DE1564632A1

DE1564632A1 - Termination of zirconium-encased nuclear reactor fuel rods

Info

Publication number: DE1564632A1
Application number: DE19661564632
Authority: DE
Inventors: Stehle Dr Heinz; Ludwig Koehler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-06-18
Filing date: 1966-06-18
Publication date: 1970-01-22

Description

Endverschluß von zirkonumhüllten Kernreaktorbrennstäben Die vorliegende Erfindung betrifft einen Endverschluß von zirkonumhüllten Kernreaktorbrennstäben mit eingeschweißten Endkappen. Solche Brennstäbe enthalten in ihrem Inneren den Kernreaktorbrennstoff, beispielsweise in Gestalt-von Urandioxydtabletten. Aus Gründen der °°Ueutronenökonomieund der Lorrosionsbeständigkeit gegenüber dem Kühlmittel, wie z.B. heißem Wasser, Dampf oder auch Kohlendioxydgas, werden als Hüllrohrmaterial Zirkon oder Zirkonlegierungen verwendet. Diese Rohre werden beiderseits mit sogenannten Endlappen verschlossen= die gleichzeitig auch zur Halterung der gesamten Brennstäbe innerhalb der Brennelemente der Kernreaktoren dienen können, Die Verbindung zwischen den Hüllrohren und den Endkappen wird normalerweise durch öchweißen hergestellt.Termination of Zirconium Sheathed Nuclear Reactor Fuel Rods The present The invention relates to an end closure for zirconium-coated nuclear reactor fuel rods with welded end caps. Such fuel rods contain the inside Nuclear reactor fuel, for example in the form of uranium dioxide tablets. For reasons the °° U-neutron economy and the corrosion resistance to the coolant, such as hot water, steam or carbon dioxide gas are used as cladding tube material Zircon or zircon alloys are used. These pipes are on both sides with so-called End flaps closed = which also hold the entire fuel rods at the same time can serve within the fuel assemblies of the nuclear reactors, the connection between the ducts and the end caps are usually made by welding.

Dabei muß die Anwesenheit von Sauerstoff, Stickstoff und anderen reaktiven Gasen vermieden werden, da sich sonst die Korrosionsbeständigkeit des Zirkons gegenüber den Kühlmitteln verscnlechtert.It must be the presence of oxygen, nitrogen and others reactive Gases are avoided, as otherwise the corrosion resistance of the zirconium is opposite the coolants deteriorated.

Beim Zusammenbau der Brennstäbe werden diese vor der Au.fschwe`ßung der zweiten ndkappe zunächst evakuier und anschließend mit einem Inertgas, vorzu7: weise Helium, gefüllt. Auch die ichweißarbeiten werden innerhalb von dichten Kammern vorgenommen, die entweder evakuiert oder aber mit einem inerten Schutzgas gefüllt sind.When assembling the fuel rods, they are welded together First evacuate the second end cap and then use an inert gas to advance 7: wise helium, filled. The welding work is also carried out within sealed chambers made, which is either evacuated or filled with an inert protective gas are.

