DE2638343C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Anwendung des Fügeverfahrens mittels Magnetumformung zum dichten Versiegeln von unter innerem Über- oder Unterdruck stehenden Vorratsbehältern für radioaktive Substanzen bzw. Kernbrennstoffe.

Derartige Vorratsbehälter können Substanzen enthalten, die von Anfang an radioaktiv sind, oder solche, die es erst im Laufe der Bestrahlung werden, beispielsweise bei der Herstellung von Radioisotopen in Kernreaktoren.

Hinsichtlich derartiger Vorratsbehälter ist zu berücksichtigen, daß die Atmosphäre im Inneren der Vorratsbehälter überwacht werden muß, beispielsweise in bezug auf die Art der Gase, ihre Reinheit und ihren Druck oder Unterdruck, und daß solche Vorratsbehälter in dem Reaktor verhältnismäßig hohen Temperaturen und manchmal dem starken Druck der durch die nuklearen Umwandlungen freigewordenen Gase ausgesetzt sind.

Unter diesen Umständen bringt das dichte Versiegeln der Vorratsbehälter vielfache Probleme mit sich, die unter Anwendung der üblichen Maßnahmen nach dem Stand der Technik bisher nur unter Einsatz komplexer und teurer Techniken gelöst werden konnten.

Die bekanntgewordenen Vorschläge gingen im allgemeinen von der Überlegung aus, daß es ratsam wäre, das endgültige dichte Verschließen der Vorratsbehälter in sog. Handschuhkästen oder in einer anderen abgeschirmten Umgebung vorzunehmen, um jegliche Verunreinigung der Umgebung durch radioaktive Stoffe zu vermeiden und die Überwachung der Atmosphäre im Innern der Behälter zu gewährleisten.

Aus der US-PS 37 08 865 ist weiterhin der Vorschlag bekanntgeworden, das endgültige, dichte Verschließen der Hülle durch ein Verfahren vorzunehmen, das dem der Magnetoschweißung mittels einer Sprengspule außerhalb des Handschuhkastens ähnlich ist. Hiernach füllt man zuvor in einem Handschuhkasten beispielsweise Brennstoff od.dgl. in die Hülle ein, welche dann provisorisch mittels eines Stopfens verschlossen und durch einen aus weichem Kunststoff bestehenden Sack geschützt wird.

Diese Lösung ist jedoch nicht für alle in Betracht kommenden Fälle mit überwachter Atmosphäre im Innern der Hülle geeignet.

Im Falle von innerem Überdruck, einem Fall, der bei den Brennstoff-Elementen verschiedener Kernreaktoren auftritt, bläht sich der Kunststoffsack, wenn er aus dem Handschuhkasten entfernt ist, auf, wobei die Gefahr besteht, daß er platzt. Andererseits bereitet es Schwierigkeiten, die Sprengspule anzubringen. Die notwendigen Manipulationen haben einen Gas-Austausch zwischen dem Innenraum der Hülle und dem Raum außerhalb derselben einerseits und zwischen dem Innenraum des Kunststoffsacks und der umgebenden Atmosphäre andererseits zur Folge. Bei diesem Austausch besteht die Gefahr, daß kontaminierte Luft bzw. Substanzen nach außen dringen.

Im Falle eines leichten Unterdrucks, wie er in den Handschuhkästen im allgemeinen herrscht, wird der Kunststoffsack, der zwangsläufig einen größeren Durchmesser hat als die Hülle des Brennstoffelements, Falten bilden, die Ungenauigkeiten bei der Zentrierung der Sprengspule verursachen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen vorzuschlagen, um ein dichtes Versiegeln der in Betracht kommenden Vorratsbehälter durch Anwendung der an sich bekannten Magnetoschweißung mittels einer Sprengspule, insbesondere von unter konditionierter Atmosphäre stehenden Vorratsbehältern, wie Hüllen für Kernbrennstoffe u. dgl., zu erreichen. Weiterhin soll eine Kostensenkung gegenüber vorbekannten Methoden bei gleichzeitiger Vermeidung deren erwähnter Nachteile erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist vorgesehen, daß, wenn der Vorratsbehälter erst einmal in einem Handschuhkasten oder einem ähnlichen Raum gefüllt und provisorisch mittels eines Stopfens verschlossen worden ist, der Mündungsbereich, der Stopfen und das Ende auf dichte Weise mittels einer elastischen Verschlußkappe unter Kraftaufwand überdeckt werden, bevor die Magnetoschweißung in einem geeigneten Raum vorgenommen wird. Es genügt, der Verschlußkappe durch die Auswahl des Materials und/oder ihrer Dicke eine ausreichende Starrheit zu verleihen, um die zuvor erwähnten Nachteile des bisher angewandten Kunststoffsacks zu vermeiden. Wenn im Falle eines starken inneren Überdrucks die auf den Mündungsbereich des Behälters aufgesetzte bzw. aufgepreßte Verschlußkappe nicht fest sitzen sollte, kann man temporär eine mechanische Spannvorrichtung verwenden, um die Verschlußkappe festzuklemmen, bis die Magnetoschweißung durchgeführt und eine völlige Dichtheit des Stopfens gewährleistet ist.

