DE2444562C2

DE2444562C2 - Kernreaktor-Brennstab

Info

Publication number: DE2444562C2
Application number: DE2444562A
Authority: DE
Inventors: Richard P. Columbia S.C. Barna; Robert Duncan
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-09-20
Filing date: 1974-09-18
Publication date: 1983-05-05
Also published as: US4075454A; FR2245055B1; BR7407654D0; GB1448809A; JPS5058488A; FR2245055A1; JPS5338396B2; SE411970B; IT1021136B; ES430259A1; BE820121A; DE2444562A1; SE7411895L

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor-Brennstab bestehend aus einem Rohr, das spaltbares Material umschließt und mit Endverschlüssen versehen ist die an die Enden des Rohrs durch Umfangsschweißnähte angeschlossen sind, wobei der Endverschluß am einen Ende des Brennstabes eine mit dem inneren des Stabes in Verbindung stehende abdichtbare Öffnung zur Einleitung eines unter Druck stehenden Gases in den Brennstab aufwefe'.

Brennstäbe, wie sie in Kernreaktoren eingesetzt werden, weisen ein Rohr aus Edelstahl, Zirkonlegierungen oder einem anderen Material auf, das mit zylindrischen Brennstoff-Tablettenkörpern gefüllt und an beiden Enden durch kappenartige Endverschlüsse verschlossen ist die mit dem Rohr vorübergehend durch einen Preßsitz verbunden werden. Diese Endverschlüsse werden dann in ihre erforderlichen Lage durch eine inerte Wolframschweißung durch Verdrehen des Rohres im Verhältnis zu einer Elektrode dauerhaft abgedichtet, die einen Schweißgürtel an der Grenzstelle zwischen Rohrende und Endversrhluß bildet. Nach der Füllung des Rohrs mit unter hohem Druck stehendem Helium durch eine Öffnung in einem Endverschluß wird eine zweite Schweißung vorgenommen, um die Öffnung des Einsatzes abzudichten.

Dieser zweite Arbeitsgang der Abdichtung der Öffnung stellt einen kostspieligen Schritt dar, da eine besondere Schweißkammer, die stark genug ist, um den hohen Gasdruck aufzunehmen, und im übrigen vollständig gasdicht ist, benötigt wird, um das druckerzeugende Gas ohne Undichtigkeit zu halten. Abgesehen davon, daß eine gesonderte Schweißvorrichtung und ein besonderer Arbeitsgang erforderlich sind, muß die Verschweißung der Öffnung auch noch durch Röntgeneinrichtungen überprüft werden, um sicherzustellen, daß in den Brennstab eingefülltes Gas nicht später entweichen kann, wenn der Brennstab in einem Kernreaktor einem Kernspaltungsprozeß unterliegt.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Kernreaktor-Brennstabes der eingangs genannten Art, bei dem das Verschließen der Öffnung in dem Endverschluß leichter, billiger, und zuverlässiger als bisher vorgenommen werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Öffnung des Endverschlusses von der Umfangsschweißnaht radial nach innen angeordnet und durch die Verschweißung des Endeinsatzes mit dem Rohr abdichtbar.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Einleitung des unter Druck stehenden Gases in den Brennstab der geschilderten Art und zur Abdichtung

desselben, bestehend aus einem Gehäuse, das eine Gaskammer bildet, um mindestens das Ende des Brennstabes aufzunehmen, das den Endverschluß mit der abdichtbaren Gaseinlaßöffnung trägt, einer Einrichtung zur Positionierung des Endes des Brennstabes in der Kammer und einer Einrichtung für die Zufuhr von unter Druck stehendem Gas in die Gaskammer. Um mittels dieser Vorrichtung das Verschließen der öffnung des Endverschlusses des Brennstabes leichter, billiger und zuverlässiger als bisher vornehmen zu können, ist erfindungsgemäß in der Gaskammer neben der herzustellenden Schweißnaht zwischen dem Endverschluß und dem Brennstab eine Schweißelektrode angeordnet und eine Einrichtung zum Drehen des Brennstabes mit dem Endverschluß während des Schweißvorganges und zur Abdichtung der Gaseinlaßöffnung vorgesehen.

Die Einrichtung zur Positionierung des Brennstabes in der Kammer kann gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung einen axial mit dem Brennstab ausgerichteten drehbaren Anschlagkörper mit einer konischen Öffnung für die Aufnahme des konischen Er,des des Endverschlusses aufweisen.

Die Lage des Anschlagkörpers kann axial einstellbar sein.

