DE1961575A1

DE1961575A1 - Filling device for nuclear fuel tablets

Info

Publication number: DE1961575A1
Application number: DE19691961575
Authority: DE
Inventors: Karl Hotz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-12-09
Filing date: 1969-12-09
Publication date: 1971-06-16
Also published as: US3746190A; GB1296605A; CA930937A; RO59805A; BE759096A; FR2073104A5; SE362978B

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, "" ' 'SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, "" ''

Berlin und München Wemer-von-Siemens-Str. 50Berlin and Munich Wemer-von-Siemens-Str. 50

Unser Zeichen TPA 69/1339 Mü/HüOur sign TPA 69/1339 Mü / Hü

Einfüllvorrichtung für KernbrennstofftablettenFilling device for nuclear fuel pellets

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einfüllvorrichtung für tablettenförmiges Gut, insbesondere Kernbrennstofftabletten, in lange, dem Durchmesser der Tabletten eng angepaßte Rohre (Hüllrohre). Da die Durchmesserspiele zwischen Tabletten und Hüllrohren nur in der Größenordnung von I/IOO mm liegen, kann bereits das Absplittern kleinster Teilchen von den Tabletten zu Beschädigungen der Hüllrohrinnenwand sowie zu einer ernsthaften Behinderung des Einfüllvorganges fuhren. Es ist daher notwendig, den Einfüllvorgang selbst mechanisiert durchzuführen. Dies erweist sich auch als notwendig in Anbetracht der Abmessungen der zu füllenden Rohre, die bis zu 5 m lang sein können und Durchmesser von 10 bis 20 mm haben.The present invention relates to a filling device for tablet-shaped material, in particular nuclear fuel tablets, in long, closely matched the diameter of the tablets Tubes (cladding tubes). Since the diameter clearances between tablets and cladding tubes are only in the order of magnitude of 1/100 mm, Even the chipping of the smallest particles from the tablets can damage the inner wall of the cladding tube and cause serious damage Lead to obstruction of the filling process. It is therefore necessary to carry out the filling process mechanically. This also turns out to be necessary in view of the dimensions of the pipes to be filled, which can be up to 5 m long and have a diameter of 10 to 20 mm.

Bisher war es üblich, sogen. Füllstößel zu verwenden, mit deren Hilfe außerhalb der Rohre zusammengestellte Tablettensäulen von etwa 30 cm Länge bei horizontaler Lage in die Hüllrohre eingeschoben wurden. Dabei konnte man sich wiederum zweier Verfahren bedienen: man verwendet stets einen gleichen FüllstöSelhub und konnte verhältnismäßig kurze Füllstößelstangen verwenden. Dies bedeutete, daß der Füllstößel immer längere Pelletsäulen im Hüllrohr zu bewegen hatte, was infolge der zunehmenden Reibungskräfte ebenfalls zunehmende Schubkräfte am Füllstößel notwendig macht. Dies stellt nicht nur an die Halterung des zu füllenden Hüllrohres große Anforderungen, sondern brachte auch die Gefahr mit sich, daß Tabletten innerhalb des Hüllrohres beschädigt wurden und damit unter Umständen den ganzen EinfüllVorgang sowie das spätere Verhalten des fertigen Brennstabes beeinträchtigen konnten. Die zweite Möglichkeit war die, mit Hilfe einer sehr langen Stößelstange die Tablettenreihen oder Teilsäulen stets an ihre endgültige Lage im Hüllrohr zu befördern. Nach diesem Vorfahren ergibt rrLch koine Erhöhung der Reibung innerhalb des Rohren, m.rft ><it die Druokbelastung immer 4Le gleiche und rt sich nicht. Beschädigungen sind nino nicht zu befürchten.So far it was common to suck. To use filling plungers, with the help of which pill columns of about 30 cm length, assembled outside the tubes, were pushed into the cladding tubes in a horizontal position. Two methods could be used for this: one always uses the same filling plunger stroke and relatively short filling plunger rods could be used. This meant that the filling plunger had to move longer and longer pellet columns in the cladding tube, which, due to the increasing frictional forces, also necessitated increasing thrust forces on the filling plunger. This not only places great demands on the holder of the cladding tube to be filled, but also brought with it the risk that tablets within the cladding tube were damaged and thus could possibly affect the entire filling process and the later behavior of the finished fuel rod. The second option was to use a very long push rod to always move the rows of tablets or partial columns to their final position in the cladding tube. According to this method, rrLch koine increases the friction within the pipe, m.rft ><it the pressure load is always 4Le and does not arise. Damage is not to be feared nino.

