DE3405735A1

DE3405735A1 - Verfahren zum verschliessen eines metallischen behaelters zum transport und/oder langzeitlagerung von radioaktiven stoffen und nach dem verfahren geschlossener behaelter

Info

Publication number: DE3405735A1
Application number: DE19843405735
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. 4250 Bottrop Bienek; Franz-W. Dipl.-Ing. 4630 Bochum Treffner
Original assignee: Steag Kernenergie GmbH
Current assignee: Steag Kernenergie GmbH
Priority date: 1984-02-17
Filing date: 1984-02-17
Publication date: 1985-08-29
Also published as: DE3405735C2

Description

STEAG Kernenergie GmbH
Bismarckstraße 54

4300 Essen 1

_c Stichwort: Metallothermisches Schweißen ο

Az. 698

Verfahren zum Verschließen eines metallischen Behälters ..Q zum Transport und/oder Langzeitlagerung von radioaktiven Stoffen und nach dem Verfahren geschlossener Behälter

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen eines metallischen Behälters zum Transport und/oder Langzeitlagerung von radioaktiven Stoffen mit einem metallischen Verschlußdeckel, bei dem der Verschlußdeckel mit dem Behälter verschweißt wird.

Aus der EP-Al 0 083 024 ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem der Verschlußdeckel mit dem Behälter kalt verschweißt ist. In diesem besonderen Falle besteht der Behälter aus einem Behältergrundkörper aus einem nicht-korrosionsfesten metallischen Werkstoff und einer diesen Grundkörper umgebenden Schicht aus einem korrosionsfesten Werkstoff. Die Aufnahmeöffnung des Behälters wird zunächst durch einen innen liegenden zweiten Verschlußdeckel geschlossen und danach mit dem Verschlußdeckel, der mit der außen liegenden korrosionsfesten Schicht kalt verschweißt ist. Ein einfacher aufgebauter Brennelementbehälter mit aufgeschweißtem Verschlußdeckel ist aus EP-A2 00 77 955 bekannt.

Das Kaltschweißen und vergleichbare Schweißverfahren führen beim Verschließen der Behälter in einer sog. Heißen Zelle zu einem größeren apparativen Aufwand. Außerdem sind je nach Nahttiefe erhebliche Schweißzeiten erforderlich.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der vorstehend genannten Art zu schaffen, bei dem die Schweißung ohne gesonderte Wärmequelle zum Aufheizen der Fügeflächen an Behälter und Verschlußdeckel auf Schmelztemperatur erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Verschlußdeckel mit dem Behälter durch die metallothermische Reaktion eines in einen von Deckel und Behälter zumindest teilweise begrenzten Schmelzraum eingebrachten und mindestens ein Metalloxid und ein Reduktionsmetall enthaltenden Pulvers verschweißt wird.

Nach Aufsetzen des Verschlußdeckels auf den Behälter begrenzen diese zumindest teilweise einen Aufnahmeraum zur Aufnahme des durch die metallothermische Reaktion erschmolzenen Schweißgutes. Da das Schweißgut aus dem eingebrachten Pulver heißflüssig in situ erschmolzen wird, werden gleichzeitig die den Aufnahmeraum begrenzenden Fügeflächen von Behälter und Verschlußdeckel angeschmolzen und verschmelzen mit dem flüssigen Schweißgut. Die Schweißzeit wird im wesentlichen durch die Abkühlzeit des erschmolzenen Materials

bestimmt.
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Die Verwendung einer metallothermischen Reaktion zur Verschweißung metairischer Gegenstände ist an sich bekannt. Insbesondere hat das aluminothermische Schweißen seine Bedeutung beim Schweißen von Eisenbahn-

schienen behalten. Aus Ulimann¹s Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage (1976), Band 7, Seite 351-361, sind verschiedene metallothermische Reaktionen bekannt, bei denen als wichtigste Reduktionsmetalle

Aluminium und Silicium erwähnt sind. 35

Als metallische Werkstoffe für Behälter und Verschlußdeckel kommen eisenhaltige Werkstoffe, wie z. B. C-Stahl, Edelstahl, Sphäroguß, Si-Guß, austenitisches Gußeisen, und Nichteisenmetalle, wie z. B. Kupfer und Aluminium B und Legierungen hiervon,in Frage. Vorzugsweise werden für Behälter und Verschlußdeckel dieselben Werkstoffe verwendet. Für die metallothermische Reaktion werden für das Metalloxid dann solche Oxide oder Mischungen von Oxiden eingesetzt, die zu denselben Materialien oder artähnlichen Materialien führen, die für Grundkörper und Verschlußdeckel verwendet worden sind. Möglichst sollte das Schweißguß dieselbe Korrosionsfestigkeit besitzen wie Behälter und Verschlußdeckel.