Die Verschlußkappe erfüllt somit zwei Funktionen; einerseits dient sie der Abdichtung und andererseits als Spulenträger, wodurch eine exakte Programmierung der Magnetoschweißung und die Einhaltung aller Bedingungen möglich ist.

Dem Fachmann sind die Technik des Magnetoschweißens und die dabei zu beachtenden Kriterien bekannt. Einzelheiten gehen aus dem Artikel "Magnewelding" von C. DUMONT und P. JEHENSON in der Veröffentlichung EUR. 5060e (1972), Seiten 332 bis 336, hervor.

Die Verschlußkappe ermöglicht es, im Hinblick auf die durchzuführende Verschweißung einen oder mehrere der folgenden Parameter festzulegen:

• - Abmessungen der Spule in bezug auf deren Durchmesser, Länge und konstante oder variable Steigung der Windungen,
• - Durchmesser und Art des für die Spule verwendeten Drahts,
• - Geometrie der Verschlußkappe,
• - Lage und Ausbildung der Verbindungsenden oder -drähte der Spule,
• - Lage der Spule in bezug auf die Hülle, den Stopfen, das eventuelle Antriebsmittel (bestehend aus einem gut stromleitenden Metall zwischen der Hülle und der Spule, wenn der elektrische Widerstand des Materials der Hülle zu hoch ist),
• - Werkstoff der Verschlußkappe, insbesondere Art des Kunststoffmaterials (z. B. Polyvinylchlorid oder Polyamid).

Es ist bekannt, daß die Magnetoschweißung insbesondere gut geeignet ist, um serienweise Schweißungen vorzunehmen. Die Rentabilität verlangt daher eine Automatisierung des Verfahrens, die so umfassend wie möglich sein soll. Diesem Ziel dient die erfindungsgemäß gestaltete Verschlußkappe, die es ermöglicht, außerhalb der eigentlichen Schweißkette auf eine umfassende und sichere Weise die Mehrzahl der wesentlichen Parameter festzulegen. Der einzige regulierbare Parameter, der erst bei der Schweißung festgelegt werden muß, betrifft die Größe der der Spule zuzuführenden elektrischen Energie als Funktion der anderen, zuvor bestimmten bzw. gegebenen Parameter.

Die Nützlichkeit der Verschlußkappe als Spulenträger beruht auf folgenden Überlegungen, die sich auf das Verhalten einer Sprengspule beziehen. Bevor der Stromimpuls die Spule verflüchtigt, wird diese von Magnetkräften beansprucht, die sie dahingehend verformen, daß ihre Länge verringert und der Durchmesser der Spulenentwicklungen vergrößert wird. Die Verringerung der Länge schadet der guten Verteilung des Magnetfeldes. Außerdem verringert die Vergrößerung des Durchmessers, die die Entfernung zwischen der Sprengspule und dem anzutreibenden Rohr (oder seines Antriebsmittels) anwachsen läßt, ebenso die Kopplung und somit die Wirkung des Impulses.

Die Verbesserung der Wirkung des elektrischen Impulses um mehrere Prozent in dem Fall der Schweißung mittels der Verschlußkappe kann zwei aufeinanderfolgenden und sich ergänzenden Wirkungen zugeschrieben werden:

• - Erhaltung der Geometrie der Spule vor ihrer Verflüchtigung,
• - Einschließung des die Spule bildenden Metalls, nachdem der durch die Spule fließende Strom das Metall verflüssigt und/oder verdampft hat.

