DE2056628C3 - Verfahren zum Befestigen von Führungsstollen auf Kernreaktorbrennstäben - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung von Führungsstollen durch elektrische WidersiandsschweiBung auf sogen. Hüllrohren aus Zirkonlegierungen oder anderen bekannten Materialien vor ihrer weiteren Verarbeitung zu Brennstäben von Kernreaktorbrennelementen, wobei die Führungsstollen zur späteren Zentrierung der Brennstäbe in den Maschen von Abstandshaltergittern oder der Brennstäbe unmittelbar untereinander vorgesehen sind.

Eines der wichtigsten Probleme bei der Konstruktion von Kernreaktorbrennelementen liegt bei der Sicherstellung eines über die Lebenszeit derselben k&nstanien Abstandes der Brennstäbe untereinander, aus denen ein solches Brennelement zusammengesetzt is_ Durch die Maßnahmen zur Abstandshalterung dürfen aber in keinem Fall die Wärmeabführungsverhältnisse leiden, auch müssen mechanische Einwirkungen, wie z. B. Reibkorrosion an sehr dünnwandigen Hüllrohren der Brennstäbe, ferngehalten werden. Es sind daher schon Abstandshalteranordnungen bekannt geworden, die aus einem Maschenwerk hochkant angeordneter dünner Blechstege bestehen, wobei die jede Masche durchsetzenden Brennstäbe durch an den Maschenwänden befestigte federnde Vorsprünge zentriert werden. Die Ausbildung derartiger Abstandshalter ist verhältnismäßig kompliziert. Ganz abgesehen davon, daß oftmals verschiedene Materialien wegen der geforderten Federeigenschaften Verwendung finden müssen, die aber andererseits wieder aus neutronenphysikalischen Gründen besser nicht zur Anwendung kommen sollten.

Eine andere bekannte Art der Ausbildung der Abstandshalterung besteht darin, auf den Hüllrohren massive Führungsstollen anzubringen, die dann ihrerseits wieder mit den Abstandshaltermaschen in Verbindung stehen oder sich auf die Führungsstollen benachbarter Brennstäbe abstützen. Auf diese Weise wird ein mechanischer Reibkontakt von den Hüllrohren selbst ferngehalten und dennoch die Wärmeabführung an den Führungsstollen nicht unzulässig behindert Ein Problem ist dabei allerdings die Anbringung dieser Führungsstollen. Bisher ist bekannt geworden, diese durch Lötung auf den Hüllrohren zu befestigen, die Ergebnisse von WiderstandsschweiUversuchen waren wegen ungenügender Bindung oder Materialauspressungen unbefriedigend. Vorschläge in dieser Richtung sind der französischen Patentschrift 14 25 211 zu entnehmen, insbesondere dort Fig. 5—7. Es handelt sich dabei darum, einen Steg schraubenförmig auf einem Rohr zu befestigen. Die dabei angewandte Buckelschweißtechnik ist in ihren Grundlagen anhand von Beispielen in der Zeitschrift »Bänder, Bleche, Rohre«, August 1961, HeftS, Seiten 397-401, näher beschrieben.

Neben den genannten Nachteilen kam hinzu, daß die Zuführung des Schweißstromes über die dünnwandigen und zum Teil sehr langen Hüllrohre ebenfalls mit Schwierigkeiten verbunden war. Das bisher einzig angewendete Verfahren, nämlich die Lötung, hat den Nachteil, daß durch die verhältnismäßig lange Temperaturbeanspruchung während dieses Arbeitsganges die mechanischen Eigenschaften des Hüllrohres verändert werden, was während des Reaktorbetriebes zu Defekten führen kann.

Es stellte sich daher die Aufgäbe, ein Vefbindüngsvef-

fahren zu finden, das einmal diese metallurgischen Schwierigkeiten vermeidet und zum anderen mit wesentlich geringerem technischem Aufwand durchgeführt werden kann; mit anderen Worten also, die Lötverbindung durch eine Schweißverbindung zu ersetzen, die mit geringem Aufwand reproduzierbar und ohne Materialauspressungen herstellbar ist und eine

Beschädigung des Hullrohres infolge des Stromdurchganges oder der Schweißung selbst mit Sicherheit vermeidet. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die aufzuschweißenden Stollen auf ihrer dem Brennstabhüllrohr zugewandten Fläche mit einer i Längsrille versehen werden, die Hüllrohre und die Stollen beispielsweise durch Elektropolieren eine metallisch blanke Oberfläche erhalten und sodann die Verbindung dieser Teile in an sich bekannter Weise durch Widerstandsschweißung mit einem im wesentlichen die Hülirohrwandung quer durchsetzenden Stromstoß erfolgt, wobei der sich bildende Schweißwulst durch von der Schweißelektrode elektrisch isolierte, an dieser befestigte hochhitzebeständige Teile mit abgerundeten Kanten zu einer Hohlkehle entlang der Verbindungsstelle verforml wird Eine Nacharbeit der eigentlichen Verbindungsstelle. wird damit praktisch überflüssig. Durch die Ausbildung der aufzuschweißenden Stollen mit einer Längsrille handelt es sich also um eine Art modifizierter Buckelschweißung.

