DE10003727A1 - Verfahren zum Herstellen eines Absorberelements - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Absorberelements, wobei auf ein Tragelement (1) eine Absorberschicht (2) aufgebracht wird, die aus einem amorphen, metallischen, zumindest ein Neutronen absorbierendes Element enthaltenden Grundwerkstoff besteht. Es ist vorgesehen, dass der Grundwerkstoff, bis auf Verunreinigungen, aus Nickel, Silizium, Chrom, Eisen, mindestens einem Neutronen absorbierenden Element und mindestens einer Dotierung besteht. Die Absorberschicht (2) wird aus mindestens einer Folie oder mindestens einem Blech gebildet, die auf das Tragelement (1) aufgebracht, insbesondere aufgeschweißt, werden. Ein besonders geeignetes Schweißverfahren ist das Nd:YAG-Laser-Schweißverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Ab­ sorberelements, wobei auf ein Tragelement eine Absorber­ schicht aufgebracht wird, die aus einem amorphen, metalli­ schen, zumindest ein Neutronen absorbierendes Element enthal­ tenden Grundwerkstoff besteht.

Ein mit einem derartigen Verfahren hergestelltes Absorberele­ ment ist aus der DE 197 14 284 A1 bekannt. Dabei ist auf ein plattenförmiges Tragelement, das aus einem Blech von wenigen Millimetern Dicke bestehen kann, als Absorberschicht eine Fo­ lie aufgebracht. Die Folie kann durch Schweißen, beispiels­ weise durch Stumpf- oder Rollenschweißen, Elektronenstrahl- oder Laserschweißen befestigt werden. Andere bekannte Metho­ den zur Befestigung der Folie auf dem Tragelement sind Klem­ men, Prägen, Einwalzen, Stauchen oder Fügevorgänge wie Nieten oder Heften. Beim Schweißen wurde bisher stets darauf geach­ tet, dass der Werkstoff der Absorberschicht infolge der Er­ wärmung nicht von der amorphen Phase in die kristalline Phase übergeht, da befürchtet wurde, dass der Werkstoff dann ver­ sprödet.

Es ist auch bekannt, mehrere Lagen der Folie übereinander auf dem Tragelement anzubringen und diese Folien miteinander zu verweben. Es ist ebenfalls bekannt, die Folien mit einem zweiten Tragelement zu überdecken, so dass sie in Sandwich- Bauweise zwischen zwei Tragelementen angeordnet sind.

Die bekannte Folie, die als Absorberschicht dient, besteht beispielsweise aus einer Chrom-Nickel-Legierung, in die als Neutronen absorbierendes Element Bor eingebunden ist. Dieses Bor kann mit dem Isotop B10 angereichert sein. Andere geeig­ nete Neutronen absorbierende Elemente, die ganz oder teil­ weise an die Stelle von Bor treten können, sind Hafnium, Gadolinium oder Cadmium, aber auch die Elemente mit der Ord­ nungszahl 58 bis 71. Alle diese Elemente zeichnen sich durch einen großen Einfangquerschnitt für Neutronen aus.

Bei der Herstellung eines bekannten Absorberelements kommt es häufig zu Schwierigkeiten beim Aufbringen der Folie aus Neu­ tronen absorbierendem Material auf das Tragelement. Eine dau­ erhafte, feste Anbindung der Folie auf dem Tragelement war bisher nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Absorberelements anzugeben, mit dem eine si­ chere und dauerhafte Befestigung der Absorberschicht aus amorphem Grundwerkstoff auf dem Tragelement gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Grundwerkstoff, bis auf Verunreinigungen, aus Nickel, Sili­ zium, Chrom, Eisen, mindestens einem Neutronen absorbierenden Element und mindestens eine Dotierung besteht, und dass die Absorberschicht aus mindestens einer Folie oder mindestens einem Blech gebildet wird, die auf das Tragelement aufge­ bracht werden.

Eine, meistens aber mehrere Dotierungen sind für die Her­ stellung des Grundwerkstoffs notwendig.

Mit diesem Verfahren, insbesondere mit der Auswahl des Grund­ werkstoffes für das amorphe Material, wird der Vorteil er­ zielt, dass erstmals eine stets zuverlässige, feste Verbin­ dung zwischen der Absorberschicht und dem Tragelement ermög­ licht wird. Es lassen sich vorteilhafterweise Absorberele­ mente herstellen, die keines Wartungsaufwandes bedürfen und daher in einem Lagerbecken für Brennelemente eingesetzt wer­ den können.

