DE1806599B2

DE1806599B2 - Nuclear element - filled with high pressure inert gas

Info

Publication number: DE1806599B2
Application number: DE19681806599
Authority: DE
Inventors: Eugene Monroeville; Campbell Joseph Pittsburgh; Pa. Bokyo (V.StA.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1967-11-06
Filing date: 1968-11-02
Publication date: 1977-02-17
Also published as: FR1591303A; NL6815463A; DE1806599A1; SE336629B; CH497023A; GB1174030A; IL30949A0; ATA1078868A; AT329692B; BE722683A; IL30949A

Abstract

A fuel element for use in a pressurized water reactor, comprises a tube sealed by end plugs. One plug has a narrow bore which is used first to evacuate the tube and then to refill it with a gas such as He at high pressure. The end plug is then heated adjacent the bore to cause melting which results in sealing the bore in the inert gas atmos.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Füllen mit unter Druck stehendem Inertgas und gasdichten Verschließen eines Kernreaktor-Brennstabes, dessen dünnwandiges Hüllrohr mit dem Kernbrennstoff gefüllt und beidseitig mit Endkappen verschlossen ist, von denen die eine mit einer axialen Bohrung versehen ist, durch die der Brennstab evakuiert wird und die anschließend zugeschweißt wird.The invention relates to a method for filling with pressurized inert gas and gas-tight Closing a nuclear reactor fuel rod whose thin-walled cladding tube is filled with the nuclear fuel and is closed on both sides with end caps, one of which is provided with an axial bore, through which the fuel rod is evacuated and which is then welded shut.

Die Füllung eines einem hohen Kühlmitteldruck ausgesetzten Brennstabs mit einem inerten Gas hohen Druckes hat den Zweck, das Brennstabhülli-ohr trotz des hohen Kühlmitteldruckes zwecks Erzielung einer möglichst guten Neutronenökonomie des Reaktors dünnwandig ausbilden zu können, ohne daß sich eine Faltenbildung infolge der Belastung durch den Kühlmitteldruck einstellt.The filling of a fuel rod exposed to high coolant pressure with an inert gas The purpose of the pressure is to keep the fuel rod casing in spite of the high coolant pressure in order to achieve the best possible neutron economy of the reactor To be able to form thin walls without wrinkling as a result of the load from the coolant pressure adjusts.

Das wesentliche Problem eines solchen Verfahrens ist das endgültige, gasdichte Verschließen des unter erhöhtem Innendruck stehenden Brennstabhüllrohrs.The main problem with such a process is the final, gas-tight sealing of the underneath increased internal pressure standing fuel rod cladding tube.

Bei einem aus der DT-AS 12 09 673 bekannten Verfahren der eingangs dargelegten Art findet deshalb eine Verschlußkappe Anwendung, die im Verlaufe ihrer zum Einfüllen des Inertgases dienenden Axialbohrung ein Rückschlagventil enthält und zum Einfüllen des Inertgases ein Mundstück in Form eines axialen Rohransatzes aufweist. Nach dem Einfüllen des Inertgases wird das Mundstück an seinem Ende zusammengedrückt und zugeschweißt, während das Rückschlagventil einen Wioderaustritt des unter hohem Druck stehenden Inertgases aus dem Brennstabhüllrohr verhindert.In a method of the type set out above known from DT-AS 12 09 673 therefore takes place a closure cap application, which in the course of its serving for filling the inert gas axial bore contains a check valve and for filling the inert gas, a mouthpiece in the form of an axial Has pipe socket. After filling the inert gas, the mouthpiece is at its end pressed together and welded shut, while the check valve is a Wioderaustritt the under high Prevents standing inert gas from the fuel rod cladding tube.

Das bekannte Verfahren ist insofern nicht ganz befriedigend, als einerseits das in die Verschlußkappe eingebaute, nur zum Füllen und Verschließen wirksame, danach jedoch unnütze Rückschlagventil einen verhältnismäßig großen konstruktiven Aufwand darstellt, der sich bei der großen Anzahl der für einen Kernreaktor jeweils benötigten Brennstäbe merklich auswirkt, und als andererseits aufgrund des Rückschlagventils in der Verschlußkappe vor dem Einfüllen des Inertgases eine Evakuierung nicht ohne weiteres möglich ist, obwohl, wie in der genannten DT-AS 12 09 673 angesprochen ist, das im fertigen Brennstab befindliche Inertgas einen hohen Reinheitsgrad aufweisen muß.The known method is not entirely satisfactory insofar as, on the one hand, that into the closure cap built-in, only effective for filling and closing, but then useless check valve a relatively represents great design effort, which is reflected in the large number of for a nuclear reactor each required fuel rods noticeably affects, and than on the other hand due to the check valve in the Closing cap before filling the inert gas, evacuation is not easily possible, although, as is addressed in the aforementioned DT-AS 12 09 673, the inert gas in the finished fuel rod is a must have a high degree of purity.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art im Sinne einer besseren Wirtschaftlichkeit zu verbessern.The invention is based on the object of a method of the type mentioned in the sense of a to improve profitability.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.This object is achieved by the measures specified in the characterizing part of the patent claim.

