DE1565403C

DE1565403C - Method and device for fastening spacers to the shells of fuel elements

Info

Publication number: DE1565403C
Authority: DE
Inventors: Arthur E Port Hope Ontario McCorrv (Kanada)
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Publication date: 1971-07-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung von Distanzhaltern an den Hüllen von Brennstoffelementen sowie eine Induktionsheizvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem primären Leiterstreifen und mit einer vom primären Leiterstreifen umgebenen, elektrisch leitenden Aufnahmespule.The invention relates to a method for attaching spacers to the shells of Fuel elements and an induction heating device to carry out this process with a primary conductor strip and an electrically conductive one surrounded by the primary conductor strip Take-up reel.

Dieses Verfahren und diese Vorrichtung werden besonders, aber nicht ausschließlich zum Verbinden von Auflagepuffern oder Distanzhaltern mit den Hülfen von Brennstoffelementen für Kernreaktoren verwendet. Derartige Hüllen sind beispielsweise Rohre aus einer Legierung aus Zirkonium mit 1,2 bis 1,7 % Zinn, 0,07 bis 0,2 °/o Eisen, 0,05 bis 0,15 °/o Chrom und 0,03 bis 0,08 °/o Nickel.This method and apparatus are particularly, but not exclusively, for joining of support buffers or spacers with the aid of fuel elements for nuclear reactors used. Such casings are, for example, tubes made of an alloy of zirconium with 1.2 up to 1.7% tin, 0.07 to 0.2% iron, 0.05 to 0.15% Chromium and 0.03 to 0.08% nickel.

Es ist bis jetzt schwierig, Distanzhalter an einer derartigen Hülle wirtschaftlich durch Hartlöten oder Schweißen zu befestigen, da die Legierung bei Erhitzung durch atmosphärischen Sauerstoff angegriffen wird. Die Befestigung muß daher im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre erfolgen. Es ist bereits bekannt, Distanzhalter durch Induktionshartlöten an einem einzelnen Rohr zu befestigen. Ein derartiger Lötvorgang umfaßt im allgemeinen das Einsetzen der Hülle in einen elektrisch isolierten Behälter, die Erzeugung eines Vakuums oder das Einleiten eines inerten Gases sowie das Erhitzen der zu verbindenden Stellen durch eine äußere Induktionsspule. Obwohl dieses Verfahren zum Erfolg führt, ist es sehr zeitraubend, da jede Hülle normalerweise mit mindestens zwei Distanzhaltern versehen ist und eine sehr große Anzahl derselben benötigt wird.Up until now it has been difficult to attach spacers to a such shell to be attached economically by brazing or welding, since the alloy is heated is attacked by atmospheric oxygen. The attachment must therefore be in a vacuum or take place in an inert atmosphere. It is already known to attach spacers by induction brazing to attach to a single pipe. Such a soldering operation generally includes insertion the envelope in an electrically insulated container, the creation of a vacuum or the introduction of a inert gas as well as the heating of the points to be connected by an external induction coil. Even though If this procedure leads to success, it is very time consuming as each sheath is normally with at least two spacers is provided and a very large number of the same is required.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Induktionsheizvorrichtung der oben beschriebenen Art anzugeben, mit deren Hilfe mehrere Hüllen gleichzeitig mit wenigstens je einem Distanzhalter verbunden werden können.The present invention is therefore based on the object of a method and an induction heating device of the type described above, with the help of which several envelopes at the same time can be connected with at least one spacer each.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die mit einer Lotlegierung versehenen Distanzhalter durch Schweißen an den Hüllen der Brennstoffelemente in wenigstens einer Ebene derselben angeheftet werden und daß die Distanzstücke mehrerer Brennstoffelemente gleichzeitig mittels Induktionsheizung an den Brennstoffelementen befestigt werden.The method according to the invention is characterized in that the provided with a solder alloy Spacers by welding to the shells of the fuel elements in at least one plane thereof are attached and that the spacers of several fuel elements simultaneously by means of induction heating be attached to the fuel elements.

