DE1236090B - Kernspaltstoffstab - Google Patents

Description

DEUTSCHES JwfrTWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT DeutscheKl.: 21g-21/20

Nummer: 1236 090

Aktenzeichen: B 69038 VIII c/21;

J 236 090 Anmeldetag: 1.Oktober 1962

Auslegetag: 9. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernspaltstoffstab mit einem langgestreckten, das spaltbare Material enthaltenden Rohr, das einen becherförmigen Endverschluß von kreisförmigem Querschnitt aufweist, der mit dem Rohrende verschweißt ist.

Kernspaltstoffstäbe bilden den Kern bzw. den reaktionsfähigen Teil eines Kernreaktors, wobei sie dicht nebeneinander angeordnet sind, um die kritische Masse und Form zu bekommen, die zur Unterhaltung einer Kettenreaktion der Kernspaltung notwendig sind. Derartige Spaltstoffstäbe bestehen im allgemeinen aus dünnwandigen Rohren geringen Durchmessers mit einer Füllung aus kleinen Körperchen oder aus einem Pulver, die ein spaltbares Material, wie z. B. Uran, enthalten. Die Endverschlüsse der Rohre bieten dabei besondere technische Probleme. Da die Schweißnähte derselben stark wechselnden Drücken und Temperaturgefällen ausgesetzt sind und dennoch keine Spaltproduktgase durchlassen dürfen, die bei der Spaltungsreaktion in den Rohren des Kernreaktors gebildet werden, müssen die Endverschlüsse und die Schweißnähte zu deren Abdichtung von tadelloser Beschaffenheit sein.

Da ein Kernreaktor mehr als 20 000 einzelne Spaltstoffstäbe haben kann, die an beiden Enden verschlossen sein müssen, so daß also mehr als 40 000 Endverschlüsse einzuschweißen sind, muß ein solcher Endverschluß so hergestellt werden, daß die allergrößte Gewähr für Dichtheit geboten ist. Ein derartiges Erfordernis wird noch erschwert durch den Umstand, daß es fast unmöglich ist, das fertige eingeschweißte Ende mit irgendeinem Grad der Sicherheit nach einer gegenwärtig verfügbaren Methode ohne Zerstörung des Werkstoffs auf seine Qualität zu prüfen. Man muß sich also schon bei der Fertigstellung des Endverschlusses dessen tadelloser Beschaffenheit völlig sicher sein und diese Sicherheit nicht erst durch einen nachfolgenden Test zu gewinnen suchen.

Zusätzliche Probleme entstehen dann, wenn, wie es bei mehreren jetzt errichteten oder im Bau begriffenen Kernreaktoren der Fall ist, die Rohre der Spaltstoffstäbe aus rostfreiem Stahl mit einem Gehalt von 0,03 bis zu 0,05 % an Bor hergestellt sind, denn das Bor wirkt im Reaktorkern als spaltbares Gift bzw. Neutronenfänger. Rohre aus einem solchen Werkstoff zeigen aber eine große Neigung zur Rißbildung während des Schweißens, wodurch die Wahrscheinlichkeit für eine annehmbare Schweißverbindung sehr herabgesetzt wird.

Die gegenwärtig verwendeten Endverschlüsse sind allgemein von zylindrischer Form, und zwar entweder Kernspaltstoffstab

Anmelder:

The Babcock & Wilcox Company,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. W. Eule, Dr. W. Berg und Dipl.-Ing. O. Stapf, Patentanwälte, München 2, Hilblestr. 20

Als Erfinder benannt:
Herbert Edward Flora,
George Knowlson Shield,
Lynchburg, Va. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 3. Oktober 1961
(142 646)

vollkörper- oder becherförmig gestaltet, mit einem Außendurchmesser, der etwas größer ist als der Innendurchmesser der abzudichtenden Rohre der Spaltstoffstäbe, so daß der Endverschluß mit Haftsitz in das Rohr hineinpaßt. Diese Endverschlüsse werden in die Rohrenden hineingepreßt, bis das Ende des Verschlusses bündig mit dem Ende des Rohres abschließt. Die Stirnflächen von Endverschluß und Rohr werden dann verschweißt. Infolge der großen Zahl der anzufertigenden Schweißverbindungen erfolgt deren Herstellung normalerweise auf Schweißautomaten. Diese setzen einen genau kreisrunden Verlauf des durch die Schweißung zu verbindenden Spaltes voraus. Beim Einschieben zylindrischer Endverschlüsse wird jedoch die Stabhülle in den meisten Fällen zu einer mehr oder weniger elliptischen Form deformiert, was die Bildung einer einwandfreien Schweißnaht verhindert.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Endverschlusses für Spaltstoffstäbe bzw. deren Rohre mit einer durch Verschweißen erreichten Abdichtung, die völlige Sicherheit gewährt und keiner umfangreichen Prüfung bedarf, um die tadellose Beschaffenheit nachzuweisen. Insbesondere soll die Verschweißung auch auf einem Schweißautomaten durchführbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der fest im Rohrende sitzende Endverschluß

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ein von seinem äußeren Ende zu seinem inneren Ende (Becherboden) hin sich verjüngendes Außenprofil besitzt und daß im Anlagebereich von Rohrende und äußerem Ende des Endverschlusses eine Schweißrille vorgesehen ist.

