DE1514958A1

DE1514958A1 - Kernreaktor-Brennstoffelement und Verfahren und Vorrichtung zum Verschliessen eines Schutzrohrs fuer dieses

Info

Publication number: DE1514958A1
Application number: DE19651514958
Authority: DE
Inventors: William Oldfield; Coulter Robert Smith
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1964-04-07
Filing date: 1965-03-31
Publication date: 1969-07-31
Also published as: DE1514958C3; GB1094564A; US3392438A; DE1514958B2

Description

PATENTANWALT Telefon: 32409 DIPL-ING. ERICH SCHUBERT Tele_flr_Qmm.Adr.= Pat.chub, Siegen

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65 037 re/da

Jxiited i'in^dom Atonic ,-ner^y Authority, i'atunta branch, 11 - U, 5hariy8 II Litruut-, ^ondon, ^ . 1, ., η ₍; 1 a η d

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aue der britiachen Patentanmeldung «r, ΐ43β«/64 vom 7. April 1^64 in Aiiepruch

Kernreaktor-Brennstoffelement und Verfahren und Vorrichtung xum Verechließen eines üchutarohre für dieses

Die Fr find vorig besieht eich auf Kernreaktor-Brennstoffelemente.

Kine der aa meisten verwendeten Arten ven Kernreaktor-Brennstoffelementen ist diejenige, bei der Kernbrennstoffmaterial in einen Schut»roht eingehüllt ist. das an seinen üuSeren Enden durch ndkappen abgesohloesen 1st. Jede der beiden ndkappen ist

an die Hülle durch cine 'fmfanga-otumpfBChweiununt :luht an^eechloesen, die durch ein Ar,ijon-;»ichtbo ,enachwöiiivorfahr-Ln hergestellt wird. ;it* Verwendung ti leser geachweidten ridnnppen bedeutet dann Schwierigkeiten, w«na die irenru3tot'r<.iemünte einen kloinen Querschnitt haben, wie dies bei sogenannten Jrenn^toffnadeln der "all iat. 'lese ochwieri^keiten hun_fee . mit erachiodenen i'aktoren zusammen, wie z.J. der Notwendigtelt einer -·;β-nauen Regelung der ^ehweiiJnahtdurohdrinjun_{j, dem testroben, dun durch die ochweiJwfirme an.je.jriffenen iiereich fiö^lichet klein BU halten, der ataache, dali in der unmittelbaren <aohbarüchaft der Jchwöiünaht J-'ihe ^uerachnittBanderungen auftreten, und daw 1 ornwaohetura in den geschweißten / omponenten.

/BBLiü einem Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren sun Abschließen eines ndts «ines Schutaröhre fur ein nadelfürmigt· Kernreaktor-Brennstoffelement das nde durch He«rbeit·* odtr üchaieden bsw, Anspritssn im »essnk /swaging/ geformt, damit sich eine mit öffnung versehene j-inechnUr<ing an diesem bildet, und die üffnunj durch LiohweiJen abgedichtet.

(lemäS sinea weiteren Aspskt der erfindunj wird bei einem Verfahren stm Abscklisflsn eins« ndes »lass bahatsreftrs für ein Kstnr*sJtter-flr»nmetofsU*eeÄ% der nadelfimigei Bauart ein rohr* föraiger 3tUtBkör»*r alt dem genannten Itohrsnd· derart anaaranengebaut, daS sin Abschnitt einer übtrfliehe dieses MairtellB an einer gsgsnUberlisgendsn Fliehe dieses kohrendes angreift, eine ait Öffnung versehene Einschnürung im Bereich der niteinander In

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-ingriff befindlichen Fliehen durch Bearbeiten im itjsenk gebildet und die Öffnung durch bchweiuen dicht verschlossen.

'er Stützbauteil ist vorEugsweise nit einem Absohnitt innerhalb und einem Abschnitt außerhalb des Rohres angeordnet, wobei der Abschnitt außerhalb des Kohra ein gesohloaoenee ^!jide aufweist.

Vorzugsweise werden vor dem Ausbilden der :insohnürung das rohrende und der Stutsbauteil durch bchweitien miteinander verbunden.