Das Neutronen absorbierende Element ist beispielsweise Bor. Bor hat einen relativ hohen Neutroneneinfangquerschnitt. Das Bor kann beispielsweise mit dem Isotop B10 angereichert sein, was besonders vorteilhaft ist, da damit der Neutroneneinfang­ querschnitt bei gleicher Menge Bor im Absorbermaterial we­ sentlich erhöht ist.

Andere geeignete Neutronen absorbierende Elemente sind z. B. Hafnium, Gadolinium oder Cadmium, oder auch Elemente mit ei­ ner Ordnungszahl zwischen 58 und 71.

Beispielsweise kann der Grundwerkstoff vorteilhafterweise eine Kombination aus mehreren Neutronen absorbierenden Ele­ menten, z. B. eine Kombination aus Bor und anderen geeigneten, oben genannten Elementen, enthalten.

Beispielsweise besteht der Grundwerkstoff bis auf Verunreini­ gungen aus 1 bis 4 Atom-% Silizium, 5 bis 11 Atom-% Chrom, 7 bis 12 Atom-% Eisen, mindestens 22 Atom-% Bor als Neutronen absorbierendes Element, mindestens einer Dotierung und im üb­ rigen aus Nickel.

Mit diesen prozentualen Anteilen der einzelnen Elemente am Grundwerkstoff wird der Vorteil erzielt, dass die Absorber­ schicht sicher und dauerhaft auf dem Tragelement befestigt werden kann.

Beispielsweise ist der Grundwerkstoff mit Molybdän und/oder Titan dotiert. Durch eine geeignete Dotierung wird ein Grund­ werkstoff möglich, der beim Herstellungsprozess besonders gut fließfähig ist. Ein Absorberelement ist folglich besonders leicht herzustellen.

Die Absorberschicht wird beispielsweise auf das Tragelement aufgeschweißt. Besonders geeignet sind ein Nd:YAG-Laser- Schweißverfahren oder ein vergleichbares Schweißverfahren. Durch eine Kombination der Elementauswahl für den Grundwerkstoff mit einem besonders geeigneten Schweißverfahren zum Be­ festigen der Absorberschicht auf dem Tragelement wird der Vorteil erzielt, dass stets eine sichere und dauerhafte Be­ festigung gewährleistet ist. Das ist von besonderer Bedeutung bei einem Einsatz des Absorberelementes in einem Brennele­ mentlagerbecken.

Beispielsweise wird die Absorberschicht durch ein Deckblech überdeckt und dieses wird punktuell mit dem Tragelement ver­ schweißt. Dabei wird die dazwischen liegende Absorberschicht punktuell kristallin und wird sowohl mit dem Deckblech als auch mit dem Tragelement verbunden. Es wird gezielt in Kauf genommen, dass die zwischen Deckblech und Tragelement lie­ gende Absorberschicht punktuell kristallin wird.

Mit der Überwindung des Vorurteils, dass die amorphe Absor­ berschicht an keiner Stelle kristallin werden dürfe, wird der Vorteil erzielt, dass Tragelement, Absorberschicht und Deck­ blech zuverlässig und stabil miteinander verbunden werden können. Punktuelle Verschweißungen müssen dazu an mehreren auf der Fläche des Absorberelements verteilten Orten ange­ bracht werden.

Es hat sich herausgestellt, dass bei der gewählten Zusammen­ setzung des Grundwerkstoffes die einzelnen kristallinen Stel­ len in der Absorberschicht die geforderte Eigenschaft des Ab­ sorberelementes, auch im Hinblick auf die Korrosionsproble­ matik, nicht beeinträchtigen. Eine zuverlässige Verbindung der Bestandteile des Absorberelements miteinander ist gewähr­ leistet.

Durch das punktuelle Verschweißen wird eine Verbindung, die einer Niet ähnlich ist, gebildet, die den hohen mechanischen Beanspruchungen stand hält.

Beispielsweise können mehrere Folienstreifen, zu einem Gewebe verarbeitet werden, das dann als Absorberschicht auf das Tragelement aufgebracht wird und dieses überdeckt. Die ein­ zelnen Folienstreifen werden dazu z. B. verwebt. Man erreicht vorteilhafterweise, dass die Absorberschicht aus mindestens zwei miteinander verbundenen Lagen besteht.