Die erfindungsgemäße Induktionsheizvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Aufnahmespule tangential in einen äußeren Aufnahmering und einen inneren Aufnahmering unterteilt ist, die beide radial geschlitzt sind, und daß in der Aufnahmespule durch innere Ausbuchtungen im äußeren Aufnahmering und durch äußere Ausbuchtungen im inneren Aufnahmering Löcher gebildet sind, in die die zu erhitzenden Hüllen eingesetzt werden können.The induction heating device according to the invention is characterized in that the take-up coil is tangentially divided into an outer receiving ring and an inner receiving ring, both of which are radial are slotted, and that in the take-up reel by internal bulges in the outer take-up ring and holes are formed by external bulges in the inner receiving ring, into which the to be heated Cases can be used.

Gemäß der Erfindung ist es nun möglich, Distanzhalter gleichzeitig an einer Anzahl von Hüllen zu befestigen, so daß die benötigte Anzahl von Hüllen während eines einzigen Lötvorganges bearbeitet werden kann. ·According to the invention it is now possible to attach spacers to a number of covers at the same time, so that the required number of sleeves can be processed during a single soldering process can. ·

In vorteilhafter Ausgestaltung sind eine zweite oder weitere Aufnahmespulen und ein zweiter primärer Leiterstreifen vorgesehen, die gegen die erste Aufnahmespüle und den ersten primären Leiterstreifen versetzt sind, so daß längliche Hüllen oder Werkstücke durch die von den Aufnahmespulen begrenzten Löcher verlaufen und erhitzt werden. Um den von den primären Leiterstreifen erzeugten Fluß in den Löchern örtlich zu konzentrieren, können Teile der die Ausbuchtungen bildenden Kanten der Aufnahmeringe eine geringere Dicke aufweisen.In an advantageous embodiment, there are a second or further take-up reels and a second primary conductor strip provided against the first receptacle sink and the first primary conductor strip are offset so that elongated shells or workpieces bounded by the take-up reels Holes run and get heated. About the flux created by the primary conductor strips to concentrate locally in the holes, parts of the edges of the bulges forming the Receiving rings have a smaller thickness.

Um die Hüllen unter Vakuum oder einem Inertgas erhitzen zu können, wird zwischen den Aufnahmespulen und den primären Leiterstreifen eine gegen die Atmosphäre absperrende Haube aus einem magnetisch durchlässigen und elektrisch isolierenden Material angeordnet.In order to be able to heat the casings under vacuum or an inert gas, there is a gap between the take-up coils and the primary conductor strip is a magnetic hood permeable and electrically insulating material arranged.

ίο An Hand der in der Zeichnung dargestellten Aus- - führungsformen der Induktionsheizvorrichtung wird die Erfindung im folgenden beispielsweise erläutert. Es zeigtίο Using the information shown in the drawing - Guide forms of the induction heating device, the invention is explained in the following for example. It shows

F i g. 1 eine zum Teil geschnittene perspektivische Ansicht der Induktionsheizvorrichtung,F i g. 1 is a partially sectioned perspective view of the induction heating device,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1, F i g. 3 das Schaltbild einer Schaltung zur Speisung der Primärwindungen der Induktionsheizvorrichtung der F i g. 1 und 2,F i g. 2 shows a section along line 2-2 in FIG. 1, Fig. 3 the circuit diagram of a circuit for the supply of the primary windings of the induction heater of FIG. 1 and 2,

