DE1614657A1

DE1614657A1 - Verfahren zur Verkleinerung des Spaltes zwischen Huellrohr und Brennstoffuellung von Kernreaktorbrennstaeben

Info

Publication number: DE1614657A1
Application number: DE19671614657
Authority: DE
Inventors: Gerhardt Poplat; Dipl-Phys Hans Scharf; Eckard Steinberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-11-22
Filing date: 1967-11-22
Publication date: 1970-11-26
Also published as: SE341223B; DE1614657B2; DE1614657C3; US3657793A

Description

Verfahren zur Verkleinerung dee Spaltes zwischen Hüllrohr und Brennstoffüllung von Kernreaktorbrennstäben

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur ...-. Verkleinerung des Spaltes zwischen Hüllrohr und BrennetofffUIlung von Kernreakiorbrennstitben.' Kernreaktorbrennstäbe bestehen im atigemeinen au& einem Hüllrohr, z.B.-aus rostfreiem ς Stahl und einer Füllung von Kernbrennstoff, beispielsweise in Gestalt zylindrischer' Tabletten. Durch die Erwärmung derartiger Kernbrennstabe während des Reäktorbetriebes wird eine Wärmedehnung der beteiligten Materialien stattfanden, wobei der WärmeauBdehnunglkoeffizient dee Hüllrohrmateriela in einigen Fällen größer ietjale jener des'Kernbrennstoffes*

■'■-■'■- 1 -

.■■-■.. ,

O&8048/O38O

Mü/Prä

PLA 67/1603

16U657

Wenn bei solchen fieaktoren ein bestimmtes maximales "Spiel" eier Brennstoff tabletten im Hüllrohr überschritten wird,' d'anri treten, verursacht -durch den Kühlmitteldruck, am Brennstab unter Reaktorbetriebsbedingungen Längsfalten auf, welche bei zyklischer Temperaturwechselbeanspruchung infolge Dehnungsermüdung zum Hüllrohrbruch führen. Es muß daher bereits im kalten Zustand der Brennstäbe ein möglichst kleines Spiel zwischen .Hül!rohr und Brennetofftabletten gefordert werden, was sowohl bei der Hülle wie beim Brennstoff zwangsläufig auf sehr enge Durchmessertoleranzen führt. Das zulässige Spiel ist abhängig von Werkstoff, Werkstoffzustand und Hüllrohrabmessung; im ungünstigsten Fall kann es gegen Null gehen.

Ganz "abgesehen davon,, daß die Einhaltung derartiger Herstellun^stoleranzen außerordentlich schwierig - Hü'llrohre und Br-ennstofJftabletten müßten dabei in Toleranzenklassen eingeteilt werden - und daher auch*" mit entsprechenden Kosten verbunden ist, ergeben sich bei der Brennstabherstellung, insbesondere beim ÜinfüllVorgang, große technische Schwierigkeiten. Dies wird sofort klar, wenn man bedenkt, daß das Einfüllspiel z.B. höchstens 30/u betragen darf und die Dicke eines Menschenhaares im Vergleich dazu etwa 50 bib 80/u beträgt.

Zur Lösung dieses Problems sind bereits verschiedene Wege vorgeschlagen und untersucht worden, die alle von einen» größeren Eirifüllepiel z-wisehen BrennetabhUllrohr und Tabletten ausgegftng.en. sind. So wurde z.B. versucht, das Hüllrohr des fertigen Brenn-

_{A A Λ} -■ 2 .... : -; ■ ν. - α BAD OBlG^AL _Mü/_Pra

00984870380 -■

Ϊ>ΪΑ 67/1603

1614857

Stabes innerhalb eines Druckbehälters mit einem. Druckm'edium,

z.B. Wasser, gleichmäßig auf den Brennstabkern aufzupressen." Damit sind jedoch nur relativ kleine ElnfüllBpiele zu beseitigen , da die.Grenze zur Faltenbildung rasch erreicht ist» Auch ein Aufpressen des Hüllrohres mit Hilfe von, Schockwellen führte zu keinem befriedigenden Erfolg. Obwohl hier relativ. große Einfüllspiele verkleinert werden können, ist das Yerfahren Wegen der auftretenden Tablettenversetzungen für dünnwandige Stahlrohre kaum anwendbar. Das Bundhämmerverfahren (swaging-Yerfahren) verbietet sich, da dabei die Brennstofftabletten (Sinterkörper) zerstört werden. ."..._