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Ea ist Jedoch stets ein sehr langer Füllstößel zu betätigen, so daß abgesehen vom Platzbedarf für eine derartige Fülleinrichtung mit der Gefahr des Knickens eines derartigen Stößels durchaus gerechnet werden muß.Ea, however, is always a very long filling plunger to operate, so that apart from the space required for such a filling device with the risk of kinking such a plunger must be expected.

Ausgehend von diesem Stande der Technik stellte sich nunmehr die Aufgabe, den Füllvorgang entsprechend dem zweiten Prinzip so zu verbessern, daß die geschilderten Gefahrenmomente und Mangel entfallen. Erfindungsgemäß ist bei der Einfüllvorrichtung ein Magazin an sich bekannter Bauart für eine größere Anzahl von Tablettenreihen vorbestimmter Länge mit einem an das Hüllrohr fe anschließbaren Füllkanal vorgesehen, der eine im wesentlichen allseitige Führung und Niederhaltung der Tabletten besitzt und ist für das Einschieben der im Einfüllkanal liegenden Tabletten eine in einem gekrümmten, raumsparend angeordneten Führungsrohr untergebrachte Kugelkette vorgesehen, die von wenigstens einer endlosen, seitlich davon angeordneten Gliederkette praktisch spielfrei hin- und herbewegbar ist. Die ganze Einrichtung kann dabei in einem gasdichten Gehäuse untergebracht werden, das einschließlich des daran angeschlossenen, zu füllenden Hüllrohres evakuiert oder mit Schutzgas gefüllt werden kann.On the basis of this prior art, the task now arose to carry out the filling process according to the second principle to improve that the described dangers and deficiencies do not apply. According to the invention is in the filling device Magazine of known type for a larger number of rows of tablets of a predetermined length with one attached to the cladding tube Fe connectable filling channel is provided, which has a substantially all-round guidance and hold down of the tablets and is for inserting the tablets lying in the filling channel in a curved, space-saving guide tube housed ball chain provided, the practical by at least one endless, laterally arranged link chain can be moved back and forth without play. The whole device can be housed in a gas-tight housing that including the cladding tube to be filled connected to it, evacuated or filled with protective gas.

Anstelle eines starren Füllstößels wird nunmehr eine flexible Kugelkette verwendet, die im Vergleich zu ersterem sehr raum- ψ sparend untergebracht werden kann und bei der durch einfache Niederhalteeinrichtungen ein Knicken nicht zu befürchten ist. Der Vorschub einer derartigen Kugelkette kann praktisch spielfrei durchgeführt werden, so daß damit auch eine genaue Einstellung der Schubwege für die Tablettensäule ermöglicht wird. Dies läuft praktisch auch auf eine Wegmessung hinaus, die in an sich bekannter Y/eise z.B. über Impulse bewerkstelligt werden kann.A flexible ball chain is used instead of a rigid Füllstößels now, which can be very space- accommodated ψ-saving in comparison with the former and is no fear of buckling in the hold-down by simple means. The advance of such a ball chain can be carried out practically free of play, so that an exact setting of the thrust for the pill column is thereby also made possible. In practice, this also amounts to a distance measurement, which can be accomplished in a manner known per se, for example by means of pulses.