F i g. 4 eine Aufsicht auf einen Aufnahmering und F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in F i g. 4. Die Distanzhalter werden zuerst für die Befestigung an den Hüllen vorbereitet, indem Metallstücke genauer Abmessungen aus einem Blech gestanzt werden, mit dem die Lotlegierung anhaftend verbunden ist. Die Stanzform hat eine solche Gestalt, daß die Stücke mit einer zylindrischen Oberfläche hergestellt werden, so daß sie der rohrförmigen Hüllenoberfläche angepaßt sind. Die fertigen Distanzhalter werden dann an den geeigneten Stellen an diesen Hüllen heftangeschweißt.F i g. 4 shows a plan view of a mounting ring, and FIG. 5 shows a section along the line 5-5 in FIG. 4th The spacers are first prepared for attachment to the sheaths by using pieces of metal more precise dimensions are punched from a sheet metal with which the solder alloy adheres connected is. The shape of the die is such that the pieces have a cylindrical surface are made so that they are adapted to the tubular casing surface. The finished spacers are then tack welded to these covers at the appropriate locations.

Gemäß F i g. 1 hat eine typische Hülle 1 zwei Distanzhalter 4, die durch Heftschweißung mit ihr verbunden sind. Sie wird dann längsseits zu anderenAccording to FIG. 1, a typical shell 1 has two spacers 4 that are tack welded to it are connected. She then becomes alongside others

35" Hüllen in der in F ι g. 1 abgebildeten Vorrichtung eingesetzt. Diese Vorrichtung hat einen Bodentisch 10, auf dem ein Halterungssockel 11 montiert ist. Der Sockel hat einen Bund 12 mit Einlaßöffnungen 9, die die Hüllen 1 tragen können. Die Hüllen 1 sind vertikal angeordnet und laufen durch eine Aufnahmespule 13, die an Stellen 14 durchlöchert ist, um diese aufzunehmen. Eine zweite Aufnahmespule 15 befindet sich oberhalb der ersten, durch deren Löcher 16 die Hüllen verlaufen. Die oberen Enden der Hüllen werden durch eine Isolierscheibe 18 festgehalten, die Löcher 19 aufweist, um diese aufzunehmen. Die Löcher 19 haben Ausbuchtungen 19', so daß die gehefteten Distanzhalter 4 nicht die Scheibe 18 verschmutzen oder beschädigen, wenn die Hüllen in ihre Lage geschoben werden.35 "Cases in g in F ι. Used 1 device depicted. This apparatus has a base table 10 on which a supporting base 11 is mounted. The socket has a collar 12 with inlet openings 9, which can carry the shells 1. The casings 1 are arranged vertically and run through a take-up spool 13 which is perforated to receive them at points 14. A second take-up spool 15 is located above the first, through the holes 16 of which the sleeves pass , which has holes 19 for receiving them, the holes 19 have bulges 19 'so that the tacked spacers 4 do not soil or damage the disc 18 when the sleeves are pushed into place.

Wenn die Hüllen ihre Lage eingenommen haben, wird über die Anordnung eine Haube 20 aus Glas oder einem anderen geeigneten magnetisch durchlässigen und elektrisch isolierenden Material gesetzt, die gegen die Atmosphäre abdichtet und auf dem Bodentisch 10 ruht, mit dem sie.in üblicher Weise durch einen O-Ring21 abgedichtet wird. Unmittelbar außerhalb der Haube 20, aber in Nähe der Aufnahmespule 13, befindet sich eine einzige Windung eines primären Leiterstreifens 25, die von einem Hochfrequenz-Wechselstromgenerator bei geringer Impedanz gespeist werden kann. Der primäre Leiterstreifen 25 wird durch Wasserleitungen 26 gekühlt. . Ein ähnlicher primärer Leiterstreifen 30 befindet sich in der Nähe der oberen Aufnahmespule 15 und wird durch Wasserleitungen 31 gekühlt. Die beiden Primärwindungen können entweder parallel oder in Serie mit dem Hochfrequenzgenerator geschaltet sein,When the envelopes are in their position, a glass hood 20 is placed over the assembly or another suitable magnetically permeable and electrically insulating material, which seals against the atmosphere and rests on the floor table 10, with which they.in the usual way is sealed by an O-ring21. Right away outside the hood 20 but near the take-up reel 13, there is a single turn of a primary conductor strip 25, which is carried out by a High frequency alternator can be fed at low impedance. The primary conductor strip 25 is cooled by water pipes 26. . A similar primary conductor strip 30 is located near the upper take-up spool 15 and is cooled by water pipes 31. The two Primary windings can be connected either in parallel or in series with the high frequency generator,

