jl :E 0,06 \---_____:~---+----+---+-----! , .. ~ 0,05 e ~ o.o~

0,03

O, 0230L0 ---,-~--,----:-1.,-------,-l-:-~-=-----::-!-:--::90:-:-0-100:-:':-:-0 --:1::-100::-:-:12:7;00:----""' Temperatur l K I

Abb.l7: Verlauf der Wärmeleitfähigkeit von LiAl0 2 aus verschiedenen Herstellungsprozessen

(ohne Li2co 3 als Zwischenprodukt obere Kurve,

mit Li2co

3 als Zwischenprodukt untere Heß­

punkte)

Verlauf der Wärmeleitfähigkeit an Proben, die nicht

ilber das Li2co3

hergestellt wurden, im Vergleich zu

solchen, die das Karbonat als Zwischenprodukt auf­

wiesen. Hit den Untersuchungen der thermophysikali­

schen Eigenschaften von Li17

Pb83

wurde begonnen.

Erste Messungen galten auch dem Kriechverhalten von

LiA102

bei 800 bis IJ00°C sowie der chemischen Ver­

träglichkeit von Li2o, Li2co

3 und LiOH mit er-Ni-Stäh­

len bei 600 und 700°C, In diesem Zusammenhang wurde

die chemische Zusammensetzung des Probenmaterials

sowie seine Verunreinigung, i.b. sein Wassergehalt,

analysiert,

- 18 -

In laufenden Kontakten mit der EG-Kommission und den

EG-Partnern wurde an der Koordinierung des Unter­

suchungsprogramms innerhalb der EG mitgearbeitet.

Veröffent­lichungen

Primärberichte

03,02.01 P 39A

Beteiligte Hitarbeiter

H.Blumhofer

Prof. Dr. H.Dienst

Ch.Gosgnach

Dr. P.Hofmann

K.Kurz

K.Rauhut

Ing. G.Rejman

Dr. V.Schauer

G.Schlickeiser

Dr. B.Schulz

Dr. A,Skokan

Dr. H.Zimmermann

03,02.02 IMF Bestrahlungsexperimente und Korro­

sionsuntersuchungen an Fusions­

reaktorwerkstoffen

Die 1983 erteilte Genehmigung zum Aufbau eines Be­

strahlungsexperimentes zur Dual-Beam-Technik (DBT)

an den beiden Zyklotrons des KfK hat das ursprUng­

liehe Schwergewicht dieses Vorhabens (Sch,~erionen­

Bestrahlungen an Vanadium unter zyklischer Be­

lastung) verschoben. Ein erheblicher Teil der Akti­

vitäten befaßte sich daher dieses Jahr mit der Un­

tersuchung der experimentellen Randbedingungen fUr

mechanische In-beam-Bestrahlungen und mit der Pla­

nung des Enqeiterungsbaus am neuen Kompakt-Zyklo­

tron, der die Targetstation fUr DBT-Experimente

aufnehmen soll.

Die experimentellen Arbeiten zur Simulation der

Strahlenschäden mit leichten und schweren Ionen

fUhrten in diesem Jahr zu einem weiteren Ausbau der

Bestrahlungsanlage mit dem Ziel, eine homogene Vor­

implantation der Proben mit Helium zu ermöglichen.

Der dafUr entwickelte und erstmals eingesetzte

Strahlmoderator wurde in verschiedenen Testserien

erprobt. Die anschließende elektronenmikroskopische

Untersuchung der Proben bestätigte die Auslegungs­

rechnungen: Es zeigte sich eine homogene Verteilung

von Helium-Blasen in dem vorgegebenen Implantations­

bereich von 0,5 bis 4 ~m.

Die elektronenmikroskopische Auswertung der Be­

strahlungsserien im Rahmen der Untersuchung des Ein­

flusses der Strahlzyklierung auf die Hikrostruktur

ist bis auf wenige Proben abgeschlossen. Die Inter­

pretation der Ergebnisse steht bevor. 1-iährend die

Diskussion der kontinuierlich bestrahlten Proben in

Termen herkömmlicher Hodellvorstellungen (z,B. ausge­

prägtes Schwellmaximum als Funktion der Temperatur

u.s.w.) erfolgen kann, bereitet die Interpretation

der zyklisch bestrahlten Proben nach wie vor Schwie­

rigkeiten.

Die Rechnungen zum Koaleszenzwachstum von Gasblasen

unter Bestrahlung 'mrden erweitert, um die (teilweise)

Verankerung von Blasen (z.B. an Versetzungen, Aus­

scheidungen oder durch Eigenspannungsfelder) zu be­

rUcksichtigen. Hierbei ist davon auszugehen, daß in­

folge der kontinuierlich fortlaufenden Erzeugung von

Helium neue Blasen mit einer Anfangsgrößenverteilung

(formation profile) gebildet werden. Die wesentlichen

Ergebnisse sind (18443, V 18850, V 18990):

a) Die Immobilisierung fUhrt zu einer Abschwächung

des Blasenwachstums, und der mittlere Blasendurch­

messer der Verteilung erreicht einen Sättigungs­

wert.

b) Die Bildung der bimodalen Blasenverteilung wird in

Übereinstimmung mit dem Experiment durch einen

dominanten Peak bei kleinen Durchmessern und einen

schwächeren Peak bei großen Durchmessern charak­

terisiert (Abb. 18).

t "' 0

10 OVERPRESSURIZEO BUBBLES

ß •0,11

-- Radius r [cm) -

Abb. 18: Das Auftreten der bimodalen Gasblasengrößen­

verteilung bei Überdruckblasen (Immobili­

sierung von Blasen durch Eigenspannungs­

felder)

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem INFP wurde das

Verhalten von Gasblasen nach Beschuß mit Edelgasionen

in Aluminium bei Raumtemperatur untersucht. Aus der

Korrelation der im INFP gemessenen Elektronenenergie­

verlust-Spektren und den im I~W vorgenommenen elektro­

nenmikroskopischen Aufnahmen kann geschlossen werden,

daß sich die Blasen bei Raumtemperatur nicht im ther­

mischen GleichgeHicht befinden.

- 19 -

Die 1981 eingeleitete Bestrahlung von Vanadium-Proben

mit 14-MeV-Neutronen an der RTNS-II-Quelle in Liver­

more (USA) fand 1983 ihren Abschluß in der Untersu­

chung und Auswertung der TEM- und Flachzugproben

(V 18986), Die Ergebnisse bestätigen das für k.r.z.

Metalle typische Härtungsplateau bei niedrigen Dosen

und zeigen im Vergleich zu Bestrahlungen mit Spalt­

neutronen eine deutlich höhere Verfestigung, die fast

70% über dem Ausgangszustand liegt. Für die hohe Ver­

festigung sind strahlungsinduzierte Defekte verant­

wortlich (Abb, 19),

Abb, 19: Elektronenmikroskopische Aufnahme von Ver­

setzungsringen in Vanadium nach Bestrahlung

mit 14-MeV-Neutronen bei Raumtemperatur bis

zu einer Dosis von 8xlo21n/m2

Für die KNK II/2 wurde eine Analyse der verschiede­

nen Bestrahlungspositionen bezüglich der Heliumpro­

duktion und der Strahlenschädigung (dpa) unter dem

Gesichtspunkt ihrer Nutzung für fusionsorientierte

Materialbestrahlungen durchgeführt. Die Ergebnisse

dieser Analyse wurden im Detail dokumentiert. In

Abb, 20 sind beispielhaft für den austenitischen

Stahl 1.4970 und als Funktion der radialen Reaktor-

position die Strahlenschädigung und die erzeugte

Heliummenge dargestellt.

