DE2313737A1

DE2313737A1 - Verfahren zum verschliessen von kernbrennstaeben und nach diesen verfahren hergestellte kern-brennstaebe

Info

Publication number: DE2313737A1
Application number: DE2313737A
Authority: DE
Inventors: Alfred-Jean Flipot; Ivan Dr Lafontaine; Paul Papeleux; Jozef Schrijvers
Original assignee: Belgonucleaire SA; Centre dEtude de lEnergie Nucleaire CEN
Current assignee: Belgonucleaire SA; Centre dEtude de lEnergie Nucleaire CEN
Priority date: 1972-03-30
Filing date: 1973-03-20
Publication date: 1973-10-11
Also published as: BE781451A; FR2177809B1; FR2177809A1; GB1419838A

Description

Verfahren zum Verschließen von Kern-Brennstäben und nach diesen Verfahren hergestellte Kern-Brennstäbe.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen von Kern-Brennstäben, wobei mit Hilfe einer TIG-Schweißung ein rohrförmiger Teil eines Stopfens auf ein Rohr geschweißt wird. Ferner betrifft die Erfindung Kern-Brennstoffstäbe, die nach den Verfahren hergestellt sind.

In der Kerntechnik verwendet man für die Brenn— stäbe allgemein Einsteck-Stopfen, also Stopfen vom "eingelassenen (eingesteckten, versenkten) Typ", da sie ein leichtes Zentrieren des Stopfens auf dem

— 2 —

309841/0411

- 2 - 16. März 1973

Rohr während des Schweißens erlauben« Diese Art Stopfen, wie sie zur Verdeutlichung des Textes in Fig. 1a dargestellt ist, erlaubt gleichwohl kein gutes Massengleichgewicht zwischen dem Rohr und dem Stopfen, und man riskiert ein Beschädigen des Rohrs während der TIG-Schweißung. Tatsächlich muß man, um den Stopfen in der Verbindungszone zum Schmelzen zu bringen, eine sehr beträchtliche Energie (Wärme) entwickeln, die zum Verbrennen oder zum Durchbrechen des Rohrs führen können.

Außerdem verursacht die Verwendung eines solchen Stopfens eine Unebenheit (Diskontinuität) der Metalloberfläche der geschlossenen Brennstäbe und eine Massen-Diskontinuität in Höhe des Schweißansatzes, die zu Rißbildung führen können.

Ein Stopfen anderer Art, der in Fig. Ib dargestellt und End-an-End (Stirn-an-Stirn, Stoß-an-Stoß) am Rohr befestigt ist, führt nicht zu diesem Nachteil der Diskontinuität in den Metallmassen, sondern ergibt vielmehr den Vorteil eines idealen Massengleichgewichts. Seine Anwendung ist bereits anderweitig zum Verschliessen von Rohren in den klassischen Zweigen der Technik bekannt.

Zum Verschließen von Brennstäben wird diese Art Stopfen nur wenig verwendet, da die Zentrierung des Stopfens auf dem Rohr während der TIG-Schweißung schwierig zu verwirklichen ist. Andere Schweißmetho-

309841/0411

- 3 - 16. März 1973

den wie Widerstandsschweißen, Funkenschweißen usw. erlauben eine gute Führung des Stopfens auf dem Rohr mit Hilfe von Klammerzangen, sind aber in der Kerntechnik noch nicht allgemein verbreitet.

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Verschließen, sowie einen verbesserten Stopfen vor, der Stoß-an-Stoß auf dem Rohr mit Hilfe einer TIG-Schweißung aufgeschweißt werden kann und dabei auch eine leichte Zentrierung des Stopfens auf dem Rohr erlaubt.

Der Ausdruck "TIG-Schweißung" soll in weitem Sinne verstanden werden und auch andere, ähnliche Schweißverfahren wie Plasmaschweißen usw. einschließen.

Die Aufgabe, insbesondere des Schaffens besserer Zentrierergebnisse bei guter Schweißbarkeit, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Enden des Rohres und des rohrförmigen Teils des Stopfens so abschrägt, daß komplementäre Konusflächen gebildet werden.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird der Rand (Stirn) des Rohrs in dem Sinne schräg gearbeitet, daß zur Innenwand hin Material abgenommen wird (dieser abgeschrägte Teil wird im folgenden als "weiblicher Konus" bezeichnet); der Rand (Stirn) des Stopfens wird in dem Sinne schräg gearbeitet, daß zur Außenwand hin Material abgenommen

309841/0411

- 4 - 16. März 1973

wird (dieser abgeschrägte Teil wird im folgenden als "männlicher Konus" bezeichnet). Auf diese Weise erhält man zwei komplementäre Konen.

