DE1514958B2

DE1514958B2 - Verfahren zum Verschließen eines Endes des Schutzrohres eines Kernreaktor-Brennstoffelementes

Info

Publication number: DE1514958B2
Application number: DE1514958A
Authority: DE
Inventors: Robert Smith Coulter; William Oldfield
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1964-04-07
Filing date: 1965-03-31
Publication date: 1974-12-12
Also published as: DE1514958A1; GB1094564A; US3392438A; DE1514958C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verschließen eines Endes des Schutzrohres eines Kernreaktor-Brennelementes, wobei ein rohrförmiges Verschlußglied in das Ende des Schutzrohres so eingesetzt wird, daß die äußere Fläche des Verschlußgliedes mit der gegenüberliegenden Innenfläche des Endes des Schutzrohres in Berührung kommt, um einen zeitweiligen ersten Verschluß für den Mantel zu bilden, worauf dann das Verschlußglied mit dem Ende des Schutzrohres verschweißt und das äußere Schutzrohrende zusammen mit dem Verschlußglied mechanisch verengt wird.

Ein solches Verfahren ist aus der GB-PS 926 136 bekannt. Diese betrifft ein Verfahren zum Verschließen der Enden eines Hüllrohres für Urandioxydpulver als Brennmaterial für Kernreaktoren, bei dem ein Rohrverschluß mit einem zum Inneren des Hüllrohres geschlossenen halbkugelförmig ausgebildeten Ende in das Hüllrohr eingesetzt wird und mit diesem durch eine Umfangsschweißnaht verbunden wird. Die offenen Enden von Hüllrohr und Verschlußglied werden in einem Rotationsgesenk zu einem Kegelstumpf verformt.

Die DT-AS 1 045 562 zeigt einen Brennstoffstab für Kernreaktoren, dessen Enden durch Quetschfalten verschlossen werden, die zur Bildung eines Endverschlusses verschweißt werden und als Lagerquetschfalten zur Auflage des Brennstoffelementes auf einem Halterungsorgan ausgebildet sind.

Die DT-AS 1 099100 offenbart einen Verschluß für ein Kernreaktor-Brennstoffelement, bei dem in das Hüllrohr ein Verschlußstopfen eingesetzt ist, der sich mit einer Schulter an einer in das Hüllrohr eingepreßten Gegenschulter abstützt und von dem ein zylindrischer Teil über eine Umfangs-Kehlschweißnaht mit dem Hüllrohr verbunden wird.

Die bekannten Endverschlüsse für Hüllrohre weisen den Nachteil auf, daß lange Umfangsschweißnähte erforderlich sind. Diese Schweißnähte sind über ihre relativ große Länge sehr anfällig für Schaden, und während der Herstellung ist eine äußerste Genauigkeit bei der Kontrolle der Schweißnahttiefe erforderlich. Desweiteren müssen durch Schweißhitze entstehende Schäden verhindert werden, und infolgedessen ist eine laufende sorgfältige Überprüfung der Schweißnaht erforderlich. Wenn das Brennelement in einem Gesenk mit einer Einschnürung zur Halterung in einem oberen und unteren Drahtgitter im Kernreaktor versehen wird, kann die Schweißnaht durch diesen Verformungsprozeß beschädigt werden. Der bekannte Quetschfaltenverschluß weist den Nachteil auf, daß durch die Anbringung der Quetschfalten eine Reduzierung der Wandstärke des Hüllrohres sowie eine Spannungsrißbildung im Hüllrohr entstehen können. Außerdem sind die Verschlußschweißnähte bei den Lippen der gequetschten Verbindungsfalten relativ lang und haben ebenfalls die vorstehend beschriebenen Nachteile der Endstopfenverschlüsse.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verschließen eines Schutzmantels für Kernreaktor-Brennstoffelemente ohne die Verwendung langer Schweißnähte zu schaffen, die durch die Formgebung des Endverschlusses in einem Gesenk beschädigt werden können, wobei das erfindungsgemäße Verfahren eine Reduzierung der Wandstärke des Schutzmantels und eine Spannungsrißbildung in diesem vermeidet.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das äußere Ende des Mantels zusammen mit dem Verschlußglied mechanisch zu einem mit einer Öffnung versehenen Halsstück verformt wird, und daß dann der die Schweißnahtverbindung zwischen Schutzrohr und Verschlußglied enthaltende Halsstückteil abgeschnitten wird und der verbleibende Teil des mit einer Öffnung versehenen Halsstückes durch eine örtlich begrenzte Schweißung zur Bildung eines dauernden zweiten Verschlusses geschlossen wird.

Ein nach dem Verfahren gemäß der Erfindung verschlossenes Brennelement enthält lediglich einen zentralen Stopfen, der durch die Verschlußschweißung hergestellt wird, die relativ einfach ausgeführt werden kann. Bei der Verformung des Verschlußgliedes und des Mantels im Gesenk bildet das Verschlußglied eine Stütze für den Mantel, derart, daß eine Reduzierung der Wandstärke des Mantels und eine Spannungsrißbildung in demselben vermieden werden.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigen die

F i g. 1 bis 3 vergrößerte Längsschnitte, an denen die verschiedenen Stufen beim Endverschließen eines Schutzrohres eines Kernreaktor-Brennstoffelementes durch das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht sind.