Zur Aufnahme nur eines Endes des Brennstabes in der Kammer kann die Vorrichtung durch eine einen Brennstab umgebende Dichteinrichtung, die sich in die Kammer erstreckt, sowie durch eine Einrichtung zum Zusammendrücken der Dichteinrichtung zur Befesti- m gung derselben am Brennstab aufweisen. Sieht man eine um den Brennstab herum angeordnete und an diesem angreifende Spanneinrichtung mit einem rohrförmigen Halter vor, der sich von der Kammer aus erstreckt und axial verschiebbar ist, um so den Angriff der Spanneinrichtung an dem Brennstab zu bewirken, ergibt sich eine weitere Arbeitserleichterung.

Diese Spanneinrichtung könnte an der Einrichtung zum Zusammendrücken der Dichteinrichtung anschlagen, um so d^:··; Dichteinrichtung bei axialer Verschiebung des Halters der Spanneinrichtung zusammenzudrücken. Außerdem könnte die Spanneinrichtung, die Dichteinrichtung und die Einrichtung zum Zusammendrücken der Dichteinrichtung gemeinsam drehbar in dem Gehäuse gelagert sein und Bestandteil der -r> Einrichtung -um Drehen des Rohres bilden, wobei eine der Einrichtungen zum Spannen, Abdichten und Zusammendrücken mit einem Drehantrieb gekoppelt ist. Durch diese Anordnung ergibt sich eine besonders kompakte, einfach zu handgebende Anordnung. ίο

Gemäß einer noch anderen Ausführungsform dieser Vorrichtung -st der rohrförmige Halter drehbar in einer Stützplatte gelagert, die in Richtung der Achse des rohrförmigen Halters bewegbar und mit am Gehäuse angeordneten Hydi'aulik-Zylinder-Kolben-Einrichtungen verbunden ist, um den Halter in das Gehäuse zu drücken.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist. Es zeigt

F i g. 1 schematised eine Seitenansicht eines Brennstabes;

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Teilschnitt durch ein Ende des Brennstabs gemäß Fig. 1, der die gegenseitige Zuordnung von Brennstabende und damit <v> verschweißtem Endve, Schluß erkennen läßt; und

Fig. 3 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur gleichzeitigen Beaufschlagung des Brennstabs mit Druck und zur Abdichtung eines Endverschlusses sowie einer darin befindlichen Öffnung im Endbereieh des Rohres.

Im einzelnen lassen F i g. 1 und 2 einen Brennstab 10 mit Endverschlüssen 12 und 14 erkennen, die in den gegenüberliegenden Enden des Brennstabs 10 befestigt sind. Die Endverschlüsse 12 und 14 haben den gleichen Außendurchmesser wie der Brennstab und sind mit einem Abschnitt 16 versehen, der im wesentlichen den gleichen Außendurchmesser wie der Innendurchmesser des Brennstabes hat, so daß auf diese Weise für einen sicheren Sitz der Endverschlüsse in den Brennstähen bei der folgenden Schweißung gesorgt wird. Der Endverschluß 12 wird in dem Brennstab durch einen herkömmlichen Schweißgürtel in allgemein bekannter Weise abgedichtet.

Der Endverschluß 14 weist jedoch zusätzlich eine Gaseinlaßöffnung 20 auf, die zu einer mittleren öffnung 22 führt, die mit dem inneren des Brennstabes in Verbindung steht. Nach Einsetzen des Endverschlusses 14 unter Reibungsschluß in das Ende oes Brennstabes und Einbringen des Brennstabes in eine gasdichte Kammer wird in Umfangsrichtung um das Brennstabende in dem Gebiet, in dem der Endverschluß an den Brennstab 10 angrenzt, ein Schweißgürtel 24 vorgesehen, um uen Endverschluß gegenüber dem Brennstab abzudichten und gleichzeitig die Gaseinlaß-Öffnung 20 abzuschließen, wie das nachstehend genauer erläutert wird.

