DE2611388A1

DE2611388A1 - Verfahren zur abdichtung von brennstaeben fuer kernreaktoren

Info

Publication number: DE2611388A1
Application number: DE19762611388
Authority: DE
Inventors: Robert C Drescher; Dennis Yeo
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-03-24
Filing date: 1976-03-18
Publication date: 1976-10-07
Also published as: IT1058655B; PH12225A; ES446319A1; BR7601607A; BE839850A; SE7602419L; FR2305827A1; GB1497486A; JPS51114599A

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Dr.-ing. Ernst Stratmann Patentanwalt

Düsseldorf, 16. März 1976

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh,· PaV/ W 'StV Ä.

Verfahren zur Abdichtung von
Brenwstäben" für Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrucksetzung und Abdichtung von mit Brennstoffpellets gefüllten und an einem Ende geschlossenen Brennstäben für Kernreaktoren.

Brennstäbe, die in den Kernreaktoren kommerzieller Größe verwendet werden, umfassen gewöhnlich Brennstäbe aus "Zircoloy" mit einem Durchmesser von ungefähr 15 mm und einer Länge bis zu 5 m, die mit Brennstoffpellets geladen sind, die mittels Endstopfen festgehalten werden, die die einander gegenüberliegenden Enden der Röhre abdichten. Um eine richtige Arbeitsweise sicherzustellen, wenn der Brennstab später in einem Kernreaktor angeordnet wird, werden die Brennstäbe zu der Zeit, zu der die Stopfenabdichtung erfolgt, durch ein inertes Gas

2 unter einen Druck von 15-50 kg/cm gesetzt. Bisher wurde der untere Endstopfen an Ort und Stelle verschweißt und der obere Endstopfen, der ein axiales Loch aufwies, wurde in das

609841/0307

Telefon (0211) 32 08 58 Telegramme Custopat

andere Ende des Brennstabes eingepaßt. Das nicht verschweißte Ende des Brennstabes wurde dann in eine Kammer gebracht, wobei der Endstopfen an ein Anschlagglied anlag, das dazu diente, den Stab innerhalb der Kammer genau in Stellung zu halten. Unter Drehung des Brennstabes wurde eine Umfangs-Schweißnaht hergestellt, um den Endstopfen am Hauptkörper des Brennstabes zu befestigen. In einem zweiten Arbeitsgang innerhalb einer zweiten Kammer wurden dann die Kammer und der Brennstab unter Druck gesetzt und das Loch in dem Endstopfen abgedichtet, wodurch sich ein unter Druck stehender Brennstab ergab, der nun in einem Reaktor eingebracht werden konnte.

Die schwebende US-Patentanmeldung 399 767 der Anmelderin vorliegende Anmeldung offenbart eine ähnliche Anordnung, bei der ein Druckloch, das radial in dem Endstopfen angeordnet ist, abdichtend geschlossen wird, während gleichzeitig die Umfangs-Schweißnaht an der Übergangsstelle zwischen dem Endstopfen und dem Brennstab gebildet wird.

Der Hauptnachteil, der dem bekannten bzw. dem vorgeschlagenen Abdichtverfahren anhaftet, liegt darin, daß besondere Bearbeitungsverfahren erforderlich sind, um das Druckloch in den Endstopfen zu bohren. Da das Schweißen nicht sichtbar ist, weil Brennstab und Endstopfen innerhalb der druckdichten Kammer eingeschlossen sind, kann keine wirksame Qualitätskontrolle durchgeführt werden. Auch können während des Schweißverfahrens gelegentlich kleine Wolframpartikel von der Elektrode auf die Schweißnaht fallen, wodurch diese nicht mehr akzeptabel ist.