Gemäß einer -bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Winkel gC , der von der Rohrachse und einer Tangente an die Abschrägung gebildet wird, zwischen 15°' und 75°, vorzugsweise zwischen 30° und 60°. Wenn der Winkel <£ kleiner als 15° ist, werden die gebildeten Spitzen zu lang und erfordern eine zu breite Schweißnaht. Wenn dagegen der Winkel c< größer als 75° ist, läßt sich die Zentrierung der Stücke nicht mehr korrekt ausführen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die scharfen Kanten der Abschrägung vor der Verwendung gebrochen, damit eine Verformung der .Ränder während der Zentrierung vermieden wird.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verwendet man einen Stopfen, dessen Innendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohrs. Man erhält so eine bessere Unterstützung des Metallbades, welche das Eindringen des geschmolzenen Metalls garantiert, dabei aber die Gefahr des Eindrückens (Muldenbildung etc.) verringert. Dieser leichte Wandstärkenunterschied, der in der Größenordnung einiger Zehntel Millimeter liegen wird, muß aber begrenzt sein, damit der Vorteil des thermischen Gleichgewichts nicht verringert wird.

0 9 8 41/0411 - 5 -

- 5 - 16. März 1973

Gemäß einer vorteilhaften und bevorzugten Ausführungsform hat der Stopfen eine leichte Erhebung (Wulst) in der Schmelzzone des Metalls, um Metall (ggfs. etwas Schmelzmetallüberschuß) am Verbindungsrand zur Verfugung zu stellen, das den Abschnitt (Bereich) der Schweißnaht während der Schweißung verstärken kann.

Die Erfindung wird im folgenden im Detail an Hand von keineswegs erschöpfenden Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 2a, 3a und 4a Mittel-Längsschnitte durch drei

erfindungsgemäße Ausführungsformen;

Fig. 2b, 3b und 4b Vergrößerungen .der Teile, die

in den entsprechenden Figuren 2a, 3a und 4a eingekreist sind.

Beispiel 1:

Die Fig. 2a und 2b stellen einen zylindrischen Stopfen 1 aus Zircaloy dar, dessen oberer Teil geschlossen ist. Im zylindrischen Teil ist ein rohrförmiger Teil 4 ausgebildet, dessen äußerer Durchmesser 10,75 mm und dessen innerer Durchmesser 9,3 mm beträgt. Dieser Zapfen 1 ist Stoß-an-Stoß auf einem zylindrischen Rohr 2 aufgeschweißt, das ebenfalls aus Zircaloy ist und die gleichen inneren und äußeren

- 6 309841 /041 1

- 6 - 16. März 1973

Abmessungen wie der rohrförmige Teil 4 des Stopfens 1 besitzt.

Die Enden des Rohres 2 und des rohrförmigen Teils 4 des Stopfens.1 sind gemäß der Erfindung so gearbeitet, daß der Stopfen einen weiblichen Konus (Einsenkung) aufweist, dessen Winkel oC 60° beträgt. Die Abschrägung des Rohrs, das einen männlichen Konus bildet, weist ebenfalls einen Winkel von 60° auf.

Zwecks Vermeidens von Deformationen während der Zentrierung werden die scharfe Kante 5 des Stopfens sowie die scharfe Kante 6 des Rohrs auf eine Breite von 0,1 mm beschnitten (also gebrochen bzw. abgestumpft). Darauf wird der Stopfen mit Hilfe des TIG-Verfahrens auf das Rohr aufgeschweißt. Die Schweißbedingungen sind in der nachfolgenden Tabelle I. enthalten und mit den Bedingungen verglichen, die zum Erzielen einer gleichen Schweißung bei Verwendung eines eingelassenen (versenkten) Stopfens notwendig sind, wie er nach dem Stande der Technik vielfach verwendet wird und in der Fig. 1a gezeigt ist.