In der beiliegenden Figur ist eine derartige Einrichtung schemafcisch zur weiteren Erläuterung dieses Erfindun^Bgedankens dargestellt. Das au füllende Hüllrohr 1 ist an die eigentliche Einfüllvorrichtung ange9chios"!'n, die sich innerhi.Lb «ines gasdichten Gehäuses ,!3 befindet, dai Ln nicht darren teil t.er WeiseSuch a device is schematic in the accompanying figure to further explain this invention. The filling tube 1 is attached to the actual filling device ange9chios "! 'n that are gas-tight within it Housing,! 3 is located, that Ln is not part of the way

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mit einer Vakuumpumpe oder mit einer Schutzgasquelle verbunden sein kann. Innerhalb dieses Gehäuses 23 befindet sich ein Brennstofftablettenmagazin 21, das eine Reihe von vorgeordneten Brennstofftablettensäulen 2 enthält. Die jeweils vor dem Hüll" rohr 1, das mit dem Gehäusefutter 24- gasdicht verbunden ist, liegende Tablettensäule 2 wird nun durch eine Kugelkette 3 in das Hüllrohr 1 eingeschoben. Der Antrieb der Kugelkette ist in einem gesonderten Gehäuse 42 untergebracht und besteht aus den Rollen 4, über die in der dargestellten Weise ein endloser Antriebsriemen 41 läuft. Es ist dabei möglich, beide Antriebsriemen oder auch nur einen über eine Rutschkupplung und einen Motor anzutreiben, damit die Kugelkette 3 vorwärts oder rückwärts geschoben wird. Die Kugelkette selbst besteht aus einem Kopf 34, in dem ein Seil 33 befestigt ist, auf das perlenkettenartig abwechselnd zylindrische Rohrstückchen 32 und durchlochte Kugeln 31 aufgeschoben sind. Am Ende des Seiles 33 wird diese Kugelkette durch eine Feder 35 fest aber doch elastisch zusammengehalten. Anstelle der Feder 35 könnte auch ein dehnungselastisches Seil 33 Verwendung finden. Außerhalb des Gehäuses 42 für den Antrieb ist die Kugelkette in einem Führungsrohr 36 gelagert, das am Ende ebenfalls gasdicht verschlossen ist, so daß der Einfüllvorgang stets bei kontrollierter Atmosphäre stattfinden kann. Damit weder die einzufüllende Brennstofftablettensäule 2 noch die Kugelkette 3 vor dem Einlauf in das Hüllrohr 1 ausknicken können, ist innerhalb des Magazingehäuses 23 eine Niederhalteeinrichtung 22 vorgesehen, die z.B. aus einem entsprechend dem Tablettendurchmesser gewölbten Blech sowie Federführungen besteht. Zur Verminderung der Reibung können die Magazinrillen für die Lagerung der Tablettensäulen 2 prismatisch ausgeführt sein. Die Materialfrage richtet sich nach dem Tablettenwerkstoff. Je nach dem Verwendungszweck der durch diesen Füllvorgang hergestellten Brennstäbe können die Tabletten aus uranhaltigem oder auch plutoniumhaltigem Material hergestellt sein und z.B. Oxyde, Karbide oder Cermets darstellen. Selbstverständlich ist es auch möglich, die geschilderte Vorrichtung dahingehend zu erweitern, daß nach Füllung der Hüllrohre mit den Kernbrennstofftabletten nach demselben Prinzip auch noch andere Füllkörper, z.B. aus Keramik, Hohlkörper oder Federn, eingebracht werden. Auch istcan be connected to a vacuum pump or to a protective gas source. Inside this housing 23 is a Fuel tablet magazine 21 containing a number of upstream Contains fuel tray columns 2. The one in front of the envelope " tube 1, which is gas-tightly connected to the housing lining 24, lying pill column 2 is now by a ball chain 3 in the cladding tube 1 pushed in. The drive of the ball chain is housed in a separate housing 42 and consists of the Rollers 4, over which an endless drive belt 41 runs in the manner shown. It is possible to use both drive belts or to drive just one via a slip clutch and a motor, so that the ball chain 3 forwards or backwards is pushed. The ball chain itself consists of a head 34 in which a rope 33 is attached to the pearl chain-like alternately cylindrical pipe pieces 32 and perforated balls 31 are pushed. At the end of the rope 33 this is Ball chain held together firmly but elastically by a spring 35. Instead of the spring 35, a stretchable spring could also be used Rope 33 is used. Outside the housing 42 for the drive, the ball chain is mounted in a guide tube 36, which is also sealed gas-tight at the end, so that the filling process can always take place in a controlled atmosphere. So that neither the fuel tablet column 2 to be filled in nor the ball chain 3 can buckle before it enters the cladding tube 1, a hold-down device is inside the magazine housing 23 22 is provided, which consists, for example, of a sheet metal arched according to the tablet diameter and spring guides. To reduce the friction, the magazine grooves for the storage of the pill columns 2 can be designed to be prismatic. The question of material depends on the tablet material. Depending on the intended use, those produced by this filling process Fuel rods, the tablets can be made of uranium-containing or plutonium-containing material and e.g. oxides, Represent carbides or cermets. Of course, it is also possible to expand the described device in such a way that that after the cladding tubes have been filled with the nuclear fuel pellets according to the same principle, other packing elements, e.g. from Ceramic, hollow body or springs are introduced. Also is

