Ergebnisbericht über Forschungs-und Entwicklungsarbeiten .charakteristik stark von der Beladung

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Text of Ergebnisbericht über Forschungs-und Entwicklungsarbeiten .charakteristik stark von der Beladung

  • KfK 3688 Februar 1984

    Ergebnisbericht ber Forschungs- und Entwicklungsarbeiten

    1983 des Instituts fr Material- und

    Festkrperforschung

    Kernforschungszentrum Karlsruhe

  • KERNFORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE

    Institut fr Material- und Festkrperforschung

    KfK 3688

    Ergebnisbericht ber

    Forschungs- und Entwicklungsarbeiten 1983

    KERNFORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE GMBH, KARLSRUHE

  • Als Manuskript vervielfltigt Fr diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor

    Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH

    ISSN 0303-4003

  • - 1 -

    Das Institut fr Haterial- und Festkrperforschung

    besteht aus drei Teilinstituten mit unterschiedli-

    chen Aufgabenbereichen. Das IHF I arbeitet bevorzugt

    ber Kernbrennstoffe und Brennstbe, das I~W II ber

    Hll- und Strukturwerkstoffe und IHF III ber Brenn-

    elemente und Plutoniumtechnologie. Dabei stehen die

    Problemstellungen fr Schnelle Brutreaktoren, Leicht-

    wasserreaktoren, den Brennstoffkreislauf sowie fr

    die Fusionstechnologie im Vordergrund. Umfangreiche

    Untersuchungen werden zum Brennelement- und Haterial-

    verhalten, besonders nach Bestrahlungen durchgefhrt,

    wobei Betriebstransienten und Sicherheits- bzw. Str-

    fallexperimenten besondere Bedeutung zukommt. Im

    Plutoniumlaboratorium werden Herstellungsfragen Pu-

    haltiger Brennstoffe sowie vor allem experimentelle

    Hethoden der Qualittskontrolle behandelt. In geringe-

    rem Umfang wird im IHF auch an Brennelementen fr

    Forschungsreaktoren und an nicht nuklearen \~erkstof

    fen fr hohe Beanspruchungen gearbeitet. Geordnet

    nach Forschungsschwerpunkten ergibt sich fr die

    Beitrge des Instituts folgende Gliederung:

    1. Projekt Schneller Brter (PSB)

    1.1 Kernbrennstoffe und Brennelemente

    1,2 Hll- 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. Festkrper- und Haterialforschung (FH)

    6, Institutseigene Forschungsvorhaben

    Das I~W mit seinen vielfltigen experimentellen Ein-

    richtungen bearbeitet verschiedene Themen in natio-

    naler oder internationaler Abstimmung. Die Arbeiten

    fr das PSB erfolgen im Rahmen der Entwicklungsge-

    meinschaft Schneller Brter, wobei die Kooperation

    mit Frankreich dominiert. Die Arbeiten im Projekt

    Kernfusion werden im Rahmen der EG abgestimmt, auer-

    dem besteht ein Entwicklungsvertrag zwischen KfK und

    dem IPP Garching. Bei den PNS-Arbeiten bestehen enge

    Kontakte zu den USA. ber Zusammenarbeit auf spe-

    ziellen Gebieten und durch Gastwissenschaftler be-

    stehen Kontakte zu zahlreichen Lndern.

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

    nieure, 67 sonstige Hitarbeiter, 3 Nach>vuchswissen-

    schaftler, 9 Gastwissenschaftler und Delegierte be-

    schftigt. Hinzu kommen 8 Hochschulangehrige und

    8 Doktoranden sowie 5 Hitarbeiter im Technologie-

    Transfer-Programm.

    Institut fr Haterial- und Festkrperforschung

    (UW)

    Leitung: Prof. Dr. F.Thmmler

    Dr. K.Anderko

    Prof. Dr, K.Kummerer

    1. PROJEKT SCHNELLER BROTER ~eil bei dem CABRI-Brenn-

    stoff eine nahezu ideale feste Lsung des Puo2 im uo 2 vorliegt. Aus diesem Grunde sind diese Ergebnisse auch

    fr den AUPuC-Brennstoff der ALKEH von Interesse.

    Der Vergleich von verschiedenen Fertigungschargen fr

    KNK II und fr Bestrahlungsexperimente lt eine zu-

    nehmende Fertigungsqualitt bei ALKEH erkennen. Dadurch,

    da der Anteil von Hikrorissen in den Tabletten ab-

    nimmt, steigt auch die Stabilitt der 0/H-Verhltnisse

    an. Gleichzeitig nimmt damit die Wrmeleitfhigkeit

    zu (18792, 19096).