Nachfolgend ist an Hand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel eines Spaltstoffstabes nach der Erfindung erläutert, aus dem weitere Merkmale der Erfindung hervorgehen.

F i g. 1 der Zeichnung ist eine Ansicht, teilweise im Schnitt, eines Spaltstoff Stabes;

F i g. 2 ist eine Ansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Endverschlusses in größerem Maßstab;

F i g. 3 zeigt eine andere Ausführung des Endverschlusses.

Der in der F i g. 1 teilweise im Schnitt dargestellte Spaltstoffstab 10 besteht aus einem länglichen Rohr 12, in dem sich eine Anzahl kleiner Körperchen 14 eines Kernspaltmaterials befinden.

Diese Körperchen nehmen im wesentlichen den ganzen Raum innerhalb des Rohres ein, und es verbleibt nur ein geringes Volumen 16 zwischen den Körperchen und der Innenwandung des Rohres zur Aufnahme der verschiedenen Wärmedehnung zwischen den Körperchen und dem Rohr. Dieser Raum ²S 16 wird in der Regel mit einem Wärmeübertragungsmedium, wie z. B. Helium, angefüllt, um den Wärmeübergang zwischen den Spaltstoffkörperchen und der Rohrwandung zu bewerkstelligen.

Jedes Ende des Rohres 12 wird durch einen End-Verschluß 18, der nachstehend noch ausführlicher beschrieben werden wird, abgedichtet. An jedem Ende der Spaltstoffkörperchensäule wird ein Isolierdistanzstück 20 angeordnet, das dazu dient, das Temperaturgefälle zwischen dem Rohr und dem am Ende der Säule befindlichen Spaltstoffkörperchen herabzusetzen und damit die Spannungen, die infolge der verschiedenen Wärmeausdehnung entstehen, zu vermindern.

F i g. 2 ist ein Schnitt des innerhalb des Endes des Rohres 12 eingesetzten Endverschluß 18, und zwar in größerem Maßstab. Dieser Endverschluß kann beschrieben werden als ein becherförmiges konisches Bauelement von kreisförmigem Querschnitt, das mit dem geschlossenen Ende voran in das Rohrende eingesetzt wird. Dieser im wesentlichen kreisrunde Verschlußstopfen hat einen Außendurchmesser, der etwas größer ist als der Innendurchmesser des abzudichtenden Rohres. Der Endverschluß geht also mit Preßsitz in das Rohrende hinein, womit man sowohl eine mechanische Verbindung als auch die später noch zu beschreibende Schweißverbindung bekommt. Die Außenfläche des Endverschlusses ist allgemein zylindrisch mit einem halbkugelförmigen geschlossenen Ende 22, das in das Rohrende eingesetzt wird, wobei das nach oben offene Ende des Endverschlusses mit dem Ende des Rohres bündig abschließt. Das innere geschlossene Ende 22 des Endverschlusses hat einen geringeren Außendurchmesser als das äußere offene Ende, wodurch man eine sich nach innen verjüngende Außenfläche 24 bekommt. Es ist diese sich verjüngende Außenfläche, die es zuläßt, daß der Endverschluß in das Rohrende eingesetzt werden kann, ohne daß das Rohrende dabei verformt wird, wie weiter unten noch beschrieben werden wird.

In dem äußeren Ende des Endverschlusses befindet sich am Umfang einer Schweißnut 26, die zusammen mit dem Rohrende einen Ringraum für die Ablage-

rung des Schweißmetalls der dichtenden Schweißverbindung (hier nicht dargestellt) abgibt.

F i g. 3 zeigt eine wahlweise Ausführung des Endverschlusses 18. Diese Ausführung ist ähnlich der vorher beschriebenen bevorzugten Ausführungsform, abgesehen davon, daß das geschlossene innere Ende 22' eine ebene Kreisfläche anstatt einer Halbkugelfläche hat. Die sonst gleichen Teile haben auch die gleichen Bezugsnummern wie in der F i g. 2.