Die Korrosionsversuche an Vanadium im Lithiumkreis­

lauf, der mit einer Pumpe und Magnetfalle für Korro­

sionsprodukte versehen ist, wurden abgeschlossen,

Der Kreislauf lief über 4000 Stunden störungs-

frei. Mit der Errichtung eines Li 17Pb83-Kreislaufs

wurde begonnen,

t 100

<{50 Q... 0

Vl QJ 01

~10 :c

~ 5 +­QJ

E ro '­ro

Q... I

0::: u_

0.1

OPA

--lnt. Oosi;--....._ ....____, -.......... ......... .........

'"' FR-Parameter / ~ [appm He/OPA] ___....-' --·--·-·

KNK IT/2 Coremittelebene tZ=Ol Bestrahlungsdauer 500

1.4970(60appm B)

10 2.6 3.11 4.16 5.21

Tage

/

6.26

N E u '-. c:

1023 ·~ 0

"'Cl c: QJ c: 0 '­+­:;:) QJ

:z 1022 ....:

c:

Element 1-- Reaktorposition --­ZE.

Abb, 20: Der Einfluß der Bestrahlungsposition in der

KNK II/2 auf die produzierte Heliummenge,

die Strahlenschädigung (dpa) sowie auf den

FR-Parameter im Stahl 1.4970

Veröffent- Primärberichte Beteiligte Mitarbeiter Hebungen

18011 03,02,02 p ISA Dr. H.U.Borsstedt

182S3 03,02,02 p !SB G.Bürkle

18443 03.02,02 p !SC Dr, K.Ehrlich

V 1884S 03,02,02 p ISD DI G.Frees

V 188SO 03,02,02 p 16B S.Heger

V 188S4 Dr, D.Kaletta

18948 DI J.Konys (Doktorand)

V 18986 Dr. D.Preininger

V 18990 G.Przykutta

D,Rodrian

DI R. Schmitt

A.Will

03.02.03 IMF Studien zu Spaltreaktorbestrah­

lungen einschließlich Nachuntersu­

chungen

Herstellung und Charakterisierung von Brutmaterialien

Die ersten Arbeiten zur Herstellung von lithiumhalti­

ger Keramik hatten LiAl02

zum Ziele. Es wurde eine

naßchemische Route ausgearbeitet, bei der Al-Metall

in einer wässrigen Lösung von LiOH gelöst wird, Ein­

trocknen der ausgefallenen Suspensionen und Kalzinieren

führt zum a-Lithiumaluminat. Das Verfahren wurde nicht

weiterentwickelt, da nach Vereinbarung mit dem CEA

zunächst im KfK Silikate und in Frankreich Aluminate

- 20 -

hergestellt und untersucht werden sollen, Auch für

die Herstellung von Lithiunnnetasilikat Li 2Si03 •mr­

de ein naßchemisches Verfahren entwickelt, da die­

ses Vorgehen wesentliche technologische Vorteile

versprach, Dabei ,.,ird amorphes Si02

in einer •vässri­

gen Lösung von LiOH gelöst, die entstandene Suspen­

sion eingetrocknet und kalziniert, Es können Tablet­

ten im Dichtebereich zwischen 65 und 85% TD herge­

stellt ,.,erden mit einer offenen Porenstruktur mit

hinreichend großen Kanälen, was für die Freisetzung

des im Neutronenfluß erzeugten Tritiums ~1esentlich

ist. Für das envähnte Eintrocknen hat sich das Sprüh­

trocknen als besonders vorteilhaft enviesen (Abb,21).

Abb,21: Typisches Aussehen von sprühgetrocknetem

Li 2sio3-Pulver (links), Fortschreiten der

sekundären Rekristallisation (Pfeile) beim

Sintern von Li2Si0

3 (rechts)

Die thermische Stabilität bezüglich des Nachsinterns

der hergestellten Tabletten ist sehr gut,

Die Charakterisierung dieses Brutmaterials erfolgt

mit denselben Methoden wie bei den Kernbrennstoffen,

Zusätzlich muß. das Gaspermeationsverhalten als Haß

für die Tritiumfreisetzung bestinnnt ,.,erden, Zur Zeit

wird die Höglichkeit zum Bau von Meßanlagen unter­

sucht, die im viskosen und im molekularen Strömungs­

bereich arbeiten sollen,

Erste orientierende Bestrahlungsversuche wurden in

einem Isotopenkanal im FRJ I in Jülich durchgeführt.

Es zeigten sich zwar Verfärbungen aber keine mecha­

nischen Beschädigungen der Tabletten, Für das erste

Bestrahlungsexperiment in einer COLIBRI-Kapsel

(OSIRIS-Reaktor) •vurden die Auslegungsdaten der

Proben und die Versuchsbedingungen definiert.

Veröffent­lichungen

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

B.Dörrzapf

DP H.Elbel

DI (FR) E.Günther

R.Hanselmann

J.Heger

H.Jahraus

E.Kaiser

H.Laub

H.Nagel

R.Schenvinsky

Dr. D.Vollath

Dr. H.Hedemeyer

M.Hittmann

Bestrahlungseinrichtungen für Brutstofftests

In den Berichtszeitraum fielen die Definitionsphase

für die Bestrahlung von Brutstoffkeramiken für Fu­

sionsreaktoren und eine Reihe von Entscheidungen über

die nationale und internationale Zusammenarbeit, Im

Vordergrund stand die Auswahl der in Frage kommenden

Bestrahlungseinrichtungen und Reaktoren, Im Rahmen

des Europäischen Fusionstechnologieprogramms Herden

in Zusammenarbeit mit dem CEA im OSIRIS in Saclay

eine größere Zahl von französischen LiAl02- und deut­

schen Li 2sio3-Proben auf ihr Bestrahlungsverhalten

untersucht, Im SILOE in Grenoble Hird an mehreren

Probensäulendie Tritiumfreisetzung kontinuierlich ge­

messen, Für Brutkeramikbestrahlungen im schnellen

Fluß des KNK II-Reaktors sind ebenfalls erste Vorar­

beiten durchgeführt Horden,

Veröffent­lichungen

18253

Primärberichte

03.02,03 P 02A

Beteiligte Hitarbeiter

DI E.Bojarsky

DI (FR) H,E,Häfner

Ing. grad K.Philipp

3, PROJEKT WIEDERAUFARBEITUNG UND ABFALL-

BEHANDLUNG CP~iA)

04.01,01 IHF Headendprozeßführung und alternative

Abgasreinigung

Analyse von Lösungsrückständen aus der Hiederauf­

arbeitung bestrahlter LI-IR-Brennstoffe

Es •mrden verschiedene Modellvorstellungen zu den

Nachfällungen von Spaltproduktoxidhydraten aus der

Salpetersauren Lösung bestrahlter LHR-Brennstoffe ent­

Hickelt: Die kleineren, als Suspension im Filtrat

vorliegenden metallischen Ausscheidungen werden all­

mählich oxidiert und fallen als Niederschlag aus,

oder sie Herden nach vollständiger Auflösung in

Salpetersäure nach der Filtrierung als Oxide oder

Oxidhydrate ausgefällt.

Veröffent­lichungen

Primärberichte Beteiligte Mitarbeiter

Ing, H.D.Gottschalg

Dr. H.Kleykamp

04,01.10 IMF Kritikalitäts-und Sicherheits­

fragen, Logistik

Korrosion an Einsatzmaterialien in Hiederaufarbei­

tungsanlagen

- 21 -

Durch den VdTÜV wurde das Herkstoffblatt Nr.463

(05,83) Hafnium (Herkst. Nr.2.6400) erteilt. Damit

ist das wesentliche Ziel einer langjährigen Zusammen­

arbeit mit der Metallgesellschaft AG erreicht, Zeit­

standversuche an Hafnium werden noch fortgesetzt,

An dem Krupp-Sonderstahl Herkstoff Nr, 1.4306S (ESU)

wurden umfassende Parameter-Tests in 65%-iger HN03 bei Variation der werkstoffspezifischen Einfluß­

größen, Korngröße, Verformungsgrad, Ausscheidungszu­

stand u,a,m, durchgeführt. DieAbb, 22 zeigt seinen

16?

