DE1064163B - Kernreaktor-Abschirmmaterial und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Abschirmmaterial sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

In thermischen Reaktoren ist eine Moderatormasse vorhanden, wie z. B. Graphit, Wasser oder schweres Wasser, die die entstandenen schnellen Neutronen abbremst, d. h. ihre Energien auf thermische Energien ermäßigt, so daß sie mit ihrer Umgebung im thermischen Gleichgewicht stehen und im Mittel Energie weder aufnehmen noch abgeben.

Bei anderen Reaktortypen, wie z. B. schnellen Reaktoren oder schnellen Brütreaktoren, im folgenden als »schnelle Reaktoren« bezeichnet, ist wenig oder keine Moderatormasse vorhanden. Eine beträchtliche Menge der aus dem Reaktor austretenden Neutronen besitzt daher höhere Energien als thermische, wenn sie auf die Innenfläche der Abschirmung auftrifft.

Derartige

Neutronen mit höherer Energie als thermischer werden im folgenden als schnelle Neutronen bezeichnet. Sie können im allgemeinen daran erkannt werden, daß ihre Energie ungefähr 0,1 MeV oder mehr beträgt.

Wesentliches Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Abschirmmaterials mit großem Bremsvermögen für aus dem Reaktor austretende schnelle Neutronen und großem Absorptionsvermögen für thermische Neutronen, die als solche aus dem Reaktor austreten oder bei der Abbremsung entstehen. Das Material nach der Erfindung soll weiterhin Abschirmungen mit verhältnismäßig geringem Volumen und Gewicht im Vergleich zu den bisher sehr massiven Reaktorschutzwänden ermöglichen, die üblicherweise aus Stahlbeton bestehen.

Das Abschirmmaterial gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einer verfestigten Kohlenstoffmasse mit einem verkohlten Bindemittel und einem Zusatz wenigstens eines der Elemente Lithium, Cadmium, Gadolinium, Samarium und Europium in elementarer oder chemisch gebundener Form besteht.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Zusatz eine schmelzbare Verbindung eines der der Elemente Lithium, Cadmium, Gadolinium, Samarium und Europium, vorzugsweise Lithiumfluorid oder Cadmiumfluorid.

Der Zusatz kann weiterhin durch Lithiumsulfat, Cadmiumacetat oder Gadolinium-, Samarium- und/oder Europiumacetat oder eine Mischung von einem oder mehreren dieser Acetate mit Acetaten anderer seltener Erden, die als unvermeidbare Verunreinigungen auftreten, gebildet werden.

Sofern der Zusatz von einem der genannten Stoffe in elementarer Form oder als schmelzbare Verbindung gebildet wird, ist ein Verfahren zur Herstellung einer Abschirmung gemäß der Erfindung dadurch gekenn-

Kernreaktor -Abschirmmaterial und Verfahren zu seiner Herstellung

Anmelder:

The Morgan Crucible Company Limited, London

Vertreter: Dr. W. Müller-Bore und Dipl.-Ing. H. Gralfs₁ Patentanwälte, Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 21. September 1956

Ivo Joseph Lockyer, Thornton Heath, Surrey, Peter Kenneth Clifford Wiggs und Albert Ernest Wiggs, Tadworth, Surrey (Großbritannien), sind als Erfinder genannt worden

zeichnet, daß man eine Kohlenstoffmasse mit einem verkohlbaren Bindemittel versetzt und den Zusatz in die KohlenstofFmasse fließen und dort erstarren läßt und daß man die Kohlenstoffmasse in einer geeigneten Verfahrensstufe auf eine Temperatur erwärmt, die ausreicht, um das verkohlbare Bindemittel zu verkohlen.

Ein alternatives Herstellungsverfahren kann darin bestehen, daß man die Masse, die ein verkohlbares Bindemittel enthält, formt und dann auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, das verkohlbare Bindemittel zu verkohlen, und daß man die geformte und verfestigte Masse mit dem geschmolzenen Zusatzstoff tränkt und abkühlen läßt, damit dieser innerhalb der Masse erstarren kann.