609841/0307

Bei anderen Schweißverfahren für Brennstäbe, wie sie z. B. in der US-Patentschrift 3 774 010 offenbart werden, werden die Endstopfen in gegenüberliegende Enden des Brennstabes eingeschweißt und nach einer Abkühlperiode der Brennstab zu einer Schweißkairaner der oben beschriebenen Art bewegt. Unter Anwendung eines Lasers wird ein kleines Druckloch in die Seite des Brennstabes gebohrt und, nachdem der Brennstab unter Druck gesetzt wurde, das Loch durch Schweißung mittels des gleichen Lasers wieder geschlossen. Obwohl das in diesem Patent beschriebene Verfahren ein geeigneter Weg ist, in einen Brennstab ein Druckloch zu bohren und es wieder zu verschließen, sind dort zwei Schweißgeräte unterschiedlicher Ausführung notwendig, um einmal das Verschweißen der Endstopfen durchzuführen und dann das Verschweißen des Druckloches zu ermöglichen. Dies erhöht nicht nur die Gesamtkosten für die Schweißausrüstung, sondern der Laborinhalt in dem Herstellungszyklus ist extrem hoch, da jeder Brennstab zu unterschiedlichen Stationen bewegt werden muß. Derartige Laborkosten sind bedeutsam, da in einem einzigen Kernreaktor kommerzieller Größe 55.000 bis 6O.OOO Brennstäbe verwendet werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, bei dem zum Verschweißen der Endstopfen mit den Brennstäben, zum Bohren eines Druckloches in einem Endstopfen und zum Dichtschweißen des Druckloches nach dem Unterdrucksetzen des Brennstabes eine Laser-Verschweißausrüstung verwendet wird.

fi09841/U307

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur Unterdrucksetzung und Abdichtung von Kernreaktor-Brennstäben, die mit Brennstoffpellets gefüllt und an einem
Ende geschlossen sind, geschaffen wird, das aus den folgenden Verfahrensschritten besteht: Ein Endstopfen wird in das andere Ende des Brennstabes eingeführt und dieses andere Ende in eine fluidumdichte Kammer eingebracht. In dieser Kammer wird der
Brennstab gedreht, während eine Umfangs-Schweißnaht mit einem Laserstrahlgerät an der Zwischenfläche zwischen Brennstab und Endstopfen hergestellt wird. Erfindungsgemäß besonders vorteilhaft ist, daß unter Verbleiben des Brennstabes in der Kammer der Laserstrahlapparat so verstellt wird, daß er ein Loch
durch den Stopfen schmilzt, um so eine Verbindung zwischen
der Kammer und dem Inneren des Brennstabes herzustellen. Daraufhin wird die Kammer mit einem Gas unter den für den Brennstab gewünschten Druck gesetzt und die Laserstrahlausrüstung wiederum neu eingestellt, um das Loch durch Verschweißen wieder zu schließen.

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

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des zur Ausführung

des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Gerätes, und

β 0 9 8 A 1 / Π 3 Π 7

Fig. 2 eine Aufsicht, teilweise geschnitten, zur Darstellung eines Endes des Brennstabes mit einem daran angeordneten Endstopfen, wobei dargestellt ist, wo Schweißnähte zum Abdichten und Unterdrucksetzen des Brennstabes angebracht werden.

Fig. 1 zeigt eine Bank 10, die einen Motor 12 und eine Schweiß- und Druckstation 14 trägt. Die Schweiß- und Druckstation 14 ist von herkömmlicher Ausführungsform. Sie besteht aus einem Metallgehäuse 16, das in geeigneter Weise an dem Tisch befestigt ist und umfaßt eine Schweiß- und Druckkammer 18. Eine in Längsrichtung sich erstreckende Öffnung 20 läuft durch eine Vorderseite des Gehäuses und endet am anderen Ende des Gehäuses in der Druckkammer. Diese Öffnung ist groß genug, um einen Brennstab 22 aufzunehmen, der nach Anordnung in dem Gehäuse an einem Anschlagglied 24 anliegt und somit innerhalb des Gehäuses genauer ausgerichtet und angeordnet wird.

Eine Dichtung 26 bekannter Art, durch die der Brennstab hindurchläuft, ist so ausgeführt, daß der Austritt von Gas aus der Kammer 18 oder der Eintritt von Luft in die Kammer während der Zeiten unterdrückt wird, während der die Kammer einer Evakuierung unterworfen oder unter Druck gesetzt wird, wie im folgenden noch zu erläutern ist. Statt öffnungen vorzusehen, durch die TIG-Elektroden sich erstrecken, wie es der Stand der Technik lehrt, sind Fenster 28 und 30 oben und/oder seitlich oder am Ende des Gehäuses angebracht und in geeigneter Weise abgedichtet, um Leckverluste zu und von der Kammer 18

6 0 9 8 41/0307

zu beseitigen. Eine Vakuumpumpe 32 ist über eine Leitung mit der Kammer 18 verbunden und dient dazu, die Kammer und damit den Brennstab zu evakuieren, wenn eine derartige Brennstab-Evakuierung vor der nachfolgenden Unterdrucksetzung des Brennstabes mit einem Gas wünschenswert ist. In gleicher Weise ist eine Gasquelle 34 für Argon, Helium oder ein anderes inertes Gas mit der Kammer über eine Leitung verbunden, um die Kammer und den Druckstab unter Druck zu setzen, bevor die Schweißung durchgeführt wird.

