DE2162697C3

DE2162697C3 - Method and device for building up pressure in nuclear fuel rods

Info

Publication number: DE2162697C3
Application number: DE19712162697
Authority: DE
Inventors: William F.; Carli Earl V. de; Lynchburg Va. Heer (V.StA.)
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1971-01-08
Filing date: 1971-12-17
Publication date: 1976-08-05

Description

dem Druckaufbau in solchen Stäben geprüft werden Kammer während der Prozeßabwicklung gesichertThe pressure build-up in such bars is checked and the chamber is secured during the process

können. ist, wird dann durch eine Energiequelle 22 beauf-be able. is then acted upon by an energy source 22

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch schlagt, und ein energiereicher Lichtstrahl 11 derAccording to the invention, these tasks are achieved by a high-energy light beam 11

gelöst, daß man einen verschlossenen, beschichteten Laserart wird durch eine Glasöffnung 16 geleitet, diesolved that a sealed, coated type of laser is passed through a glass opening 16, the

Kernbrennstab an eme bestimmte Stelle in einer ge- 5 in der Seite der Kammer angebracht ist. DieserNuclear fuel rod is attached to a specific location in a 5 in the side of the chamber. This

schlossenen Kammer bringt, die dann unter Vakuum Laserstrahl 11, wie in Fig. l dargestellt, durchläuftbrings closed chamber, which then under vacuum laser beam 11, as shown in Fig. 1, passes through

gesetzt wird. Dann wird eine bestimmte Lichtenergie- die evakuierte Hohlkammer und trifft auf die Seiteis set. Then a certain light energy- the evacuated hollow chamber and hits the side

menge von einer testen Laserquelle auf eine be- des Brennstabes an der gewünschten Stelle, bis einamount from a tested laser source to a load of the fuel rod at the desired location until a

stimmte Stelle auf der Außenseite des Stabes ge- femes Loch durch die Brennstabhülle gebohrt ist.A hole is drilled through the fuel rod cladding at a certain point on the outside of the rod.

nchtet, bis dann ein feines Loch hergestellt ist, das io Der dauerhafte Anschlag 15 hilft dabei, die Lage desnot until a fine hole has been made, the permanent stop 15 helps to locate the

mit dem Innern des Stabes verbindet, wodurch darin Stabes 12 einzuhalten, und 'st ein beständig zu-connects with the inside of the rod, whereby rod 12 must be adhered to therein, and there is a constant

seitens der Kammer ein Vakuum erzeugt wird. Nach- verlässiges Mittel, mit dem man gewährleisten kann,a vacuum is generated by the chamber. Reliable means with which one can guarantee

dem sich in der Kammer und im Stabinnem Druck- daß die Stäbe bei dauernder Wiederholung in jedemthe pressure in the chamber and inside the rod - that the rods in each one with constant repetition

gleichgewicht eingestellt hat, wird sie mit einem einzelnen Fall der in einem Packen oder BündelOnce balanced, it will come with a single case in a pack or bundle

Inertgas auf einen über dem \tmosphärendruck 15 vorhandenen Brennstäbe an der gleichen StelleInert gas to a fuel rod above the atmospheric pressure 15 at the same point

liegenden Druck gebracht; danach wird wieder eine durchbohrt werden.lying pressure brought; then another one will be pierced.

bestimmte Lichtenergiemenge von der gleichen festen Die Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Laserstrahlquelle auf die Außenfläche um den Um- feines Loch durch die Hülle des Brennstabes zu fang des feinen Loches gerichtet, um dasselbe zu bohren, kann für die verschiedenen Materialarten verschließen. Dieses Verfahren wird ohne eine Be- 20 mathematisch errechnet werden,
wegung der Lichtquelle oder des Brennstabes ab- Bei der Verwendung von konventionellen Lasergewickelt, nachdem dieser anfänglich an Ort und anlagen kann jedoch in jedem Falle die für das Steile gebracht worden ist. Bohren erwünschte Energiehöhe durch Änderungcertain amount of light energy from the same fixed The amount of energy required to catch a laser beam source on the outer surface around the um- fine hole through the cladding of the fuel rod to catch the fine hole in order to drill the same, can be plugged for the different types of material. This method will be calculated mathematically without a calculation,
When using conventional lasers, after this has initially been put in place and equipment can in any case be brought to the site. Drilling desired energy level through change