Wird der Zusatz von einer der genannten schmelzbaren Verbindung oder Verbindungen gebildet, so ist ein Herstellungsverfahren zweckmäßig, bei dem die Verbindung oder die Verbindungen innig mit gepulvertem Kohlenstoff und einem verkohlbaren Bindemittel vermischt, die so erhaltene Masse geformt und auf eine Temperatur erhitzt wird, die ausreicht, das verkohlbare Bindemittel zu verkohlen und die Verbindung oder die Verbindungen in der Masse zu schmelzen, ohne sie auszutreiben, worauf man die Masse abkühlen läßt, bis die Verbindung oder die Verbindungen innerhalb der Masse erstarrt sind.

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Handelt es sich bei dem Zusatz um eine der an letzter Stelle genannten chemischen Verbindungen, so kann die Herstellung in folgenden Yerfahrensschritten erfolgen:

1. Formen einer ein verkohlbares Bindemittel enthaltenden Kohlenstoff masse,

2. Erhitzen der geformten Masse auf eine Temperatur, die ausreicht, das verkohlbare Bindemittel zu verkohlen,

3. Tränken der geformten und verfestigten AIasse mit einer Lösung der Verbindung oder Verbindungen und

4. Entfernen des Lösungsmittels, um die Verbindung oder die Verbindungen in festem Zustand in der Masse abzulagern.

Unter der Bezeichnung Kohlenstoff wird, wenn nicht anders definiert, amorpher Kohlenstoff, kristalliner Kohlenstoff (z. B. Graphit), Kohlenstoff in teilweise kristallinem Zustand oder eine Mischung aus irgendeiner dieser Formen von Kohlenstoff verstanden.

Für die meisten Zwecke ist Kohlenstoff in Form von Elektrographit wünschenswert, da einerseits die zur Graphitisierung erforderliche hohe Temperatur Verunreinigungen entfernt, die sonst Anlaß zu unerwünschten Begleiterscheinungen geben könnten. Falls beispielsweise Kobalt auch nur in geringer Menge in dem Kohlenstoff vorliegt, induziert er eine dauernde Gamma-Radioaktivität, wenn man ihn den Xetitronen aussetzt. Darüber hinaus ermöglicht Kohlenstoff in der Form von Elektrographit die höchste Dichte und die höchste erreichbare Wärmeleitfähigkeit. Eine oder beide von diesen Eigenschaften können wünschenswert sein. Andererseits ist die amorphe Kohlenstofform widerstandsfähiger gegenüber Änderungen der Abmessungen, die durch Neutronen induziert werden. Aus diesem Grunde kann in einigen Fällen gefordert werden, daß diese Kohlenstofform wenigstens einen beträchtlichen Teil des Körpers bilden soll, in dem der Neutronenabsorber dispergiert wird.

Das gemäß der Erfindung hergestellte Material ist vorzugsweise ein verfestigter Körper in Form von Blöcken oder zumindest in Form von festen Agglomeraten oder Körnern des Kohlenstoffs. Um diese in festester Form zu erzeugen, wird eine Wärmebehandlung erforderlich sowie die Verwendung eines Bindemittels, das infolge der Wärmebehandlung verkohlt. Das Bindemittel soll selbstverständlich keine unerwünschten Verunreinigungen enthalten. Im allgemeinen ist Pech, Teer oder eine Mischung von ihnen ein geeignetes Bindemittel.

Der Neutronenabsorber kann in das Kohlenstoffgefüge auf jede Weise eingebracht werden, die eine gute Dispersion gewährleistet. Das bevorzugte Verfahren ist innige Yermengung des Neutronenabsorbers mit den Rohmaterialien des Kohlenstoffgemisches, an die sich eine Wärmebehandlung zur Erschmelzung des Neutronenabsorbers anschließt. Diese Wärmebehandlung kann in passenden Fällen gleichzeitig zur Verkohlung des Bindemittels genutzt werden. Der Zweck der Erschmelzung des Neutronenabsorbermittels ist die Gewährleistung einer engen und dauernden \^Tereinigtmg zwischen Alisorber und Bremser. Wenn es sich jedoch um solche Neutronenabsorber handelt, die bei der im allgemeinen in der Größenordnung von IOOO⁰ C für die Verkohlung des Bindemittels geforderten Temperatur entfernt werden, muß man den Neutronenabsorber auf andere Weise einbringen. In diesem Falle ist Imprägnieren oder Tränken des zu-

vor wärmebehandelten Kohlenstoffs mit dem Neu tronenabsorber in Lösung oder in erschmolzenem Zti stand ein geeignetes Verfahren. Das Imprägnier- oder Tränkverfahren kann sogar dann zur Anwendung kommen, wenn der Neutronenabsorber bei der Wärmebehandlung des Kohlenstoffs nicht entfernt wurde, falls dieses gewünscht wird.