Ks ist somit noch kein "befriedigend arbeitendes Yerfahren zur Lösung des eingangs genannten Problems bekannt gewordeil» Eine neue und völlig befriedigende Lösung besteht nunmehr «rfindungsgemäß darin, deß im Zuge eines schrittweisen Yorschulss jeweils eine ringförmige Zone des-Hüllrohres durch ein ringförmiges hydraulisches Druckkissen auf die Brennstoffüllung aufgepreßt und bleibend verformt wird und daß dabei die Schrittlänge der Breite der ringförmigen PreßzOne angepaßt ist* Bas'Hüllrohr wird schrittweise durch das ringförmige hydraulische Drückkissen hindurchgesehobeii, das im entsprechenden Rhythmus mit Druck beaufschlagt wird und eomit fortschreitend -die notwendige Durchmesserreduzierung des. Brenne ta bhUllrohree TDewir^kt* Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, daß auf diese Weise ein ursprüngliches Durchmesserspie;! bis etwa 500/u ohne Faltenbildung des Hüllrohres beseitigt werden kann. Das durch die

- 3 - ' '. JMi/Fra

67/1601

181*817.

deg Materials des HÜHrohres bedingte Restspiel beträgt pa, 2Qm und ist ep Klein, daß eine Faltenbildung auch bei simulierten Reaktorfeedingungen nicht mehl? auftritt* -

Zur Erzielung einer gleichmäßig, glatten Oberfläche ist ef dabei zweckmäßig, daß sich die Preßzonen etwas einander Überlappen,, wobei -gleichzeitig eine gegenseitige Ausrichtung der Br.ennstQfftabletten erfolgt und Versetzungen ni^ht auftretent Umgekehrt ist es selbstverständlich auch möglich, durch Anwendung einer größeren öchrittlMnge und damit Abßtandes der Preßzonen eine gewellte R ο h r ο b e r f 1 ä c h e zu erzielen, die u«IJ· gunstigere Wiirmeiibertragungseigenschaften an das Kühlmittel erwarten läßt» Das Verfahren ist auch zur Kalibrierung dünnwandiger Rohre verwendbar. Anstelle der Brennstoffsäule tritt dabei lediglich in der Preßvorrichtung ein fliegender Kern, Auf diese Weiße läßt sieh also auch eine 'einfache und kpstenspere.nde sowie schnelle Kalibrierung von Rohren, wie z*B* PrenneZenjenthÜllrolireii;, e-ψτ* reichen,

Zur besseren yeranschaulichung dieser Verfahren sei auf 4ie beiliegenden Figuren 1 bis 4 verwiesen, die eine Einrichtung zur Kalibrierung eines üüllrohree zeigen,, w£>|ei im Falle 4er Herstellung eines Brennstabes der Kalibrierdorn ledijglipii durch eine Brennstofftablettensäule ersetzt würde« Da bei diesep '^rer?- fahren eine Längung des Hüllrohres auftritt, ist ee bei der Herstellung von Brennstäben zwepkmäöig, die Tablettensäule durch einen leichten Federdruek von der einen Seite her zusammenzu-

BAD OR!GMÄ - 4 * MU/Fra

009848/0380 ^ .

PM 67/1603

zuhalten und damit Einziehungen des Hüllrohres in evtl. entstehende Spalte zwischen den Tabletten zu vermeiden. Sollte jedoch ein gewisser Abstand -ZWlschen den Brennstofftabletten wünschenswert sein, z.B. für Zwecke der Spaltgasaufnahme, so kann durch diese Einziehungen des Hüllrohres JlR .die winzigen Spalte zwischen- den Spaltstofftabletten eine Halterung desselben, mit Ausbildung definierter Zwischenkammern durchgeführt werden. ... ■ - . . " .-. .

Figur TA zeigt den ..uerschni/ttdurch einen-Brennstab, wobei öpaltstoffkern 61 und."Hüllrohr 10 die für den FüllVorgang benötigten Toleranzen besitzt. Figur 1B zeigt einen Querschnitt der gleichen Anordnung nach einer Druekbelastung- während des Reaktortetriebes seibat oder nach einem Versuch zum Aufpressen des Hüllrohres auf den Spaltstoffkern nach einem der eingangs geschilderten Verfahren? es bilden sich Längsfalten 12 sue, die durch die Wechselbeanspruchung während des Reaktorbetriebes zu Ermüdungserscheinungen neigen und damit zu Brüchen im'Hüllrohr führen.