Das zur Ausführung der Schweißung verwendete Lasergerät wird von der Firma Holobeam, Incorporated, Paramus, New Jersey, unter der Modell-Nr. 900 vertrieben und besteht aus einer Leistungsquelle 36, die mit einer Laserausrüstung 38 verbunden ist, die einen Strahl von Lichtenergie 40 variabler Intensität erzeugt. Der Laserstrahl 40 wird von einem oder von mehreren Prismen 42 reflektiert, läuft durch eine Sammellinse 48 und dann durch das Fenster 28 direkt auf das Brennstabziel 44, das verschweißt wird. Ein zweiter Strahl von Lichtenergie 46 wird von einem oder mehreren Prismen 49 und 50 weg und durch die Fenster 30 gegen das gleiche Ziel 44 gerichtet, aber in diesem Falle wird der Strahl 46 zunächst dazu benutzt, ein Loch von kleinem Durchmesser durch den Endstopfen und/oder die Brennstabwand zu bohren und dann das gleiche Loch durch Schweißen zu verschließen, nachdem der Brennstab unter Druck gesetzt worden ist.

R09841/0307

Insbesondere aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß die hohle Röhre aus "Zircoloy" (Zirkonlegierung) zur Benutzung als Brennstab einen Endstopfen 52 aufnimmt, der ein Ende 54 besitzt, das über eine kurze Entfernung in das Ende des Brennstabes hineinreicht. Das Ende des Abschnitts 54 ist vorzugsweise von einer versenkten Konfiguration 56, die den Zweck hat, die Tiefe des Loches 58 möglichst klein zu machen, die von dem Laser in das Ende des Brennstab-Endstopfens gebohrt werden muß. Das Loch kann an irgendeiner Stelle längs der Brennstablänge angeordnet werden, oder es kann lediglich in dem Endstopfen und dem Brennstab angeordnet werden, wie es durch die gestrichelten Linien in Fig. 2 dargestellt ist. Wie bei den herkömmlichen Ausführungsformen liegt eine Feder 60 mit ihrem einen Ende gegen ein Ende des Stopfens und mit ihrem anderen Ende gegen den letzten Brennstoffpellet 62, der in dem Brennstab angeordnet ist. Um die Darstellung zu vereinfachen, sind die Laserstrahlen und die reflektierenden Prisem lediglich als Linien in dieser Figur dargestellt.

Im Betrieb wird ein Brennstab 22, der an seiner Ober- und Unterseite Endstopfen an seinen Enden reibend hält, mit Brennstoff pellets in herkömmlicher Weise geladen. Ein Ende der Stange wird durch eine Dichtung 26 in die Kammer 30 geschoben, wo der Bodenendstopfen gegen das Anschlagglied 24 anliegt. Das freiliegende andere Ende des Brennstabes außerhalb der Kammer wird in einem Spannfutter 64 eingespannt, das an einem mit dem Motor 12 verkoppelten Reduziergetriebe 66 angebracht ist. Der Motor wird erregt und veranlaßt somit eine Drehung

809841/0 307

des Brennstabes mit einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit, die so gewählt wird, daß ausreichend Zeit bleibt, um durch das Laserstrahlgerät die Schweißung durchzuführen. Bei sich drehendem Brennstab wird das Lasergerät 38 eingeschaltet, wodurch dieses einen Strahl von Lichtenergie 40 erzeugt, das direkt auf das Ziel 44 auftrifft und auf diese Weise eine Umfangs-Schweißnaht 68 um den Röhrenumfang herum bildet, siehe Fig. 2, so daß eine vollständige und wirksame Verbindung zwischen den Flächen des unteren Endstopfens 52 und des Brennstabes 22 erzeugt wird. Der Brennstab wird dann von der Kammer 30 entfernt und umgedreht, so daß das andere Ende in der Kammer 30 angeordnet wird. Der oben beschriebene Schweißzyklus wird dann wiederholt, um dadurch eine Umfangsnaht 68 an der oberen Zwischenfläche zwischen Endstopfen und Brennstab zu formen.

