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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
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~ 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
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