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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Spaltmaterialrohrs für Brennstäbe von Kernkraftwerken, auf dessen Mantelfläche ein umlaufender Abstandhalter erzeugt wird. Spaltmaterialrohre der eingangs angegebenen Art sind beispielsweise durch G. E. McCreery et al., „Design of Wire-Wrapped Rod Bundle Matched Index-of-Refraction Experiments”, Proceedings of the 16th International Conference an Nuclear Engineering, Vol. 3, im Mai 2008 beschrieben worden. Danach werden derartige Spaltmaterialanordnungen in Brennstäben von Kernkraftwerken verwendet, welche mit Flüssigmetall gekühlten Kraftwerkskonzepten folgen. Die einzelnen Spaltmaterialrohre werden beispielsweise aus Edelstahl gefertigt und in deren Inneren wird das uranhaltige oder plutoniumhaltige spaltbare Material eingebracht. Zwischen den einzelnen Spaltmaterialrohren muss ein Abstand eingehalten werden, wobei dieser durch eine helixförmige Drahtwicklung um die Spaltmaterialrohre herum sichergestellt wird.
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Eine Anordnung der Drähte als helixförmige Abstandselemente hat den Vorteil, dass es keine durchgehenden ringartigen Abstandshalter zwischen den Spaltmaterialrohren gibt, wodurch eine Blockade im Kühlmittelfluss um die Spaltmaterialrohre herum vermieden werden kann. Vielmehr wird das Kühlmittel in dem Brennstab auf helixförmigen Bahnen um die einzelnen Spaltmaterialrohre herumgeführt, was eine Turbulenz der Strömung fördert und dadurch den Wärmeübergang von den Spaltmaterialrohren in das Kühlmittel verbessert.
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Die Drähte werden punktuell mit den Spaltmaterialrohren verschweißt. An den Schwerpunkten entsteht eine etwas andere Dicke der Wicklung, so dass der Draht als Abstandhalter nicht vollständig gleichmäßige Abstände zwischen den Spaltmaterialrohren gewährleistet. Außerdem entstehen durch die Drahtwickeltechnik unvermeidbar kleine Spalte zwischen den Spaltmaterialrohren und den sie umgebenden Drähten, weswegen eine derartige Anordnung empfindlich gegenüber mechanischen Strukturresonanzen im Bereich von ca. 10 bis 100 Hz ist und hierdurch eine mechanische Beanspruchung, insbesondere der Schweißpunkte der Drähte, auf den Spaltmaterialrohren nicht ausgeschlossen werden kann.
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Gemäß der
DE 1 764 909 B ist es bekannt, dass Spaltmaterialrohre mit rippenartigen, einstückig mit dem Spaltmaterialrohr hergestellten, helixförmigen Abstandhaltern versehen werden können, die sich jeweils auf benachbarten Spaltmaterialrohren abstützen, wenn diese als Brennelement gebündelt werden. Gemäß der
US 4,324,618 A ist es bekannt, dass die helixartigen Rippen auch als parallel am Umfang des Spaltmaterialrohres verlaufende Helixabschnitte ausgebildet sein können. Gemäß der
DE 1 042 776 B können auch rippenartige Abstandhalter vorgesehen werden, die schraubenförmig sind und ineinander verschachtelt parallel verlaufen.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, für ein Spaltmaterialrohr für Brennstäbe von Kernkraftwerken, die mit umlaufenden Abstandhaltern vergleichsweise hoher Maßgüte und vergleichsweise geringer Störanfälligkeit ausgestattet sind, ein Verfahren zur Herstellung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das oben genannte Verfahren dadurch gelöst, dass der Abstandhalter durch Kaltgasspritzen eines umlaufenden Bandes oder mehrerer jeweils Teilumfänge des Spaltmaterialrohres abdeckender Bänder erzeugt wird.
