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Verfahren zum Aufbringen einer Stahl- oder Eisenplattierung auf die Hülsen von Kernreaktorbrennelementen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überziehen von Hülsen von Kernreaktorbrennelementen mit dünnen Stahl- oder Eisenschichten.
Es ist bekannt, für Brennstoffelemente von Kernreaktoren, die einer Oberflächentemperatur von mehr als 3000 C ausgesetzt sind, Zirkonhülsen zu verwenden, die aussen mit einer dünnen Schicht von Stahl überzogen sind. Dabei bildet die Zirkonhülse das. eigentliche, tragende Bauelement, das bei geringem Einfangquerschnitt des Zirkons dem Brennstoffelement seine mechanische und thermische Festigkeit ver-
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erforderlich, den Stahlüberzug so dünn wie möglich zu halten, um unerwünschte Neutronenverluste zu vermeiden, die bei höheren Wandstärken infolge des verhältnismässig höheren Einfangquerschnittes von Stahl auftreten würden.
Das ist auch der Grund, weshalb die Umhüllung von Brennstoffelementen mit Stahl allein, die wegen der mechanischen Stabilität höhere Wandstärken erforderlich machen würde, bei Verwendung von nicht angereichertem Kernbrennstoff im allgemeinen nicht möglich ist. Bei dem Aufbringen dieser dünnen Stahlüberzüge auf mit Zirkonhüllen (Cans) versehene Brennstoffelemente muss berücksichtigt werden, dass der Stahlüberzug auch bei Elementen, deren Hülsen im Interesse des besseren Wärmeaustausches oder zur Zentrierung mit sogenannten "fins". d. h. Nasen, Rippen oder andem Vor- sprüngen versehen sind, fest anliegen muss und dass ausserdem auch die Säuselten dieser Elemente zur sicheren Verhinderung von Korrosionsangriffen dicht mit Stahl übelzogen sein müssen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird nun zum Aufbringen von Stahl- oderEisenplattierungsschich- chen auf mit einer allseitig geschlossenen Hülse versehene Kernreaktorbrennelemente so verfahren, dass über diese Hülse ein dünnwandiges Rohr aus Stahl oder Eisen gelegt und zwischen dem Rohr und der Hülse eine dünne Lotschicht angeordnet wird, worauf das Element nach Verschliessen der Stirnseiten des Rohres eine Wärmebehandlung unter allseitiger Druckeinwirkung, z. B. in einem Autoklaven, auf solche Temperaturen ausgesetzt wird, die mindestens der Arbeitstemperatur des Lotes entsprechen.
Die erfindungsgemä6e V organgsweise bezieht sich also auf ein dem Aufbau des Brennelementes nach* folgendes, besonderes Überzugsverfahren für die Hülsen von Brennelementen. Bei der praktischen Ausführung dieses Verfahrens kann man ein solches Rohr über die Hülse ziehen, das bereits an einer Seite verschlossen ist. Das Überzugsrohr soll einen Innendurchmesser auf-velsen, der gerade ausreicht, um das Rohr ohne besondere Schwierigkeiten auch über etwa vorhandene Vorsprünge oder Rippen der Brennelementhülsen hinweg auf diese aufzuziehen.
Die zwischen dem dünnwandigen Rohr und der Brennelementhülse angeordnete Zwischenschicht aus einem Lot muss so beschaffen sein, dass sie eine feste, dichte und wärmeschlüssige Verbindung zwischen dem Stahl- oder Eisenüberzug und dem Werkstoff der Brennelementhülse herzustellen vermag. Dieses Ziel wird insbesondere durch die nach dem Verschliessen des Rohres folgende nachträgliche Wärmebehandlung unter Druckeinwirkung erreicht, bei der das überzoge- ne Element längere Zeit mindestens auf die Arbeitstemperatur des jeweils verwendeten Lotes erhitzt wird.
Während der Wärmebehandlung verbindet das Lot den Stahl- oder Eisenüberzug mit der Hülse des Brennelementes, so dass diese nunmehr allseitig dicht und wärmeschlüssig mit einer Stahlhaut überzogen ist. Durch
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dieAnwendung vc ! i allseitig wirkendemDruck, zweckmässigerweise dadurch, dass man die Wärmebehand- lung in einem Autoklaven vornimmt, unterstützt man sehr wirksam ein allseitiges festes Anlegendes dünnen Stahl- oder Eisenüberzugs an die Hülse, auch dann, wenn diese mit fins versehen ist. Nach der Abkühlung liegt dann die Stahlschicht allseitig fest an der Hülse an, so dass selbst bei ungleichmässiger Verteilung des Lotmetalls keine lotfreien Räume mehr vorhanden sind.
Das Aufbringen der Lotschichten kann vorteilhaft durch Bedampfen des Brennelementes mit den Lotmetallen oder Lotlegierungen im Hochvakuum erfolgen. Die offene Seite des Stahl-oder Eisenrohres wird dann gegebenenfalls unter Einlage eines Stahl- oder Eisendeckeis in an sich bekannter Weise verschlossen, u. zw. durch Umbördeln und anschliessendes Verschweissen, wobei aus Sicherheitsgründen auch eine
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mässig unter verminderten Druck gesetzt, um die Luftreste weitgehend zu entfernen.