Dieser Vorgang der Evakuierung des Brennstabipneren ist aber besonders bei sehr langen Prennstäben mit einem Hohlraum am entgegengesetzten Stabende sehr zeitraubend. Es stellt sich daher die Aufgabe, Lndverschlußkonstruktionen von Brennstäben zu finden, bei denen die Luft unbeschadet im itabinneren verbleiben kann, eine leichte Oxydation vom Rohr und Andkappe im S tabinneren kann nämlich ohne Nachteile in Kauf genommen werden. eine solche Konstruktion muß hauptsächlich dafür Sorge tragen, daß Schweißnahtfehler ('Kontaminierunr, und Gasblasen) hervorgerufen durch aie Ausdehnung der eingeschlossenen Luft, mit Sicherheit vermieden werden. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß neben der Schweißnahtdichtung eine während des Schweißvorganges kühlbare mechanische Hilfsdichtstelle gegenüber dem Brennstab- . innenrauen vorgesehen ist. Durch diese Hilfsdicbtstelle wird dic Schweißnaht während ihrer Entstehung- druckentlastet, so däß keine Perilsteilen entstehen können. Außerdem ist es mög- 1ich, den Schweißvor@;anE. in einer einfachen Schutzgas- Über- strömkammer durchzuführen, wobei keine Wartezeiten für das -vakuieren der Brennstäbe mehr erforderlich sind. Die Wirkung . der Hilfsdichtung wird dabei noch durch eine Kühlung dieser Stelle unterstützt, die z.B. durch Kühlkörper entsprechend großer Wärmeaufnahmef ähif,keit durchgeführt werden kann. Durch dieG,e wird nieht nur die Hilfsdichtstelle in ihrer Dichtungs- funktion erhalten b.,:w. verbessert, es wird vielmehr auch die @:rwärmung des Brennstabes und seines Inhaltes durch den Schweiß- vorgang auf ein Minimum begrenzt. In den Figuren 1 bis 4 sind nun verschiedene Möglichkeiten zur konstruktiven Ausführung des Brennstabendverschlusses darge- stellt. In allen Figuren sind die Endkappe mit 2, das Hüll- rohr mit 3, die Spaltstof'ftabletten im Inneren des Hüllrohres mit 5 und der Kühlkörper mit 6 bezeichnet. In der Anordnung nah Fig. 1 steht die Endkappe 2 über einen kurzen Paßsitz 21 mit dem Hüllrohr 3 in Verbindung. An dieser Stelle wird die Schweißnaht gezogen. Die Endkappe 2 hat weiterhin an ihrem in das Innere des Hüllrohres hineinragenden Teil einen ring- förmigen Dichtwulst, der in enger Berührung mit dem Hüllrohr steht. Infolge des größeren Querschnitts der Endkappe gegen- über dem Hüllrohr 3 wird beim Schweißvorgang der Ringwulst 24 eine höhere Temperatur annehmen als das anliegende Hüllrohr und mit seiner Wärmedehnung die Dichtwirkung dieser ztelle unterstützen. In gleicher Richtung wirkt der angelegte Kühl- körper 6, der das liüllrohr 3 an einer Wärmedehnung weitgehend hindert und in diesem Beispiel noch ein Membranteil 61 enthält, das durch Einbringung eines Druckmittels in einem angrenzenden Hohlraum des Kühlkörpers einen zusätzlichen Druck auf das Hüllrohr 3 gegenüber dem Ringwulst 24 ausübt. Wie dargestellt, verbleibt zwischen dem Paßsitz 21 und dem Dichtwulst 24 ein ringförmiger Spalt 25, der den Wärmefluß von der Endkappe zum Hüllrohr auf ein Minimum begrenzt.This process of evacuating the fuel rod interior is very time-consuming, especially in the case of very long prenn rods with a cavity at the opposite end of the rod. The task is therefore to find end closure constructions for fuel rods in which the air can remain undamaged inside the ita, a slight oxidation of the tube and cap inside the fuel rod can namely be accepted without disadvantages. Such a construction must mainly ensure that weld seam defects (contamination and gas bubbles) caused by the expansion of the enclosed air are reliably avoided. This aim is achieved according to the invention in that, in addition to the weld seam seal, a mechanical auxiliary sealing point with respect to the fuel rod which can be cooled during the welding process. inside is provided. Through this assistant dic weld seam during its formation - relieved of pressure, so that no peril parts can arise. It is also possible I, the welding manager @; anE. in a simple protective gas transfer flow chamber, with no waiting times for the - Evacuate the fuel rods are more necessary. The effect . the auxiliary seal is still cooled by this Body supported, for example by heat sinks accordingly large heat absorption capacity can be carried out. By dieG, e is not only the auxiliary sealing point in its sealing function preserved b.,: w. improved, it will rather also die @: rwarming of the fuel rod and its contents by the welding process limited to a minimum. In Figures 1 to 4 are now different options for structural design of the fuel rod end cap shown represents. In all figures, the end cap is marked with 2, the envelope tube with 3, the Faltstoffabletten inside the cladding tube denoted by 5 and the heat sink with 6. In the arrangement 1, the end cap 2 stands over a short snug fit 21 with the cladding tube 3 in connection. At this point the Weld seam drawn. The end cap 2 still has on her into the interior of the cladding tube protruding part a ring shaped sealing bead, which is in close contact with the cladding tube stands. Due to the larger cross-section of the end cap, During the welding process, the annular bead 24 is placed over the cladding tube 3 assume a higher temperature than the adjacent cladding tube and with its thermal expansion the sealing effect of this ztelle support. The applied cooling acts in the same direction body 6, which largely prevents the liüllrohr 3 from thermal expansion and in this example also contains a membrane portion 61 which, by introducing a pressure medium in an adjacent cavity of the cooling body, exerts additional pressure on the enveloping tube 3 relative to the annular bead 24. As shown, an annular gap 25 remains between the snug fit 21 and the sealing bead 24, which gap limits the heat flow from the end cap to the cladding tube to a minimum.