Eine in der Anordnung nach Fig.3 vorgesehene Schweißkammer dient zum gleichzeitigen Beaufschlagen des Brennstabs mit Druck, Verschweißen des Endverschlusses 14 in dem Brennstab und Abdichten der öffnung 20 in dem Endverschluß. Die dargestellte Anordnung ruht auf einer Plattform 26 auf, die ein entweder rechteckiges (quadratisches) oder zylindrisches Gehäuse 28 mit einer Bohrung 30 abstützt, die in eine kleinere Bohrung 32 und dann in einen Gewindeabschnitt 34 übergeht. Eine drehbare Hülse 36 mit einem der Bohrung 30 entsprechenden Außendurchmesser paßt >n die Bohrung 30 und ist in dieser mittels zweier Wälzlager 38 drehbar. Eine in der drehbaren Hülse 36 angeordnete Druckstange 40 ist mit vergrößerten Stirnflächen 44 versehen, von denen die eine (in der Zeichnung rechte) selektiv an einem Druckstempel 45 angreifen kann, der in dem Ende der Hülse 36 angeordnet ist. Ein Klemmhalter 48 hat eine Bohrung 50, die in eine von divergierenden Wandungen 52 gebildete konische Öffnung übergeht. Ein mit einer axialen öffnung 56 versehener Klemmeinsatz 54 befindet sich zwischen den divergierenden Wandungen 52, wobei die Durchmesser so gewählt sind, daß der Brennstab 10 durch die mittleren Öffnungen in dem KItmmnaiter 48, Klemmeinsatz 54 und Druckstempel 45 in der mit F i g. 3 gezeigten Weise eingeführt werden kann. Die drehbare Hülse 36 ist drehfest mit der Druckstange 40 und dem Druckstempel 45 gekoppelt, so daß diese Teile als einzige Einheit gedreht werden können.

Wie im linken Bereich der Fig. 3 gezeigt, ist der Klemmhalter 48 mit einem radial vorspringenden Flansch 58 versehen, der an einem Drucklager 60 anliegt, daß in einer Stützplatte 62 untergebracht ist. Pneumatische oder hydraulische Hubzylinder 64, in denen sich jeweils ein hin- und herbeweglich gefühaer Kolben befindet, sind an der Stützplatte 62 üoer Verbindungsstange 66 angeschlossen, so daß bei Verschiebung der Kolben in den pneumatisch oder

hydraulisch betätigten Hubzylinder 64 nach rechts entsprechend Fig. 3 die Stützplatte 62 an den Flanschflächen 42 des Klemmhalters 48 angreift und damit der Klemmhalter 48 nach rechts gedrückt wird, so daß der Klemmeinsatz 54 den Brennstab 10 umgreift und so in einer unbeweglichen Stellung hält.

Wie im rechten Bereich der F i g. 3 zu erkennen ist, ist in dem zylindrischen Gehäuse 28 eine Gaskammer angeordnet, und in dem Gehäuse ist ein Anschlagkörper 70 für den Brennstab vorgesehen, der an seinem äußeren Ende einen zu dem EndverschluD 14 komplementären Hohlraum 72 aufweist, so daß der Brennstab 10 durch Reibungsschluß gehalten werden kann. Der Anschlagkörper 70 ist drehbar in einem in das Gehäuse 28 eingeschraubten Einsatz 74 in Verbindung mit Lagern 76 aufgenommen.

Die Gaskammer wird mit Helium oder einem anderen Gas über einen Einlaß 78 mit einem unter Druck stehendem Gas gefüllt, welcher Druck dem für den Brennstab 10 gewünschten Druck entspricht. Entsprechend der allgemeinen Praxis werden Brennstäbe für große Kernreaktoren auf einen Druck von etwa 31,5 kg/cm² gebracht, so daß dieser Druck in der Gaskammer herrscht. Es versteht sich, daß andere Drücke je nach dem in dem Brennstab gewünschten Gasdruck verwendet werden können. Um ein Austreten von Gas aus der Gaskammer zu verhindern, sind Ferrofluiddichtungen 80 zwischen den Lagern 76 und 38 der drehbaren Hülse 36 und dem Gehäuse 28 angeordnet, um ein Entweichen des unter Druck stehenden Gases aus der Gaskammer durch die Lager 76 bzw. 38 in die Atmosphäre zu verhindern. Um ein Austreten aus der Gaskammer längs der Außenfläche des Brennstabs 10 zu verhindern, ist in der drehbaren Hülse 36 eine Urethandichtung 82 mit einer mittleren öffnung angeordnet, und ein Ende 86 des Druckstempels 54 ist so ausgestaltet, daß er in Kontakt mit der verformbaren Urethandichtung 82 steht.