111)

140

130

m 110

100

9J

00

10

6)

'I)

40

30

10

10

Ablf1l!)9Jeschwindigkeit

6m!M Wt ["'Jidm'dl [mm/o]

/ 0,1

/ -D,6

./ OS

I./ _..1.4306n SmtfoTt,yssen Ch);r691870 0,4

/. ;/

OJ

L. 1.4306 s 12rnmFo.Kruw--5'HF Chl~r293783

-t--1 :r 02

---·~ I = 1.4306s IESU\.-==±:" 0

·1

2mm ~a.Kruw-T Olllr~Js7

1 2 3 4. S. 6. 7 8 9 1Q 11 12. 11 14. t5 PB'bde

48 96144"' 11/J188ll6lll4 431480518 5% ""612n> tlh]

Abb.22: Korrosionsuntersuchungen nach Huey (ASTM)

an verschiedenen Blechmaterialien Herkstoff

1.4306 unterschiedlicher Qualität.

in Vergleich zu weniger reinen Qualitäten über die

Zeit konstanten und geringfügigen Oberflächenabtrag,

Der siliziumhaltige Stahl Uranus SI wurde auf seine

Korrosionsbeständigkeit im Anlieferungszustand und

nach einer sensibilisierenden Härmebehandlung unter­

sucht. Umfassende Parameteruntersuchungen in Salpe­

tersäure und metallionenhaltigen salpetersauren Lö­

sungen an dem CrNi 25 20-Stahl UHB 25L wurden abge­

schlossen und dokumentiert. Für Korrosionsuntersu­

chungen in HN03 unter Härmeübergang wurde ein Funk­

tionsmodell erstellt und erste Versuche durchge­

führt, Zur Erfassung, Aus,qertung und Darstellung der

umfangreichen chemischen Versuchsergebnisse wurde

ein Computer-Programm erstellt. Die Dokumentation der

an verschiedenen austenitischen CrNi-Stählen auf 15

Perioden verlängerten Prüfung im Huey-Test und der

gleichartigen Untersuchungen an temperaturkontrol-

liert verschweißten Proben der Zusammensetzung 1.4306s,

Uranus 65 und UHB 25L stehen vor dem Abschluß,

Nach Aufbau von zwei elektrochemischen Prüfständen

(Abb.23) wurden an den Werkstoffen 1.4306n und 1.4306s

(ESU) Messungen des freien Korrosionspotentials und

,,.._~...,.. ., !..-r.....,.. ""'" ....... ,"':""'" -~-·'1>"-"l

Abb.23: Elektrochemische Meßzelle/Probenhalterung

(schematische Darstellung)

des Ruhepotentials sowie von Summenstromdichte-Po­

tentialkurven in Schwefelsäure und Salpetersäure

durchgeführt. Die Meßwerte wurden mit Hilfe eigener

Computer-Programme erfaßt und ausgewertet.

Veröffent­lichungen

Primärberichte

04,0I,IOP32A

Beteiligte Hitarbeiter

H.v.Berg

Ing. R,Kraft

Dr, S.Leistikow

E.Pott

DI R.Simon (Doktorand)

04,02,03 IMF Behandlung hochaktiver Abfallösungen:

Produktuntersuchungen

Konditionierung von radioaktivem Abfall durch pulver­

technologische Verfahren

Die Arbeiten \vurden in drei Linien, bezogen auf drei

verschiedene Abfallkategorien fortgesetzt: I) Zirca­

loyhüllrohrfragmente (Zry), 2) Feedklärschlamm (FKS),

3) hochaktive Abfalläsung (HAH). Für die erste Ab­

fallkategorie war das Ziel der Arbeiten die Kom­

paktierung und Konditionierung von Zry-Hüllrohrfrag­

menten in einer Al- bzw. Al-Legierungsmatrix durch

- 22 -

Anwendung pulvertechnologischer Verfahren, Es Hurden

soHohl Kaltpreßverfahren (axial und isostatisch) als

auch Heißpreßverfahren erprobt. Venvendet Hurden

Zry-4-Segmente mit und ohne Vorkompaktierung. Erste

Ergebnisse zeigen, daß durch axiales Kaltpressen

(mit und ohne Stahlbehälter) mit einem Preßdruck von

300 HPa bei einem Zircaloy-4-Anteil von SO Ge~1.%

Dichten von ~90% TD erzielt werden können, Das Pro­

dukt zeigt jedoch Risse, die von den Zry-Hüllen

- die als innere Kerben wirken - ausgehen, Ähnliche

Resultate erhält man auch durch axiales Pressen im

Behälter bz,v. isostatisches Pressen. Durch Heißpres­

sen mit einer Al-12% Si-Legierung bei etwa 850 K mit

einem Preßdruck von 15 ~Wa (5 min) erhält man riß­

freie Produkte mit 95% TD,

Ziel der Arbeiten für die beiden anderen Abfall-

kategorien war die reproduzierbare, gemeinsame

Fixierung von HAW/FKS in Sinterglas und die Kondi­

tionierung des rißfreien Produktes in stapelfähigen

Stahlmatrizen (30 cm Innendurchmesser), Hit dem Auf­

bau einer Pilotanlage in den Abmessungen einer

Heißen Zelle Hurde begonnen. Zusätzlich zur techno­

logischen Optimierung wurden Arbeiten zur Hatrix­

Werkstoffalternative (Glasoptimierung) begonnen,

Erste Versuche mit verschiedenen Glassorten (VG 98,

BBS 10) zeigten, daß die Pulvertechnologie relativ

unsensitiv gegenüber Änderungen in der Zusammenset­

zung des Glases ist, So muß z'var die Abkühlgeschwin­

digkeit für Boresilikatglas VG 98 ( 10 K/Std) gegenüber

Bleisilikatglas (20 K/Std) 'vesentlich geringer Her­

den, in jedem Fall sind aber rißfreie Produkte

(~30 cm Durchmesser) herstellbar, Für HAW-Glas­

mischungen ist dabei - unabhängig vom Glas - mögli­

chenveise die Drucksinterfähigkeit beeinflußbar über

den Reduktionsgrad der HAW-Nitratlösung, - Als in­

teressantester· Zusatz zu Quarzglas wurde Titandioxid

untersucht, dessen Auslaugresistenz derjenigen von

reinem Siliziumdioxid vergleichbar ist, Es ist ge­

lungen, HAW in eine Tio2-Hatrixphase pulvertechno­

logisch einzubetten (Drucksintertemperatur 1223 K;

Druck 20 }Wa; Drucksinterdauer 30 min; Drucksin­

terungsdichten ~99% TD; Probendurchmesser ~10 cm).

Veröffent- Primärberichte lichungen

V 18846

18975

18976

18977

18978

04,01,03 P 20A

04,01,03 P 20B

Beteiligte Hitarbeiter

Dr. Ch.Adelhelm

Dr. C,Bauer J.Bürkin

DI S.Gahlert (Doktorand)

Dr. s.Nazare

E.Nold Prof, Dr. G.Ondracek

K, Spieler

G.Streib Dr. E,Toscano (Gastwiss.)