was von der Ausgangsimpedanz des Generators abhängt. Eine typische Parallelschaltung ist in Fi g. 3 mit einem Generator 33 abgebildet.which depends on the output impedance of the generator. A typical parallel connection is shown in FIG. 3 shown with a generator 33.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer der Aufnahmespulen abgebildet, das besonders zufriedenstellend arbeitet. Die Aufnahmespule 13 ist in einen Innen- und einen Außenring 36 bzw. 35 unterteilt. Durch die inneren Ausbuchtungen 37 des Außenringes 35 und die äußeren Ausbuchtungen 38 des Innenringes 36 ergeben sich die Löcher 14. Jeder '" Ring ist a.n einer Stelle 39 bzw. 40 radial unterbrochen. In Fig. 2, an embodiment is one of the Pick-up coils shown, which works particularly satisfactorily. The take-up reel 13 is in a Inner and outer rings 36 and 35, respectively, are divided. Through the inner bulges 37 of the outer ring 35 and the outer bulges 38 of the inner ring 36 result in the holes 14. Each '" Ring is interrupted radially at a point 39 or 40.

Es soll nun angenommen werden, daß der Ström in Richtung der Pfeile 41 im primären Leiterstreifen 25 ansteigt. Da sich die Aufnahmeringe 35 und 36 *5 in dem vom primären Leiterstreifen 25 erzeugten Magnetfeld befinden, werden in den beiden Aufnahmeringen Ströme in Richtung der Pfeile 42 erzeugt, die entgegengesetzt zum Richtungswechsel des Stroms im Primärstreifen 25 gerichtet sind. Da sich das Magnetfeld sehr schnell ändert (mit Hochfrequenz), tritt das Feld kaum in die Aufnahmeringe 35 und 36 ein, so daß der Strom auf den Oberflächen der Aufnahmeringe fließt, wie durch die Pfeile angedeutet ist. An den radialen Schlitzen 39 und 40 schließt sich der Stromkreis für den Strom auf den Oberflächenkanten der Aufnahmeringe. Diese Ströme stören das von den Primärleitern erzeugte Feld, das sich auf die Löcher 14 konzentriert. Einen Widerstand aufweisende elektrische Leiter befinden sich in diesen Löchern, nämlich die Hülle und die Distanzhalter, die auf ihr angelötet werden sollen, so daß sie örtlich stark erhitzt werden. Die Hülle, die einen Widerstand mit einer einzigen Windung darstellt, wird auf ihrem Umfang gleichmäßig erhitzt.It should now be assumed that the flow in the direction of arrows 41 in the primary conductor strip 25 increases. Since the receiving rings 35 and 36 * 5 are in the one created by the primary conductor strip 25 Magnetic field, currents are generated in the two receiving rings in the direction of arrows 42, which are directed opposite to the change in direction of the current in the primary strip 25. That I the magnetic field changes very quickly (with high frequency), the field hardly enters the receiving rings 35 and 36 so that the current flows on the surfaces of the receiving rings, as through the Is indicated by arrows. The circuit for the current closes at the radial slots 39 and 40 on the surface edges of the receiving rings. These currents interfere with that generated by the primary conductors Field that focuses on holes 14. Resistive electrical conductors are located in these holes, namely the sleeve and the spacers that are to be soldered onto it, so that they are locally strongly heated. The envelope, which represents a resistance with a single turn, is heated evenly on its circumference.