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es möglich, die Endkappe innerhalb dieser Vorrichtung aufzubringen; für diesen Zweck müßte allerdings das Hüllrohransatzstück oder Gehäusefutter 24 anders ausgebildet sein.it is possible to apply the end cap inside this device; for this purpose, however, the cladding tube extension piece or housing lining 24 would have to be designed differently.

Die für den Antrieb der Kugelkette 3 vorgesehenen Profilriemen können z.B. aus einer metallischen Gliederkette oder auch aus einem entsprechenden Gummiprofil bzw. einem anderen elastischen Material bestehen. Grundsätzlich wird es dabei genügen, nur einen Riemen anzutreiben, wenn es auch günstiger ist, alle mit der Kugelkette in Eingriff stehenden Profilriemen anzutreiben. Wie bereits erwähnt, ist zwischen diesen Antriebsrollen 4 und dem Motor eine Rutschkupplung angeordnet, deren Kupplungskraft ^ so eingestellt werden kann, daß im Falle einer Ladehemmung eine Beschädigung der Tablettensäulen ausgeschlossen ist. Selbstverständlich wird man diese Rutschkupplung auch mit einer Signalanlage verbinden, die in Tätigkeit tritt, wenn ein derartiger Fall eintreten sollte. Außerdem ist es zweckmäßig, den Motor nur in einer Drehrichtung laufen zu lassen und ein Umschaltgetriebe vorzusehen, das für einen raschen Rücklauf der Kugelkette eine entsprechende Übersetzung besitzt. Für die Stillsetzung des Antriebes kann dabei auch die Kupplung verwendet werden.The profile belts provided for driving the ball chain 3 can, for example, be made from a metallic link chain or also from consist of a corresponding rubber profile or another elastic material. Basically, it will just be enough to drive a belt, although it is more beneficial to drive all of the profile belts engaged with the ball chain. As already mentioned, a slip clutch is arranged between these drive rollers 4 and the motor, the clutch force of which ^ can be set in such a way that damage to the pill columns is excluded in the event of a load jamming. Of course you will also connect this slip clutch with a signal system that comes into action when such a Case should arise. In addition, it is advisable to run the motor in only one direction of rotation and to use a gearbox provide that has a corresponding translation for a quick return of the ball chain. For the shutdown of the drive, the clutch can also be used.

Abschließend sei zum weiteren Verständnis dieser Erfindung mit wenigen Sätzen der Betrieb einer derartigen Vorrichtung be- ψ sprochen: Zunächst wird die Vorrichtung und das daran angeschlossene Hüllrohr 1, das an seinem äußeren Ende bereite mit einem Endstopfen versehen ist, evakuiert, anschließend wird das Magazin soweit vorgeschoben, daß die erste Reihe von Kernbrennstoff tabletten 2 vor dem Hüllrohr liegt. Dann wird der Motor M in Tätigkeit gesetzt, der die Kugelkette 3 vorwärts schiebt. Diese kommt in Eingriff mit der Tablettensäule 2 und schiebt sie in das Hüllrohr 1 hinein, bis zum Anschlag an dem am Ende desselben befestigten Endstopfen. Alsdann wird die Kugelkette im Schnellgang wieder zurückgezogen, das Magazin 21 schaltet um eine Stellung weiter und die Kugelkette 3 beginnt wieder im Langsamvorschub mit dem Füllvorgang. Die zweite Tablettensäule wird dann bis zum Anliegen an die bereits eingebrachte vorge-Finally, in a further understanding of this invention will be in a few sentences of the operation of such a device ψ loading addressed: First, the apparatus and connected thereto cladding tube 1, the ready at its outer end is provided with an end plug, evacuated, then the magazine is as far as advanced that the first row of nuclear fuel tablets 2 is in front of the cladding tube. Then the motor M is set in action, which pushes the ball chain 3 forward. This comes into engagement with the tablet column 2 and pushes it into the cladding tube 1 until it stops at the end plug attached to the end of the same. The ball chain is then withdrawn again at high speed, the magazine 21 advances one position and the ball chain 3 starts the filling process again in slow advance. The second pill column is then brought up to the point of contact with the one that has already been introduced.