Die Erfindung weist den Vorteil auf, die zuvor des Spannungsausgangs, der öffnungen und der kongenannten technischen Erfordernisse mit besonderer as ventionellen Brennlinsen erreicht werden. Die bisher Betonung der Einfachheit des Verfahrens zum Auf- eingesetzte Lascrquelle war ein Neodym-Glas-Laserbau des Druckes in derartigen Brennstäben mittels system Bauart 1200-2 R der Firma Holobeam Inc. eines Inertgases vollkommen zu erfüllen, und zwar Eine große Anzahl von konventionellen Kernunter Verwendung der bekannten Technik des bren.istäben mit Hüllen aus verschiedenen Ma-Bohrens und Schweißens mit Laserstrahlen (Fein- 30 terialien kann dadurch durchdrungen werden, daß werktechnik 74 [1970], H. 4, Seiten 155 bis 162). man Lichtenergie der Laserart in einem Bereich an-Dabei kann das Verfahren mit einem optimalen wendet, der etwa zwischen 160 und 740 000 Joule Wirkungsgrad bei ständiger Wiederholung innerhalb per cm² liegt Jedoch können durchaus annehmbare eng eingehaltener Qualitätsgrenzen für die Stäbe und Ergebnisse erzielt werden, wenn für eine solche ihren Inhalt durchgeführt werden, wodurch eine 35 Durchbohrung der Hülle eines verschlossenen, gevollständige und wirksame Nutzung eines jeden der füllten Kernbrennstabes eine Energiehöhe zwischen Erzeugnisse für den jeweilig beabsichtigten Ver- etwa 13 000 und etwa 110 000 Joule pro cm* einwendungszweck gewährleistet wird. gesetzt wird. Bei der bevorzugten AusführungsformThe invention has the advantage that the voltage output, the openings and the technical requirements mentioned above are achieved with special conventional focal lenses. The emphasis hitherto on the simplicity of the method for the laser source used was a neodymium glass laser construction of the pressure in such fuel rods using an inert gas system type 1200-2 R from Holobeam Inc. Use of the known technique of bren.istäben with sheaths made of various Ma-drilling and welding with laser beams (fine materials can be penetrated by the fact that werktechnik 74 [1970], H. 4, pages 155 to 162). light energy of the type of laser is used in a range, the method can be used with an optimal efficiency of between 160 and 740,000 joules with constant repetition within per cm ² . if their contents are carried out for such, whereby a 35 drilling through the shell of a closed, complete and effective use of each of the filled nuclear fuel rod ensures an energy level between products for the respective intended use of about 13,000 and about 110,000 joules per cm * purpose will. is set. In the preferred embodiment

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der wurden optimale Ergebnisse erreicht, als Licht-Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher 40 energie von etwa 52 360 Joule pro cm² verwendet beschrieben. Es zeigt wurde, um eine Brennstabhülle aus Zircaloy zuAn exemplary embodiment of the invention is shown in which optimal results have been achieved, shown as a light drawing and is described in more detail below using ^{energy of about 52,360 joules per cm 2.} It shows that a fuel rod cladding was made from Zircaloy too

F i g. 1 eine Draufsicht der bei dem Verfahren durchbohren.F i g. 1 is a top plan view of the pierce in the process.

eingesetzten Kammer, Wenn einmal ein feines, mit dem Innern des ver-inserted chamber, once a fine, with the interior of the

F i g. 2 eine Vorderansicht der Vorrichtung nach schlossenen Brennstabes verbindendes Loch her-F i g. 2 a front view of the device after the closed fuel rod connecting hole.