Nach einer andern Ausführungsform des Verfahrens gemäss der Erfindung kann das Stahl- oder Eisenrohr auf dem bereits allseitig mit einer Hülse versehenen Brennelement gewissermassen auch in situ dadurch erzeugt werden, dass man sich des an sich bekannten Wickelverfahrens bedient. Zu diesem Zweck wird die Brennelementhülse spiralig mit einer Stahl- oder Eisenfolie derart bewickelt, dass sich die Folienränder jeweils überlappen. Der Verschluss dieser Stahl-oder Eisenauflage an den Enden kann durch Kappen aus dem gleichen Material bewirkt werden, die gleichzeitig zum Festhalten der Folienenden dienen können. Auch hier ist selbstverständlich eine Lotzwischenschicht vorzusehen, wobei für die Auswahl des Lotes massgebend ist, dass es sowohl Eisen auf Eisen bzw.
Stahl auf Stahl als auch jeweils einen der beiden Werkstoffe mit dem Werkstoff der Brennelementhülse verbindet. Im Gegensatz zu der vorher beschriebenen Ausführungsform hat es sich für die Aufbringung der Lotschicht als besonders vorteilhaft erwiesen, die Wickelfolie an der nach innen gewickelten Seite mit dem Lot zu überziehen, was ebenfalls durch Aufdampfen im Hochvakuum geschehen kann. Die weitere Handhabung des so gewickeltenEle- mentes vollzieht sich unter Anwendung der schon weiter oben erläuterten Massnahmen.
Das Element wird anschliessend einer Wärmebehandlung mindestens auf der Arbeitstemperatur des Lotes unterworfen, wobei die Verbindung zwischen den Folienränder untereinander und mit den Verschlusskappen sowie mit dem Hülsenwerkstoff durch äussere DruckcinwirkungimterstütztwirdJ3ie Verwendung einer Folie hat den Vorteil, dass man zu noch dünneren Stahl- oder Eisenüberzügen kommen kann, als bei der Verwendung von einseitig geschlossenen Rohren, bei denen eine Mindestwandstärke im Interesse der Stabilität nicht unterschritten werden kann. Ausserdem gestaltet sich durch die Anwendung von Verschlusskappen die Abdeckung der Stirnseiten einfacher, da die Notwendigkeit für das Umbördeln und Verschweissendes offenen Rohrendes entfällt.
Schliesslich ist die Herstellung eines Folien- oder dünnen Blechbandes einfacher als die eines dünnwandigen Rohres.
Das Verfahren gemäss vorliegender Erfindung hat sich unter Verwendung von Edelstahl besonders für das Überziehen von mit Zirkonhülsen versehenen Brennelementen bewährt, die auf diese Weise ohne die Gefahr einer Herabsetzung der mechanischen und thermischen Festigkeit sowie der Korrosionsbeständigkeit bei höheren Temperaturen in Reaktoren betrieben werden können. In ähnlicher Weise ist es jedoch auch möglich, Aluminiumrohre mit Edelstahl zu plattieren und die bisherigen Zircaloy-Hülsen zu ersetzen.
Neben Edelstahlüberzügen kommen beispielsweise für Reaktoren mit gasförmigen Wärmeaustauschmitteln auch solche aus Armco-Eisen in Betracht.
Die vorliegende Erfindung ist in den Fig. 1 - 3 weiter erläutert. In Fig. 1 und 2 bedeutet 11 einen Stab aus einem Kernreaktorbrennstoff, z. B. aus nicht angereichertem Uran oder einer hochschmelzenden Uranverb1ndung. Der Stab ist mit einer Hülse 12 aus Zirkon allseitig umschlossen. Auf dieser befindet sich die Lotschicht 13, die durch Aufdampfen aufgebracht sein kann. Mit 14 ist ein dünnwandiges, ein- seitig offenes Stahlrohr bezeichnet, das nach dem Aufziehen auf die Zirkonhülse 12 mit einem Deckel 15 durch Umbördeln oder Schweissen verschlossen ist.
Die Fig. 3 bezieht sich auf die geänderte Ausführungsform, bei der das Rohr auf der Hülse durch Bewickeln mit einer Folie oder einem dünnwandigen Blech erzeugt wird. Das eigentliche, mit einer Zirkonhülse umschlossene Brennelement ist mit 21 bezeichnet. Es weist vier Längsrippen 22 auf. In der DarStellung ist der linke Teil des Brennelementes mit einer Stahlfolie 23 umwickelt, die am linken Ende mit einer Kappe 24 festgelegt ist. Die Kappe 25 wird am andem Ende nach vollständigem Aufwickeln der Folie 23 aufgeschoben. Die Folie 23 ist auf der Innenseite mit einer nicht besonders bezeichneten Lotschicht versehen, wobei das Lot sowohl mit der Folie selbst als auch mit der Zirkonhülse lötet.
Auch die aufgeschobenen Verschlusskappen sind innen mit einer mit der Folie und dem Zirkon lötenden Lotschicht belegt. Diese Lötung erfolgt dann durch anschliessende Wärmebehandlung des bewickelten und mit den Kappen versehenen Körpers in einem Druckgefäss.