Beispielsweise können mehrere Tragelemente und mehrere Absor­ berschichten alternierend aufeinanderfolgend angeordnet wer­ den. Man erhält auf diese Weise ein besonders gut abschirmen­ des Absorberelement.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, dass ein Absorberelement hergestellt werden kann, bei dem die Absorberschicht stabil und zuverlässig auf dem Tragelement haftet. Das hergestellte Absorberelement zeichnet sich dadurch aus, dass es ohne Wartung lange zuver­ lässig eingesetzt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel für das Verfahren nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:

Die Zeichnung zeigt ein Absorberelement, das aus einem Trag­ element 1, einer Absorberschicht 2 und einem Deckblech 3 auf­ gebaut ist. Die Absorberschicht 2 besteht aus einem amorphen, metallischen Grundwerkstoff. Dieser besteht bis auf Verunrei­ nigungen aus 1 bis 4 Atom-% Silizium, 5 bis 11 Atom-% Chrom, 7 bis 12 Atom-% Eisen, mindestens 22 Atom-% Bor als Neutronen absorbierendes Element, mindestens einer Dotierung, die Mo­ lybdän oder Titan sein kann, und im übrigen aus Nickel.

Die Absorberschicht ist mit einem Nd:YAG-Laser-Schweißverfah­ ren auf das Tragelement 1 aufgeschweißt. Die Absorberschicht 2 ist durch ein Deckblech 3 überdeckt, das punktuell mit dem Tragelement 1 verschweißt ist. Die dazwischen liegende Absor­ berschicht 2 ist dabei punktuell kristallin geworden, wodurch kristalline Nieten das Deckblech 3 mit dem Tragelement 1 ver­ binden. Durch die Schweißnieten 4 ist die Absorberschicht 2, die sonst amorph ist, unterbrochen. Die nur in größeren Abständen notwendigen Schweißnieten 4 stören jedoch die Wirkung der Absorberschicht 2 praktisch nicht. Andererseits gewähr­ leisten die Schweißnieten 4 eine einfache und zuverlässige Befestigung der Absorberschicht 2 auf dem Tragelement 1.

Die Absorberschicht 2 kann aus mehreren Folienstreifen gebil­ det werden, die miteinander verwebt werden.

Die Absorberschicht 2 kann auch aus mehreren Folien aufgebaut sein. Es können auch mehrere Tragelemente 1 und mehrere Ab­ sorberschichten 2 alternierend aufeinanderfolgend angeordnet sein.

Während das Tragelement 1 und auch das Deckblech 3 aus übli­ chem Stahl bestehen, ist die Absorberschicht 2 in der Regel aus einer Chrom-Eisen-Nickel-Silizium-Legierung aufgebaut, der ein Neutronen absorbierendes Element, in der Regel Bor, beigefügt ist.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung lassen sich dauerhaft stabile Absorberelemente aufbauen, aus denen z. B. ein Brenn­ elementlagergestell hergestellt werden kann.

Claims (11)

1. Verfahren zum Herstellen eines Absorberelements, wobei auf ein Tragelement (1) eine Absorberschicht (2) aufgebracht wird, die aus einem amorphen, metallischen, zumindest ein Neutronen absorbierendes Element enthaltenden Grundwerkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff, bis auf Verunreinigungen, aus Nickel, Sili­ zium, Chrom, Eisen, mindestens einem Neutronen absorbierenden Element und mindestens einer Dotierung besteht, und dass die Absorberschicht (2) aus mindestens einer Folie oder mindes­ tens einem Blech gebildet wird, die auf das Tragelement (1) aufgebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Neutronen absorbierende Element Bor ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bor mit dem Isotop B10 angereichert ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff eine Kombination aus mehreren Neutronen absor­ bierenden Elementen enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff, bis auf Verunreinigungen, aus 1 bis 4 Atom-% Silizium, 5 bis 11 Atom-% Chrom, 7 bis 12 Atom-% Eisen, min­ destens 22 Atom-% Bor als Neutronen absorbierendes Element, mindestens einer Dotierung und im übrigen aus Nickel besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff mit Molybdän und/oder Titan dotiert ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab­ sorberschicht (2) auf das Tragelement (1) aufgeschweißt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab­ sorberschicht (2) mit einem Nd:YAG-Laser-Schweißverfahren oder mit einem vergleichbaren Schweißverfahren auf das Trag­ element (1) aufgeschweißt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab­ sorberschicht (2) durch ein Deckblech (3) überdeckt wird und dieses punktuell mit dem Tragelement (1) verschweißt wird, wobei die dazwischen liegende Absorberschicht (2) punktuell kristallin wird und sowohl mit dem Deckblech (3) als auch mit dem Tragelement (1) verbunden wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab­ sorberschicht (2) aus mehreren Folienstreifen gebildet wird, die miteinander verwebt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Tragelemente (1) und mehrere Absorberschichten (2) alternie­ rend aufeinanderfolgend angeordnet werden.