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Die Verwendung des Kaltgasspritzens als Alternative zur beschriebenen Drahtwickeltechnik gemäß dem Stand der Technik ist vorteilhaft ebenso gut geeignet, um insbesondere helixförmige Strukturen als Abstandhalter um ein Spaltmaterialrohr zu erzeugen. Im Gegensatz zur Drahtwickeltechnik, in der der Wickeldraht in diskreten Abständen mit Schweißpunkten an das Spaltmaterialrohr angebunden werden muss, kann bei der Verwendung der Kaltspritztechnik ein über die ganze Länge mit dem Spaltmaterialrohr stoffschlüssig verbundenes Band erzeugt werden, welches vorteilhaft auch eine bessere Wärmeanbindung an das Spaltmaterialrohr aufweist als ein Draht. Außerdem können, wie bereits erwähnt, Schwingungen vermieden werden, die eine Beschädigung des Abstandhalters zur Folge haben können. Zuletzt ergibt sich durch das Kaltgasspritzen des Abstandhalters eine größere Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Geometrie des erzeugten Abstandhalters.
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Vorteilhaft ist es, wenn beim Kaltgasspritzen des Abstandhalters eine gleichzeitig axiale und radiale Relativbewegung zwischen einer den Kaltgasstrahl erzeugenden konvergentdivergenten Düse und dem Spaltmaterialrohr erzeugt wird. Diese beiden Anteile der Relativbewegung sind notwendig, damit eine helixförmige Gestalt des Abstandhalters auf der Mantelfläche des Spaltmaterialrohrs erzeugt wird.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Abstandhalter mit einem abtragenden Bearbeitungsverfahren derart nachbearbeitet wird, dass sich die Maßtoleranzen hinsichtlich der Höhe des Abstandhalters auf der Mantelfläche verringern. An sich ist es möglich, mittels des Kaltgasspritzens eine Gleichmäßigkeit der Dicke des Abstandhalters zu gewährleisten, die im Bereich weniger 100stel mm liegt. Sollte eine Genauigkeit in diesem Bereich nicht ausreichen, so muss eine Nachbearbeitung erfolgen, und zwar mit einem Verfahren, welches eine höhere Maßhaltigkeit bei der Bearbeitung der Oberseite des Abstandhalters gewährleistet. Dies kann beispielsweise mittels eines spanenden Abtragungsverfahrens sichergestellt werden. Hierdurch lassen sich auch größere Toleranzwerte ausgleichen, die eventuell beim Kaltgasspritzen durch einen Fehler im Kaltgasspritzprozess zustande kommen, so dass solche Bauteile nicht verworfen werden müssen.
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Vorteilhaft ist der Abstandhalter aus demselben Material, vorzugsweise Edelstahl, gefertigt wie das Spaltmaterialrohr. Hierdurch kann eine besonders gute Haftung des Abstandhalters auf dem Spaltmaterialrohr gewährleistet werden. Außerdem kann hierdurch die Bildung von Lokalelementen verhindert werden, die eventuell eine Korrosion begünstigen würden.
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Der Abstandhalter kann durch ein umlaufendes Band oder mehrere jeweils Teilumfänge des Spaltmaterialrohres abdeckende Bänder hergestellt werden, die/das über ihre/seine gesamte Länge mit der Mantelfläche stoffschlüssig verbunden ist. Durch die stoffschlüssige Verbindung mittels Kaltgasspritzen wird vorteilhaft erreicht, dass der erfindungsgemäße Abstandhalter über die gesamte Länge fest im Spaltmaterialrohr anliegt. Eine solche Anordnung ist überhaupt nicht störanfällig gegenüber Schwingungen, so dass eine dauerhafte Festigkeit des Abstandshalters auf dem Spaltmaterialrohr vorteilhaft gewährleistet ist. Außerdem gibt es keine Schweißpunkte am Abstandhalter, die dazu führen, dass dieser dort eine größere Dicke aufweist. Vielmehr ist eine konstante Höhe des Abstandhalters auf der Mantelfläche des Spaltmaterialrohrs gewährleistet, weswegen die erfindungsgemäßen Spaltmaterialrohre vorteilhaft mit einer höheren Maßhaltigkeit in dem betreffenden Brennstab angebracht werden können.