Das Evakuieren und anschließende Füllen des Brennstabs mit Inertgas in einer Druckkammer vor dem endgültigen Zuschweißen des Brennstabs ist aus »Welding and Metal Fabrication«, August 1960, S. 304, an sich bekanntThe evacuation and subsequent filling of the fuel rod with inert gas in a pressure chamber before the final welding of the fuel rod is from "Welding and Metal Fabrication", August 1960, p. 304, known per se

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, daß die Ringnut leicht herstellbar ist und beim Schweißen eine Wärmesperre darstellt, die verhindert, daß ein größerer Teil der Schweißwärme in die benachbarten Bereiche der Endkappe abströmt und diese unnötig erwärmt, und dadurch ein schnelles Abschmelzen des Kragens und damit eine kurze Schweißzeit sicherstellt. Die äußeren Nutwände begünstigen das schnelle Abschmelzen des Kragens, indem sie die Wärmestrahlung des Lichtbogens auffangen, und halten das abgeschmolzene Kragenmaierial im unmittelbaren Bereich der Endkappenbohrung zusammen, so daß ein sicherer Verschluß der Bohrung durch das geschmolzene Material sichergestellt ist. Diese Vorteile hinsichtlich der Zuschweißbarkeit der Endkappenbohrung ermöglichen das Verschließen dieser Bohrung nach dem Einfüllen des mertgases durch eine automatische Schweißung innerhalb eines geschlossenen Druckbehälters, wobei diese sehr klein sein kann und nur einen geringfügig größeren Durchmesser als der Brennstab aufweisen muß, so daß auch der Inertgasverbrauch gering ist. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft die Voraussetzungen, die zur Sicherstellung einer Verschluß«erschweißung mit ausreichender Qualität, d. h. mit absoluter Dichtigkeit und ohne Schädigung benachbarter Teile der Brennstabhülle und des Brennstoffs durch die Schweißwärme, im Rahmen eines automatischen Vorgangs erforderlich wird. Eine fehlerhafte Schweißung würde erhebliche Kosten verursachen, da dadurch meist die Endkappe und das gesamte, damit bereits verschweißte Hüllrohr unbrauchbar wird, was ein mühsames Herausschneiden des Brennstoffs aus der beschädigten Hülle und Einsetzen in eine neue Hülle zur Folge hat. Schließlich hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil der Verwendung einer wesentlichen einfacheren Endkappe als beim Verfahren nach der DT-AS 12 09 673.The advantages of the method according to the invention are that the annular groove is easy to manufacture and represents a thermal barrier during welding, which prevents a larger part of the welding heat from entering the adjacent areas of the end cap flows off and heats them unnecessarily, and thus a fast Melting off the collar and thus a short welding time ensures. The outer groove walls favor the rapid melting of the collar by absorbing the thermal radiation of the arc, and keep the melted collar maierial together in the immediate area of the end cap bore, see above that a secure closure of the bore is ensured by the molten material. These advantages with regard to the weldability of the end cap bore enable this bore to be closed after the filling of the inert gas by an automatic welding within a closed pressure vessel, this can be very small and only slightly larger in diameter than the fuel rod must have, so that the inert gas consumption is low. The inventive method creates the Prerequisites for securing a seal of sufficient quality, d. H. with absolute tightness and without damaging adjacent parts of the fuel rod cladding and the fuel due to the welding heat, is required as part of an automatic process. A faulty one Welding would result in considerable costs, since it usually results in the end cap and the entire, so that already welded cladding tube becomes unusable, which means that the fuel is laboriously cut out the damaged case and insertion into a new case. Finally, the invention has Method has the advantage of using a much simpler end cap than the method according to the DT-AS 12 09 673.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben, von welchenThe invention is described in more detail below with reference to the drawings, for example, of which

Fig. 1 eine Apparatur zur Ausführung des Vei^ahrens und1 shows an apparatus for carrying out the process and

Fig.2 die Endkappengestaltung im einzelnen und eine Schweißelektrode zeigt.Figure 2 shows the end cap design in detail and a welding electrode.