Zwar wird die Verschlußkappe im Endeffekt zerstört, aber in dem kurzen Zeitintervall, währenddessen die Sprengspule unversehrt erhalten bleibt, erlaubt sie eine bessere Ausnutzung des elektrischen Impulses.

Wenn Vorratsbehälter, wie beispielsweise Hüllen mit überwachter bzw. konditionierter Atmosphäre, abgedichtet werden müssen, ist es wünschenswert, wenn die Atmosphäre vor der endgültigen Abdichtung konditioniert und dabei in der Weise vorgegangen wird, daß die gasförmige und/oder flüssige Phase durch die Art des Verschließens nicht verunreinigt und auch ihr Druck nicht verändert wird. Im allgemeinen findet der Konditionierungsvorgang der Atmosphäre nach der Entgasung bei hoher Temperatur dadurch statt, daß entweder eine Folge von Entleerungen und Füllungen des Vorratsbehälters oder eine kontinuierliche Spülung durchgeführt wird. Um das Verschließen durch Magnetoschweißung sofort nach den verschiedenen beschriebenen Behandlungen durchführen zu können, ist es ratsam, den oder die Stopfen bereits vor diesen Behandlungen in die Mündungen des Vorratsbehälters einzusetzen. Der Stopfen muß dann eine Form haben, die es ermöglicht, beispielsweise für die Spülung eine Verbindung zwischen den stromaufwärts und den stromabwärts vom Stopfen gelegenen Räumen herzustellen. Die Gestaltung der Verschlußkappe ist unter diesen Umständen von besonderem Nutzen, da sie es erlaubt, die Mündungen des konditionierten Vorratsbehälters vorerst bis zur Durchführung der Magnetoschweißung schnell und dicht zu verschließen.

Der verwendete Stopfen kann unterschiedliche Formen haben, muß aber folgende Voraussetzungen erfüllen:

• a) Er muß den Durchtritt der Gase während der Entgasungsphase und der Gase und/oder Flüssigkeiten während der Füllungsphase ermöglichen;
• b) er muß im Inneren des Rohres derart befestigt sein, daß er eine definierte Lage einnimmt und sich nicht infolge von Stößen oder auch unter dem Einfluß des Gases verschiebt;
• c) er muß eine Form haben, die die Magnetoschweißung ermöglicht, beispielsweise teilweise kegelstumpfförmig ausgebildet sein.

Außerdem kann man dem oberen Ende des Stopfens leicht eine Form geben, durch die eine Abtrennung des Rohres am Ende des Magnetoschweißvorgangs erfolgt, was die Durchführung einer größeren Anzahl von Verschweißungen in stetiger Folge erleichtert.

Weitere Einzelheiten, Anwendungen und Vorteile des Gegenstands der Erfindung sind nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine rohrförmige Hülle, die an einem ihrer Enden mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verschlußkappe versehen ist;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine Verschlußkappe in einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines das verunreinigungsfreie Verschließen eines Behälters mit überwachter Atmosphäre gewährleistenden Stopfens, und

Fig. 4 eine Aufsicht des Stopfens gemäß Fig. 3.

Der in Fig. 1 dargestellte rohrförmige Behälter 1 enthält das in einem Kernreaktor zu behandelnde Produkt 2. Der Behälter ist an seinem einen Ende in üblicher Weise mittels eines Bodenstopfens 3 verschlossen.

Die am gegenüberliegenden Ende des Behälters befindliche Mündung ist durch einen Stopfen 4 verschlossen, der einen kegelstumpfförmigen Teil 4.1 zwischen den beiden zylindrischen Teilen 4.2 und 4.3 aufweist. Der äußere zylindrische Teil 4.2 hat einen Durchmesser, der dem des Außendurchmessers des Behälters 1 an der Mündung entspricht. In dem Raum 5 zwischen dem Produkt 2 und dem Stopfen 4 befindet sich eine gasförmige Atmosphäre. Die Verschlußkappe 6 ist unter Kraftanwendung auf das Mündungsende des rohrförmigen Behälters 1 und den zylindrischen Teil 4.2 des Stopfens 4 aufgepreßt. Auf ihrer äußeren Umfangsfläche besitzt die Verschlußkappe 6 eine schraubenförmige Rille 9, in welcher die Windungen 7 der Spule liegen.