Außerdem besteht die Erfindung in einem bο hut«rohr für ein ."lernbrennetol'felement, das einen duroh das vorstehend angegebene verfahren hergestellten ndabttchluß aufweist·

rfindung soll nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnungen näher erläutert werden, und awar zeigen die

Fign. 1-3 vergrößerte Längsschnitte, an denen die versohiedenen btufen bein .ndverechlieüen eines bohuterohrβ eines Kernreaktor-Hrennetoffelementes durah das erfindungs^eoäße Verfahren veranschaulioht sind.

i)le Zeichnungen »eigen ein Kernreaktor-Brennstoffeleaent der nadeiförmigen Gattung, da« Kernbrennetoffmaterial 1 aufweist,

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welch·· «wieohen Pellete 2, 3 aue natürlich·« Uranoxyd eingelegt let» und ein bchuterohr 4» da· den Brennstoff 1 und die Pellets 2, 3 umeohlieüt. Da· Rohr 4 lot typisch aus roitfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von O₁? Zoll (5*08 mm) und einer Wanddick· von U,015 Zoll (0,4 mmX während da·.Brennstoffmaterial 1 typiech angereicherte· Uranoxyd oder Plutoniumoxyd oder ein üenziech au· dieeen in Form eine· Stapele von Pellet· oder in Form von komprimiertem Pulver let. iemäfl der rfindung wird das eine ~nde de· leeren Hohre 4 duroh Bearbeiten im iesenk SU einer mit Öffnung versehenen Mneohnttrung geformt. Haohdea alles iiberachüBaige Material entfernt worden let, wird die öffnung durch eine Argon-xlohtbogenpunktechweiunaht 3 geechbsöen, eo daJ das nde 6 dee Rohre 4 ungefähr halbkugelförmig let.

Nachdem dae κohr 4 gereinigt worden let« werden ein Fixierbauteil 7 au· rostfreiera Stahl da· Pellet ?, dae ßrennetoffmaterlal 1, da· Pellet 3 und ein Pixierbautell θ au· roetfreiera Stahl in der genannten Reihenfolge durch dae offene ^nde 9 des nohre 4 eingeführt. Der Bauteil 7 hat abgerundete oder abgeeohrägte nden 10, 11 und einen längeverlaufenden üägeeohnltt 12, während der Bauteil β «in abgerundetee i^ride 13 und einen längeverlaufenden üägeechnitt 14 aufwelat.

«P Fig_f 1 zeigt einen rohrförmigen ötütsbautall 15, der mit dem

^ Lnde 9 de· Kohra 4 derart suaammengebaut ist, deJ ein Abschnitt ο d«r Außenfläche dee Bauteil· 15 mit der Innenfläche dee ^ehrendβt>

tf> 9 in .eingriff kommt, L>er Abeehnitt dee Bauteile 15 innerhalb to

de· Köhre 4 hat ein offenee -nde mit eine« radial nach innen

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geriohteten Flansch 16, während dasjenige ande d·· Bauteil» 15» das sich außerhalb des Rohr· 4 befindet« in (»esenk bearbeitet» und durch eine Argon-ijiohtbogen-Jfunkteohweiiinaht 17 abgeschlossen wird.

Venn der innere ütUtibauteil 15 und das rohrende 9, wie in Flg. 1 gesengt, suaammeniebaut sind» wird eine durch Argon-.uichtbogeneehweißen hergestellte Umfangskehlnaht 18 gebildet, um dieee beiden komponenten miteinander »u verbinden.

Nachdem die üchweiflnaht 1H hergestellt ist, werden der iauteil 1b und das Jide 9 eine* tfesenkbearbsitung unterzogen, wodurch an der iiaugruppe im Bereich der miteinander im ingriff stehenden Oberflächen eine mit Öffnung versehene Mnaohnürung 19 (Fig. ?) gebildet wird, ^ie -insohnürung 19 wird dann in der eluroh^vpfeile 20 angedeuteten ^inie durchgeschnitten, woduroh die riohweiünähte 17, 18 entfernt und eine Öffnung 21 freigelegt wird. Das Kohr A wird dann entgaat und mit Helium gefüllt, wobei die Öffnung ?1 bentitst wird, die echlioßlich durch eine Helium--lohtbogenechweiöneht 22 (Fig. 3) abgeechloseen wird, wobei der Bauteil 15 und das Rohrende 9 dient miteinander verbunden werden.

o iJie Erfindung ist nicht auf die vorstehend beispielsweise to

anhand der Zeichnungen beschriebenen Einzelheiten begrenst· So

Z^ maü der Bauteil 15 nicht den flansch 16 aufweisen, wenn dies

*- auch insofern vorteilhaft ist, als er einen Ausdehnungsapalt

^ 23 bildet und die fixierung; „bew. Unterbringung des Brennstoffs 1

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und der Pelleta 2, 3 ermöglicht.