Die Zeichnungen zeigen ein nadeiförmiges Kernreaktor-Brennstoffelement, das Kernbrennstoffmaterial 1 aufweist, welches zwischen Pellets 2, 3 aus natürlichem Uranoxyd eingelegt ist, und ein Schutzrohr 4 umschließt den Brennstoff 1 und die Pellets 2, 3. Das Rohr 4 besteht aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von 5,08 mm und einer Wanddicke von 0,4 mm, während das Brennstoffmaterial 1 angereichertes Uranoxyd oder Plutoniumoxyd oder ein Gemisch aus diesen in Form eines Stapels von Pellets oder in Form von komprimiertem Pulver ist. Das eine Ende des leeren Rohres 4 wird durch Bearbeiten im Gesenk zu einer

mit Öffnung versehenen Einschnürung verformt. Nachdem alles überschüssiges Material entfernt worden ist, wird die Öffnung durch eine Argon-Lichtbogenpunktverschweißung 5 geschlossen, so daß das Ende 6 des Rohres 4 ungefähr halbkugelförmig ist.

Nachdem das Rohr 4 gereinigt worden ist, werden ein Fixierbauteil 7 aus rostfreiem Stahl, das Pellet 2, das Brennstoff-Material 1, das Pellet 3 und ein Fixierbauteil 8 aus rostfreiem Stahl in der genannten Reihenfolge durch das offene Ende 9 des Rohres 4 eingeführt. Der Bauteil 7 hat abgerundete oder abgeschrägte Enden 10, 11 und einen längsverlaufenden Einschnitt 12, während der Bauteil 8 ein abgerundetes Ende 13 und einen Längsschnitt 14 aufweist.

F i g. 1 zeigt einen rohrförmigen Stützbauteil 15, der mit dem Ende 9 des Rohres 4 derart zusammengebaut ist, daß ein Abschnitt der Außenfläche des Bauteils 15 mit der Innenfläche des Rohrendes 9 in Eingriff kommt. Der Abschnitt des Bauteils 15 innerhalb des Rohres 4 hat ein offenes Ende mit einem radial nach innen gerichteten Flansch 16, während das sich außerhalb des Rohres 4 befindende Ende des Bauteils 15 im Gesenk bearbeitet und durch eine Argon-Lichtbogen-Punktschweißnaht 17 geschlossen wird.

Wenn der innere Stützbauteil 15 und das Rohrende 9, wie in F i g. 1 gezeigt, zusammengebaut sind, wird eine durch Argon-Lichtbogenschweißung hergestellte Umfangskehlnaht 18 gebildet, um diese Teile miteinander zu verbinden.

Nach Herstellung der Schweißnaht 18 werden der Bauteil 15 und das Ende 9 einer Gesenkbearbeitung unterzogen, wodurch an der Baugruppe im Bereich der miteinander im Eingriff stehenden Oberflächen eine mit Öffnung versehene Einschnürung 19 (F i g. 2) gebildet wird. Die Einschnürung 19 wird dann an der durch die Pfeile 20 angedeuteten Stelle durchgeschnitten, wodurch die Schweißnähte 17, 18 entfernt werden und eine Öffnung 21 freigelegt wird. Das Rohr 4 wird dann entgast und mit Helium gefüllt, wobei die Öffnung 21 benutzt wird, die schließlich durch eine Helium-Lichtbogenschweißnaht 22 (F i g. 3) geschlossen wird, wobei der Bauteil 15 und das Rohrende 9 dicht miteinander verbunden werden.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beispielsweise an Hand der Zeichnungen beschriebenen Einzelheiten begrenzt. So muß der Bauteil 15 nicht den Flansch 16 aufweisen, wenn dies auch insofern vorteilhaft ist, als er einen Ausdehnungsspalt 23 bildet und die Fixierung bzw. Unterbringung des Brennstoffs 1 und der Pellets 2,3 ermöglicht.

Bei der Ausführung von versuchsweisen Endverschlüssen wurde eine Doppelgesenkschmiedemaschine für die Gesenkbearbeitungen verwendet. Die Rohre der Brennstoffnadeln werden in einem Spannfutter gehalten, das auf einer Trommel sitzt, welche auf einem Vorschubtisch angebracht ist, der so in Grade eingeteilt ist, daß die Länge des in die Gesenke vorgeschobenen Rohres exakt gesteuert werden kann. Im Längsschnitt glich dabei die Gesenkform einem Bogen mit einem halbkreisförmigen Ende, wobei die beiden Gesenke eine Axialöffnung am Ende bildeten. Für das Ende 6 ist die Auslaßöffnung kleiner als für das Ende 9.