Die Figur 2 zeigt, demgegenüber im Längsschnitt einen Teil eines Brennetabes, b.ei dem. ein Abschnitt nach dem erfindungs- ' > gemäSen Verfahren auf. die Spaltstoff säule 61 aufgepreßt "ist V ^r ' -^; Dieser Teil des HUlilrohfes ist -'-'mtt-"11 bezeichnet, erhalte"'· ^; ^ " ursprünglich die Abmessungen 1Ό-, bei denen die Brennstoff- '■ '^c'■" ÜlMftten ohne Sqhwierigk^Biteil eingefüllt werden kannten. In ' Anbetrechii dee hierbei zulässigen und· wünschenswerten großen

PLA 67/1603

16U657

Spaltes 13 kann auf die Einteilung der jeweiligen Spaltatöfftabletten sowie Hüllrohre in Toleranz entlassen verzichtet werden.

Figur 3 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, in diesem Fell speziell zur Kalibrierung von Hüllrohren über einem fliegenden Kalibrierdorn 6 anstelle der Brennstofftatlettensäule 61. Das Hüllrohr 10 wird mit Hilfe' einer Transportvorrichtung 4 durch die Drückeinrichtung schrittweise hindurchbewegt. Die Drückeinrichtung besteht dabei aus einem scheibenförmigen druckfesten Gehäuse 21, das in seinem Inneren eine ringförmige Druckkammer 25 enthält. Diese Druckkammer ist gegenüber dem Hüllrohr 10 durch eine ringförmige Dichtung 3 abgeschlossen, die gleichzeitig als Druckkissen < dient. Der Hingraum -25 steht mit einem Druckerzeuger 5 in Verbindung, der im Takte der Vorschubeinrichtung das Druckkissen auf das Hüllrohr preßt und dieses dabei auf den Kalibrierdorn aufdrückt. Dieser Druckerzeuger kann z.B. als Pumpe mit entsprechenden Ventilen ausgebildet sein, oder wie in diesem Beispiel dargestellt, als elektromagnetischer Druckerzeuger, der mit einer Magnetwicklung 53 und einem Anker 52 versehen ist. Der Anker 52 betätigt den Druckkolben 51 und ' wird durch eine Rückstellfeder 54 nach einem Arbeitshub wieder in der Ausgangsstellung zurückbewegt. Durch die gleichmäßige Kraft des Magneten wird unabhängig vqn .der Hublänge dee Kolbens (und damit unabhängig von dem verformten Volumen) ein stets konstanter Arbeitsdruck erreicht. Bin Vorratsbehälter 55 fUr dae Druckmittel_f z.B. HochdruokÖl, mündet in die Be-

ΛΛοβ/β/η««Λ -!."--BAd¹ORIGINAL , "Λ".

0098i|Afl38Ö MU/Pra

1114157

wegungsbahn des Bruckkolbens 51 ein, BQ; daß e¥tl_t yerluste jeweils .automg;ti.sph ausgeglichen werde!**'

Die Tfan$portyp,rrieh.tung -4 besteht im Spaianz;ange 43, die in einem.Spanxis^.hlaß 41 ist, Ώ$ψ Spannachloß- selbst wird 4«?ofe die RiieHistiellfeder 41 in der dapgesteilten Lage gphat] ten. Für den VorsQhut· des tiivlT.*- röhres 10 wird,nun E.B, Elt Hilfe einer Exzenterstange 44 die Dpannzange 4-3 in Transportrichtung vörwärtstoewegt_f kororot durch die konische Führung des-· opannpchlosses 42; in KraftrchluS mit dem Hüllrohr 10 und nimmt dieses mi t, Jn der KM stellung wird der elektrische Hubmagnet 42 des Druckeriieugers 5 über ein mit dem Antrieb 45 der'Exjsenterstange 44 verbundenes Kockenschaltwerk 47/46 erregt und das öl' in der Kammer 25 durch, den DruGkkolben 51 zusammengepre!3t. l)a,& IJry-ckkissen 3 preßt dann aas Hüllrohr auf den inliegenden .paiibrierdorn 6 auf * es könnte selbstverstandlijGh auqh.die Jabl^ttensjule aus Kernbrennstoff eein« Bureh diesen PreßVQpgang wirddas Hüllroihr ill diefer liege gehalten, die Exzenterstainge 44 izieht die Spannzainge 43 zurück, sie öffnet sich dabei und das Spanneehloß; 42 wird durch die güokßtellfed-er 41 in die' liehe Lage zurückbewegt. In der Zwisoheniaeit ist 4(?r mungi3V0"gang -flee- Hüllrohres beendet, der elektrijelte Hubmagnet 42 wird abgeschaltet, die Rüekstellfeder 54_iÄi3feht den Drpck^ kolben 51 zurück und entlastet damit das-f^ruekkieeen 3. An- « schließend schiebt die Exzenterstange 44 die Spannzange 43 mit* samt dem Hüllrohr 10 wieder um die eingestellte Bchrittlange vorwärts, der Verformungevorgang für das Hüllrohr 10 setst er-