Wenn eine Lösung verwendet wird, muß das Lösungsmittel anschließend verdampft werden. Dabei kann wiederholte Imprägnierung und Lösungsmittelentfernung zur Anwendung kommen, um den Gehalt an Neutronenabsorber zu erhöhen. In einigen Fällen kann zur Erhöhung der möglichen Konzentration an gelöstem Stoff beim Imprägnieren mit einer Lösung ein erwärmtes Lösungsmittel verwendet werden.

Durch Amvendung von beträchtlich oberhalb des Schmelzpunktes zur Verringerung der Viskosität liegenden Temperaturen kann eine durchgehende Tränkung mit erschmolzenem Material gewährleistet werden. Zur Erhöhung des Durch- bzw. Eindringens des Imprägnier- oder Tränkmittels kann in allen Fällen der Imprägnierung oder Tränkung Evakuierung dei den zu tränkenden oder zu imprägnierenden Kohlenstoff enthaltenden Kammer und Druckerhöhung nach der Imprägnierung oder Tränkung angewendet werden.

Falls das Material in körniger Form verwendet werden soll, kann der Neutronenabsorber durch ein der oben beschriebenen Verfahren eingebracht oder innig mit den zuvor erzeugten Kohlenstoffteilcheu oder in ähnlicher Weise mit einem verkohlbaren Bindemittel gemischt werden, das dann den Kohlenstoffteilchen zugesetzt wird. In diesem Fall ist eine Wärmebehandlung zum Erschmelzen des Absorbeis erforderlich. Diese Wärmebehandlung kann jedoch die gleiche sein wie die zur Verkohlung des Bindemittels angewendete.

Erfindungsgemäße Blöcke sind normalerweise von beträchtlicher Größe, können jedoch selbstverständlich je nach den Anforderungen in der Größe stark variieren. Lediglich zur Andeutung einer möglichen Größe mögen die Maße 760· 230· 230 mm angeführt werden.

Ein Block von solch erheblicher Größe kann mittels einer hydraulischen Presse verfestigt werden, die man zur Herstellung von Formkörpern aus Graphit häufig benutzt. Man kann ihn jedoch auch im Strangpreßverfahren herstellen, bei dem das Material durch eine Preßmatrize ausgepreßt wird. Solche Verfahren sind aber verhältnismäßig teuer. Aus wirtschaftlichen Gründen zieht man daher vor, das Graphitgemisch durch Feststampfen mit einem Werkzeug, beispielsweise einem pneumatischen Hammer, oder durch Rütteln in einer Preßform zu verfestigen.

Der so erhaltene Block wird anschließend bei einer Temperatur in der Größenordnung von beispielsweise 1000° C zur Verkohlung des Bindemittels wärmebehandelt. Falls keine andere als diese Wärmebehandlung ausgeführt werden soll, kann ein geeigneter Neutronenabsorber bereits zuvor in die Mischung eingebracht worden sein. Man hat festgestellt, daß auf diese Weise ein für den beabsichtigten Zweck sehr befriedigendes Erzeugnis gewonnen werden kann. Wenn man jedoch einen Block mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit zu erhalten wünscht, wird die verdichtete Mischung einer Wärmebehandlung bei höherer Temperatur ausgesetzt, damit die Graphitisierung erfolgt. In diesem Fall muß der Neutronenabsorber, wie bereits angedeutet, normalerweise anschließend durch Imprägnieren oder Tränken eingebracht werden.