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Die vollständige stoffschlüssige Verbindung des Abstandhalters ermöglicht es außerdem, dass dieser nicht einstückig über die gesamte Länge des Spaltmaterialrohres verlaufen muss, sondern auch in mehrere Abschnitte also einzelne Bänder geteilt werden kann, die jeweils nur Teilumfänge des Spaltmaterialrohrs abdecken. Hierdurch entsteht vorteilhaft ein größerer Gestaltungsspielraum hinsichtlich der geometrischen Ausführung des Abstandhalters, der damit weitergehend hinsichtlich der angestrebten Strömungsverhältnisse des Kühlmittels angepasst werden kann (hierzu im Folgenden mehr).
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Der Abstandhalter kann so hergestellt werden, dass er das Spaltmaterialrohr helixförmig umläuft. Hierdurch können die bereits erwähnten Vorteile erreicht werden, dass eine turbulente Strömung erzeugt wird, die einen besseren Wärmeübergang vom Spaltmaterialrohr hin zum dieses umfließenden Kühlmittel gewährleistet.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Abstandhalter jeweils durch Helixabschnitte hergestellt wird, die in ihrer Folge entlang des Spaltmaterialrohrs, also dessen Längsausdehnung, versetzt und/oder mit entgegengesetzter Steigung angeordnet sind. Hierbei handelt es sich um Maßnahmen, die den Spielraum ausschöpfen, den Fluss des Kühlmittels um das Spaltmaterial herum durch eine entsprechende Gestaltung von Helixabschnitten des Abstandhalters zu beeinflussen. Ein versetztes Anordnen führt an den jeweiligen Enden der Helixabschnitte zu Verwirbelungen, die zusätzliche Turbulenz schaffen. Wird bei aufeinanderfolgenden Helixabschnitten auch die Steigung entgegengesetzt ausgeführt (also ein Wechsel von positiver und negativer Steigung hinsichtlich eines bestimmten Drehsinns um das Spaltmaterialrohr herum), dann wird die Strömung des Kühlmittels zwischen den einzelnen Helixabschnitten jeweils in einen entgegengesetzten Drall versetzt. Hierdurch können die entstehenden Turbulenzen im Kühlmittel weiter gesteigert werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Abstandhalter einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Hierdurch entsteht eine zur Mantelfläche des Spaltmaterialrohres parallele Anlagefläche für benachbarte Spaltmaterialrohre, die ein zuverlässigeres Anliegen des Abstandhalters an den benachbarten Spaltmaterialrohren gewährleistet. Im Vergleich zur Verwendung eines Drahtes mit rundem Querschnitt, der lediglich eine punktuelle Anlagefläche zum benachbarten Spaltmaterialrohr aufweist, kann mit einem rechteckigen Querschnitt eine linienförmige Auflage geschaffen werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als schematische Aufsicht
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2 eine dreidimensionale Ansicht eines Spaltmateralrohrs und
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3 und 4 weitere Ausführungsbeispiele des Spaltmaterialrohrs als schematische Aufsichten mit Varianten hinsichtlich der Geometrie des Abstandhalters.