Die Verschlußkappe 6 gewährleistet zusammen mit dem Stopfen 4 die zeitweilige Abdichtung des Vorratsbehälters, während dieser bei atmosphärischem Druck oder unter Unterdruck gefüllt wird.

Erfolgt die Füllung des Behälters bei innerem Überdruck, so muß gegebenenfalls eine in Richtung des Pfeils wirkende mechanische Sicherungsvorrichtung vorgesehen werden, wenn die Gefahr besteht, daß der Stopfen und die Verschlußkappe während der Vorbereitung der Magnetoschweißung ihre Lage nicht beibehalten.

Der kegelstumpfförmige Teil 4.1 des Stopfens 4 begünstigt eine dichte ordnungsgemäße Versiegelung des Behälterverschlusses.

In Fig. 2 ist eine Variante der Verschlußkappe gemäß der Erfindung dargestellt. Die aus Aluminium bestehende Hülle 1′ ist mittels des zylindrisch-konischen Stopfens 4′ aus Sinteraluminiumpulver mit 7% Al₂O₃ verschlossen, der einen inneren zylindrischen Teil 4.3′ und einen äußeren kegelstumpfförmigen Teil 4.1′ aufweist. Die den Behälter 1′ im Mündungsbereich überdeckende Verschlußkappe 6′ ist mit Wicklungen 7′ einer in deren Werkstoff eingebetteten Sprengspule ausgestattet, deren Anschlußenden 8′ aus der Kappe 6′ herausragen und an den elektrischen Stromkreis anklemmbar sind.

Außer ihren Funktionen hinsichtlich der Abdichtung und der Festlegung der Parameter für die erfolgreiche Anwendung der Magnetoschweißung isoliert die Verschlußkappe 6 aus Kunststoff die stromdurchflossene Spule gegenüber der metallischen Hülle 1.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weist der Stopfen 4′′ an dem einen Ende einen kegelstumpfförmigen Teil 4.1′′ und am anderen Ende einen zylindrischen Teil 4.3′′ auf, in dessen Mantelfläche etwa in der Mitte eine ringförmige Rille oder Kehle 11 angeordnet ist. Weiterhin besitzt der Stopfen 4′′ vier achsparallel verlaufende Rillen 12, die in der zylindrischen Mantelfläche des Teils 4.3′′ angeordnet sind und sich bis zum kegelstumpfförmigen Teil 4.1′′ erstrecken und die es ermöglichen, vor dem endgültigen Verschließen durch Anwendung der Magnetoschweißung eine Verbindung zwischen dem Innenraum des Behälters und der äußeren Umgebung herzustellen, beispielsweise zwecks Konditionierung der Atmosphäre im Innern des Behälters.

Beispiel 1

Das Beispiel betrifft das Verschließen eines Brennstoffelements eines Reaktors, dessen Brennstoff aus UO₂-Plättchen besteht. Die Hülle besteht aus Aluminium mit einem Al- Gehalt von über 99,5%. Der Außen- bzw. Innendurchmesser der Hülle beträgt 15 mm bzw. 13 mm. Die Stopfen an jedem Ende der Hülle sind zylindrisch-konisch ausgebildet und bestehen aus Sinteraluminiumpulver mit 7% Al₂O₃. Die Atmosphäre besteht aus Argon bei leichtem Unterdruck, d. h. dem Druck des Handschuhkastens zur Füllung. Die beiden Stopfen sind identisch und ihre Verschweißung mit der Hülle findet auf die gleiche Weise statt.

Der erste in die Hülle eingepreßte Stopfen wird vor, der zweite nach der Befüllung der Hülle mit UO₂-Plättchen verschweißt.

Nach dem Einpressen der Stopfen in die Mündungen der Hülle werden die Verschlußkappen ebenfalls unter Krafteinwirkung aufgepreßt, um den Stopfen und die Enden der Hülle zu überdecken. Die so vorbereitete Hülle wird sodann in eine Vorrichtung eingesetzt, die den mechanischen Zusammenhalt gewährleistet und die elektrischen Kontakte zwischen der Spule und dem Impulsgenerator herzustellen ermöglicht.

Dann löst man die Entladung der Kondensatoren aus; die Spule und die Verschlußkappe werden gesprengt; unmittelbar zuvor haben die zwischen der Spule und der Hülle entwickelten magnetischen Kräfte das Ende der Hülle gegen den konischen Teil des Stopfens geschleudert, wodurch eine Verschweißung durch Aufschlag hervorgerufen wird.