Die tatsächliche Temperatur, auf die das Werkstück erhitzt werden kann, kann durch Steuerung der den primären Leiterstreifen 25 und 30 zugeführten Eingangsleistung, der Kopplung zwischen den Aufnahmeringen 35 und 36, der Kopplung zwischen dem Werkstück und der Aufnahmespule, der Länge der Zeit, während der Leistung zugeführt wird, und der Frequenz des Stroms in den primären Leiterstreifen geändert werden. Auf diese Weise ändert sich durch Änderung des Abstands zwischen den Aufnahmeringen 35 und 36 die Feldstärke in den Löchern 14. Ähnlich ergibt sich bei einem großen Loch 14 und einer kleinen Hülle eine geringere Erwärmung in dieser Hülle als bei einem kleineren Loch.The actual temperature to which the workpiece can be heated can be controlled by controlling the the input power applied to the primary conductor strips 25 and 30, the coupling between the receiving rings 35 and 36, the coupling between the workpiece and the take-up reel, the length of the Time during which power is applied and the frequency of the current in the primary conductor strips to be changed. In this way changes by changing the distance between the receiving rings 35 and 36 the field strength in the holes 14. Similarly, there is a large hole 14 and a small envelope results in less heating in this envelope than with a smaller hole.

Der Aufbau der Aufnahmespule 15 ist dem der Aufnahmespule 13 ähnlich. Wenn daher die Hüllen ihre Lage eingenommen haben, wobei die Distanzhalter an ihnen heftangeschweißt sind sowie die Haube 20 aufgesetzt worden ist, wird der Innenraüm der Haube 20 entweder evakuiert (z. B. über ein Absperrorgan im Bodentisch 10), oder ein inertes Gas wird in die Haube eingeleitet, um den atmosphärischen Sauerstoff wegzuspülen. Anschließend wird den primären Leiterstreifen 25 und 30 Strom zugeführt, so daß die Aufheizung beginnt In einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel wurde festgestellt, daß bei Erregung der primären Leiterstreifen 25 und 30 mit einem Strom von einem 1-MHz-Generator eine Lötzykluszeit von 17 Sekunden ausreicht, um 24 Distanzhalter an 12 Rohren zu be- festigen.The structure of the take-up reel 15 is similar to that of the take-up reel 13. So if the sheaths have taken their position, with the spacers being tack welded to them as well as the Hood 20 has been put on, the interior is the hood 20 either evacuated (z. B. via a shut-off device in the floor table 10), or an inert gas is introduced into the hood to purge away the atmospheric oxygen. Then will the primary conductor strips 25 and 30 are supplied with power, so that the heating begins In a practically tested embodiment it was found that upon energizing the primary conductor strips 25 and 30 with a current from a 1 MHz generator a soldering cycle time of 17 seconds is sufficient to load 24 spacers on 12 tubes consolidate.

Wenn die Erhitzung stärker auf die Oberfläche der Hüllen konzentriert werden soll, dann können die Aufnahmespulen gemäß den Fig. 4 und 5 abgewandelt werden. Hier nimmt die Dicke der Aufnahmespulen fortschreitend ab, wenn die dem Werkstück benachbarte Kante erreicht wird. Die dicke Kante 45 an den am weitesten vom Werkstück entfernten Kanten der Aüfnahmespule leitet den gleichen Strom wie die Kante 46 in der Nähe des Werkstücks. Die Stromdichte ist daher entlang den Kanten 46 größer als entlang den Kanten 45, und das durch den primären Leiterstreifen erzeugte Feld ist daher im Loch 14 in der Nähe der Kanten 46 stärker konzentriert.If the heating is to be concentrated more on the surface of the casings, then the Take-up reels according to FIGS. 4 and 5 can be modified. This is where the thickness of the take-up spools increases progressively when the edge adjacent to the workpiece is reached. The fat Edge 45 on the edges of the take-up coil furthest away from the workpiece guides the same current as the edge 46 near the workpiece. The current density is therefore along the Edges 46 larger than along edges 45, and the field created by the primary conductor strip is therefore more concentrated in the hole 14 near the edges 46.