Fig. 1, 45 gestellt ist, wird der Druck innerhalb des StabesFig. 1, 45 is set, the pressure within the rod

F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in durch das Loch in die Kammer abgeleitet, und dasF i g. 3 a section along the line 3-3 in derived through the hole in the chamber, and FIG

Fig. 1. verringert beträchtlich das in der Kammer herr-Fig. 1. considerably reduces the

Bei der bevorzugten Ausführungsform, wie sie in sehende Vakuum. Das Vakuum der Kammer wird den Fig.] bis 3 dargestellt ist, wird ein Ende eines jederzeit während dieses Verfahrensstadiums über-Kernbrennstabes 12 in eine Druckkammer gegen 50 wacht, und eine Änderung wie diese beträchtliche einen dauerhaften Anschlag 15 eingebracht, der den Verringerung wird sofort erkannt und kann dauer-Stab in einer wirksamen Weise gegen eine Vorwärts- haft aufgezeichnet werden, um einen Beweis dafür bewegung arretiert. Eine Schließvorrichtung 21, be- zu haben, daß ein Verbindungsloch voll hergestellt stehend aus dem Kolben 19 und dem Ring 18, wird ist In der Praxis herrscht in dem Brennstab ein dann nach vorn geschoben, um der Brennstab an 55 Innendruck von etwa 1 a^f, und ein großer Ausschlag Ort und Stelle gegen den Anschlag 15 zu verschließen auf dem Vakuummesser zeigt im allgemeinen an, und um die Druckkammer gegen Leckage zu ver- daß die Druckableitung in die Kammer stattgefunden schließen, wodurch eine Kontrolle der Atmosphäre' hat. Nachdem in der Kammer wieder Druckin der Kammer gewährleistet wird. Jetzt wird eine gleichgewicht hergestellt ist, wird die Pumpe wieder Vakuumpumpe 13, die mit dem Innern der Kammer 60 eingeschaltet, um ein Vakuum im Bereich von etwa verbunden ist, eingeschaltet; sie evakuiert die letzt- 15 μ zu erzeugen, damit das Restgas in der Kammer genannte Kammer über die Leitung 14, um ein weiter evakuiert wird.In the preferred embodiment, as in seeing vacuum. The vacuum of the chamber is illustrated in FIGS.] Through 3, one end of an over-nuclear fuel rod 12 is placed in a pressure chamber at 50 at any time during this procedural stage, and a change such as this considerable is introduced by a permanent stop 15 which will reduce the reduction immediately Detected and permanent-rod can be recorded in an effective manner against a forward detention to provide evidence of arrested movement. A closing device 21, to have a connecting hole fully made up of the piston 19 and the ring 18, is In practice there is a then pushed forward in the fuel rod to give the fuel rod an internal pressure of about 1 a ^f , and a large rash on the vacuum gauge to close in place against the stop 15 generally indicates and to close the pressure chamber against leakage that pressure has been diverted into the chamber, thereby providing a control of the atmosphere. After the pressure in the chamber is ensured again in the chamber. Now an equilibrium is established, the pump is turned on again, vacuum pump 13, which is connected to the interior of the chamber 60, to a vacuum in the range of about; it evacuates the last 15 μ to generate so that the residual gas in the chamber called chamber is evacuated via line 14 to a further.

Vakuum bei einem niedrigen Mikronniveau zu er- Zu diesem Zeitpunkt wird die VakuumquelleVacuum at a low micron level to- At this point, the vacuum source becomes

zielen, bei dem die Pumpe abgeschaltet wird. Sehr wieder abgeschaltet und ein Inertgas 20, wie z. B.aim at which the pump is switched off. Very shut off again and an inert gas 20, such as. B.

gute Ergebnisse wurden erreicht, als ein Vakuum 65 Helium, Argon oder ein Gemisch derselben, in diegood results have been obtained when a vacuum 65 of helium, argon or a mixture thereof is placed in the

von ?.O μ in diesem Verfahrensstadium aufrecht- Kammer unter dem gewünschten Druck eingeführt,of? .O μ upright at this stage of the process - chamber introduced under the desired pressure,

erhalten wurde. der natürlich über 1 at liegen wird. In der Ver-was obtained. which of course will be above 1 at. In the