Daraufhin wird die Laserausrüstung 38 so umgestellt, daß ein Loch 58 durch das Rohr 22 und das Ende des Stopfens 52 gebohrt wird, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Sobald zwischen der Kammer 18 und den inneren Teilen der Röhre 22 ein Zugang hergestellt ist, kann eine Vakuumpumpe 32 die Kammer 18 auf, wenn gewünscht, ein Vakuum von 20 Mikron evakuiert werden. Das auf diese Weise erzeugte Vakuum veranlaßt, daß die unter atmosphärischem Druck stehende Luft in den inneren Teilen des Brennstabes abgezogen wird. Dann setzt die Quelle 34 für inertes Gas die Kammer und die inneren Teile des Brennstabes 22 unter einen Druck, der zwischen 15 und 50 kg/cm liegt. Sobald innerhalb des Brennstabes dieser Druck vorhanden ist, wird die

ß 0 9 η A 1 / fl 3 Ο 7

Laserausrüstung 38 erneut eingestellt, um einen Schweißvorgang durchzuführen, der das vorher in die Röhre und den Endstopfen gebohrte Loch 58 schließt. Nach Beendigung dieses Verfahrensschrittes wird der Druck in der Kammer 18 entlüftet und der Brennstab dann von dem Gehäuse 16 entfernt.

Dem Fachmann wird deutlich sein, daß es möglich ist, statt das Loch durch die Brennstabwand und den Endstopfen 56 radial zu bohren, solch ein Loch auch längs der Achse des Stopfens 52 angeordnet werden kann, damit eine Gasverbindung zwischen der Kammer 18 und den inneren Teilen des Brennstabes hergestellt wird. In diesem Falle könnte der Laserstrahl auf ein Ende der Kammer 18 gerichtet werden, anstatt radial durch ein Fenster, wie es in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde.

Bei einigen Herstellungsschritten für Kernbrennstäbe ist es günstig, einen Bodenendstopfen in einen Brennstab einzuschweißen, bevor der Brennstab mit Brennstoffpellets gefüllt wird. In diesen Fällen braucht der Brennstab, der an die Laser-Schweißstation gebracht wird, nur hinsichtlich seines oberen Endstopfens behandelt werden, der dann erfindungsgemäß festgeschweißt wird.

' Patentansprüche; 6 Ü 9 B 4 1 / CJ 3 0 7

Claims

P a f e n' t a η s ρ r ü c h e :

1. J Verfahren zum Unterdrucksetzen und Abdichten eines Kernreaktor-Brennstabes , der mit Brennstoffpellets gefüllt ist und dessen eines Ende geschlossen ist, wobei ein Endstopfen in das andere Ende des Brennstabes eingeführt und dieses andere Ende in eine fluidumdichte Kammer eingebracht wird, woraufhin der Brennstab gedreht wird, während mit einem Laserstrahlgerät an der Zwischenfläche zwischen Brennstab und Endstopfen eine Umfangs-Schweißnaht angebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß, während der Brennstab (22) in der Kammer (18) verbleibt, das Laserstrahlgerät (38) so verstellt wird, daß es ein Loch (58) durch den Stopfen schmilzt, um eine Verbindung zwischen der Kammer (18) und dem Inneren des Brennstabes (22) herzustellen, woraufhin die Kammer (18) mit einem Gas unter einen gewünschten Druck gesetzt wird und der Brennstab und die Laserausrüstung wiederum verstellt werden, um das Loch (58) durch Verschweißen zu schließen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (58) radial durch die Wand des Brennstabes (22) verläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (58) axial durch den Endstopfen (52) hindurchgeführt wird.

RÜ9B41/Q307

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Unterdrucksetzung die Kammer (18) evakuiert wird, um im wesentlichen alle Luft aus der Druckkammer und damit aus dem Brennstab zu entfernen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer unter einen

Druck von 15-50 kg/cm gesetzt wird.

ES/hs 5

609HA 1 /(I 3 D 7

I ^Λ

Leerse

ite