zine weitere Endverschlußkonstruktionsmöglichkeit zeigt die Fig. 2. Hier wird die Hilfsdichtstelle von einer an einem Ende offenen Kapsel 4 gebildet, die mit einem metallischen, z. b. aus äilber bestehenden, Dichtring 41 versehen ist. Vor dem Aufsetzen der Endkappe 2 wird diese Hülse 4 in das Hüllrohr 3 hineingepreßt. Die Dimensionierung des Dichtungsringes 41 und des Innendurchmessers des Hüllrotires 3 wird dabei so getroffen, daß nach dem Einpressen eine einwandfreie mechanische Abdichtung gegeben ist. Der Dichtungsring 41 kpLnn dabei mechanisch oder auch galvanisch auf die Hülse 4 aufgebracht sein. Bei diesem Konstruktionsbeispiel sind an der Endkappe 2 keine besonderen Maßnahmen notwendig. Auch hier ist es zweckmäßig, während der Durchführung der Schweißung einen Kühlkörper, der beispielsweise aus einem massiven Kupferblock-bestehen . kann, zur Vermeidung einer übermäßigen Erwärmung der Hilfsdichtstelle aufzusetzen.Another possible end closure construction is shown in FIG. 2. Here the auxiliary sealing point is formed by a capsule 4 open at one end, with a metallic, z. b. from the existing, sealing ring 41 is provided is. Before the end cap 2 is put on, this sleeve 4 is pressed into the cladding tube 3. The dimensioning of the sealing ring 41 and the inner diameter of the Hüllrotire 3 is made in such a way that after the pressing in, a perfect mechanical Sealing is given. The sealing ring 41 kpLnn mechanically or also galvanically be applied to the sleeve 4. In this design example, there are on the end cap 2 no special measures necessary. Again, it is useful during the Carrying out the weld a heat sink, for example from a massive Copper block-made. can, to avoid excessive heating of the auxiliary sealing point put on.

Eine weitere ?Möglichkeit der Ausführung eines Endverschlusses nach vorliegender -Erfindung zeigt die Fig. 3. Eier ist das .Hüllrohr 3 an seiner Verbindung mit der Endkappe 2 wieder in seiner Dicke herabgesetzt. .Axi der Überganigsstelle zur normalen Wandstärke bildet sich demnach eine Kante 31 aus. Die Endkappe 2 ist wieder mit einem Paßsitz 21 für das Hüllrohe 3 versehen; sie bildet anschließend wiederum mit dem Hüllrohr einen Ringspalt 25 ähnlich wie in Fig. 1 und ist dann am Ende des in das Innere des Hüllrohres hineinragenden Teiles konisch ausgebildet (22). Dieser Konus 22 preßt beim Zusammenfügen der zu verschweißenden Teile die Kante 31 nieder und dichtet somit den Innenraum des Brennstabes gegenüber der Schweißstelle am Paßsitz 21 ab. Auch hier ist für den Schweißvorgang selbst wieder die Verwendung eines Kühlkörpers 6 zweckmäßig.Another? Possibility of making an end closure after The present invention is shown in FIG. 3. The cladding tube 3 is eggs at its connection with the end cap 2 again reduced in thickness. .Axi of the transition point Accordingly, an edge 31 is formed in relation to the normal wall thickness. The end cap 2 is again provided with a snug fit 21 for the cladding tube 3; it then forms again with the cladding tube an annular gap 25 similar to that in FIG. 1 and is then conical at the end of the part protruding into the interior of the cladding tube (22). This cone 22 presses when joining the parts to be welded Edge 31 down and thus seals the interior of the fuel rod from the weld at the pass seat 21. Here, too, is used again for the welding process itself a heat sink 6 is expedient.

