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Vorrichtung zum beiderseitigen Anschweißen oder -löten einer Vielzahl
von parallelen Kernreaktorstähen an zwei gelochten Endplatten In der Reaktortechnik
ergibt sich oftmals die Aufgabe, ein größeres Bündel von Rohren, die mit Spaltstoff
gefüllt sind, in zwei gelochte Endplatten einzulöten oder einzuschweißen und das
ganze Gebilde als Brennelement zu verwenden. Hierbei werden hohe Anforderungen an
die Maßhältiglceit gestellt, da bereits durch geringe Abweichungen Ungleichmäßigkeiten
in der Kühlung entstehen können.
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Die erforderliche Maßhaltigkeit kann mit besonderen Hilfseinrichtungen
erreicht werden. Aus der allgemeinen Schweißtechnik ist es bekannt, für das Schweißen
benötigte Hilfsteile nachträglich durch chemische Zersetzung zu entfernen. Es ist
weiterhin üblich, die gegenseitige Lage der einzelnen Stäbe oder Rohre durch dazwischen
angeordnete, normalerweise gekreuzte, Abstandsstege während des Schweiß- oder Lötvorganges
zu fixieren und die Abstandsstege anschließend wieder herauszuziehen. Dieser Vorschlag
hat jedoch den Nachteil, daß, da es durch die Wärmebehandlung zu Spannungen innerhalb
des Körpers kommt, das Herausziehen der Abstandsstege mit Schwierigkeiten verbunden
ist. Beschädigungen der Rohre oder Stäbe sind nicht zu vermeiden. Mit der Vorrichtung
zum beiderseitigen Anschweißen oder -löten einer Vielzahl von parallelen Kernreaktorbrennstäben
an zwei gelochten Endplatten nach der Erfindung, die erfindungsgemäß aus in mehreren
Ebenen angeordneten, chemisch zersetzbaren Abstandsstegen, die sich gitterartig
kreuzen oder miteinander verzahnt sind und aus einem die Abstandsstege sowie die
Brennstäbe in Anlage haltenden Spannrahmen besteht, werden diese Schwie-rigkeiten
umgangen.
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Die nachfolgenden Ausführungen behandeln beispielsweise eine Vorrichtung
zum Herstellen eines Brennelements für Kernreaktoren.
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In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein fertiges Brennelement in perspektivischer
Ansicht mit Toleranzangaben für die räumlichen Abmessungen, Fig. 2 einen Längsschnitt
durch einen Brennstab, Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Endplatte mit der Darstellung
der Reihenfolge des Heftvorganges zum vorläufigen Zusammenbau des Brennelements,
Fig. 4 ein derartiges Brennelement mit der Justiereinrichtung, jedoch ohne obere
Endplatte, und Fig. 5, 6 und 7 die Spanneinrichtung für den Entspannungsglühvorgang
in Einzelteilen sowie in Verbindung mit dem fertigen Brennelement.
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Die Herstellung des in Fig. 1 dargestellten Brennelements geschieht
in folgender Weise: Zunächst werden die Brennstäbe nach Fig. 2 hergestellt. Ein
Zirkonrohr 37 wird mit Spaltstofftabletten 39 gefüllt und an beiden Enden mit den
Stopfen 51 versehen, die mit dem Brennstabrohr 37 gasdicht verschweißt werden. Diese
so hergestellten Brennstäbe werden entsprechend Fig.4 unter Zwischenlegen von Abstandsstegen
in die untere Platte 31 eingesetzt. In den mittleren Zonen finden dabei einfache
Abstandsstege, die mit den Nummern 59, 61, 63 und 65 versehen sind, Verwendung.
In den äußeren Zonen sind die Abstandsstege 55 und 57 an den Kreuzungspunkten mit
Schlitzen versehen und liegen damit im Gegensatz zu den erstgenannten in einer Ebene.
Dieser ganze Stapel wird durch Seitenplatten 67 begrenzt, die gleichzeitig auch
für die gleichmäßige Lage der Abstandsstege Sorge tragen und in ihrer Lage durch
einen einfachen Drahtbund 69 gehalten werden. Anschließend wird oben die zweite
gelochte Endplatte 33 aufgesetzt.
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Diese lose Zusammensetzung des Brennstabstapels wird durch eine Heftverbindung
zwischen den Enden der Brennstäbe 35 mit den Endplatten 31 bzw. 33 zu einem zunächst
stabilen Gebilde. Die Heftschweißung darf nicht willkürlich erfolgen, vielmehr muß
dafür Sorge getragen werden, daß die Wärmeausdehnung
des gesamten
Stapels infolge der Schweißwärme möglichst gleichmäßig erfolgt. Die einzelnen Heftpunkte
71, die durch Schutzgasschweißung hergestellt werden, werden deshalb in einer derartigen
Reihenfolge gesetzt, daß damit eine etwa gleichmäßige Erwärmung der Endplatten erzielt
wird. Ein Beispiel für eine zweckmäßige Reihenfolge gibt Fig. 3, worin die Reihenfolge
der einzelnen Schweißpunkte mit den Ziffern 1 bis 28 gekennzeichnet ist.