5 6

Für ein Graphitgemisch kann man beispielsweise Bindemittels verloren. Der Block hat nach der Warme-

50 Gewichtsprozent Elektrographitstaub mit einer behandlung eine Sinterdichte von 1,7 g/cm³. Damit

Korngröße unter 0,147 mm (IOOmesh) und 25 Ge- errechnet sich der Fangquerschnitt folgendermaßen:

Wichtsprozent Elektrographitstaub mit einer Korn- _{Masge yon χ cm3 deg Blockes 1?}

große über 0.28a mm (oO mesh) nehmen. Diese Be- 5 _{Gewichtsanteil von LiF im Block nach}

Standte ₁Ie werden mit der gewünschten Menge an _{der Wärmebehandlung (nach zuge}las-

pu lverisiertem Neutronenabsorber innig gemischt und _{senem Verlust vQn iQO/o flüchti Be}_

anschließend mit ungefähr 2a Gewichtsprozent eines standteile) 10%

verkohlbaren Bindemittels, wie z.B. Pech und/oder Masse von LiF Yn lern'³0 17 ^

Teer, bei einer Temperatur von ungefähr 100° C ver- io " > &

setzt. Da LiF 26,8% Li enthält, beträgt die Masse von

Um durch dieses Verfahren einen Block oder einen Li in 1 cm³ des Blockes 0,268-0,17 = 0,0455 g.

anderen Formkörper zu erzeugen, wird das Gemisch Das Atomgewicht von Lithium ist 6,94 und der

schichtweise in eine passende Form eingebracht, wo- Fangqtierschnitt von Lithium = 71 · 10~²⁴ cm² je Atom,

bei jede der aufeinanderfolgenden Schichten fest- 15 Damit ergibt sich für den Fangquerschnitt je Li

gestampft wird, bis die gewünschte Stärke an ver- ηγ _ . q 5025 · IO²⁴

dichtetem Material hergestellt ist. Übermaße für die TTtL· ⁼ 6,16 cm².

Schrumpfung bei der Wärmebehandlung und der '

(falls durchgeführt) anschließenden Graphitisierung Man erhält als Fangquerschnitt je cm³ des neutronen-

müssen beachtet werden. Nach der Herausnahme aus 20 absorbierenden Abschirmmaterials

der Form wird der Block zur Verkohlung des Binde- q 9455-6 16 = 0 °8 cm²
mittels wärmebehandelt, wobei er durch Kohlenstaub

oder inerte Schutzatmosphäre vor Oxydation geschützt Die Zahl 0,6025 •IO²⁴ ist die Avogadrosche Zahl, d. h.

wird. die Anzahl der Atome je Grammatom.

Die Menge an in das Abschirmmaterial gemäß 25

der Erfindung einzuführendem Neutronenabsorber Beispiel 2

schwankt entsprechend der besonderen Eigenart des _T . , . „ . ,

absorbierenden Stoffes, wobei zu beachten ist, daß Lithium: Zusatz erfolgt durch Trankung mit
bei einer chemischen Verbindung der wirksame ab- geschmolzener Verbindung (Lithiumfluorid)
sorbierende Stoff das Element ist, das diese chemische 30 ^nach Wärmebehandlung
Verbindung enthält, welches, wie bereits im vorher- In diesem Fall wird ein Kohlenstoffblock, der zuvor gehenden angeführt, Lithium, Cadmium, Gadolinium, zur Verkohlung des Bindemittels wärmebehandelt Samarium und/oder Europium ist. worden ist und erforderlichenfalls graphitisiert worin jedem Fall ist die wichtigste Eigenschaft der den sein kann, getränkt. Dazu wird das LithiumFangquerschnitt (»capture cross-section«) für ther- 35 fluorid auf mindestens 870° C erwärmt, um es zu mische Neutronen je cm³ des Neutronen-Abschirm- schmelzen, und der Kohlenstoffblock in die geschmolmaterials. Im allgemeinen wird gefordert, daß der zene Verbindung untergetaucht. Erforderlichenfalls Fangquerschnitt je cm³ zwischen 0,1 und ungefähr wird Preßluft auf die Oberfläche des Lithiumfiuorids 30 cm² oder höher liegt, aber selten 10 cm² zu über- aufgegeben, um ein vollständiges Eindringen in den schreiten braucht. Unter Beachtung der jeweiligen 40 Block zu erreichen. Der Block hat eine Sinterdichte Eigenart des gewählten Stoffes wird daher die Menge von 1,6 g/cm³ und eine offene Porosität von 25%.
des einzubringenden neutronenabsorbierenden Stoffes Lithiumfluorid hat im festen Zustand ein speziso bestimmt, daß sie in der Abschirmung einen Fang- fisches Gewicht von 2,6 g/cm³, nimmt jedoch im flüsquerschnitt ergibt, der in dem genannten Bereich liegt. sigen Zustand ein spezifisches Gewicht von 2,5 g/cm³ Zur Veranschaulichung der Erfindung werden im 45 an. Infolgedessen enthält 1 cm³ des Blockes 0,25 cm³ folgenden einige Beispiele angeführt. In ihnen soll der Hohlräume und nimmt 0,25 · 2,5 = 0,625 g LiF auf. Ausdruck »Kohlenstoff« amorphen Kohlenstoff, Natur- LiF enthält 26,8% Li. Folglich enthält lern³ des graphit, Elektrographit oder irgendeine Mischung der Blockes 0,625 · 0,268 = 0,1675 g Li.
genannten Kohlenstofformen beinhalten. Weiterhin Wie im Beispiel 1 berechnet, beträgt der Fangversteht es sich von selbst, daß diesem Kohlenstoff 50 querschnitt von Li 6,16 cm²/g Li.
ein übliches verkohlbares Bindemittel, wie z. B. Teer Damit errechnet sich für den Fangquerschnitt je oder Pech, in der üblichen Menge zugesetzt wird, um cm³ des neutronenabsorbierenden Abschirmmaterials einen gut verfestigten Block zu erzeugen. 0,1675 · 6,16 = 1,03 cm².