Ira folgenden werden dieses Verfahrens sowie zu seiner Durchführung vorgesehene Einrichtlagen anhand der F i g. 1 bis 3 sowie der zugehörigen Beschreibung näher erläutert

Die F i g. 1 zeigt in schematischer Weise den Aufbau einer Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Das Hüllrohr ist darin mit 1 bezeichnet, der aufzuschweißende Führungsstollen mit Z Das Hüllrohr ist zur Durchführung des Verfahrens in einem Bock 4 gelagert, in seinem Inneren befindet sich ein fliegender Dorn 3 Jo zur Aufnahme des Schweißdruckes sowie zur Zuführung des Schweißstromes an die Schweißstelle. Der Schweißstrom selbst wird von einem Schweißtransformator 6 geliefert und einmal der Halterung 21 für den aufzuschweißenden Stollen 2 und zum anderen den Kontaktstücken 41 zugeführt Die Einrichtungen zur Steuerung des Schweißstromes sind Stand der Technik und hier nicht näher dargestellt Für die Durchführung der Schweißung werden die Kontaktstücke 41 auf das Hüllrohr 1 nut der Kraft 43 aufgepreßt und stellen somit « einen guten elektrischen Kontakt zum innenliegenden Dorn 3 her. Alsdann wird die Schweißelektrode 21 mit den von ihr gefaßten Führungsstollen auf das Hüllrohr aufgepreßt (23) und der Schweißstrom eingeschaltet. Wie in der Schweißtechnik allgemein üblich, sind « selbstverständlich die Kontaktstücke, der Dorn 3 sowie die Elektrode 21 wassergekühlt, was aus Übersichtlichkeilsgründen in dieser Fijur nicht besonders dargestellt ist. Es ist weiterhin ein Gegenlager 31 für den durch die Schweißelektrode 21 ufgebrachten Schweißdruck vorgesehen, das gleichzeitig mit der Schweißelektrode 21 zur Entlastung des Domes 3 an das Hüllrohr angepreßt (32) wird. In dem hier dargestellten Beispiel wird die Schweißelektrode 21 in einer Ausnehmung 42 des Bockes 4 geführt

Die aufzuschweißenden Führungsslollen 2 werden vorzugsweise aus einem nicht dargestellten Magazin in die Schweißelektrode 21 eingesetzt. Sie sind darin von hochtemperaturfesten, beispielsweise aus Hartmetall bestehenden Leisten 22 gefaßt, die gegenüber der μ Schweißelektrode 21 elektrisch isoliert sind und deren weitere Ausbildung aus den F i g. 2 und 3 zu ersehen ist.

Wenn drei Stollen am Umfang aufgebracht werden sollen, wird das Hüllrohr nach Durchführung einer Schweißung mit Hilfe der Vorrichtung 5 gedreht — (>'' beispielsweise um 120° — und die nächste Schweißung durchgeführt. Da die Abstandshalter in verschiedenen Ebenen entlang der Brennstäbe vorgesehen sind, wrd nach Aufschweißung der jeweils in einer Ebene erforderlichen Führungsstollen 2 das Hüllrohr um dem Abstand der Abstandshalterebenen weitergeschoben, was ebenfalls automatisch durch z. B. hydraulische Bewegungseinrichtungen vorgenommen werden kann. Eine derartige, zum Stande der Technik gehörende Einrichtung ist in der Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellt.

Der fliegende Dorn 3 bleibt bei der Vorwärtsbewegung des Hüllrohres stets an der gleichen Stelle. Zur Vermeidung von Kontaktschwierigkeiten sowie von mechanischen Hemmungen ist er mit einer einfachen Zufühningseinrichtung für ein Kontaktfeit ausgerüstet Damit ist nicht nur das mechanische Funktionieren des Hüllrohrvorschubes gewährleistet, sondern vielmehr auch stets eine gleichmäßige Güte des Stromüberganges und damit der Schweißung selbst