. - 7 309841/0411

16. März 1973

TABELLE I

Schweißparameter	Stoß-an-Stoß schweißen	Schweißen mit ein gestecktem Stopfen
Stromstärke	10 A	37 A *
Spannung	19 V	18 V
Drehzahl	10 U/min	6 U/min
Zahl der Schweiß- Umdrehungen	1,3	1,3
Schutzgas	Helium	Helium

Diese Tabelle zeigt deutlich, daß zur Erzielung derselben Schweißung das erfindungsgemäße Verfahren eine bedeutende Einsparung an Energie ermöglicht. In der Tat benötigt man 27 Amperes mehr, um .einen Stopfen der klassischen Art richtig zu schweißen.

Beispiel 2:

Ein Stopfen 11 (Fig. 3a und 3b) aus Stahl vom selben Typ wie der in Beispiel 1, ist Stoß-an-Stoß auf ein ebenfalls stählernes Rohr 12 aufgeschweißt. Der rohrförmige Teil 14 des Stopfens weist einen äußeren Durchmesser von 6 mm und einen inneren Durchmesser von 5 mm auf, während das Rohr einen äußeren Durchmesser von 6 mm und einen inneren Durchmesser von 5,24 mm besitzt.

309841/0411

16. März 1973

Die Ränder (Stirnkanten) des Stopfens und des Rohrs sind in der Art abgeschrägt, daß sie einen Winkelc£ von 30° bilden, und zwar so, daß der Stopfen einen männlichen Konus und das Rohr einen weiblichen , Konus aufweisen. Die scharfen Kanten 15 und 16 sind auf eine Dicke·(Breite) von 0,05 mm beschnitten (gebrochen). Dieser Stopfen ist auf das Rohr mit Hilfe des TIG-Verfahrens aufgeschweißt. Die Schweißbedingungen sind in der nachfolgenden Tabelle II enthalten und ebenfalls mit denjenigen verglichen, die bei einem klassischen Stopfen nötig sind.

TABELLE II

Schweißparameter	Stoß-an-Stoß schweißen	Schweißen mit ein gestecktem Stopfen
Stromstärke	4 A	12 A
• Spannung	20 V	19 V
Drehzahl	10 U/min	10 U/min
Zahl der Schweiß- Umdrehungen^	1,3	2
Schutzgas	Helium	Helium

Es ist anzumerken, daß der innere Durchmesser des Stopfens etwas kleiner als der Innendurchmesser des Rohrs ist, und daß der männliche Konus eine gute Unterstützung für das Metallbad im Verlauf der Schweißung darstellt.

309841/0411

- 9 - 16. März 1973

Beispiel 5:

Ein Stopfen 21 (Fig. 4a und 4b) aus Stahl,vom gleichen Typ wie in Beispiel 1, ist Stoß-an-Stoß auf ein ebenfalls stählernes Rohr 22 aufgeschweißt. Der rohrförmige Teil 24 des Stopfens weist einen äußeren Durchmesser von 9»5 nun und einen inneren Durchmesser von 8,2 mm auf. Das Ende des rohrförmigen Teils 24 weist einen Wulst von 1 cm Höhe bzw. Länge auf, so daß sich an dieser Stelle ein äußerer Durchmesser von 9,7 mm ergibt. Das Rohr weist einen äußeren Durchmesser von 9,5 mm und einen inneren Durchmesser von 8,5 mm auf.

Die Stirn-Kanten des Stopfens und des Rohrs sind so abgeschrägt, daß sich ein Winkel cC von 45° ergibt, und zwar so, daß der Stopfen einen männlichen Konus und das Rohr einen weiblichen Konus aufweisen.

Die scharfen Kanten 25 und 26 werden auf eine Dicke (Breite) von 0,1 mm gebrochen (abgestumpft). Darauf wird der Stopfen mit Hilfe des TIG-Verfahrens auf das Rohr aufgeschweißt. Die Schweißbedingungen sind in der nachfolgenden Tabelle III enthalten und mit den Bedingungen verglichen, die bei einem klassischem Stopfen benötigt werden.

- 10 309841/0411

16. März 1973

TABELLE III	Stoß-an-Stoß schweißen	Schweißen mit ein-r gestecktem Stopfen
	6 A	25 A
Schweißparameter	20 V	18 V
Stromstärke	10 U/min	8 U/min
Spannung	2	2
Drehzahl	Helium	Helium
Zahl der Schweiß- Umdrehung en
Schutzgas

Wenn entweder der Stopfen in der Schmelzzone des Metalls eine leichte Erhebung (Verdickung) hat, oder wenn der innere Durchmesser des Stopfens etwas kleiner als der innere Durchmesser des Rohrs ist, verfügt man gemäß diesem Beispiel über eine gute Unterstützung des Metallbads sowie über eine reichliche Menge Metall zum Zuführen zum Verbindungsrand, die den Bereich der Schweißnaht während der Schweißung verstärken kann.