Kristallisationsuntersuchungen

Hochradioaktive Glasprodukte der ungefähren Zusammen­

setzung entsprechend GP 98/2 wurden nach Härmebehand­

lung (290 Tage/450 bzw. 650°C) mit REH und Röntgen­

diffraktometer auf ihre Entglasungsneigung unter­

sucht. Hährend durch die Temperung bei 450°C keine

signifikante Entglasung bewirkt wurde, sind nach

Temperung bei 650°C deutliche Kristallisationsansätze

zu erkennen, Die nachgewiesenen kristallirren Phasen

(Silikatapatit und Ca-SE-Titanit) weisen zum Teil

gleiche, zum Teil ähnliche Struktur und Zusammenset­

zung auf wie diejenigen, welche in den ähnlichen in­

aktiven Glasprodukten GP 98/12 und GP 98/26 nach

Temperung auftreten. Diese silikatischen Entglasungs­

phasen können somit unter den Bestrahlungsbedingungen,

die für das Produkt im Endlager zu erwarten sind, im

Hesentlichen als strukturell stabil angesehen werden,

Veröffent­lichungen

17233

19252

Primärberichte

04,02.03 P 21A

Beteiligte Hitarbeiter

K. Eiemüller

H.Janzer

G,Reiser

Dr, V, Schauer

Dr, A, Skokan

05,12.02 I}ff Entwicklung von Verpackungen für Ab­

fallprodukte

EntHicklung geeigneter elektrochemischer Heßmethoden

für die Bestimmung des Langzeitkorrosionsverhaltens

von HAW-Behältermaterialien

Ein rechnergesteuerter elektrochemischer Heßstand

wurde in einer ersten Ausbaustufe realisiert und in

Betrieb genommen. In der Testphase befinden sich zwei

modular aufgebaute Heßwerterfassungsprogramme. Pa­

rallel dazu wurden erste elektrochemische Hessungen

an dem Werkstoff Hastelloy C-4 in 0,5 n Schwefel-

säure durchgeführt, um Passivbandbreite und Passiv­

stromdichte als erste Qualifikationsmerkmale zu er­

mitteln. In einem z'veiten Schritt werden die Tempera­

tur und Elektrolytzusammensetzung (Zugabe von Chlorid

als lochfraßerzeugendes Agens) variiert, In einer

Literaturübersicht wurden die Höglichkeiten, durch

Anwendung elektrochemischer Hethoden die Lochfraß­

anfälligkeit von metallischen Herlestoffen zu ermitteln,

zusammengestellt.

Veröffent- Primärberichte lichungen

05.12,02 P OSE

Beteiligte Hitarbeiter

Dr, H.Bort

Dr, S,Leistikmv

4. PROJEKT NUKLEARE SICHERHEIT <PNS)

06.01.05 IMF Beteiligung an internationalen For­

schungsprogrannnen zum LHR-Brennstab­

verhalten

Begleitung von In-pile-Experimenten

- 23 -

Die Beratung bei der Auslegung von In-pile-Experi­

menten in der Power Burst Facility (Idaho, USA) und

im Halden Reaktor (Norwegen) sowie die Auswertung

fremder In-pile-Versuchsergebnisse wurde fortge­

setzt. Begleitend zu den in der Pmver Burst Facility

begonnenen In-pile-Versuchen zum Studium des Brenn­

stabverhaltens bei sehr hohen Temperaturen wurden

umfangreiche Out-of-pile-uo2/Zircaloy-Reaktions­

Experimente durchgeführt (s.a. 06,01.16).

Veröffent- Primärberichte Beteiligte Mitarbeiter lichungen

18478 06,01.05 P 12A Dr. P.Hofmann

DI D.Kerwin-Peck (Gastwiss.)

06,01.11 IMF Reaktions-, Freisetzungs- und Aerosol­

verhalten beim Kernschmelzen

Konstitution und Reaktionsverhalten von Ll~-Ma­

terialien bei Temperaturerhöhung bis zum Kern­

schmelzen

Im ternären System U-Zr-0 wurden die Phasenbezie­

hungen in den Temperaturschnitten bei 1600 und 1800°C

untersucht.

Im Rahmen der Untersuchungen zur Wechselwirkung zwi­

schen Kernschmelze und eisenoxidhattigern Schwerbe­

ton wurden die Freisetzungs- und Umsetzungsreaktio­

nen mit den zugehörigen Härmetönungen an Magnetit­

und Hämatitbeton ermittelt und mit denen von Normal­

beton verglichen. Die integrale Schmelzenthalpie lvur­

de für die verschiedenen Betonsorten rechnerisch be­

stinnnt. In weiterführenden Simulationsversuchen im

Labormaßstab konnten die vorläufigen Ergebnisse hin­

sichtlich des Einflusses von eisenoxidhaltigen Zu­

schlägen auf das Wechselwirkungsverhalten mit Kern­

schmelze erweitert und ~uantifiziett werden. Im Ver­

gleich zum Normalbeton wird demgemäß die H2-Entwick­

lung durch die Oxidationswirkung der Eisenoxidbetone

etwa um den Faktor 20 verringert.

Zur Untersuchung des Spaltproduktverhaltens bestrahl­

ter LHR-Brennstoffe wurde ein KHB-Brennstababschnitt

mit 3,9% max. Abbrand vor und nach einer simulierten

Betriebstransiente (1200°C/30 min/Ar) mit der Mikro­

sonde analysiert. Es konnte eine Freisetzung des

Xenons nachgewiesen werden, die von 6% im stationä­

ren Fall auf 50% (bezogen auf das gebildete Xe) nach

dem Aufheizen ansteigt. Die Freisetzung von Molybdän

und Neodym während der simulierten Transiente war ge­

ring, die der anderen Spaltprodukte nicht nachweis­

bar.

Veröffent­lichungen

19130

06.01.16

Primärberichte

06, 0 I , I I P 2 7 A

Beteiligte Mitarbeiter

K.Biemüller

Ch.Gosgnach

Ing. H.D,Gottschalg

Dr. H.Holleck

H.Janzer

Dr. H.Kleykamp

G.Reiser

Dr. V.Schauer

G. Schlickeiser

Dr . A. Skokan

UIF Untersuchungen zu schweren Kernschä­

den

Oxidation von Zircaloy-4 bei schweren Kernschäden

Zur Auswertung der isothermen Zircaloy-4/Hasserdampf­

Oxidationsversuche bei 600- 1600°C,S25 Stunden wur­

den ergänzende metallegraphische Untersuchungen und

Wasserstoffanalysen an ausgewählten Versuchsproben

durchgeführt. Sowohl das Wachstum der sauerstoff­

reichen Reaktionsschichten als auch die Zeit- und

Temperaturabhängigkeit der Wasserstoffaufnahme be­

stätigten den Breakaway-Effekt als wesentlichen Ein­

flußfaktor auf das Langzeitverhalten des Werkstoffes.

Das bestätigte sich auch bei einer Vielzahl von Ver­

gleichsversuchen bei hohen Temperaturen in Luft,

Zur Simulation des Verhaltens von Zircaloy-4 bei hypo­

thetischen Reaktorstörfällen wurden Oxidationsver­

suche unter temperaturtransienten Bedingungen durch­

geführt. Beim Durchlaufen von Temperaturrampen mit

± 0,1 K/s Neigung entspricht die Oxidation dem aus

den isothermen Untersuchungen envarteten Verhalten.

Das Auftreten des Breakaway-Effektes ist auf einen

Existenzbereich der stärkeren Oxidation bei mittlerer

Temperatur begrenzt und kann daher nur für spezielle

Störfallverläufe von Einfluß sein.

Im Rahmen eines Kooperationsvertrages in Israel durch­

geführte Untersuchungen zur Oxidationskinetik von

Zircaloy-4 in Dampf/Hasserstoff-Cemischen haben kei­

nen klar meßbaren Einfluß des Wasserstoffs bis zu

Volumenanteilen von ca. 50% ergeben. Weiter vorlie­

gende amerikanische Untersuchungen fanden unter we­

nig definierten Bedingungen statt. Es wurde deshalb

- 24 -

ein eigenes Versuchsprogramm zur Untersuchung der

Einflüsse von Dampfmangel und Wasserstoffgehalten in

Dampf erarbeitet. Vorversuche in langsam strömendem

Dampf bei 1000 - 1200°C und in Dampf-Hasserstoff­

Argon-Gemischen bei 800°C haben bereits aufschlußrei­

che Resultate erbracht.