Andere experimentelle Endverschlüsse wurden unter Verwendung einer Rotations-Drückmaschine mit Doppelwerkzeug hergestellt, wobei die Gesenke (Werkzeuge) so geformt waren, daß sie einen geraden kegelförmig zulaufenden Abschnitt zwischen dem Hauptabschnitt des Rohres und den Einschnürungen bildeten.
An beiden Enden 6 und 9 kann ein Stützbauteil verwendet werden, der dem inneren Stützbauteil 15 ähnlich ist. Er kann als Dorn dienen und trägt dazu bei, daß während der Gesenkbearbeitung möglichst wenig Risse entstehen. Für die oben angegebenen Rohrabmessungen hat der Bauteil 15 aus rostfreiem Stahl eine Wanddicke von 0,4 mm und durch den Kaltgesenk-Drückvorgang ergibt sich eine Einschnürung mit einem Außendurchmesser von 4,06 mm und ein Innendurchmesser des inneren Stützbauteils 15 (d. h. eine Größe der Öffnung oder Bohrung 21) von ungefähr 1,8 mm, d. h. eine bedeutende Verringerung im Vergleich zu dem Innendurchmesser des Rohres 4 von 5,08 mm.

Berstprüfungen bei Raumtemperatur und bei 650⁰C bei Rohren mit den im Gesenk bearbeiteten und geschweißten Endverschlüssen zeigten, daß in allen Fällen die Brüche in den nicht im Gesenk bearbeiteten Abschnitten des Rohres bei Drücken entstanden, die normalerweise nach den Rohrberstdaten auch zu erwarten waren.

Das Formen des Endes eines Schutzrohrs für ein nadeiförmiges Kernreaktor-Brennstoffelement durch Bearbeiten im Gesenk zur Bildung einer Einschnürung ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung. Es sind auch andere Verfahren zum Formen der Enden derartiger Rohre ausprobiert worden, die starke Nachteile gezeigt haben, welche beim Bearbeiten im Gesenk nicht auftreten. Beim Drehen lassen sich schwer gleichmäßige Ergebnisse erzielen, und zum kegeligen Ausbilden ist eine Axialbelastung erforderlich, um das Ende in eine Form hinein zu deformieren, die größer als die Knickbeständigkeit des Hauptabschnitts des Rohrs ist, und beim Walzen entstehen Verdünnungen in der Wandung und Risse.
Durch die Schweißnaht 18 wird auch sichergestellt, daß keine Axialbewegung zwischen dem Rohrende 9 und dem Bauteil 15 während des Bearbeitens im Gesenk erfolgt, während die Schweißnähte 17, 18 dazu beitragen, daß Öl aus dem Schmiersystem der Maschine, das für den Bearbeitungsvorgang benötigt wird, nicht in die Brennstoffnadeln eintritt, da es sonst den Brennstoff 1 und die Pellets 2,3 verunreinigen würde.

Außerdem ist die Erfindung deshalb vorteilhaft, weil durch sie keine geschweißten Endkappen verwendet werden müssen, wodurch die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten und Probleme, die beim Ausrichten der Endkappen auftreten, vermieden werden und einfache Punktschweißnähte für das Abdichten verwendet werden können.

Der Bauteil 15 stellt zwar einen zusätzlichen Bauteil dar, aber dieser wird durch die vorstehend erläuterten Vorteile aufgewogen, und die Kehlnaht 18 kann dadurch eingespart werden, daß ein Festsitz zwischen dem Bauteil 15 und dem Rohr 4 verwendet wird.

Für das Bearbeiten im Gesenk hat ein Schutzrohr für ein stift- oder nadelartiges Kernreaktor-Brennstoffelement einen kleinen Außendurchmesser (z. B. 5,8 mm für das Rohr oder die Hülle 4) und eine relativ große Wanddicke (z. B. 0,38 mm für das Rohr oder die Hülle 4).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Verschließen eines Endes des Schutzrohres eines Kernreaktor-Brennelementes, wobei ein rohrförmiges Verschlußglied in das Ende des Schutzrohres so eingesetzt wird, daß die äußere Fläche des Verschlußgliedes mit der gegenüberliegenden Innenfläche des Endes des Schutzrohres in Berührung kommt, um einen zeitweiligen ersten Verschluß für den Mantel zu bilden, worauf dann das Verschlußglied mit dem Ende des Schutzrohres verschweißt und das äußere Schutzrohrende zusammen mit dem Verschlußglied mechanisch verengt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende des Mantels (4) zusammen mit dem Verschlußglied (15) mechanisch zu einem mit einer öffnung versehenen Halsstück verformt wird, und daß dann der die Schweißnahtverbindung zwischen Schutzrohr und Verschlußglied enthaltende Halsstückteil abgeschnitten wird und der verbleibende Teil des mit einer öffnung versehenen Halsstückes durch eine örtlich begrenzte Schweißung (42) zur Bildung eines dauernden zweiten Verschlusses geschlossen wird.