Eine Laserquelle 10, deren Lage in bezug auf die gangenhcit hat es sich erwiesen, daß so hohe DrückeA laser source 10 whose position in relation to the gangenhcit has been found to work at such high pressures

wie 20 bis 40 kg/cm² bei den in der Industrie verwendeten Brennstäben konventioneller Bauart sehr akzeptabel sind. Man läßt eine ausreichende Zeit verstreichen, damit der ganze Stab unter Druck gesetzt wird, und eine solche Zeitspanne kann durch ein konventionelles Zeitrelais gemessen werden.such as 20 to 40 kg / cm ² are very acceptable for the fuel rods of conventional design used in industry. Sufficient time is allowed to pass for the entire rod to be pressurized and such a period of time can be measured by a conventional timing relay.

Nachdem Druckgleichgewicht in der Kammer bei der gewünschten Druckhöhe erreicht ist, wird die feste Laserquelle wieder in Tätigkeit gesetzt, um das Loch zu verschließen, wobei der Stab an Ort und Stelle bleibt. Die Größe, die Tiefe und die Flächenausbildung des Verschlusses oder der Schweiße können leicht dadurch geregelt werden, daß man den Spannungsausgang, die Öffnungsgrößm oder Linsen ändert, die für die Fokussierung des Laserstrahls verwendet werden.After pressure equilibrium has been reached in the chamber at the desired pressure level, the fixed laser source reactivated to plug the hole, with the rod in place and Place remains. The size, depth and area of the closure or weld can can be easily controlled by looking at the voltage output, aperture size, or lenses that are used to focus the laser beam.

Die pro Flächeneinheit für das Verschließen erforderliche Lichtenergie ist im allgemeinen wesentlich geringer als diejenige, die für das Bohren benötigt wird. Dies kann jedoch leicht erreicht werden, selbst wenn eine konstante Energieerzeugungsquelle eingesetzt wird; man erweitert nämlich auf der Stabfläche den Auftreffbereich, indem man einfach die Brennlinse auswechselt oder eine konventionelle Brennlinse zwischen der Quelle und dem Stab zwischenschaltet. Man kann zu dem gleichen Zweck auch die Öffnungsgröße der Quelle erweitern oder die Energiebeaufschlagung der Lichtquelle herabsetzen. Wenn die letztgenannte Maßnahme ergriffen wird, dann kann die Spannung für die Zwecke der Qualitätskontrolle dauerhaft aufgezeichnet werden. In der Praxis hat man festgestellt, daß befriedigende Ergebnisse erreicht wurden, als der Verschluß oder die Schweiße zwischen einer Flächenüberhöhung von etwa 0,5 mm und einer Flächenvertiefung von etwa 0,08 mm lag.The light energy required per unit area for sealing is generally significant less than that needed for drilling. However, this can easily be achieved even if a constant power generation source is used; namely, one expands on the bar surface the area of impact by simply changing the focal lens or a conventional one Focal lens interposed between the source and the rod. One can do the same thing also expand the opening size of the source or reduce the amount of energy applied to the light source. If the latter measure is taken then the tension can be used for the purpose of Quality control recorded permanently. In practice it has been found that satisfactory Results were achieved when the seal or the weld between a surface elevation of about 0.5 mm and a surface indentation of about 0.08 mm.