Veröffent-' Primärberichte lichungen

18525

18686

V 18780

19115

19122

19127

Beteiligte Hitarbeiter

B.Bennek-Kammerichs

H.v.Berg

Dr. S.Leistikow

DP G.Schanz

Hechanisches und chemisches Verhalten von Zircaloy­

Hüllrohren und uo2-Brennstoff bei hohen Temperaturen

Die isothermen uo2

/Zircaloy-Reaktionsexperimente mit

kurzen LWR-Brennstababschnitten bis zum Schmelzpunkt

von Zircaloy-4 (~1750°C) unter inerten Versuchs­

bedingungen wurden abgeschlossen und dokumentiert

(V 18255, 18604, V 18985, 19123, 19351). Die Tempera­

turen variierten zwischen 1000 und 1700°C, die Glüh­

zeiten zwischen 1 und 150 Hinuten und der Argondruck

zwischen 1 und 80 bar. Falls guter Festkörperkontakt

zwischen uo2

und Zircaloy besteht, wird das uo2 durch

das Zircaloy unter Bildung von sauerstoffstabili­

siertem a-Zr(O) und Uranmetall reduziert. Das Uran

reagiert mit sauerstoffarmem Zr unter Bildung einer

(U,Zr)-Legierung. Die (U,Zr)-Legierung ist oberhalb

etwa 1150°C flüssig und liegt zwischen zwei a-Zr(O)­

Reaktionsschichten, die nach einem parabolischen Zeit­

gesetz wachsen. Der Reaktionsumfang wird durch das

Ausmaß der Sauerstoffdiffusion in das Hüllmaterial

bestimmt (19351). Die uo2/Zircaloy-Reaktionen ver­

laufen oberhalb etwa 1100°C genauso schnell wie die

Zircaloy/Wasserdampf-Reaktionen, Das Ausmaß der uo 2-

Zircaloy-Wechselwirkungen ist bei 1400°C oberhalb

etwa 10 bar und bei 1700°C oberhalb etwa 5 bar un­

abhängig vom äußeren Druck.

Der maximal gemessene Sauerstoffgehalt in der Hülle

beträgt ungefähr 6 Gew.%, was einem nahezu gesättig­

ten a-Zr(O) entspricht. Infolge der Sauerstoffauf­

nahme des Zircaloy-4 durch das uo2

kommt es zu einer

Versprödung der Versuchsproben, die von der Tempera­

tur und Zeit abhängt (Abb.24). Be eits geringe Kräfte

führen zu einem Auseinanderbrechen der Brennstabab­

schnitte. Bis etwa 9 Val.% des uo2 werden durch das

Zircaloy chemisch aufgelöst. In einem Brennstab muß

daher mit einer vollständigen Freisetzung der flüch-

100 0 • 0 • 90 o lntoct

• Foiled ~ 80 I bolh coold:mn E andhondling

foHures l 70

~

i 60 0 • • • ~ 2 50 c 0

~ 40

briltle -o ·~

~ 30 Cl • Cl

E <=

20 0 0 • .. 10 0 0 0 .. •

0 0 0'----0 8 ~

0 1200 1400 1600 1800 2000

Clodding oxidolion lemperoture [oC]

Abb.24: Versprödung des Zircaloy-4-Hüllrohres von

kurzen LWR-Brennstababschnitten infolge

chemischer Wechselwirkungen mit dem uo2-

Brennstoff

tigen Spaltprodukte aus diesem Brennstoffbereich ge­

rechnet werden (19351),

Die Versuchsproben wurden bezüglich der entstehenden

Reaktionsprodukte umfangreich chemisch-analytisch

charakterisiert. Die Verteilung von Uran, Zirkon und

Sauerstoff im Zircaloy-Hüllmaterial >vurde mittels

SEH-Untersuchungen ermittelt (19351),

Veröffent­lichungen

V 18255

18604

18985

19123

19350

19351

Primärberichte

06.01.16 p 16A

06,01. 16 p 16B

06.01.16 p 16C

06,01. 16 p 16D

06,01.16 p 16E

06 .o 1. 16 p 16F

Beteiligte Hitarbeiter

Dr. Ch.Adelhelm

Ing, J.Burbach

G.Gausmann

Ch,Gosgnach

Dr. P.Hofmann

DI D.Kerwin-Peck (Gastwiss.)

K.Kurz

G.Nagel

Dr. P.Nikolopoulos (Gastwiss.)

E,Nold

06.0 1. 17 IHF Untersuchungen zum Störfallverhalten

fortgeschrittener Druckwasserreak­

toren (FDI>/R)

Untersuchungen zum mechanischen und oxidativen Verhal­

ten von Hülbverkstoffen für FDI>/R

Eine Literaturstudie über mechanische und physikali­

sche Eigenschaften von Hüllmaterialien für FDWR wurde

- 25 -

abgeschlossen (19251). Danach ergeben sich für die

Alternativen Austenit und Ferrit im Vergleich zum

DWR-Hüllmaterial Zircaloy-4 bei Betriebsbedingungen

keine Probleme mit der Neutronenökonomie und der che­

mischen Verträglichkeit mit Brennstoff und Kühlmit­

tel. Die Wiederaufarbeitung der Ferrite bereitet ei­

nige Schwierigkeiten. In der mechanischen Stabili­

tät sind die Stähle dem Zircaloy überlegen, Bei den

physikalischen Eigenschaften konnten ebenfalls Vor­

teile für die Stähle im Bereich hoher Temperaturen

aufgezeigt werden. Daten aus temperaturtransienten

Hochtemperaturkriechversuchen werden zum Verständ­

nis des Sicherheitsverhaltens der Stahlwerkstoffe

vorrangig erarbeitet und in Hodellvorstellungen ein­

gebracht.

Veröffent- Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter lichungen

19251 01.02.29 P 01B DI e.Petersen

Ing. H.Schneider

B.Seith

Oxi.dationsverhalten von Edelstahl-Hüllrohren in

Wasserdampf

Die Untersuchungen zum Oxidationsverhalten des

ferritischen er-Stahles 1.4914 in Dampf wurden auf

den Temperaturbereich 600 - 900°e ausgedehnt. Im Ver­

gleich zu Zircaloy-4 und 1.4970 wurde ein stärkerer

Reaktionsumsatz mit parabolischer Kinetik registriert.

Der quantitative Vergleich des Störfallverhaltens

der drei Werkstoffe im gesamten untersuchten Tempera­

turbereich 600 - 1300°e und für Einsatzzeiten bis

6 Stunden ergab, daß sich der austenitische er-Ni­

Stahl 1.4970 am beständigsten und der ferritische

er-Stahl 1.4914 am unbeständigsten verhält. Als Folge

der geringeren Aktivierungsenergie verhält sich

Zircaloy-4 im Bereich tieferer Temperatur relativ

ungünstig, bei hoher Temperatur jedoch ähnlich wie

1.4970.

Veröffent- Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter lichungen

18007 01,02.29 p 01B H.v.Berg

18012 06,01.17 p 13A Dr. S.Leistikow

V 18859 DP G.Schanz

V 19240

Untersuchungen zum Einfluß des Oxidbrennstoffs und

der Spaltprodukte auf das mechanische Verhalten von

FD\VR-Hüllrohren

Kurzzeit-Zeitstandexperimente mit 1.4970-Hüllrohren,

die simulierte Spaltprodukte (es, J, Te) in unter­

schiedlichen Konzentrationen enthielten, ergaben, daß

im untersuchten Temperaturbereich von 800 bis 1200°e

im wesentlichen nur Tellur einen ausgeprägten Ein­

fluß auf die Beratdehnung und zum Teil auf die Stand­

zeit besitzt. Es wurde deshalb der Einfluß von Tellur

auf die mechanischen Eigenschaften von 1.4970 weiter

untersucht. Im direkten Kontakt mit flüssigem Tellur

(T ~450°e) versagen die Rohrproben verformungsarm mit m

Beratdehnungen kleiner 1% gegenüber Beratdehnungen

zwischen z.B. 5% bei 800°e und 45% bei 1000°e der

spaltproduktfreien Vergleichsproben. Die Standzeit

wird auf einen Bruchteil reduziert. Der Einfluß von

dampfförmigem Tellur ist etwas geringer und hängt vom

Te-Partialdruck ab.