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Bei dem Verfahren zum Kaltgasspritzen gemäß 1 wird mittels einer konvergent-divergenten Düse 11 ein Kaltgasstrahl 12 mit Beschichtungspartikeln aus Edelstahl auf ein Spaltmaterialrohr 13, welches ebenfalls aus Edelstahl besteht, aufgetragen. Hierbei wird die Düse 11 in der Zeichenebene linear parallel zu einer Drehachse 14 des Spaltmaterialrohrs bewegt, wobei diese Drehachse 14 ebenfalls in der Zeichnungsebene liegt. Um diese Drehachse wird das Spaltmaterialrohr gedreht. Die Drehbewegung sowie die lineare Bewegung sind durch Pfeile 15 angedeutet. Die lineare Bewegung der Düse 11 und die Drehbewegung des Spaltmaterialrohrs 13 sind derart aufeinander abgestimmt, dass durch das Kaltgasspritzen auf einer Mantelfläche 16 des Spaltmaterialrohres ein Abstandhalter 17 in Form einer Helix entsteht. Dieser weist eine Höhe h, gemessen von der Mantelfläche 16 auf. So weit der Abstandhalter in seiner Höhe aufgrund von Fertigungstoleranzen beim Kaltgasspritzen zu hoch ausgefallen ist, kann die Höhe mittels eines Fräskopfes 18 durch eine Nachbearbeitung korrigiert werden.
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Eine dreidimensionale Darstellung des Spaltmaterialrohrs 13 gemäß 1 ist in 2 dargestellt. Hier ist auch der Verlauf des helixförmigen Abstandhalters 17 zu sehen. Weiterhin ist zu erkennen, dass der Abstandhalter 17 einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, so dass dieser für benachbarte Rohre eine parallel zur Mantelfläche 16 liegende Anlagefläche 19 für benachbarte Spaltmaterialrohre (nicht dargestellt) aufweist.
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Als Alternativen zu dem helixförmigen Verlauf des Abstandhalters 17 gemäß 2 können auch Helixabschnitte 20 vorgesehen werden, die sich jeweils immer nur über einen geringen Radialbereich r der Mantelfläche 16 erstrecken. Gemäß 3 ist dargestellt, dass diese Helixabschnitte 20 auf jeweiligen Kreisringabschnitten k der Mantelfläche 16 parallel verlaufen, wobei diese so ausgeführt sind, dass über den gesamten Umfang des Spaltmaterialrohres innerhalb des Kreisringes k die Radialbereiche r direkt aneinander stoßen. Die Helixabschnitte benachbarter Kreisringabschnitte k sind jeweils versetzt angeordnet, so dass an den jeweiligen Enden, gesehen in einer Strömungsrichtung 21 Verwirbelungen und Turbulenzen 22 entstehen, die die Kühlleistung des nicht dargestellten Kühlmediums vergrößern.
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Gemäß 4 sind die Helixabschnitte benachbarter Kreisringabschnitte jeweils mit entgegengesetzter Steigung angeordnet. Hierdurch wird die Strömung 21 des nicht dargestellten Kühlmittels immer wieder umgeleitet, wodurch ebenfalls die Kühlleistung steigernde Tuburlenzen 22 entstehen. Auch hier grenzen die zur 3 beschriebenen Radialbereiche r direkt aneinander (was leicht zu erkennen ist, auch wenn sie in 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet sind).
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In 5 ist der Querschnitt durch einen Brennstab 23 dargestellt. Dieser weist ein Gehäuse 24 auf, in dem Spaltmaterialrohre 13 dicht gepackt in einem hexagonalen Muster angeordnet sind. In den Spaltmaterialrohren 13 ist das plutoniumhaltige oder uranhaltige Spaltmaterial 25 untergebracht. Außerdem sind in 5 die Abstandhalter 17 zu erkennen, die den Abstand h der Spaltmaterialrohre 13 untereinander festlegen. Dort ist auch der rechteckige Querschnitt dieser Abstandhalter 17 zu erkennen. Außerdem ist zu erkennen, dass die Abstandhalter 17 benachbarter Spaltmaterialrohre 13 derart ineinander verschachtelt angeordnet sind, dass diese niemals auf einem anderen Abstandhalter, sondern auf der Mantelfläche 16 des benachbarten Spaltmaterialrohres 13 zu liegen kommen. Der Abstand der Spaltmaterialrohre 13 untereinander ist also durch die einfache Höhe h der Abstandhalter 13 definiert.