Jetzt kann der Druck in der Kammer durch ein konventionelles Abblasventil abgebaut werden, wonach der Prozeß abgeschlossen ist Jedoch kann es in vielen Fällen aus Gründen der Qualitätskontrolle, d. h., um zu gewährleisten, daß ein wirksamer Verschluß in der Stabfläche hergestellt worden ist, ert se:Now the pressure in the chamber can be reduced through a conventional relief valve, after which the process is complete However, in many cases, for quality control reasons, d. i.e., to ensure that an effective seal has been made in the rod face, ert se:

wünschenswert sein, die Kammer wieder auf eir Vakuum mit niedriger Mikronhöhe zu evakuieren Wenn eine Leckage oder eine Unvollkommenheit an dem Verschluß oder der Schweiße vorhanden isi. dann wird man das wieder durch einen beträchtlichen Ausschlag auf dem Vakuummesser erkennen, Wenn dies der Fail ist, dann können die Stufen des Druckaufbauens und des Verschließen wiederhol! werden, um die Qualität des Produkts zu gewährleisten. It may be desirable to re-evacuate the chamber to a low micron height vacuum If there is a leak or imperfection in the seal or weld. then you will recognize this again by a considerable rash on the vacuum gauge, If this is the case, then the steps of pressure build-up and sealing can be repeated! to ensure the quality of the product.

Nachdem der Druck in der Kammer auf Raumzustand gebracht worden ist, kann der unter Druck gesetzte Brennstab aus der Kammer entfernt werden, indem man einfach an dem Kolben zieht, um den Verschluß um den Stab herum zu lösen. Damit ist der Prozeß abgeschlossen und der Stab bereit, um im Core eines Atomreaktors Verwendung zu finden.After the pressure in the chamber has been brought to room condition, the can be pressurized inserted fuel rod can be removed from the chamber by simply pulling on the piston to remove the To release the lock around the rod. This completes the process and the staff is ready to to be used in the core of a nuclear reactor.

Die Vorteile dieses Verfahrens schließen denThe advantages of this method include the

Druckaufbau in einem Brennstab ein, ohne daß da-Pressure build-up in a fuel rod without

ao bei der innere Kernbrennstoff potentiellen Schmutzstoffen ausgesetzt wird, wie z. B. verhältnismäßig unsauberer Atmosphäre oder Reinigungsmitteln. Die Stäbe können jederzeit während der Fertigung ohne Schwierigkeiten oder Nachteile unter Druck gesetzt werden, und dies kann ohne besondere Arbeitsvorgänge erreicht v/erden. Somit wird das Fertigungsverfahren abgekürzt, da die Arbeitsvorgänge für die Herstellung solcher Druckbrennstäbe auf ein Geringstmaß herabgesetzt werden.ao where the inner nuclear fuel is exposed to potential pollutants such as B. relatively unclean atmosphere or cleaning agents. The rods can be used at any time during manufacture without Difficulties or disadvantages can be put under pressure and this can be done without special operations reached v / earth. Thus, the manufacturing process is shortened since the work processes for the production of such pressure fuel rods can be reduced to a minimum.

Weiter kann der Verschluß oder die Schweiße mit vollständiger Zuverlässigkeit zerstörungsfrei geprüft werden, wodurch gewährleistet wird, daß Druck in solchen Brennstäben vorhanden ist und daß der Stab für seinen beabsichtigten Verwendungszweck einsatzfähig ist. Für die Zwecke der Qualitätskontrolle wird auch gewährleistet, daß das I-och oder der Verschluß in einer genauen Lage bei ständiger Wiederholung hergestellt wird, wenn mehr als ein Stab unter Druck zu setzen ist. Auch, die Reparatur schadhafter Stäbe kann in einer vereinfachten Weise wirksam und zweckdienlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden.Furthermore, the closure or the weld can be tested non-destructively with complete reliability thereby ensuring that pressure is present in such fuel rods and that the rod is operational for its intended purpose. For the purpose of quality control will be also ensures that the I-och or the lock is made in a precise location with constant repetition when more than one rod is under pressure is to be set. Also, the repair of damaged rods can be effective and expedient in a simplified manner according to the method according to the invention be performed.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

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Claims

2 182 697 ι building up a pressure with an inert gas in one of the claims: already filled and sealed nuclear fuel rod. Recently it has been with special constructions

1. Process to build up pressure in a certain nuclear reactor has become necessary, closed, filled nuclear fuel rod, marked to provide 5 fuel rods, the inside under pressure characterized by the following process steps: stand when they are in the core of nuclear reactors

a) Insertion of the nuclear fuel rod into a used. The simplest solution to one closed chamber, such problem was the fuel rods with

b) Evacuate the chamber to create a nuclear fuel and then load it under pressure Vacuum to put io. For this, however, it is necessary for the pressure

c) Application of a laser light energy intermediate acted upon to create access to the interior of such rods see about 160 and 740,000 joules per cm ^2.