Die experimentellen Arbeiten zur Untersuchung des Ein­

flusses von Oxidbrennstoff und von flüchtigen Spalt­

produkten auf die mechanischen Eigenschaften von

Zircaloy-4-Hüllrohren bei einem Kühlmittelverlust­

störfall, die im Rahmen des PNS-Vorhabens 06.01.06

durchgeführt wurden, wurden 1982 abgeschlossen. Die

Dokumentation der Versuchsergebnisse erfolgte aber

zum Teil erst in 1983 (18261, 18479, 18525, 18686,

18844, 18980, 19116).

Veröffent­lichungen

18991

18261

18479

18525

18686

18844

18980

19116

Primärberichte

06 .o 1.17 p 12A

06.01.17 p 08e

06.01.06 p 22F

06.01.06 p 22G

06.01.06 p 22H

06.01.06 p 22I

06.01.06 p 22J

06.01.06 p 22K

Beteiligte Hitarbeiter

Ing. J.Burbach

Dr. P.Hofmann

D.Kempf

DI U,Liesenfeld (Doktorand)

H,Hetzger

K.Rauhut

Hüllrohrberstversuche unter kombinierter mechanisch­

chemischer Beanspruchung in FABIOLA

Die Beratexperimente an Zircaloy-Hüllrohren unter

Heißstabbedingungen wurden zusammenfassend darge-

stellt (19117). Das FDWR-Programm hat sich verzö­

gert, so daß die ursprünglich geplanten Arbeiten

- 26 -

- Entwicklung eines Brennstabsimulators mit Stahl­

hüllrohr - nicht in Angriff genommen werden konnten.

Veröffent­lichungen

19117

Primärberichte

I Beteiligte Mitarbeiter

DI L,Schmidt

5. ARBEITSSCHWERPUNKT FESTKöRPER- UND MATERIALFORSCHUNG <FM)

13,02.01 IMF Entwicklung spezieller Herkstoffe

Verschleißfeste lverkstoffe

Grundlegende und anwendungsorientierte Arbeiten ha­

ben zum Verständnis der Beziehungen zwischen Aufbau,

Eigenschaften und Verschleißverhalten bestimmter

Herkstoffgruppen beigetragen. Die Heiterentwicklung

von Herkatoffen orientierte sich an dem Bestreben,

rohstoffsparende und hinsichtlich Verschleißverhal­

ten optimierte Harkstoffkonzeptionen zu entwickeln

(18010, 19466, 18480, V 19438),

Mehrphasige, binderfreie Herkataffe auf der Basis

metallischer Hartstoffe (vorwiegend mit Ti als Uber­

gangsmetall) wurden hergestellt und hinsichtlich

Eigenschaften und Verschleißwiderstand geprüft. Eu­

tektische Systeme zeigen bei der eutektischen Zu­

sammensetzung (auch wenn die flüssige Phase nie

erreicht wird) ein besonderes Verhalten im Hinblick

auf Sinterdichte, Korngröße und Eigenschaften. An

dem eutektischen Modellsystem TiC-TiB2 wurden des­

halb Sinterverhalten, Korngrößen, Eigenschaften und

Verschleiß geprüft. Hierbei ergaben sich Herkstoffe,

die im Verschleißverhalten einer kommerziellen

Schneidkeramik Al2o3

/TiC ebenbürtig bzw. teilweise

überlegen sind (Abb, 25), Die "Qualität" der Phasen-

~200 E .3-

" ~ ~100

~ ~

1382(5)

10 20 Drehzeit I min.l

Schnillgaschwind,gkeil: 300mimin Spanliefe 2mm Vorschub :0,25mm/U

() TICITI~IVC/SiC/Al 2D:J @TiCIVC/SfC @TiCIT1ß:21SiC

30

Abb. 25: Verschleiß von TiC/TiB2 beim Drehen von

Stahl im Vergleich zu kommerziellen Al 2o3/

TiC und Al2o

3/HC Herkatoffen

grenzen spielt für das Verschleißverhalten binder­

freier Herkstoffe offensichtlich die entscheidende

Rolle, Härte und Bruchzähigkeit treten dagegen in ih­

rem Einfluß zurück, Die Ermittlung der Bruchzähig­

keit bei höheren Temperaturen wurde installiert, Sie

ergibt für binderfreie }!aterialien den erwarteten

nur geringfügigen Abfall mit steigender Temperatur.

Um die besonders harte Verbindung Borcarbid (Abb,26)

für verschiedene Anwendungen nutzbar zu machen, muß

die Zähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und evtl,

das Oxidationsverhalten verbessert werden. Vor diesem

Hintergrund wurden Untersuchungen zum Reaktionsver­

halten von B4

C mit verschiedenen Elementen und Ver­

bindungen durchgeführt. Die "klassischen" Binde-

Abb, 26: Gefügebild von B4c, grobkörnig, druckge­

sintert. Härte HV3 = 4500

metalle, wie sie von den Hartmetallen bekannt sind,

neigen zur Reaktion mit B4C unter Boridbildung. Bei

der Herstellung von Hartmetallen könnten jedoch hin­

reichend kurze Reaktionszeiten durch Druckinfiltra­

tion erreicht werden, Durch Zusatz von Boriden (z,B.

TiB2, HfB2 , LaB6 , SiB4

) zu B4c wird die hohe Härte

des reinen Borcarbids (HV 1000 ~ 5000) auf HV

~ 2800,,,3600 gesenkt, was eine entsprechende Stei­

gerung der Zähigkeit be,~irkt,

Metallreiche Hartmetalle: Mit dem Ziel, die Lücke zwi­

schen den Schnellarbeitsstählen und den Hartmetallen

weiter zu schließen, wurden Arbeiten an Herkatoffen

begonnen, die ein Carbid/Metall-Verhältnis von etvm

1:1 aufweisen, Als Carbide wurden die komplexen

Hartstoffe (Ti0

• 2v0

• 2No0

• 6 )c0

• 7 und (Mo0

• 7H0

• 3)c und

als Metalle Ni-Legierungen aufgrund früherer Unter­

suchungen ausgewählt. Die Herstellungstechnologie

wurde für verschiedene Zusammensetzungen erarbeitet,

Für das Dichtsintern steht nur ein enger systemab­

hängiger Temperaturbereich zur Verfügung, Dieses, so­

wie die Einstellung ausscheidungshärtbarer Systeme,

die zur Verschleißfestigkeit beitragen sollen, berei­

tet erhebliche Schwierigkeiten.

- 27 -

Grundlegende Arbeiten zur Konstitution und Thermody­

namik (18474, 18988, 19352, 19353): Die eutektischen

Temperaturen der Systeme von Carbiden der 6.Gruppe

des Periodensystems mit Fe, Co und Ni wurden ebenso

wie die Phasenbeziehungen der Systeme (Cr, }fu, Fe,

Co, Ni)-B-C ermittelt. Die thermodynamischen Unter­

suchungen im System Mo-Pd wurden abgeschlossen.