Bei der Ausführung von versuchsweisen Kndverschlüsten wurde eine Doppeigesenksohmiedemasohine /two-die swaging machine/ (Stevens A Bullivant No. 10) für die Greaenkbearbeitungen verwendet, Die Rohre der Brennstoff nadeln werden in einem Spannfutter gehalten, das auf einer Trommel sitst, welche auf einem Vorschubtlsoh angebracht ist, der so in Sradβ eingeteilt let, daß die L Inge des in die Gesenke vorgeschobenen Rohres exakt gesteuert werden kann· Ia Längsschnitt glich dabei die Gesenkform einem Bogen mit einem halbkreisförmigen -nde, wobei die beiden Gesenke eine Axialöffnung am Unäe bildeten. Für das Ende 6 iet die Auelaßöffnung kleiner als für das ~nde 9.

Andere experimentelle -^adversohlUsee wurden unter Verwendung einer Doppelgesenk-^rehsohmiedemaechine /two-die rotary swaging machine/ von Stevens und Bullivant No. 4 hergestellt, wobei die Gesenke so geformt waren, daß sie einen geraden kegelförmig zulaufenden Abschnitt swisohen dem Hauptabschnitt des Kohrs und den Einschnürungen bildeten.

Sowohl am Ende 6 als auch am .inde 9 kann ein Stützbauteil verw-endet werden, der dem inneren Stutzbauteil 15 ähnlich ist.

. £r kann als Dorn dienen, und er trägt dazu bei, daß während der cp

Φ (Jesenkbearbeitung möglichst wenig Risae entstehen. Für die oben to

™ angegebenen Kohrabmeseungen hat der Bauteil 15 aus rostfreiem -^ Stahl typisch eine Wanddioke von 0,017 Zoll (0,4 mm), und der

**" Kaltgeaenkschmiedevorgang /cold swaging operation/ wird typisch

verwendet, um eine Kineohnlijnmg mit einem Außendurohmeaser von

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0,16 Zoll (4,06 mm) und einen Innendurchmesser des inneren tjtützbauteils 15 (d.h. eine viröße der öffnung oder Bohrung 21) von ungefähr ü,07ü Zoll (1,8 mm) au ergeben, d.h. eine bedeutend· Verringerung im Vergleich zu dem Innendurchmesser des Rohre 4 von ü,22oll (5,08 ram)*

Berstprüfun$*bei iiaumtemperatur und bei 650 0 bei Rohren mit den im iesenk bearbeiteten und geschweißten ndverechlüasen zeigten, dad in aixen Fällen die ürüohe in den nicht im Greaenk*· bearbeiteten Abschnitten des Rohre bei Brücken entstanden, die normalerweise nach den ivohrberstdaten auch zu erwarten waren·

i.'as i'Ormen des .ndee eines bchutsrohre für ein nadelförmiges I.ernreaktor-Brennstoffelement durch Bearbeiten im Gesenk zur Bildung einer einschnürung ist ein wesentliches . erlern·! der Erfindung, -^s sind auch andere Verfahren zum formen der Enden derartiger Rohre ausprobiert worden, die starke Hachteile gezeigt haben, welche beim ^«arbeiten im Gesenk nicht auftreten. Beim Drehen lassen c;ich schwer gleichmäßige ^rgebnisae erzielen, und zum kegeligen Ausbilden /coning/ ist eine Axialbelaetung erforderlich, um das rinde in eine Form hinein zu deformieren, die größer als die Knickbeständigkeit des Hauptabschnitte des itohrs iat, und beim Walzen entstehen Verdünnungen in der wandung und Hisse.

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» jJUTcli die bchweißnaht 1B wird auch sichergestellt, daß kei- -* ne Axialbewegung zwischen dem Mohrende 9 und de» Bauteil 15 j^ während des Bearbeitens im Gesenk erfolgt, während die Schweiö-

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nähte 17, 1β dazu beitragen, daß öl aus dem Schmiersystem der Maschine das für den liearbeitungevorgang benötigt wird, nicht in die Brennetoffnadeln eintritt, da es sonst den Brennstoff 1 und die Pellets 2, 3 verunreinigen würde.