For this purpose, a prepared end face is known to use the cladding of the nuclear fuel rod to cut a fuel rod after Making a hole that will fill a verts to seal. The included for this connection with the inside of the rod, the end caps used each have an access

d) building up a pressure in the chamber hole, which after the pressure build-up in each of the rods by means of an inert gas to a level which has been closed or sealed by an inert gas is above atmospheric pressure, and (German Offenlegungsschrift 1 806 599). The

e) reapplying said light ao outgoing deficiency was in such Verenergie on an enlarged portion to ride therein, to the same closing the nuclear fuel in the rods to close that before the pressure build-up and the periphery of the hole around the. Pollution from the surrounding atmosphere

2. The method of claim 1, characterized in that it was exposed. This ultimately led to one that characterizes the light energy between the deterioration in the performance of such rods in about 13,000 and about 110,000 joules per cm ⁱⁿ reactor core, unless many time consuming and lengthy precautionary measures are taken

3. The method according to claim 1, thereby ensuring the quality of the nuclear fuel, indicates that about 52,360 joules per cm- 'on In addition, special devices were noteinen Nuclear fuel rod with a sheath made of Zircaloy 30 agile and in addition the use of well spent will. trained personnel to operate such inputs

4. The method according to claim 3, thereby ge directions. This marked the processing, that the chamber increased to 20 // evacuated cost. It was also found that the and only after reaching the pressure position of the access hole in individual caps one equilibrium, the inert gas pressure in the chamber 35 of the respective bundle was not always the same where built will. by a certain amount during the closing process

5. The method according to claim 4, characterized ge orientation was necessary. As a result it became indicates that the complete connection was found to be extremely difficult, a fault Hole with the inside of the nuclear fuel rod free closure of each access hole on the basis of the vacuum display, which can reasonably be repeated over a considerable period of time Let the vacuum in the chamber be reduced when such rods are in a large one indicates is being monitored. Number to be locked. So it existed

6. The method according to claim 5, characterized in that there is always a doubt as to whether , in each case, it actually indicates that the chamber was under pressure before the rods were connected, unless the hole was closed to a pressure of 45. An extremely lengthy control program was carried out 28 kg / cm * is brought. has been in order to maintain the quality of the rods

7. The method according to claim 6, thereby ensuring repetition. Such a pro denotes that the chamber following gramm was unfortunately necessary, white, if by chance closing the hole again evacuated any unpressurized fuel rod, this one is designed to allow the 50 rod to be used for its intended purpose via a vacuum leak test Leak tightness of the closure of the nuclear fuel rod nuclear reactors could fail.

can be checked. The invention is based on the object

8. Device for carrying out the half of the shell of a filled fuel rod driving according to claim 1 and / or to build up one of the specific inert gas pressure without following claims, characterized in 55 technical difficulties related to that a pressure chamber for receiving a quality of the product and the process filled fuel rod (12) with a vacuum to achieve such a quality occur. The pump (13), a laser beam device (10) method is intended in a wide range of Besowie operating conditions can easily be used with a device (20) for feeding, of air, gas or the like. Is provided. 60 without the fuel being there for a potential

Contamination is exposed and without numerical

Rich special processes of a complicated nature are necessary

are. Such a measure should reduce the manufacturing process and the processing costs.

The invention relates to a method and a 65 to be reduced over the previous method.

Device for building up pressure in a process

closed, filled nuclear fuel rod. In particular, the product on site is non-destructive to

The invention extends to a method for constant quality control in connection with