Weiterentwicklung hochfester Sinterstähle

In der Legierungsentwicklung für Sinterstähle werden

zwei Wege beschritten. Der erste umfaßt die Verwen­

dung kostengünstiger und häufig vorkommender Legie­

rungselemente, der zweite den Einsatz möglichst ge­

ringer Aoteile an Legierungselementen (19245, V 19355,

V 18481). Aussichtsreich erscheinen dabei die Ele­

mente Si und }fu, deren gemeinsame Verwendung eine

Reihe von Vorteilen bringt. So ist durch Abstimmung

des Mn/Si-Verhältnisses auf die Sinterbedingungen

für eine Reihe von Zusammensetzungen eine maßstabile

Sinterung möglich. Bei der Wahl geeigneter Legierungs­

träger kommt es schon bei Temperaturen um 1000°C zur

Bildung transienter flüssiger Phasen, die sinter­

fördernd wirken. Bei ausreichenden Legierungsgehal­

ten bilden sich bereits bei der Abkühlung aus der

Sinterhitze bainitische und martensitische Gefüge­

anteile. Mit einer neu entwickelten ternären Vor­

legierung als Legierungsträger konnten durch Binfach­

sintertechnik maßstabile Proben mit einer Zugfestig­

keit von 800 - 1000 MPa und einer Bruchdehnung von 3%

hergestellt werden. Zur Eigenschaftsverbesserung

durch geringe Legierungsanteile wurden die Karho­

nitridbildner Nb und V ausgewählt und sowohl über

Pulvermischungen, als auch über fertiglegierte was­

serverdüste Pulver eingebracht.

Veröffent-lichungen

18010

18480

V 18481

19245

19352

19353

V 19355

V 19438

19466

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

13.02.01 P 01A Dr. Ch.Adelhelm K.Biemüller

Dr. H.Holleck

H.Janzer Dr. A,Klein (Gastwiss.)

DI Ch.Kühl

DI D.Lange (Doktorand) W.Laumer

Dr. H.Hanaktala (Gastwiss.)

G.Nagel

E.Nold DI R.Oberacker (Univ.)

K.Rauhut

G.Reiser

G.Schlickeiser

K.Seiferling (Univ.)

Prof. Dr. F.Thümmler

Hochtemperaturverformung metallischer Werkstoffe

Analytische Beschreibung des Hochtemperaturkriechens

bei nichtstationären Belastungsbedingungen unter Be­

rücksichtigung von Kavitätsschädigung: Die Untersu­

chung beinhaltet zwei Probleme, nämlich zum einen die

Ermittlung der Kriechkurven von zugbeanspruchten Werk­

stoffen,die nicht stationären Kräften ausgesetzt sind,

und zum anderen die Erfassung des Einflusses der

Hochtemperatur-Kriechschädigung (Kavitation) auf den

zu beschreibenden Ablauf der Kriechverformung. Im hier

verwendeten Verfahren wird angenommen, das die Kriech­

geschwindigkeit E:</>,k im sekundären Kriechbereich durch

eine Zustandsgleichung E:<P,k = ~<P,k{oe,k[~(t))} be­

schrieben wird. e~,k ist abhängig von der Belastungs­

art kund der Schädigung A, oe,k ist eine im allge­

meinen zeitabhängige effektive Spannun~~(t) ist die

Schädigungsfunktion. Für o k gilt o k e, e, Fk/<Pg(1-~) = sk/(1-~),wo Fk die Kraft, <Pg der unge-

schädigte Querschnitt der Probe und sk die wahre Span­

nung ist. ~(t) folgt aus dem Schädigungsmodell in dem

angenommen wird, daß A = A/Tk(t), wo A die Schädi­

gungsrate und Tk(t) die sog. Lebensdauer-Funktion ist.

Letztere wird aus stationären Zeitstandversuchen er­

mittelt und enthält die Belastungsbedingungen,<t> ist g

dehnungsabhängig, die Funktion <Pg(t) folgt aus der

Lösung der allgemeinen Dehnungsgleichung. Die Schädi­

gungsfunktion A(t) folgt aus

I dt ln ~(t) Ao=! Tk(t)

wobei unabhängig von der Belastungsart. 2. 72 :': ~ :: A0

Folgende Belastungsbedingungen wurden untersucht: F =

konst., s = konst., F = konst., s = konst., zyklisches

Kriechen mit konstanter Last (CLAC) bzw. Spannungs­

amplitude (CSAC). Für diese Belastungsarten sind die

Schädigungsfunktionen und die Kriechgleichungen (unter

Berücksichtigung der Kavitationsschädigung) aufge­

stellt worden.

Deformationsstrukturen in Zry-4: Die Absicht dieser

Untersuchungen war festzustellen, ,.,elchen Einfluß die

Spannungszyklierung ausübt auf die Hochtemperaturver­

formungsstruktur. Hit Hilfe der Elektronendurchstrah­

lungsmikroskopie (TEM) sind Versetzungsstrukturen ver­

glichen worden von Zry-4-Zugproben, die bei hohen

Temperaturen (T > 0.4 Ts) bei konstanter und zyklisch

variierter Last gebrochen sind. Während im ersten Fall

(konstante Last) Versetzungsnetzwerke als typische

Verformungsstrukturen auftraten, war bei zyklischer

Belastung die Symmetrie der Zug/Druckbelastung maßge­

bend für den Charakter der Verformungsstruktur.

Bei symmetrischer Belastung, d.h. für R = o11IN/oHAX

= -1, weicht die Verformungsstruktur grundsätzlich ab

von jener netzwerkartigen Struktur, die typisch ist

für die Hochtemperatur-Kriechverformung. In diesem

Fall (R = -1) wurden schichtenartige Versetzungs­

strukturen beobachtet, die offensichtlich "ermü­

dungstypisch" sind,und deren Bedeutung einer Klä­

rung bedarf.

- 28 -

Untersuchungen der Hechselwirkung zwischen Hoch­

temperatur-Kriech- und Ermüdungsschädigung: Zu die­

sem Zweck sind spannungsgesteuerte Lastwechselver­

suche an Zry-4 und an dem austenitischen Stahl AISI

304 durchgeführt worden. Untersucht wurde der Ein­

fluß des Spannungsverhältnisses R (s. oben) auf die

Lebensdauer tf der Herkstoffe, und dies für zwei Tem­

peraturbereiche. Hährend im Bereich T <0,6 Ts die

Lebensdauer tf im Bereich R ~ 0 mit abnehmendem

R-Hert erwartungsgemäß abnahm, erfolgte für

T > 0,6 Ts eine Verlängerung der Lebensdauer mit

abnehmendem R-Hert. Dies ist ein starker Hinweis

darauf, daß bei der Hochtemperatur-Hechselverfor­

mung oberhalb T = 0,6 Ts die Ermüdungsschädigung

möglicherweise nicht mehr lebensdauerbestimmend

ist.

Einfluß von Zughaltezeiten auf die Lebensdauer von

wechselverformtem Nickel im Bereich hoher Tem­

peraturen: Zweck dieser Untersuchung ist, Vorstel­

lungen über Schädigungsmechanismen zu prüfen, die

von Bedeutung sind bei der Hochtemperatur-Hechsel­

verformung. Versuche durchgeführt in der Haupt­

sache an eigenen austenitischen Stählen führten zum

Schluß, daß die Spannungsrelaxation während Deh­

nungshaltezeitperioden im Zusammenhang mit der

Akkumulation von Schädigung eine wichtige Rolle

spielt. Da der Mechanismus der Spannungsrelaxation

im Prinzip materialunabhängig ist, sollte aufgrund

obiger Vorstellung unter vergleichbaren Bedingungen

der qualitative Einfluß von Haltezeiten auf die

Lebensdauer von ~~terialien innerhalb einer Herk­

stoffgruppe gleich sein. Dies haben Versuche an

Nickel und früher schon an Zry-4 in der Tat bestä­

tigt. Darüber hinaus können Unterschiede im Relaxa­

tionsverhalten (Stärke der Relaxation) zwischen ver­

schiedenen Werkstoffen sinnvollerweise zur quanti­

tativen Oberprüfung von Modellrechnungen herange­

zogen werden. Arbeiten dazu sind im Gange.