Der in der Apparatur vertikal stehende Brennstab 1 weist ein Hüllrohr 3 auf, das den Kernbrennstoff enthält und an seinen Enden jeweils durch eine Endkappe 5 bzw. 7 verschlossen ist. Diese Endkappen 5 und 7 sind jeweils durch eine Ringschweißnaht mit dem Hüllrohr 3 verbunden.The fuel rod 1 standing vertically in the apparatus has a cladding tube 3 which contains the nuclear fuel and is closed at its ends by an end cap 5 and 7, respectively. These end caps 5 and 7 are each connected to the cladding tube 3 by an annular weld seam.

Die obere Endkappe 7 ist als Verschlußkappe auf das obere Hüllrohrende aufgeschweißt. Gemäß Fig. 2 ist die obere Endkappe 7 mit einer Bohrung 9 versehen. Konzentrisch zu dieser Bohrung 9 ist in der äußeren Stirnfläche der Endkappe 7 eine Ringnut 11 hergestellt,The upper end cap 7 is welded onto the upper end of the cladding tube as a closure cap. According to Fig. 2 is the upper end cap 7 is provided with a bore 9. Concentric to this bore 9 is in the outer End face of the end cap 7 made an annular groove 11,

wodurch e^!n um das äußere Ende der Bohrung 9 herum verlaufender Kragen 13 gebildet ist Dies ermöglicht das Zuschweißen der Bohrung 9 unter Anwendung einer sehr kurzen Schweißzeit bei nur geringer Aufwärmung der übrigen Endkappe 7, wobei das Material des Kragens 13 als Schweißmaterial dient.whereby e ^! n collar 13 running around the outer end of the bore 9 is formed. This enables the bore 9 to be welded shut using a very short welding time with only slight heating of the remaining end cap 7, the material of the collar 13 serving as the welding material.

Das Füllen des Brennstabs 1 mit einem Inertgas hohen Druckes und das Zuschweißen dei Endkaopenbohrung 9 erfolgt in der in F i g. 1 dargestellten Apparatur. Diese Apparatur weist einen stählernen Druckbehälter auf, der aus zwei konzenti ischen Rohren 15 und 21, einen daran angeschweißten Bodenteil 17 und einem Flanschring 19 besteht und durch einen auf den Flanschring 19 aufgeschraubten Deckel 23 verschlossen ist Zwischen dem Deckel 23 und dem Flanschring 19 ist eine Dichtung 25 eingelegt. Der Deckel 23 weist eine mittige Ausbuchtung 27 auf, an welcher eine Inertgaszuleitung 33 und eine über ein Trennventil 39 mit einer Vakuumpumpe 31 verbundene Vakuumleiiung angeschlossen sind und außerdem eine mittige Isolierdurchführung 49 für eine Schweißelektrode 47 angeordnet ist. In der Mitte des Bodenteils 17 ist eine Halterung 43 für die untere Endkappe 5 des jeweils in die Apparatur eingesetzten Brennstabs 1 vorgesehen, die außerdem als elektrischer Anschluß für das Schweißen dient. Außerdem sind innerhalb des Druckbehälters Isolierstücke 41 zur senkrechten Halterung des eingesetzten Brennstabs I angeordnet.Filling the fuel rod 1 with an inert gas high pressure and the welding of the end cap hole 9 takes place in the in FIG. 1 shown apparatus. This apparatus has a steel one Pressure vessel, which consists of two konzenti ical tubes 15 and 21, a welded base part 17 and consists of a flange ring 19 and is closed by a cover 23 screwed onto the flange ring 19 A seal 25 is inserted between the cover 23 and the flange ring 19. The lid 23 has a central bulge 27 on which an inert gas supply line 33 and a separating valve 39 with a Vacuum pump 31 connected vacuum line are connected and also a central insulating bushing 49 for a welding electrode 47 is arranged. In the middle of the bottom part 17 is a holder 43 for the lower end cap 5 of the respective fuel rod 1 used in the apparatus is provided, which also as electrical connection for welding is used. In addition, insulating pieces 41 are inside the pressure vessel arranged for vertical support of the inserted fuel rod I.