Alle Teile sind so angeordnet, daß beim Angriff des Endverschlusses 14 an dem komplementären Hohlraum 72 des Anschlagkörpers 70 in Verbindung mit dem Einschieben des Brennstabes 10 in die Schweißkammer die Grenzflächen zwischen dem Ende des Brennstabs 10 und dem Endverschluß 14 und die Gaseiniaß-Öffnung 20 in dem Endverschluß unmittelbar unter einer Elektrode 88 liegen, die stationär in dem Gehäuse 28 mittels eines Einsatzes 90 gehalten ist Um den Endverschluß 14 in dem Brennstab und die öffnung 20 zu verschweißen, wird der Brennstab im Verhältnis zu der stationären Elektrode 88 gedreht, und wenn die Elektrode mit elektrischer Leistung beliefert wird, entsteht ein Lichtbogen, so daß das verflüssigte Schweißmaterial die an der Stoßstelle zwischen Brennstab 10 und Endverschluß 14 gebildete Umfangslinie und die in dem Endverschluß 14 gebildete Gaseiniaß-Öffnung überbrückt Die Elektrode 88 ist gegenüber der Kammer durch einen Teflon(R)-Einsatz 92 isoliert, der dicht an die Elektrode angedrückt ist, um unter hohem Druck stehendes Gas an einem Austritt aus der Gaskammer in die Atmosphäre zu hindern.

Um den Brennstab 10 in der Gaskammer drehen zu können, ist starr an der Hülse 36 eine Riemenscheibe 94 befestigt, die über einen Treibriemen von einem Motor angetrieben wird (nicht dargestellt). Wie oben angedeu

tet, sind die Hülse 36, die Druckstange 40 und der Druckstempel 45 durch Nut/Feder-Verbindungen drehfest miteinander gekoppelt, so daß sie eine gesonderte Einheit bilden. Ebenso gewährleistet der dichte Sitz des Klemmhalters 48 und des Klemmeinsatzes 54 im Verhältnis zu der Druckstange 40 die Drehung des Brennstabs 10, wenn die Riemenscheibe 94 die Teile dreht

Zur Bildung des Verschlusses wird der Brennstab 10 in die in dem Klemmhalter 48, dem Klemmeinsatz 54 und der Urethandichtung 82 vorgesehenen Bohrung eingeführt, bis das Ende seines Endverschlusses 14 an dem Hohlraum 72 des Anschlagkörpers 70 angreift. Diese Elemente einschließlich des Anschlagkörpers 70 dienen als Lagerung für den Brennstab 10, wenn dieser während des Schweißvorganges gedreht wird. Nachdem der Brennstab 10 festgehalten ist, werden die Hubkolben in den pneumatisch oder hydraulisch arbeitenden Zylinder-Kolben-Einrichtungen 64 betätigt, so daß die Stützplatte 62 zu der Flanschfläche 42 der Druckstange 40 gedrückt wird, so daß die Stirnfläche 44 der Druckstange an dem Druckstempel 45 angreift und der Klemmhalter 48 in Richtung auf die Gaskammer verschoben wird. Die Druckstange 40 drückt gegen den Druckstempel 45, und wenn dieser vorwärts bewegt wird, werden der Klemmeinsatz 54 und die Urethandichtung 82 verformt, so daß sie den Brennstab 10 sicher erfassen und ihn dabei stationär halten, wobei die Möglichkeit ausgeschlossen wird, daß unter hohem Druck stehendes Gas aus der Gaskammer und um den Brennstab 10 herum in die Atmosphäre entweicht. Die Ferrofluiddichtungen 80 verhindern, daß das unter hohem Druck stehende Gas durch die Drehlager entweicht, während der Teflon(R)-Einsatz 92 das Entweichen von Gas an der Elektrode 88 vorbei in die Atmosphäre verhindert Es wird dann Helium oder ein anderes Gas über den Einlaß 78 in die Gaskammer 68 eingeleitet, das zu der Gaseinlaß-Öffnung 20 strömt und so den Brennstab auf den gewünschten Druck auflädt. Die Gaszufuhr kann mit der Gaskammer 68 verbunden bleiben, oder der Einlaß 78 kann durch geeignete Mittel abgedichtet werden, um das Gas darin festzuhalten. Das in den Brennstab 10 eindringende Gas füllt alle Hohlräume um die Brennstoff-Tablettenkörper herum sowie einen Hohlraum aus, der üblicherweise in der Nähe des Endes des Brennstabes verbleibt Wenn das in der Gaskammer 68 gehaltene Gas sich auf etwa 31,5 kg/cm² befindet, wird der Einiaß 78 geschlossen. Zum geeigneten Zeitpunkt wird der Motor für den Antrieb der Riemenscheibe 94 in Gang gesetzt, so daß sich die drehbare Hülse 36, die Druckstange *O, der Klemmhalter 48, der Druckstempel 54 und der Brennstab 10 drehen. Bei Drehung des Brennstabs bildet der Elektrode 88 zugeführte Energie flüssige Schweißschmelze, die sich über eine Umfangslinie an der Stoßstelle zwischen Brennstab 10 und Endverschluß 14 und über der Endverschlußöffnung 20 erstreckt, so daß der Endverschluß metallurgisch mit dem Brennstab 10 verbunden und zugleich die Endverschlußöffnung 20 abgedichtet wird. Der in dieser Umgebung mit unter hohem Druck stehendem Gas durchgeführte Schweißvorgang stellt sicher, daß der Brennstab 10 auf den richtigen Druck gebracht und dieser Druck dann bei Abschluß des Schweißvorganges aufrechterhalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennstab bestehend aus einem Rohr, das spaltbares Material umschließt und mit Endverschlössen versehen ist, die an die Enden des Rohrs durch Umfangsschweißnähte angeschlossen sind, wobei der Endverschluß am einen Ende des Brennstabes eine mit dem Inneren des Stabes in Verbindung stehende abdichtbare Öffnung zur Einleitung eines unter Druck stehenden Gases in den ■ ο Brennstab aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (20) des Endverschlusses (14) von der Umfangsschweißnaht (24) radial nach innen angeordnet und durch die Verschweißung des End Verschlusses (14) mit dem Rohr abdichtbar ist. ι "