IB Beim Schließen eines Behälters mit einem inneren Behältergrundkörper aus nicht-korrosionsfestem metallischen Werkstoff und einer diesen umgebenden Schicht aus einem korrosionsfesten Werkstoff wird die äußere Schicht mit dem Verschlußdeckel metallothermisch verschweißt.

Von den metallothermischen Reaktionen wird die aluminothermische Reaktion bevorzugt; der Einsatz einer silicothermischen Reaktion ist möglich. 26

Um eine höhere Energiedichte zu erreichen, ist es zweckmäßig, wenn Metallpulver und/oder die Fügeflächen von Behälter und Verschlußdeckel auf eine unterhalb der Schmelztemperatur liegende Temperatur vorgewärmt

werden. Die hierfür erforderlichen Wärmequellen wie eine elektrische Heizeinrichtung oder eine offene Flamme brauchen aber nicht für das Erreichen der Schmelztemperatur an den Fügeflächen ausgelegt zu sein, so daß ihr Einsatz in einer heißen Zelle noch

hingenommen werden kann.

Das Erschmelzen des Pulvers kann mittels einer zusätzlichen gesonderten Schmelzform erfolgen oder es wird von Deckel und Behälter alleine eine Schmelzform aufgebaut. Bei der Bestimmung des Volumens der Schmelzform ist zu berücksichtigen, daß das Volumen des für eine bestimmte Schweißgutmenge erforderlichen Pulvers wesentlich größer ist als das Volumen des Schweißguts. Z. B. beträgt bei einer aluminothermischen Reaktion das Volumenverhältnis von erschmolzenem Stahl zu eingesetztem Pulver 1:8.

Die Erfindung richtet sich auch auf einen Behälter zum Transport und/oder zum Langzeitlagern von radioaktiven Stoffen, dessen Aufnahmeöffnung durch einen aufgeschweißten Deckel unter Ausbildung einer Schweißnaht verschlossen ist, wobei Behälter und Deckel aus einem metallischen Werkstoff bestehen.

Erfindungsgemäß ist die Schweißnaht mittels einer metallothermisehen Reaktion aufgebaut.

Die Schweißnaht ist vorzugsweise als Schweißfuge oder als Schweißlippe ausgebildet.

um ein Abschwämmen der sich bei der Reaktion bildenden Schlacketeilchen sicherzustellen, schließen vorzugsweise die Schweißnahtbegrenzungsflächen "des Behälters und/oder des Deckels am Grunde der Schweißnaht einen Winkel bezüglich einer zur Längserstreckungsrichtung des

^ow Behälters senkrechten Ebene ein, der ein Haften von Schlacketeilchen an den Fügeflächen im wesentlichen ausschließt; vorzugsweise beträgt der Winkel <> 45°. Vorzugsweise weist der Behälter und damit der Abschlußdeckel eine Kreiskonfiguration auf. Andere Konfigurationen sind denkbar.

Während bei der Verwendung einer abnehmbaren gesonderten Schmelzform diese und die sich in der Schmelzform befindliche Schlacke als sog. "Sekundär-Waste" zu behandeln sind, ist bei einem bevorzugten Behälter bei auf dem Behälter aufgelegten Deckel Behälter und Deckel ein Schmelzraum begrenzt, in dem nach Ablauf der metallothermischen Reaktion die Reaktionsprodukte Schmelzgut und auf dem Schmelzgut aufschwimmende Schlacke vorhanden sind. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform des Behälters wird also die Schlacke mit in die Langzeitlagerung eingebracht.

Ein weiterer Vorteil der metallothermischen Reaktionen ist, daß alle Reaktionsprodukte im Schmelzraumvolumen verbleiben, so daß eine sehr hohe Wärmekonzentration erreicht wird.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren

näher erläutert werden. Es zeigt: 20

Figur la

einen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Behälter mit abnehmbarer Schmelzform und noch nicht erschmolzenem Eisenoxid und pulverförmigem Aluminium,

Figur Ib

eine Darstellung vergleichbar Figur la mit einer nach Fremdzündung erschmolzenen Stahlschmelze und darüber schwimmendem Aluminiumoxid (Schlacke),

Figuren 2a und 2b

Darstellungen vergleichbar Figuren la und Ib mit in Behälter und Deckel integriertem Pulveraufnahme- und Schmelzraum.