Außerdem ist die J-.rfindung deshalb vorteilhaft, weil duroh sie keine geschweißten Endkappen verwendet werden must;en, wodurch die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten und Probleme, die beim Ausrichten der Lndkappen auftreten, verhindert werden und einfache Punktechweißnähte für das Abdichten verwendet werden können.

Der Bauteil 15 stellt «war eine zusätliche Komponente dar, aber diese wird durch die vorstehend erläuterten Vorteile aufgewogen, und die Kehlnaht 16 kann dadurch eliminiert werden, daß ein Interferenaeitz zwischen dem Bauteil 15 und dem Hohr 4 verwendet wird·

für das Bearbeiten im. ueaenk hat ein üchutirohr für ein nadelarÖLges Kernreaktor-Brtnnatoffeievent bsw. von eines solchen einen kleinen Außendurchoesser (s.B. 0,23 Zoll (5,8 mm) für das Rohr oder die Hülle 4) und eine relativ starke Wanddicke (z.B. ο 0,015 Zoll (0,38 mm) für das Rohr oder die Hülle 4).

Z^ Die Erfindung betrifft auoh Abänderungen der im beiliegenden

*- Patentanspruch 1 umrissenen Aueführungeform und besieht sich vor

allem auoh auf sämtliche ^rfindungsmerkmale, die im einzelnen —

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oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind*

Patentansprüche

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Claims

PATENTANWALT ,/, τ...,οη, 324«

,_.,..____ ί(/ Telegramm-Adr.! Polschuh, Siegen

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT '" _{Po5t$chedikont}._n,

1514958 ^{Köln 106931<} k»·".²⁰³*²

Bankkonten ι Deutsche Bank AG.,

Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straß« 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

Postfach 325

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Pat en t ansprüche

1. Verfahren zum Abschließen eines Endes eines Schutzrohrs füj ein nadeiförmiges Kernreaktor-Brennstoffelement, dadurch&ekennzelchnet, daß das ü>nde duroh Bearbeitung Im ^eeenk so geformt wird, daß β loh eine mit Öffnung versehene i-lnschnürung an diesem bildet» und die Öffnung duroh Schweißen dicht verschlossen wird.

2. Verfahren zum Abschließen eines -ndes eines b_chutzrohrs für ein nadeiförmiges Kernreaktor-Brennstoffelement, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohrförmiger btützbauteil zusammen mit dem Bohrende derart zusammengebaut wird, daß ein Teil einer Oberfläche des Bauteile mit einer gegenüberliegenden Fläche des -ohrende a eingreift, daii duroh Bearbeiten im Gesenk eine mit öffnung versehene .Einschnürung im Bereich der miteinander eingreifenden Oberflächen gebildet und die Öffnung durch Schweißen dicht verschlossen wird.

3* Verfahren naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stutzbauteil mit einem Abschnitt innerhalb des Eohrs und einem

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Abschnitt außerhalb dee Rohre angeordnet ist, wobei der Abschnitt außerhalb des Rohrs ein geschlossenes ^rrnde hat·

4. Verfahren naoh Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ausbilden der einschnürung das Rohrende und der Stützbauteil durch Schweißen miteinander verbunden werden·

5. Verfahren zum Abschließen eines Indes eines Schutzrohrβ eines riadeiförmigen iLernreaktor-tirennstoffeleraentes, dadurch g·— kennze leimet, daii ein rohrformiger Stützbauteil mit einem Ab-B-chnitt innerhalb deö Röhrendes und einem Abschnitt außerhalb des Rohrendes angeordnet wird, wobei die Außenfläche des Abschnitte innerhalb des bohrendes mit der gegenüberliegenden Innenfläche des Röhrendes eingreift, daß die Baugruppe im Bereich der eingreifenden Oberflächen im Gesenk bearbeitet wird, damit sich eine Bohrung von verringerter Größe im Vergleich au derjenigen des Kohrs ergibt, und daß die Bohrung durch Schweißen dicht abgeschlossen wird·

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bearbeiten im Gesenk das Rohrende und der Stützbauteil durch öchw«is3en im Bereich der eingreifenden Flächen miteinander verbunden werden.

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