Für das Vorgehen entsprechend dem vorerwähnten Beispiel sind die folgenden Werte für die verschiedenen Parameter gewählt worden:

1. Auf die Spule einwirkende Energie2 Kilojoule 2. SpuleKupferdraht mit 1,3 mm ⌀
3 ½ Wicklungen, Steigung 2 mm 3. Abstand Spule-Hülle0,2 mm 4. Entfernung (axial) zwischen dem Ende der Hülle
und der ersten Wicklung0 mm 5. Lage des StopfensStirnfläche des Konus in der
Ebene der Stirnfläche der Hülle 6. Form der Verschlußkappeentsprechend Fig. 2 7. Lage der Verschlußkappeentsprechend Fig. 2 8. Werkstoff der VerschlußkappePolyvinylchlorid 9. Art der Verschlußkappeentsprechend Fig. 2

Wie ersichtlich, sind alle für die Magnetoschweißung wesentlichen Parameter außer dem ersten durch die Verschlußkappe vorgegeben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind an der Verschlußkappe Kerben oder Vorsprünge angeordnet, anhand deren die Parameter der betreffenden Verschlußkappe automatisch maschinell ermittelbar sind, aufgrund welcher der Impulsgenerator selbsttätig hinsichtlich der Stromleistung eingestellt und ausgelöst wird.

Beispiel 2

Dieses Beispiel betrifft die Entgasungs-, Füllungs- und Veriegelungsphasen eines Frigen-"Wärmerohrs". Nach geeigneter Vorbereitung der Innenfläche wird ein Aluminiumrohr an einem seiner Enden in bekannter Weise verschlossen. Am anderen Ende des Rohrs wird in dessen Mündung ein Stopfen gemäß Fig. 3 und 4 eingesetzt und provisorisch mittels der Ringnut bzw. -kehle 11 unbeweglich gemacht. Das mit dem Stopfen versehene Ende des Rohrs wird in eine Apparatur eingebracht, die die Entleerung und dosierte Füllung des Rohrs mit Frigen bzw. Freon ermöglicht. Ist das Rohr mit der vorgeschriebenen Menge Frigen gefüllt, wird der Stopfen gänzlich in das Rohrende hineingedrückt und eine Verschlußkappe mit einer Spule aufgesetzt. Durch die dann durchgedrückte Magnetoschweißung wird der Stopfen mit dem Rohr dicht verbunden.

Die beschriebene Versiegelung eines Wärmerohrs vermeidet eine Gefährdung der an der Innenwand anliegenden Kapillarstruktur, die bei Anwendung des bisher gebräuchlichen Klemmverfahrens z. T. zerstört bzw. beschädigt wird. Außerdem wird durch diese Art der Versiegelung die zylindrische Form des Rohres nicht verändert.

Claims (5)

1. Anwendung des bekannten Fügeverfahrens mittels Magnetumformung zum dichten Versiegeln von unter innerem Über- oder Unterdruck stehenden Vorratsbehälter, insbesondere für radioaktive Substanzen und Kernbrennstoffe, unter Verwendung eines in die rohrförmige Mündung eines Vorratsbehälters (1) einsteckbaren Stopfens (4) und einer auf den Mündungsbereich aufpreßbaren, abdichtenden Verschlußkappe (6) aus elastischem Kunststoffmaterial als Träger für die Sprengspule, wobei im Mündungsbereich zwischen der Wandung des Vorratsbehälters (1) und dem Stopfen (4) eine Verschweißung eintritt.

2. Anwendung nach Anspruch 1, wobei die Verschlußkappe (6) auf ihrem äußeren Umfang mit Rillen (9) für die Aufnahme der Wicklungen (7) der Sprengspule versehen ist.

3. Anwendung nach Anspruch 1, wobei die Wicklungen (7′) der Sprengspule in die Masse der Verschlußkappe (6′) eingebettet sind.

4. Anwendung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Verschlußkappe (6) mit Einkerbungen oder Ausstülpungen zur automatischen Abtastung versehen ist.

5. Anwendung nach Anspruch 1, wobei der Stopfen (4′′) achsparallel verlaufende Rillen (12) aufweist.