2. Vorrichtung zur Einleitung des unter Druck stehenden Gases in den Brennstab nach Anspruch 1 und zur Abdichtung desselben, bestehend aus einem Gehäuse, daß eine Gaskammer bildet, um mindestens das Ende des Brennstabes aufzunehmen, das den Endverschluß mit der abdichtbaren Gaseinlaßöffnung trägt, einer Einrichtung zur Positionierung des Endes des Brennstabes in der Kammer und einer Einrichtung für die Zufuhr von unter Druck stehendem Gas in die Gaskammer, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gaskammer (68) neben der herzustellenden Schweißnaht (24) zwischen dem Endverschluß (14) und dem Brennstab (10) eine Schweißelektrode (88) angeordnet und eine Einrichtung (36, 94) zum Drehen des Brennstabes (10) mit dem End' <rschluß (14) während des Schweißvorganges und zur Abdichtung der Gaseinlaß-Öffnung (20) vorgesehen ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung _ur Positionierung des Brennstabs (10) in der Kammer (68) einen axial mit dem Brennstab (10) ausgerichteten drehbaren Anschlagkörper (70) mit einer konischen öifr.uiig (72) für die Aufnahme des konischen Endes des Endverschlusses (14) aufweist. «>

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Anschlagkörpers (70) axial einstellbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, zur Aufnahme nur eines Endes des Brennstabes in der Kammer, gekennzeichnet durch eine einen Brennstab (10) umgebende Dichteinrichtung (82), die sich in die Kammer (68) erstreckt, sowie durch eine Einrichtung (45) zum Zusammendrücken der Dichteinrichtung (82) zur Befestigung derselben am Brennstab (10).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine um den Brennstab (10) herum angeordnete und an diesem angreifende Spanneinrichtung (54, 40, 48) mit einem rohrförmigen Halter (48), der sich ^5 von der Kammer (68) aus erstreckt und axial verschiebbar ist, um so den Angriff der Spanneinrichtung (54, 40, 48) an dem Brennstab (10) zu bewirken.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- (>o zeichnet, daß die Spanneinrichtung (54,40,48) an der Einrichtung (54) zum Zusammendrucken der Dichteinrichtung (82) anschlägt, um so die Dichteinrichtung (82) bei axialer Verschiebung des Halters (48) der Spanneinrichtung (54, 40, 48) zusammenzudrük- ^ ken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtung (54, 40, 48), die Dichteinrichtung (82) und die Einrichtung (45) zum Zusammendrücken der Dichteinrichtung gemeinsam drehbar in dem Gehäuse (28) gelagert sind und Bestandteil der Einrichtung (36,94) zum Drehen des Rohres bilden, wobei eine der Einrichtungen zum Spannen, Abdichten und Zusammendrücken mit einem Drehantrieb (94) gekoppelt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Halter (48) drehbar in einer Stützplatte (62) gelagert ist, die in Richtung der Achse des rohrförmigen Halters (48) bewegbar und mit am Gehäuse (28) angeordneten Zylinder-Kolben-Einrichtungen (64, 66) verbunden ist, um den Halter (48) in das Gehäuse (28) zu drücken.