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Nachdem auf diese Weise eine Verfestigung des Stapels stattgefunden
hat, wird die eigentliche Verschweißung der Brennstabenden 51 mit den Endplatten
31 und 33 durchgeführt. Dies geschieht ebenfalls in einem Schutzgasschweißverfahren
mit Hilfe einer nicht abbrennenden Elektrode, die in üblicher Weise durch einen
Spezialantrieb an der kreisrunden Schweißnaht entlang geführt wird. Die Reihenfolge
der einzelnen Schweißungen folgt den gleichen Gesichtspunkten, wie sie bereits für
das Anheften maßgebend waren. Damit wird wiederum eine gleichmäßige und einigermaßen
gleichzeitige Ausdehnung aller erwärmten Teile erzielt und damit der Verzug des
ganzen Gebildes so niedrig wie möglich gehalten.
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Trotz dieser gleichmäßigen Erwärmung aller Teile während des Schweißvorganges,
der innerhalb eines mit Schutzgas gefüllten Gehäuses stattfindet, sind Spannungen
in dem geschweißten Stapel nicht ganz zu vermeiden. Zur Beseitigung dieser Spannungen
wird daher, wie auch sonst üblich, dem Schweißvorgang ein Entspannungsglühen nachgeschaltet,
das selbstverständlich ebenfalls wieder in einer Schutzgasatmosphäre stattfinden
muß. Damit wird eine absolut einwandfreie Oberfläche der Zirkonrohre und auch der
Endplatten, die ebenfalls aus Zirkon bestehen, gewährleistet. Außerdem werden dadurch
eventuelle Korrosionserscheinungen an Schweißstellen wieder rückgängig gemacht.
Zur Vakuumglühung sind jedoch besondere Vorkehrungen notwendig, da nunmehr der gesamte
Stapel einschließlich der Abstandsleisten erwärmt wird. Diese Abstandsleisten, die
beispielsweise aus einem mit Titan beruhigten Stahl bestehen, werden ebenfalls mit
erwärmt, so daß sich für den ganzen Stapel ein Ausdehnungskoeffizient ergibt, der
durch die beiden Aufbauwerkstoffe Zirkon (bzw. eine Zirkonlegierung) und diesen
Stahl bedingt ist. Dieser Erscheinung muß die Spannvorrichtung, die für den Glühvorgang
Verwendung findet, entsprechen. Die Spannklammern 181, wie sie in Fig. 6 gezeigt
werden, bestehen aus Stäben die sich in demselben Grade ausdehnen wie die Stapelanordnung
einschließlich der Abstandshalter. Sie sind um den Stapel herum um 90° versetzt,
damit die Ausdehnungsglieder nach jeder Richtung wirksam sein können. Jede Klammereinrichtung
181 hat ein Paar verstärkte Halteleisten 183 und 184
aus rostfreiem
Stahl, die durch die Spannbolzen 185 im Eingriff mit dem Stapel gehalten werden.
Jeder Spannbolzen besteht aus einem Stab 187 aus Molybdän und einem Stab 189 aus
rostfreiem Stahl. Der Molybdänstab 187 hat an seinen Enden die Gewinde 191 und 193.
Der zweite Teil des Bolzens 189 besteht aus rostfreiem Stahl und ist über die Gewinde
203 und eine Mutter 201 mit dem Molybdänstab 187 verschraubt. Die Mutter 201 ist
vorgesehen, um die Ausdehnungseigenschaften dieses aus zwei Materialien bestehenden
Bolzens einstellen zu können. Dieser Bolzen 185 spannt nun die beiden Schienen 184
und 183 mit Hilfe der Muttern 205 und 195 und 197 unter Zwischenlage von Beilagscheiben
199 auf das erforderliche Maß zusammen.
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Fig. 5 zeigt diese Spannvorrichtung in Einzelteilen, Fig. 6 zusammengeschraubt
und Fig.7 im Eingriff mit dem Brennelement, fertig zur Entspannungsglühung.
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Nach Beendigung der Entspannungsglühung werden die Spannklammern,
die jeder Wärmeausdehnungsbewegung des Stapels folgen, abgenommen. Jetzt befinden
sich im Stapel nur noch die Abstands-Stege. Ohne Beschädigung der Zirkonrohre lassen
sich diese nicht mehr aus dem Stapel entfernen. Sie werden daher, und dies ist das
besondere Kennzeichen dieser Erfindung, mit Hilfe von Salpetersäure, die das Material
des Brennelements (Zirkon oder eine Zirkonlegierung) nicht angreift, chemisch herausgelöst.
Auf diese einfache Weise wird ein Brennelement erhalten, das hohen Genauigkeitsanforderungen
entspricht und keinerlei mechanische Deformationen durch die Justiereinrichtung
erleidet. Derartige Brennelemente werden an den beiden Stirnseiten noch mit Bohrungen
zum Wasserdurchtritt versehen und hintereinander in die Brennstoffkanäle eines.
Atomreaktors eingeschoben.