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schoben und die Kugelkette im Schnellgang wieder zurückbewegt. Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis das ganze Hüllrohr gefüllt ist. Abschließend wird in die Vorrichtung Heliumgas eingelassen. Dieses dringt auch in die feinen Zwischenräume zwischen Hüllrohr und Kernbrennstofftabletten 2 ein. Anschließend wird ein Endstopfen auf das noch freie Hüllrohrende aufgesetzt und mit diesem verschweißt. Die Heliumfüllung hat dabei die Aufgabe, evtl. Undichtigkeiten der Brennstabkontruktion festzustellen und auch den Wärmeübergang während des Betriebes im Kernreaktor zwischen den Tabletten und dem Hüllrohr - diese haben unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten - zu verbessern. Selbstverständlich richtet sich die Ausführungsform des Magazins 21 nach der Größe' und der Art der einzufüllenden Tabletten sowie der Herstellungstechnik desselben. Es wurden daher keine näheren Angaben über die spezielle Konstruktion dieses Magazins gemacht. Es sei nur erwähnt, daß es beispielsweise tablettähnlich oder auch zylindrisch, dann allerdings mit entsprechendem äußerem Führungsmantel, aufgebaut sein kann.pushed and the ball chain moved back at high speed. This process is repeated until the entire cladding tube is filled. Finally, helium gas is admitted into the device. This also penetrates into the fine spaces between the cladding tube and the nuclear fuel pellets 2. Then a The end plug is placed on the still free end of the cladding tube and welded to it. The helium filling has the task, possibly Determine leaks in the fuel rod construction and also the heat transfer during operation in the nuclear reactor between the tablets and the cladding tube - these have different coefficients of thermal expansion - to improve. Of course the embodiment of the magazine 21 depends on the size ' and the type of tablets to be filled and the manufacturing technique of the same. There were therefore no further details about made the special construction of this magazine. It should only be mentioned that it is, for example, like a tray or also cylindrical, then, however, can be constructed with a corresponding outer guide jacket.

1 .Figur1st figure

7 Patentansprüche7 claims

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Claims

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Claims

filling device for tablet-shaped goods, in particular Nuclear fuel tablets, in long, the diameter of the tablets closely matched tubes (cladding tubes), characterized in that a magazine of known type for a larger number of Rows of tablets of a predetermined length are provided with a filling channel that can be connected to the casing tube, one of which is essentially has all-round guidance and holding down of the tablets and that for the insertion of the ^ tablets lying in the filling channel one arranged in a curved, space-saving manner Guide tube housed ball chain is provided, the vcn at least one endless, laterally arranged link chain can be moved back and forth practically without play.

2. Filling device according to claim 1, characterized in that it is in a gas-tight housing which is filled with protective gas or evacuated, is housed and that the connection of the cladding tube to be filled also meets these requirements enough.

3. Filling device according to claim 1 and 2, characterized in that that two link chains are provided, of which at least

w a speed that can be regulated via a slip clutch is connected to a drive.

4. Filling device according to claim 1, characterized in that the link chains consist of a Profilriemeri of elastic Material, the profile of which corresponds to that of the ball chain.

5. Filling device according to claim 1, characterized in that the ball chain consists of a rope on which alternately perforated balls corresponding to the inner diameter of the cladding tubes and short intermediate tubes of essentially smaller diameter are lined up and that a spring preload is provided for the backlash-free cohesion of this chain.

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6. Filling device according to claim 5, characterized in that the rope of the ball chain made of an elastically stretchable material consists.

7. Filling device according to claim 5, characterized in that the rope of the ball chain consists of a practically inextensible Material, such as steel, and the last parts of the ball chain are replaced by a preloaded spring.

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