Die Spitze der Elektrode 47 weist gemäß Fig. 2 nur einen geringen Abstand vom Kragen 13 auf, damit mit Sicherheit ein Lichtbogen erzeugt werden kann. Das Elektrodenende ist vorteilhafierweise zugespitzt. Ein an der Elektrode angeordneter Ringbund 51 verhindert, daß die Elektrode durch den im Behälter herrschenden Druck durch die Isolierdurchführung 49 hindurch nach außen gedrückt werden kann.According to FIG. 2, the tip of the electrode 47 only has a small distance from the collar 13 so that an arc can be generated with certainty. That The electrode end is advantageously pointed. An annular collar 51 arranged on the electrode prevents that the electrode through the insulating bushing 49 through the pressure prevailing in the container can be pressed outside.

Nach dem Einsetzen des Brennstabs 1 in den Druckbehälter und nach dem Schließen desselben sind das Trennventil 39 geöffnet und die Vakuumpumpe 31 in Betrieb gesetzt. Nach Erreichen rines Vakuums von etwa 01, Torr wird das Trennventil 33 ^schlossen und der Druckbehälter durch öffnen eines Absperrventils 35 in der Inertgaszuleitung 33 mit einer Inertgasquelle 29 verbunden. Nach Erreichen des gewünschten Druckes von beispielsweise 70 at, der an einem Manometer 37 abgelesen werden kann, wird das Absperrventil 35 wieder geschlossen. Sodann wird zwischen der Elektrode 47 und dem Kragen 13 der Endkappe 7 des Brennstabs 1 mittels eines Schweißgeräts 45 ein Lichtbogen erzeugt. Die Schweißzeit ist sehr kurz und kann bei einer Stromstärke von etwa 16 A etwa i s betragen. Diese Zeit reicht aus, um den Kragen 13 abzuschmelzen und mit dem geschmolzenen Material die Bohrung 9 zuzuschweißen. Nach Abschluß der Schweißung wird der Druckbehälter wieder druckentlastet und geöffnet. Der fertig gefüllte und verschlossene Brennstab kann herausgenommen und der nächste Brennstab eingesetzt werden.After the fuel rod 1 has been inserted into the pressure vessel and after it has been closed the isolating valve 39 is opened and the vacuum pump 31 is put into operation. After reaching a pure vacuum of about 01, Torr, the isolation valve 33 ^ is closed and the pressure vessel by opening a shut-off valve 35 in the inert gas feed line 33 with an inert gas source 29 tied together. After reaching the desired pressure of, for example, 70 atm, which is indicated on a manometer 37 can be read, the shut-off valve 35 is closed again. Then between the electrode 47 and the collar 13 of the end cap 7 of the fuel rod 1 by means of a welding device 45 Arc generated. The welding time is very short and can be about i s with a current of about 16 A be. This time is sufficient to melt the collar 13 and with the molten material the bore 9 to be welded shut. After completion of the weld, the pressure vessel is relieved of pressure again and open. The completely filled and sealed fuel rod can be removed and the next one Fuel rod are used.

Es sind bereits Brennstabinnendrücke von 70 at bis 133 at erfolgreich angewendet worden. Die Anfangsdrücke müssen dabei in Abhängigkeit vom Füllgrad der Brennstäbe mit Brennstoff so gewählt werden, daß der Enddruck am Ende jeder Betriebszeit bei Druckwasserreaktoren 140 at bis 154 at nicht übersteigt.Internal fuel rod pressures of 70 to 133 atm have already been used successfully. The initial pressures must be chosen depending on the degree of filling of the fuel rods with fuel so that the The final pressure at the end of each operating time for pressurized water reactors does not exceed 140 to 154 at.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Method of filling with pressurized inert gas and gas-tight sealing of a nuclear reactor fuel rod, whose thin-walled cladding tube is filled with the nuclear fuel and closed on both sides with end caps, one of which with an axial bore is provided through which the fuel rod is evacuated and filled with the inert gas and which is then welded shut, characterized in that using an end cap (7) which, on its outer end face, has a concentric bore Annular groove (11) formed, the bore (19) enclosing collar (13), evacuation, filling and welding together with the fuel rod (1) extending vertically with the bore (9) pointing upwards Pressure vessel takes place, wherein the filling pressure is at least 30 at and wherein the welding by arc welding by means of an electrode (47) that can be adjusted in the direction of the bore axis takes place with melting of the collar (13) supplying the closure material.