Die Fig.2 und 3 zeigen einen Längs- bzw. einen Querschnitt durch die Schweißste)¹.·: mit aufgesetzten Führungsstoüen 2. Wie bereits erwähxit, wird der Führungsstollen 2 in der Schweißelektrode 21 seitlich durch HartmetaU-Leisten 22 begrenzt Diese sind elektrisch gegenüber dem Material der Elektrode 21 isoliert damit eine definierte Stromzuführung zum Führungsstollen senkrecht zur Schweißnaht erfolgt Die Hartmetall-Leisten 22 sind dabei gegenüber dem Führungsstollen 2 an der Stelle 26 abgerundet und formen damit den beim Schweißes entstehenden Schweißwulst zu einer Hohlkehle um, so daß eine Nachbearbeitung nicht mehr notwendig ist Die Führungsstollen 2 erhalten vor ihrem Einsatz in die Schweißelektrode eine Längsnut 25, die einen rechteckigen, aber auch einen gewölbten Querschnitt haben kann. Die durch die Nut 25 gebildeten Längswarzen schmelzen beim Schweißen nieder. Dadurch wird die Nut gefüllt und die Höhe des Führungsstollens 2 verringert, so daß die Hartmetall-Leisten 22 s-n den Längsseiten des Führungsstollens 2 diesen Wulst in eine Hohlkehle umformen. Stirnseitig ist eine derartige Hchlkehlenformung nicht erforderlich, hier kann in der in F i g. 2 dargestellten Weise die Leiste 22 scharfkantig ausgebildet sein, wodurch ein Schweißwulit an dieser Stelle vermieden wird. Außer dieser genannten Aufgaben haben diese Hartrnetall-Leisten 27 auch infolge ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit den Vorteil, daß sie die Wärmekonzentration an der Schweißstelle begünstigen.

Zur weiteren Verdeutlichung des Verfahrens sei erwähnt, daß die Hüllrohre beispielsweise eine Länge von etwa 5 m und einen Durchmesser von etwa 11 mm besitzen. Die Stollen können dabei eine Länge von 34 mm haben bei einer Stollenhöhe und -breite von 2,2 mm. Mit einem Transformator von 6OkVA und einem Schweißstrom von 20 kA betrug die Schweibzeit zwei Perioden, die NachpreOzeit 0,6 Sekunden. Durch diese Daten is' erwiesen, daß es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um eine äußerst kurzzeitige Verbindung* :echnik handelt, wie sie mit der bekannten Löttechnik nicht erreicht werden kann. Infolgedessen sind auch metallurgische Veränderungen am Hüllrohr praktisch nicht feststellbar. Die genannten Daten sind selbstverständlich nur beispielsweise genannt, bei anderen Abmessungen und anderen Materialien können sich selbstverständlich andere Schweißdaten ergeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Befestigung von Fuhrungsstollen durch elektrische Widerstandsschweißung auf sogenannten Hüllrohren aus Zirkonlegierungen oder anderen bekannten Materialien vor ihrer weiteren Verarbeitung zu Brennstäben von Kernreaktorbrennelementen, wobei die Führungsstollen zur späteren Zentrierung der Brennstäbe in den Maschen von Abstandshaltergittern oder der Brennstäbe unmit- \o telbar untereinander vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die aufzuschweißenden Stollen (2) auf ihrer dem Brennstabhüllrohr (1) zugewandten Räche mit einer Lüngsrille (25) versehen werden, die Hüllrohre (1) und die Stollen ii (2) beispielsweise durch Elektropolieren eine metallisch blanke Oberfläche erhalten und sodann die Verbindung dieser Teile in an sich bekannter Weise durch Widerstandsschweißung mit einem im wesentlichen die Hüllrohrwandung (1) quer durchsetzenden Stromstoß erfolgt, wobei der sich bildende Schweißwulst durch von der Schweißelektrode (21) elektrisch isolierte, an dieser befestigte hochhitzebeständige Teile (22) mit abgerundeten Kanten (26) zu einer Hohlkehle entlang der Verbindungsstelle verformt wird

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Halterung der Hüllrohre (1) vor und hinter der Schweißstelle ein Lagerbock (4) vorgesehen ist, der unterhalb des Hüllrohres eine Führung für eine pneumatisch oder hydraulisch bewegbare Schweißelektrode (21) enthält, daß die Schweißelektrode (21) zur Aufnahme jeweils eines z. B. aus einem Magazin zuführbaren Führungsstollens(^,eingerichtet ist und als Begrenzung des Aufnahmeraumes eine von der übrigen Elektrode elektrisch isolierte temperatur- und druckbeständige Auskleidung (22) vorgesehen ist, die gegenüber dem eingesetzten Führungsstollen (2) abgerundet und derart bemessen ist, daß sie beim Schweißvorgang die Umformung des Schweißwulstes in eine Hohlkehle besorgt und daß ein fliegender, den Innenraum des eingesetzten HülIroK-res ausfüllender, der Kraft- und Stromübertragung dienender Dom (3) vorgesehen ist, der durch ein der « Schweißelektrode entgegenwirkendes, senkrecht zum Hüllrohr angeordneten hydraulisch bewegbares Cegenlager (37) unterstützbar ist und der Schweißstromanschluß Über je zwei in den Wangen des Lagerbockes angebrachte hydraulisch anpreßbare so Koniaktierungsbacken (43) durch die Hüllrohrwandung hindurch vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Drehung des eingesetzten Hüllrohres (1) zum Aufschweißen der Führungsstollen (2) in verschiedenen gewünschten Winkellagen sowie für den Längsvorschub, der dem Abstand der Abstandshalterebenen entspricht, an sich bekannte mechanische bzw. hydraulische Vorrichtungen vorgesehen sind, deren Funktionsablauf mit jenem der eigentlichen Sehweißung gekoppelt ist,