Veröffent- Primärberichte Beteiligte Mitarbeiter lichungen

18683 13.02.01 P DIA Dr. A.Armas (Gastwiss.)

18684 13.02,01 p OIB DP I.Armas (Gastwiss.)

V 18848 13,02.01 P OIC Prof. Dr,M,Bocek

V 18855 13.02,01 POID A,Falkenstein

V 18856 DI D.Piel

V 18860 Dr. H.Scheibe

18979

19114

V 19340

V 19341

V 19342

DI R.Schmitt

H.Schneider

IV. Schweiger

B.Seith

E.Heis

6. INSTITUTSEIGENE FORSCHUNGSVORHABEN

15.01,02 IMF Institutseigene, grundlegende und

anwendungsorientierte Arbeiten

Fortgeschrittene Brennelemente für Forschungsreaktoren

Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von Dis­

persionsbrennelementen, die eine Umstellung von For­

schungsreaktoren, die gegenwärtig mit hochangereicher­

tem Uran (~93% 235 U) betrieben werden, auf niedrig an­

gereichertes Uran (~20%235 U) ermöglichen sollen. Die

labormäßigen technologischen Untersuchungen zur Her­

stellung und pulvermetallurgischen Verarbeitung zu

~liniatur-Brennelementplatten der ausgewählten Kombi­

nationen u3si-, u

3siz und u6Fe-Al sind erfolgreich

abgeschlossen, Sie ergaben, daß es möglich ist, mit

einer Brennstoffkombination u3si 2-Al eine U-Dichte

von ca. 4,7 Mg·m- 3 ; mit u3si-Al von 6,0 Mg·m-3 und

mit u6

Fe-Al von 7,0 Mg·m-3 zu erzielen.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zum Reaktionsver­

halten in den Systemen U-Si-Al und U-Fe-Al zeigen,

daß im wesentlichen Uranaluminide (mit Si oder Fe in

Lösung) als Reaktionsprodukte entstehen. Oberhalb

450°C führt die Reaktion zu einer beachtlichen

Schwellung der Platten. Bei sämtlichen Brennstoff­

kombinationen treten exotherme Reaktionen bei etwa

630- 635°C auf.

Veröffent-lichungen

18099

V 18847

19439

V 19445

V 19446

Primärberichte Beteiligte Hitarbeiter

15.0!.02 P DIA J.Bürkin

DI S.Gahlert (Doktorand)

V.Karcher

Dr. S.Nazare

K.Rauhut

G.Streib

Rechnergestützte Bildverarbeitung in der Harkstoff­

kunde

Bei der quantitativen Analyse werkstoffkundlieber

Proben kann nicht in jedem Fall die Segmentierung

von Bildern unmittelbar in dem von der Fernsehkamera

aufgenommenen Bild durchgeführt werden. Häufig sind

- 29 -

Manipulationen im Grauwertbild erforderlich. ZurDurch­

führung solcher Operationen wurde ein Programmsy­

stem geschrieben, das gestattet, Grauwertbilder zu

verschieben, addieren, subtrahieren, multiplizieren,

dividieren, sowie über eine Look-Up-Table zu trans­

formieren, Mit Hilfe dieser Programme können ver­

schiedene Filteroperationen (z,B. Laplace-Filter)

durchgeführt oder aber auch Gradientenbilder herge­

stellt werden.

Veröffent­lichungen

Primärberichte Beteiligte Mitarbeiter

E.Kaiser

Dr. D.Vollath

15,01,03 IHF Zentral koordinierte internationale

Zusammenarbeit

Zusammenarbeit mit der spanischen Junta de Energia

Nuclear über hochwarmfeste Werkstoffe

Die Ergebnisse der Zeitstandversuche des abgeschlos­

senen Extrapolationsprogramms am austenitischen

Stahl 1.4948 wurden als Primärbericht zusammenge­

stellt. Die elektronenmikroskopischen Nachuntersu­

chungen wurden abgeschlossen und die Befunde mit den

Zeitstandfestigkeitsdaten korreliert (V 18623), Zum

Einfluß des N-Gehaltes bei zwei CrNi 18 14-Stählen und

dem Verhalten geschweißter Proben des Stahles 1.4919

laufen letzte Langzeitversuche. Begonnen wurde das

gemeinsame Programm AUSOL, in dem Proben des Werk­

stoffes 1.4948 mit einerneuen Schweißverbindung im

Temperaturbereich 500 - 750°C mit Zielzeiten bis zu

50000 Stunden im Vergleich zum Grundwerkstoff unter­

sucht werden.

Die Korrosionsversuche im Kreislauf ML-1 am Stahl

XI8CrHoVNb 12 I (1.4914) haben 3000 Stunden er­

reicht, Zwischenergebnisse hinsichtlich Massenver­

änderungen und Matrixeffekten wurden erhalten. Der

Stahl ist bis 600 °C ebenso gut natriumverträglich

wie die austenitischen Stähle. Im ~~-3 liefen die

Zeitstand-und Kriechversuche am Stahl 1.4948 plan­

mäßig, Natriumeffekte auf die Standzeit finden sich

vor allem bei geschweißten Proben und bei 550°C, kaum

dagegen bei 600°C,

Veröffent- Primärberichte lichungen

V 18623 15.01.03 P 02A

15.01,03 P 02B

15.01.03 P 02C

15,01,03 P 02D

Beteiligte Hitarbeiter

Dr. H.U.Borgstedt

A.Falkenstein

DI G,Frees

Ing, Groß

Z.Peric

Ing. H.Schirra

Zusammenarbeit mit der argentinischen Comision

Nacional de Energia Atomica

Das Kooperations-Projekt "Pulvertechnologie und nuk­

leare Abfallkonditionierung" \mrde 1983 etabliert,

Es basiert auf Erfahrungen eines Vorprojektes über

Brennstoffcharakterisierung (1979 - 1983), der Fort­

bildung von Graduierten in Argentinien und der Ein­

führung des Studiums der allgemeinen und speziellen

Werkstoffkunde (Werkstoffe der Kerntechnik) am

Institute Balseiro im Centro Atomico Bariloche (CAB),

Veröffent­lichungen

184 71

184 78

V 18484

18688

Primärberichte

15.01,03 P 03A

Beteiligte Hitarbeiter

Prof. Dr.G,Ondracek

Dr. E,Toscano (Gastwiss,)

Unterstützung bei der Auslegung und Nachuntersuchung

von Bestrahlungsexperimenten

Im Berichtszeitraum waren zwei Gastwissenschaftler

aus Brasilien (Fa, Furnas Eletricas und CNEN) im

Institut für I bzw. 6 Nonate tätig, Die Aufgaben lagen

in der Einführung in die Aufgabenkreise sowie in der

Aoleitung zu modelltheoretischen und programmier­

technischen Arbeiten, die sich bezüglich der Fa,

Furnas zu einer längerfristigen Zusammenarbeit ent­

wickeln können,

Die Zusammenarbeit mit der JEN/Hadrid wurde weiter­

geführt mit Auswertungen und Aoalysen der gemeinsa­

men Versuchsgruppe IVO-FR 2-Vg, 7, Der Abschluß wird

mit einer zusammenfassenden Darstellung der Ergeb­

nisse erfolgen.

Veröffent­lichungen

Primärberichte Beteiligte Mitarbeiter

DP D.Freund

Dr. D,Geithoff

14063 GRATHWOHL 9 G, Comment on creep of reaction-bonded sllicon nitride and hot-pressed slllcon carbide. Lenoe, E.M. [Hrsg,] Ceramies for High-Performance Appllcations Proc.of the 6th Army Materials Technology Conf,, Orcas Island 9 Wash., July 10-13 9 1979 New York, NY[u.a.J Plenum Pr., 19B3,­Volo3o - So785

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-30-

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