Beispiel 1

Lithium: Zusatz erfolgt durch Mischung eines
schmelzbaren Salzes (Lithiumfluorid) mit dem
Kohlenstoffgemisch

Lithiumfluorid schmilzt bei 870° C und kann daher einem Gemisch zugesetzt werden, das zur Verkohlung des Bindemittels bei 1000° C wärmebehandelt werden soll. In diesem Fall werden 10 Gewichtsprozent pulverisiertes Lithiumfluorid 100 Gewichtsprozent des Kohlenstoffgemisches zugesetzt. Dieses Gemisch wird anschließend durch Feststampfen auf Blockform verfestigt und unter Schutz durch Kohlenstaub gegen atmosphärische Oxydation bei 1000° C wärmebehandelt. Während der Wärmebehandlung gehen ungefähr 10 Gewichtsprozent als flüchtige Produkte des

55 Beispiel 3

Lithium: Zusatz erfolgt durch Imprägnieren
mit einer Lösung einer Lithiumverbindung
(Lithiumsulfat) nach Wärmebehandlung

60 Eine geeignete Verbindung ist Lithiumsulfat, wenn diese auch in gewisser Beziehung darin nachteilig ist, daß die Anwesenheit von Schwefel die Blöcke radioaktiv werden läßt, nachdem sie Neutronen ausgesetzt worden sind. Der Kohlenstoffblock ist der gleiche wie

65 im Beispiel 2 beschrieben. Er wird dreimal mit einer nahezu gesättigten Lösung imprägniert.

Handelsübliches Lithiumsulfat ist wasserhaltig (Li₂SO₄-H₂O) und enthält 10,8% Lithium. Die Löslichkeit beträgt ungefähr 40 g/100 cm³ bei 20° C

70 und nimmt mit zunehmender Temperatur leicht ab.

Der Block wird mit einer Lösung imprägniert, die eine Konzentration von 30 g/100 cm³ hat. Diese Lösung füllt die Poren. Das Lösungsmittel wird anschließend verdampft und das Kristallwasser durch Erwärmung auf 140° C entfernt.

Lösungsvolumen je cm³ des Blockes 0,25 cm³
Masse des wasserhaltigen Sulfats

je cm³ 0,25 · 0,3

= 0,075 g

Masse des Lithiums je cm³ 0,108 · 4,075

= 0,0081 g

Das Volumen des Sulfats beträgt dann ungefähr 0,04 cm³ je cm³ des Blockes und hinterläßt 0,21 cm³ freien Raum in den Poren. Die zweite Imprägnierung erhöht die Masse um weitere 0,0068 g/cm³ auf insgesamt 0,0149 g und die dritte Imprägnierung um ungefähr 0.0058 auf insgesamt 0,0207 g.

Wie oben berechnet, beträgt der Fangquerschnitt von Lithium 6,16cm²/g Li. Damit ergibt sich für den Fangquerschnitt je cm³ des neutronenabsorbierenden Abschi rmmateri al s

0.0207-6.16 = 0,127 cm*.