    Die Untersuchungen zur Lslichkeit von unbestrahlten

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

    75% wurden abgeschlossen. Es zeigte sich, da die Ls-

    lichkeit in siedender 10-molarer Salpetersure nur

    geringfgig besser ist als in 5-molarer Salpetersure.

  • - 2 -

    Wesentliches Ergebnis dieser Experimente ist, da das

    Probenmaterial bis zu einem Pu-Anteil von etwa 35%

    vollstndig lslich ist, whrend oberhalb von 60% we-

    niger als 5% des eingesetzten Pu in der Lsung 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+PullgesTi~/ol

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

    Tabletten in Abhngigkeit vom Pu-Gehalt.

    Tabletten aus Granulierbrennstoff, unbe-

    strahlt, 6 Stunden Kochen unter Rckflu

    in 5- bzw. 10-molarer Salpetersure

    Nachdem auf dem Gebiet der Pulvercharakterisierung

    mittels Siebanalysen gezeigt wurde, da die Bent-

    zung eines Luftstrahlsiebes wesentlich effektiver

    ist als die eines Rttelsiebes, wurden seine Gren-

    zen systematisch untersucht. Beim Sieben von uo2 ex

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

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

    Luftstrahlsieb etwa 5%. Han kann bei diesem Pulver

    das Luftstrahlsieb bis zu einem 10 pm-Siebboden ver-

    wenden. Es ist allerdings zu beachten, da die Sieb-

    charakteristik stark von der Beladung abhngt. Aus

    diesem Grund ist auch dieses Siebverfahren nicht ge-

    eignet, echte Korngrenverteilungen 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 ermglicht. Dieses Verfahren wurde dahinge-

    hend erweitert, da jetzt auch Aussagen darber mg-

    lich sind, ob sich der Satz von Husterpulvern mit den

    gewhlten Parametern berhaupt trennen lt. Des wei-

    teren ist eine Aussage ber die Signifikanz der Zu-

    ordnung mglich. Das Verfahren wurde anhand eines

    Satzes von fnf verschiedenen kalzinierten uo 2 ex

    ADU-Pulvern getestet (V 19253).

    Aufgrund von Analysen des Profils der Rntgenbeugungs-

    linien wurde ein Hode11 fr die Hischkrista11bildung

    im System uo2-Pu0

    2 erarbeitet, das Domnen konstan-

    ter Pu-Konzentration annimmt. Nebeneinanderliegende

    Domnen knnen deutlich verschiedene Pu-Gehalte auf-

    weisen. Die Breite dieser Domnen 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 Rntgenbeugungsprofil die

    technologisch bedeutsame Konzentrationsverteilung in

    der festen Lsung, die Domnengre und die Gitter-

    verzerrungen berechnet (19495).

    Verffent-lichungen

    18621

    18792

    19096

    19097

    V 19253

    19495

    Primrberichte Beteiligte Hitarbeiter

    01.01.01 P 06A B.Drzapf

    01.01.01 P 06B DP H.Elbel

    01.01.01 P 06C DI (FR) E.Gnther

    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) durchgefhrt. Die Thermoschockbeanspruchung er-

    folgte durch rasches Aufheizen einzelner unbestrahlter

    Tabletten oder bestrahlter Tablettenbruchstcke in ei-

    nem Bad aus flssigem Zinn. Die Auswertung der Versu-

    che (unter Bercksichtigung der unterschiedlichen Geo-

    metrie der bestrahlten und unbestrahlten Brennstoff-

    proben) ergab, da sich die Thermoschockbestndigkeit

    whrend der Bestrahlung bis zu einem Abbrand von 5%

    nicht verschlechtert hat. Diese Aussage wird durch Ver-

    suche mit uo2-Ringtabletten besttigt, die nach einem

    Abbrand von 3,5% ebenfalls keine Verschlechterung der

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

    310 Kund die daraus berechnete Rispannung 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 durchgefhrt. Aus den Aufheiz-

    versuchen wurde die Rispannung fr Raumtemperatur zu

    ca. 225 HPa, fr 720C zu ca. 115 HPa berechnet,

  • Verffent- Primrberichte lichungen

    Beteiligte Hitarbeiter

    H,Blumhofer

    Dr, H.Zimmermann

    Chemische Reaktionen zwischen Oxidbrennstoff und

    Hlle

    - 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 Brennstabhllrohren fhren

    knnen. Bei 500 - 700C wurden Kriechberatversuche

    an ca. 90 Rohrproben aus alternativen Hllmaterialien

    durchgefhrt, 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-Sthle,

    besonders bei 500C und entsprechend hohen Span-

    nungen.

    In HocleUstudien