Fir. 4 zeit noch eine andere Möglichkeit der Hilt'sdichtungskonstruktion.Hier ist die Endkappe 2 nach dem Paßsitz 21 mit ringförmigen Eindrehungen 23 versehen. Das Hüllrohr 3 wird nach dem Einsetzen der Endkappe 2 durch radiale Kräfte plastisch in diese Rillen eingeformt, so daß ein verhältnismäßig langer Dichtungeweg zwischen dem aufgeformten Hüllrohr und der Endkappe 2 entsteht. Diese Rillen 23 haben dabei eine Tiefe von beispielsweise 1/1® mm und eine Breite von 1 mm. Die Einformung kann durch an sich bekannte Verfahren wie durch stoßartige Elektroinduktion oder auch durch Einwalzen durchgeführt werden. Zur Erhaltung des damit erzeugten Dichtungsweges ist während des Schweißvorganges am Paßetz 21 ebenfall2 die Anwendung eines Kühlkörpers wie in den vorhergehenden Beispielen zweckmäßig. Wenn jedoch nicht mit der Abwanderung großer Wärmemengen gerechnet werden muß, was bei der Anwendung besonderer Schweißverfahren z.1:. nach dem P.lektronenstrahlprinzin möglich wäre, kann in diesen und auch in anderen neisp-ielen auf die Anwendung besonderer Kühlkörper verzichtet werdet:.Fir. 4 there is another possibility of Hilt's seal construction, here the end cap 2 is provided with annular indentations 23 after the snug fit 21. After the end cap 2 has been inserted, the cladding tube 3 becomes plastic as a result of radial forces molded into these grooves so that a relatively long sealing path between the molded cladding tube and the end cap 2 is created. These grooves 23 have it a depth of, for example, 1/1 mm and a width of 1 mm. The molding can by methods known per se, such as by shock-type electrical induction or else be carried out by rolling. To maintain the sealing path created with it is on passport 21 during the welding process also2 the application a heat sink as in the previous examples. But if not must be expected with the migration of large amounts of heat, which in the application special welding process z.1 :. according to the electron beam prince it would be possible, can in this and also in other areas on the application of special heat sinks be waived :.

D-ese Beisp'.ele sollen lediglich einige Mö:;lichkei ten aufzeigen, wie die grundlegende Idee einer Hilf:-,dichtung zwischen dem Inneren eines Brennstabes und der eigentlichen Schweißdichtung an der 2:ndkappe konstruktiv verwirklicht werden kann. Selbstvers tändl I.ch sind auch noch andere Lösungen denkbar, die diesen Prinzipien entsprechen.These examples are only intended to show a few possibilities like the basic idea of an auxiliary: -, seal between the inside of a fuel rod and the actual welding seal on the 2nd cap can be implemented constructively can. Selbstvers tändl I.ch, other solutions are also conceivable that follow these principles correspond.

Claims

Claims 1. End closure of zirconium-coated nuclear reactor fuel rods with welded-in end caps, characterized in that in addition to the weld seam seal a mechanical auxiliary sealing point that can be cooled during the welding process the fuel rod interior is provided.

2. End closure according to claim 1, characterized characterized in that the end cap at the 13welding point has a short snug fit for the fuel rod cladding tube and at the end of its part protruding into the cladding tube is provided with an annular sealing bead which is in close contact with the cladding tube stands.

3. End closure according to claim 1, characterized in that the auxiliary sealing point from a pressed-in sleeve closed on one side with a metallic, e.g. made of silver sealing ring is formed.

4. ind closure according to claim 1, characterized in that the auxiliary sealing point from one to an inner edge of the Cladding tube pressed on conical surface of the protruding into the cladding tube part of End cap is formed.

5. End closure according to claim 1, characterized in that that the auxiliary sealing point by a plastic molding of the üüllrohres into annular recesses of the part of the end cap protruding into the cladding tube resulting long sealing path is formed.

6. End closure according to claim 1 to 5, characterized in that for cooling the auxiliary sealing point during the welding process Close-fitting heat sinks with high heat absorption capacity on the cladding tube outside the welding point are provided, which can also be cooled in a manner known per se.