Ein mit der Erfindung erreichter Vorteil besteht darin, daß, falls mehr als zwei Distanzhalter an einer Hülle befestigt werden sollen, eine weitere Aufnahmespule mit einem mit dieser zusammenarbeitenden primären Leiterstreifen an jeder gewünschten Stelle in Längsrichtung der Hülle angebracht werden kann. Jede neue Aufnahmespule ist in ähnlicher Weise wie die Aufnahmespulen 13 und 15 unterbrochen und hat ihren eigenen primären Leiterstreifen und Kühlspulen, falls es nötig ist. Es ist ersichtlich, daß bei einer Gestalt der Aufnahmespulen, die im Zusammenhang mit den F i g. 4 und 5 gezeigt ist, Abwandlungen des Heizungsschemas erreicht werden können. Es kann z. B. für manche Zwecke wünschenswert sein, die Erhitzung nur für einige der Löcher in der Aufnahmespule zu erhöhen oder wahlweise zu gewährleisten, daß einige Teile des Lochs eine größere Erhitzung als andere Teile erlauben. Die Kanten 46 (F i g. 5) können dann in zu den Distanzhaltern benachbarten Bereichen dünn sein, aber die ursprüngliche Dicke der Kanten 45 in zu den Distanzhaltern entfernten Bereichen beibehalten.An advantage achieved with the invention is that, if more than two spacers on one Sheath are to be attached, another take-up reel with a cooperating with this primary conductor strips are attached at any desired location in the longitudinal direction of the sheath can. Each new take-up reel is interrupted in a manner similar to that of the take-up reels 13 and 15 and has its own primary conductor strip and cooling coils if needed. It can be seen that in a shape of the take-up reels, which in connection with the F i g. 4 and 5 shown is, modifications of the heating scheme can be achieved. It can e.g. B. for some purposes it may be desirable to increase the heating for only some of the holes in the take-up spool, or alternatively ensure that some parts of the hole allow more heating than other parts. The edges 46 (FIG. 5) can then be thin in areas adjacent to the spacers, but maintaining the original thickness of the edges 45 in areas remote from the spacers.

Claims

Patent claims:

1. method of fastening spacers to the shells of fuel elements, characterized in that the spacers provided with a solder alloy are welded to the shells of the fuel elements are attached in at least one plane of the same and that the spacers of several fuel elements simultaneously by means of Induction heating to be attached to the fuel elements.

2. Induktionsheizvprrichtung for attaching spacers to the shells of fuel elements with a primary conductor strip and with one surrounded by the primary conductor strip, electrically conductive take-up coil for carrying out the method according to claim 1, characterized in that characterized in that the take-up spool (13) tangentially into an outer take-up ring (35) and an inner receiving ring (36) is divided, both of which are radially slotted, and that in the take-up spool (13) through inner bulges (37) in the outer take-up ring (35) and holes (14) are formed by outer bulges (38) in the inner receiving ring (36), in which the casings to be heated can be used.

3. Apparatus according to claim 2, characterized by a second take-up reel (15) and a cooperating second primary conductor strip (30) against the first

'Take-up reel (13) and the first primary Conductor strips (25) are offset so that elongated

Sleeves (1) through the holes delimited by the first and second take-up reels (14, 16) run and be heated.

4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that parts (46) of the Edges of the receiving rings which form bulges have a smaller thickness.

5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized by one against the atmosphere shut-off hood (20) made of a magnetically permeable and electrically insulating one Material for enclosing the take-up reels (13, 15) and the sleeves (1) between the take-up reels (13,15) and the primary conductor strip (25,30). ·

6. Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the first and 'second primary conductor strips (25,30) to one electromagnetic high-frequency current generator (33) are connected.

1 sheet of drawings