Beispiel 4

Cadmium: Zusatz erfolgt durch Mischung
eines schmelzbaren Salzes (Cadmiumfluorid)
mit dem KohlenstofFgemisch

Cadmiumflvtorid schmilzt bei IlOO⁰ C und kann daher einem, wie unter Beispiel 1 beschrieben, zu behandelndem Gemisch beigemischt werden. In diesem Fall werden 10 Gewichtsprozent pulverisiertes Cadmiumfluorid 100 Gewichtsprozent des Kohlenstoffgemisches zugesetzt.

Das Gemisch wird anschließend durch Feststampfen auf Blockform verfestigt und unter Schutz durch Kohlenstoftstaub gegen atmosphärische Oxydation bei 1200° C wärmebehandelt. Während der Wärmebehandlung gehen ungefähr 10 Gewichtsprozent als flüchtige Bestandteile des Bindemittels verloren. Der Block hat nach der Wärmebehandlung eine Sinterdichte von l,8g/cm³.

Masse von 1 cm³ des Blockes

1.8]

Gehalt von CdF₂ im Block 30/120 = 25%

Masse des CdF₂ in 1 cm³ 0,45 g

CdF₂ enthält 75% Cadmium. Folglich enthält 1 cm⁵ des Blockes 0,75 · 0,45 = 0,34 g Cadmium. Mit dem Atomgewicht von Cadmium = 112.4 und einem Fangquerschnitt des Cadmiums von 3300 · 10^—24 cm² je Atom ergibt sich ein Fangquerschnitt von

3300 · IO-²⁴ · 0,6025 · IO²*

112,4

= 17,7 cm²

je g Cadmium und damit ein Fangquerschnitt je cm³ des ueutronenabsorbierenden Abschirmmaterials von

17.7-0,34 = 6,0 cm².

25

45

55

60

Beispiel 5

Cadmium: Zusatz erfolgt durch Tränkung
mit geschmolzener Verbindung nach Wärmebehandlung

Wie unter Beispiel 2 beschrieben wird ein Kohlenstoffblock mit einem geschmolzenen Salz getränkt, das in diesem Fall Cadmiumfluorid ist, und auf mindestens den Schmelzpunkt dieses Salzes, d. h. 1100^D C. erwärmt.

Cadmiumfluorid hat im festen Zustand ein spezifisches Gewicht von ungefähr 6,6 g/cm³, nimmt

jedoch im geschmolzenen Zustand ein solches \on 6,3 g/cm³ an.

Infolgedessen enthält 1 cm³ des Blockes 0,25 · 6,3 = 1,57 g CdF₂. Da Cadmiumfluorid 75% elementares Cadmium enthält, beträgt die Masse Cadmium je cm³ Block = 0,75 · 1,57 = 1,18 g. Mit dem Fangquerschnitt von Cadmium = 17,7 cm²/g Cd ergibt sich für den Fangquerschnitt je cm³ des neutronenabsorbierenden Abschirmmaterials

17,7 · 1,18 = 20,9 cm².

Beispiel 6

Cadmium: Zusatz erfolgt durch Imprägnieren
mit einer Lösung einer Verbindung
nach Wärmebehandlung

Eine geeignete Verbindung ist wasserhaltiges Cadmiumacetat, das in Wasser leicht löslich ist. Die Menge des von dem Block aufgenommenen neutronenabsorbierenden Materials kann wie unter Beispiel 3 berechnet werden. Falls man mit einer Lösung imprägniert, die 100 g Cd (CH₃COO)₂ · 2 H₂O je 100 cm³ enthält und in der die Verbindung durch Erwärmung auf 130° C in ein wasserfreies Salz umgewandelt wird, so nimmt der Block bei einer

Imprägnierung 0,25 · = 0,25 g/cm³ des Blockes

vom wasserhaltigen Salz auf. Der Cadmiumgehalt des wasserhaltigen Acetats beträgt 42%. Somit sind 0,25 - 0,42 = 0,105 g Cadmium in Icm³ des Blockes enthalten. Alit dem Fangquerschnitt von Cadmium = 17,7 cm²/g ergibt sich als Fangquerschnitt je cm³ des neutronenabsorbierenden Abschirmmaterials

17,7 -0,105 = 1,18 cm².