Die Hauptvorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, verglichen mit den klassischen Methoden, die einen Stopfen vom eingelassenen (versenkten) Typ verwenden, sind u. a. wie folgt:

1. Gleichheit der auf dem Stopfen und auf dem.

- 11 -

309841/0411

- 11 - 16. März 1973

Rohr zu schmelzenden Massen, welche erlaubt, mit deutlich reduzierter Leistung zu schweißen und besseres thermisches Gleichgewicht zu gewährleisten. Dieses thermische Gleichgewicht verringert den Effekt von Belastungen beim Schrumpfen und Spannungen in der Schweißzone;

2. Kontinuität der metallischen Masse der geschlossenen Brennstäbe;

3. keine Gefahr von Rissen am Schweißansatz;

4.^ Verminderung der Schweißenergie, daher Sparsamkeit der Vorrichtung unter dem Gesichtspunkt der Stromquelle und des Verbrauchs von Elektrizität (verringerte Investitionskosten);

5-deutliche Verbesserung der Empfindlichkeit der radiografi.sehen Kontrolle der Schweißnaht als Folge der Dickenverminderung des radiografisch zu untersuchenden Stopfens;

6. vereinfachte Schweißung als Folge des vernachlässigbaren Einflusses der Stopfenform und -masse auf die Wärmeableitung.

Es ist offensichtlich, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in keiner Weise erschöpfend sind, und daß vielerlei Abwandlungen und Verbesserungen von einem Fachmann angebracht werden können, ohne daß der Bereich des Erfindungsgedankens der Erfindung verlassen würde.

- 12 309841/0411

- 12 - 16. März 1973

Es ist anzumerken, daß unter einem Brennstab ein zur Aufnahme beispielsweise von Brennstoff-Pellets bestimmtes rohrfärmiges Metallgebilde zu verstehen ist, daß gegebenenfalls an beiden Enden erfindungsgemaße Verschlüsse besitzen kann.

ANSPRÜCHE

- 13 -

30984-1/0411

Claims

- 13 - 16. März 1973

ANSPRÜCHE

Verfahren zum Verschließen von Kern-Brennstäben, wobei mit Hilfe einer TIG-Schweißung ein rohrförmiger Teil eines Stopfens auf ein Rohr geschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Enden (Stirnkanten) (5,6) des'Rohrs (2 ) und des rohrförmigen Teils (4) des Stopfens (1) so abschrägt, daß komplementäre Konusflächen gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (11) so abgeschrägt ist, daß er einen männlichen Konus aufweist, und das Rohr (12) so, daß es einen weiblichen Konus aufweist.
3- Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der spitze Winkel oC , der von der Rohrachse und einer Tangente an eine der gebildeten Konusflächen gebildet wird, zwischen 15° und 75° liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Winkel^ zwischen 30° und 60° liegt.

- 14 -309841/0411

- 14 - 16. März 1973
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeich net, daß die scharfen Kanten (5,6) der Abschrägung vor der Schweißung gebrochen werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet', daß der innere Durchmesser des rohrförmigen Teils (14) des Stopfens (11) etwas kleiner ist als der innere Durchmesser des Rohrs (12).
7- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der rohrförmige Teil (24) des Stopfens (21) außen eine leichte Erhebung (Wulst) (27) in der Schmelzzone umfaßt.
8. Stopfen zum Aufbau eines geschlossenen Kern-Brennstabs, dadurch g e k e nnzei c hne t daß er einen rohrförmigen Teil besitzt, dessen Ende (Stirnkante) nach einem oder mehreren der Ansprüchei bis 5 abgeschrägt ist und/oder mit Merkmalen der Ansprüche 6 und/oder 7 ausgestattet ist.
9« Rohr zum Aufbau eines geschlossenen Kern-Brennstabs, dadurch gekennzeichnet, daß es nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 abgeschrägt ist.

- 15 309841/0411

- 15 - 16. März 1973
10. Kern-Brennstab, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Stopfen (1, 11,21) nach Anspruch 8 und/oder ein Rohr (2,12,22) nach Anspruch 9 umfaßt, die an ihren schrägen Stirn— kanten Stoß-an-Stoß miteinander verschweißt sind. .

309841/0411

Leerseite