Man hat nun festgestellt, daß ein Endverschluß, der mit Preßsitz in das Rohrende eines Spaltstoffstabes eingesetzt wird, das dünnwandige Rohr zu einem ungleichmäßigen Nachgeben veranlaßt, was zu einer hohen Exzentrizität des Rohres führt; daher wird es bei Verwendung einer automatisch arbeitenden Schweißmaschine schwer, einen gleichmäßigen Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Infolgedessen bekommt man eine Schweißverbindung von ungleichmäßigem Querschnitt und ungleichmäßiger Eindringtiefe. Die Verwendung einer allmählichen Verjüngung an der Außenfläche des Endverschlusses gestattet ein allmählicheres und damit ein gleichmäßigeres Nachgeben der Rohrwandung. Damit wird ein Unrundwerden bzw. eine elliptische Verformung des Rohres verhindert, wodurch es für eine automatisch arbeitende Schweißmaschine möglich wird, die Anschlußlinie genau zu verfolgen, und zwar mit der erforderlichen Stabilität des Lichtbogens und der gleichmäßigen Eindringtiefe der Schweißung.

Die Schweißnut trägt zu der Erzeugung einer zufriedenstellenden Schweißung bei, indem ein genau umgrenzter Kanal für das Schweißmetall vorhanden ist, den der Lichtbogen umfahren kann, was weiterhin zu der Stabilität des Lichtbogens beiträgt. Ferner sorgt diese Schweißnut für eine gleichmäßigere Verteilung der Wärme an der Wurzel der Schweißnaht, bei gleichmäßiger Eindringtiefe der Schweißung und gleichmäßiger Abkühlung der Wurzel der Schweißnaht. Es ist diese gleichmäßige Abkühlung, die dazu beiträgt, die Bildung von Rissen an der Wurzel der Schweißung zu verhindern, und zwar durch Herabsetzen der während des Schweißvorganges auftretenden Wärmespannungen.

Ein spezifisches Beispiel für einen Spaltstoffstab und den dazugehörigen Endverschluß ist das folgende: Dieser Spaltstoffstab wird hergestellt aus einem Rohr aus rostfreiem Stahl Typ 304 mit einem Außendurchmesser von rund 7,72 mm und einer Wandstärke von 0,508 mm. Der Endverschluß wird aus rostfreiem Stahl Typ 308 hergestellt; er hat am äußeren Ende einen Außendurchmesser von rund 6,76 mm und eine Wandstärke von 0,5334 mm. Die äußere Mantelfläche des Endverschlusses hat eine Konizität bzw. eine Verjüngung um 0,0381 mm auf eine Länge von 3,175 mm vom äußeren zum inneren Ende. In der Außenfläche des äußeren Endes des Endverschlusses ist eine Schweißnut gebildet mit einer Tiefe von 0,2032 mm und einem Abstand von 0,762 mm vom Ende. Der Endverschluß wird in das Rohrende vorzugsweise mit einem Festsitz in der Größenordnung von 0,0508 mm eingesetzt.

Die Anschlußstelle zwischen Endverschluß und Rohrende wird dann auf einer automatisch arbeitenden Schweißmaschine verschweißt, und zwar mittels einer Elektrode von 1,016 mm Durchmesser in einem Abstand von 0,635 mm vom Ende des Rohres und unter Verwendung eines Schweißstroms von 30 Ampere Stromstärke. Das Rohr wird dabei in einer

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rotierenden Spannpatrone gehalten, die je Minute 3,85 Umdrehungen vollführt, wobei die Schweißung bei einer ganzen Umdrehung erfolgt. Kühlblöcke bekannten Typs sind in einem Abstand von 0,889 mm unter dem Rohrende angeordnet, und die Schweißstelle wird durch Argongas abgeschirmt, das in einer minutlichen Menge von rund 4531 darüber hinwegströmt. Durch die Verwendung eines solchen Endverschlusses mit einer Kegelmantel- bzw. einer sich ver- xo jüngenden Außenfläche und bei Verwendung einer Schweißnut zur Erleichterung der Bildung einer gut dichtenden Schweißraupe wird es möglich, das Ende eines Spaltstoffstabes mit äußerst hoher Gewähr für die tadellose Beschaffenheit hinsichtlich der Abdichtung zu verschweißen. Patentansprüche:

1. Kernspaltstoff stab mit einem langgestreckten, das spaltbare Material enthaltenden Rohr, das einen becherförmigen Endverschluß von kreisförmigem Querschnitt aufweist, der mit dem

Rohrende verschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der fest im Rohrende sitzende Endverschluß (18) ein von seinem äußeren Ende zu seinem inneren Ende (Becherboden) hin sich verjüngendes Außenprofil besitzt und daß im Anlagebereich von Rohrende und äußerem Ende des Endverschlusses eine Schweißrille vorgesehen ist.

2. Kernspaltstoffstab gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnut in der Außenfläche des äußeren Endes des Endverschlusses vorgesehen ist.

3. Kernspaltstoff stab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das das Spaltmaterial aufnehmende Rohr als auch der Endverschluß bzw. die Endverschlüsse aus einem verhältnismäßig dünnwandigen Werkstoff bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 227 586;
britische Patentschriften Nr. 845 913, 873 370;
USA.-Patentschrift Nr. 2 864 758.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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