Beispiel 7

Cadmium: Zusatz erfolgt durch Tränkung
mit dem erschmolzenen Metall

Ein Kohlenstoffblock, der erforderlichenfalls graphitisiert worden ist, wird in ein Cadmiumbad untergetaucht, das eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes von 320° C hat. Preßluft mit einem Druck in der Größenordnung von 352 kg/cm² (5000 lbs/in²) läßt man auf das erschmolzene Metall ein paar Minuten lang einwirken. Danach wird der Block herausgezogen und gekühlt, wobei er mit Sand bedeckt wird, um den Zutritt von Sauerstoff zu verhindern. Die Dichte des geschmolzenen Cadmiums beträgt ungefähr 8,0 g/cm³. Ein Block mit 25% Porosität nimmt ungefähr 2,0 g/cm³ Block auf.

Mit einem Fangquerschnitt von Cadmium = 17,7cm²/g errechnet sich als Fangquerschnitt je cm³ des neutronenabsorbierenden Schirmmaterials

17,7 · 2,0 = 35,4 cm².
Beispiel 8

Gadolinium: Zusatz erfolgt durch Imprägnieren
mit einer Lösung einer Verbindung
des Gadoliniums

Eine geeignete Verbindung ist Gadoliniumacetat mit der Formel Gd(CH₃COO)₃ · 4 H₂O. Diese Verbindung kann bei Kohlenstoff oder graphitisiertem Material mit verhältnismäßig geringer Porosität eingesetzt werden, da nur eine sehr geringe Menge von ihr notwendig ist. Handelsübliches Gadoliniumacetat kann beträchtliche Mengen von Verbindungen anderer seltener Erdmetalle enthalten. Für dieses Beispiel

Claims (11)

wurde reines Gadoliniumacetat verwendet. Wenn man jedoch handelsübliches Material verwendet, wird der Fangquerschnitt des Abschirmmaterials etwas verkleinert. Graphit mit einer Sinterdichte von l,8g/cm3 und einer Porosität von 10%, also ein verhältnismäßig schlecht durchlässiger Graphit, wird mit einer Lösung von Gadoliniumacetat getränkt, die eine Konzentration von 5,0g/100 cm3 hat. Die Löslichkeit von Gadoliniumacetat beträgt bei 25° C 11,6 g/100 cm3. 1 cm3 Graphit nimmt 0,1 cm3 Lösung oder 0,005 g der Verbindung auf. Mit dem Atomgewicht von Gadolinium = 156,9 und einem Gadoliniumgehalt von 38,5 °/o in der Verbindung sowie einem Fangquerschnitt des Gadoliniums von 38 000 · 10~24 cm2 je Atom oder 38 000 ■ IO-2* · 0,6025 · IO24 . .. , Γ56·? = 146cm je g Gadolinium ergibt sich für den Fangquerschnitt je cm3 des neutronenabsorbierenden Abschirmmaterials von 146 · 0,00192 = 0,280 cm2. Europium und Samarium verhalten sich bei ihrer Anwendung ähnlich wie das Gadolinium. Dabei ist jedoch zu beachten, daß sie etwas weniger wirksame Absorber sind (sie weisen Fangquerschnitte von 17 •und 40 cm2/g auf gegenüber 146 cm2/g Gadolinium). Außerdem kann man ihre Verbindungen schlechter von denen anderer seltener Erdmetalle getrennt erhalten. Wie im vorhergehenden im einzelnen erläutert, kann die Wahl des neutronenabsorbierenden Elements, die Form, in der es angewendet wird, und das Verfahren, durch das es eingebracht wird, durch die Wärmebehandlung beeinflußt werden, die der Kohlenstoff erhalten soll. Als weitere Faktoren sind Strahlung oder radioaktive Produkte bei der Neutronenaufnahme in Rechnung zu stellen. Lithium erzeugt Tritium oder radioaktiven schweren Wasserstoff der Massenzahl 3. Dieses Gas wird von jedem Neutronenschirm entwickelt, der natürliches Lithium enthält. Das Tritium tritt in die Atmosphäre ein, die den Reaktor umgibt. Seine Aktivität muß bei Planung der Sicherheitsvorrichtungen in Rechnung gestellt werden. Es kann jedoch extrahiert werden und liefert dann ein wertvolles Nebenprodukt. Cadmium liefert bei Neutronenaufnahme Gammastrahlung mit hoher Energie. Bei seiner Verwendung muß daher außerhalb des aktiven Teils der Abschirmung eine geeignete Abschirmung für Gammastrahlen vorgesehen werden, die diese absorbiert. Um Strukturveränderungen im Graphit infolge des Neutronenbombardements zu verringern, ist es manchmal angebracht, den Schirm auf einer Temperatur zu halten, die mehrere hundert Grad Celsius beträgt. Der Neutronenabsorber muß für diese Anwendungsbedingungen passend sein. Die Erfindung ist an Hand der Erzeugung von bearbeitbaren Blöcken u. dgl. beschrieben worden, dadurch aber nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Das Material kann auch in körniger oder pulvriger Form erhalten werden, indem es aus dem Gemisch durch Verkleinerung nach der Verdichtung oder aber direkt aus dem gemischten Material erhalten wird. Das körnige oder pulverförmige Material kann in Alternative zu den Blöcken verwendet werden und erforderlichenfalls verdichtet oder auf der Seite wärmebehandelt werden, die die Kernabschirmung bildet. Wahlweise kann es auch dazu eingesetzt werden, Zwischenräume zwischen Blöcken auszufüllen, die gemäß der Erfindung hergestellt sind. PATENTANSPBOCHEr