PLA 67/1603

ΐ T6U657

newt ein usw. Die Einrichtung wird am besteh so eingestellt·, daß sich die Verformungszonen etwas überlappen, damit eine absoli't gleichmäßige glatte Oberfläche des verformten IiUIlrohres erzielt wird.

Lielbstverstänal.ich ist das Verfahren nach dieser Erfindung auch mit konstruktiv" abgewandelten Vorrichtungen durchführbar

Abschließend sei erwähnt, daß inter Zugrundelegung dieses Verfahrens der oinfül 1 Vorgang für die Brenns.tofftablet Len in die Hüllrohre erhe-blich kürzere Zeiten erfordert als bisher dafür aufgewendet werden mußte. Das Aufpressen der Hülle beansprucht etwa 1 min/m. Damit sind ■ aIrLe Voraussetzungen geschaffen, auch diese Arbeitsgänge in einen normalen Fertigungsfluß einzubauen.

8 Patentansprüche
3 Figuren

BAD OFKS

- 8 ■-■".' Mü/Fra

009848/0380

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren, zur Verkleinerung des SpaItes zwischen Hüllrohr und Brennsto ff Ul lung von Rernreak borbrennstäben, dadurch gek ennzeich-net, daß. im Zuge eines schrittweisen Vorschubs jeweils eine ringförmige Zone des Hüllrohres durch ein ringförmiges, hydraulisches Druckkissen auf die Brennstoffüllung aufgepreßt und bleibend verformt wird und daß dabei die Schrittlänge der Breite der ringförmigen Preßzone angepaßt ist. ..

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckkissen aus einem ölfesten, elastischen Dichtungsmaterial besteht, das eine ringförmige metallische Druckkammer gegenüber dem Hüllrohr abschließt.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurcii gekennzeichnet,, daß das Druckkissen von einem möglichst wenig korapressiblen Medium, z.B. Höchdrucköl, beaufschlagt ist, dessen Druck im Takte dee schrittweisen Vorschubs im Sinne einer Preöwirkung t>zw. einer Entlastung durch an sich /bekannte Mittel änderbar ist. · .""

4. Einrichtuftg naoh Ansprüo.h 3, daduieh 'gekennzeichnet, daß zur Dru0kerzeij5gung eine HooMruclcpump^ mit entsfrechend gesteuerten

'Ventilen vorgesehen ist,

;;. ■ ■-...■■■- · "' ' '.'-"'■'. ;'.;■ .:■■; . .-..■■-■ bauof£G!nal

-■".-■ Mü/Fra :_;

PLA 67/1603

Ί6Η657

5· Einrichtung nach. Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß zur periodischen Druckerzeugung ein ölgefüllfer Zylinder mit elektromagnetisch bewegbarem Kolben vorgesehen ist.

6. Einrichtung zur "Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum schrittweisen Vorschub des Hüllrohres eine an sich bekannte Spannzange mit Exzenterbetfitigung vorgesehen ist.

'8." Verwendung des Verfahrens"nach Anspruch 1 zur Herstellung leicht . gewellter Rohre bzw. Hüllrohre, wobei lediglich die Jchrittlänge größer als die Breite der ringförmigen Preßzone gemacht wird.

;--"■ . ■■ BAD Omm - 10 - * " MU/Pra

003848/0380