1. Kernreaktor-Abschirmmaterial mit großem Brems vermögen für aus dem Reaktor austretende schnelle Neutronen und großem Absorptionsvermögen für thermische Neutronen, die als solche aus dem Reaktor austreten oder bei der Abbremsung entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einer verfestigten Kohlenstoffmasse mit einem verkohlten Bindemittel und einem Zusatz wenigstens eines der Elemente Lithium, Cadmium, Gadolinium, Samarium und Europium in elementarer oder chemisch gebundener Form besteht.

2. Abschirmmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz durch eine schmelzbare Verbindung eines der Elemente Lithium, Cadmium, Gadolinium, Samarium und Europium gebildet wird.

3. Abschirmmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz durch Lithiumfluorid gebildet wird.

4. Abschirmmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz durch Cadmiumfluorid gebildet wird.

5. Abschirmmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz durch Lithiumsulfat gebildet wird.

6. Abschirmmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz durch Cadmiumacetat gebildet wird.

7. Abschirmmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz durch Gadolinium-, Samarium- und/oder Europiumacetat oder eine Mischung von einem oder mehreren dieser Acetate mit Acetaten anderer seltener Erden, die als unvermeidbare Verunreinigungen auftreten, gebildet wird.

8. Verfahren zur Herstellung einer Abschirmung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Kohlenstoffmasse mit einem verkohlbaren Bindemittel versetzt und den Zusatz in die Kohlenstoffmasse fließen und dort erstarren läßt und daß man die Kohlenstoffmasse in einer geeigneten Verfahrensstufe auf eine Temperatur erwärmt, die ausreicht, um das verkohlbare Bindemittel zu verkohlen.

9. Verfahren zur Herstellung einer Abschirmung nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verbindung (oder die Verbindungen) innig mit gepulvertem Kohlenstoff und einem verkohlbaren Bindemittel vermischt, die so erhaltene Masse formt und auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um das verkohlbare Bindemittel zu verkohlen und die Verbindung (oder die Verbindungen) in der Masse zu schmelzen, ohne sie auszutreiben, und daß man die Masse abkühlen läßt, um die Verbindung (oder die Verbindungen) innerhalb der Masse erstarren zu lassen.

10. Verfahren zur Herstellung einer Abschirmung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Masse, die ein verkohlbares Bindemittel enthält, formt und dann auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um das verkohlbare Bindemittel zu verkohlen, und daß man die geformte und verfestigte Masse mit dem

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geschmolzenen Zusatzstoff tränkt und abkühlen läßt, damit dieser innerhalb der Masse erstarren kann.

11. Verfahren zur Herstellung einer Abschirmung nach den Ansprüchen 1, 5, 6 oder 7, unter Verwendung der genannten Elemente in Form von chemischen Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß man eine ein verkohltes Bindemittel ent-

haltende KohlenstofTmasse formt und anschließend auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um das verkohlbare Bindemittel zu verkohlen, und daß man die geformte und verfestigte Masse mit einer Lösung der Verbindung (oder der Verbindungen) tränkt, worauf man das Lösungsmittel entfernt, um die Verbindung (oder die Verbindungen) in festem Zustand in der Masse abzulagern.

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