Figuren 3a und 3b

eine weitere Ausführungsform vergleichbar Figuren la und Ib, bei der jedoch keine Schweißfuge, sondern eine Schweißlippe mit Hilfe einer abnehmbaren Form umbaut wird und

Figur 4

eine Darstellung vergleichbar Figur 3a, bei der die Schweißlippe mit Hilfe einer in Behälter und Deckel integrierten Schmelzform umbaut wird.

Bei der in der Figur la gezeigten Ausführungsform weist ein Behälter 1 an seiner stirnseitigen Aufnahmeöffnung 2 eine Abstufung 3 auf. Auf der Abstufung liegt ein Verschlußdeckel 4 auf. Die Stirnfläche la ist gegenüber einer zur Längsachse des Behälters senkrecht stehenden Ebene E um eC = 45 geneigt. Der Deckel weist eine entsprechend geneigte Ringfläche 4a auf derart, daß an dem verschlossenen Behälter eine V-förmige Rinne 5 mit der Berührlinie BL am Tiefstpunkt ausgebildet ist.

Auf den durch den Deckel 4 verschlossenen Behälter ist eine abnehmbare Schmelzform 6 bestehend aus einem metallischen äußeren Führungsring 7, einem äußeren Keramikring 8, einem innen liegenden Keramikring 9 und einem innen liegenden Haltering 10 aufgesetzt. Die ringförmigen Baugruppen 7, 8 und 9, 10 sind in geeigneter Weise miteinander verbunden und gegenein-

ander gehalten, z. B. durch nicht gezeichnete Traversen. Die Keramikringe 8 und 9 weisen nach innen geneigte Flächen auf und die innen liegende Ringöffnung entspricht der freien Ringfläche der Rinne 5.

Das Volumen der Rinne 5 verhält sich in etwa zu der Summe aus Volumen der Rinne 5 und Volumen zwischen

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den Ringen 8 und 9 wie 1 : 8 und ist mit einem Pulver P aus pulverförmigem Eisenoxid und pulverförmigem Aluminium gefüllt. Auf dem Pulver liegt eine ringförmige Zündschnur 11 als Fremdzündmittel auf, die in geeigneter Weise gezündet wird. Die ringförmige Zündschnur sorgt dafür, daß das in den Ringraum zwischen den Ringen 8 und 9 und in die Rinne 5 eingebrachte Pulver im wesentlichen gleichmäßig verschmolzen wird. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kommen die selbstgängigen metallothermischen Reaktionen aus Ullmann, a.a.O., Seite 355, in Frage. Die Volumina sind gerade so groß gewählt, daß nach Ablauf der Reaktion die Rinne 5 mit erschmolzenem Stahl S gefüllt ist und die Schlacke SL aufschwimmt (s. Figur Ib). Nach dem Erstarren des Schweißgutes S in der Rinne 5 wird die Schmelzform 6 unter Abtrennung der Schlacke SL vom Schmelzgut abgenommen (vgl. Anspruch 5). Schmelzform und Schlacke müssen als Sekundär-Waste ebenfalls aufgearbeitet bzw. gelagert werden. 20

Bei der Ausführungsform gemäß Figuren 2a und 2b tritt das Problem des Sekundär-Waste nicht auf. Bei dem dort gezeigten Behälter 1 ist an der stirnseitigen Aufnahmeöffnung 2 oberhalb der Abstufung 3 nicht nur eine Begrenzungsfläche la vorgesehen, vielmehr ist der Behälter zur Ausbildung einer sich an die Fläche la anschließenden Schmelzformbegrenzungsflache Ib verlängert.

In gleicher Weise ist auf dem Deckel 4, der bei der gezeigten Ausführungsform als Kugeldeckel ausgebildet ist, in Verlängerung der geneigten Ringfläche 4a ein kronenförmiger Ansatz 4' ausgebildet, dessen Außenfläche als Schmelzformbegrenzungsflache 4b dient. Bei dieser Ausführungsform verbleibt die Schlacke SL nach Ablauf der thermischen Reaktion am Behälter (s. Figur 2b) und wird mittransportiert bzw. langzeitgelagert (vgl. Anspruch 6). Es ist möglich, anstelle

der Krone 4¹ einen zur Gänze massiven Deckel 4 einzusetzen. Der Winkel 06 i^st in den Figuren la - 2b zu 45 gewählt. Die Wandneigung der entsprechenden Fügeflächen sollte = oder < 45 sein, da bei Wandneigungen bis zu 45° Schlacketeile beim vorliegenden Schmelzprozeß erfahrungsgemäß noch abgeschwemmt werden.

Es ist möglich, daß im Bereich der abnehmbaren Schmelzform (Figur la - Ib) oder der integrierten Schmelzform (Figur 2a - 2b) eine nicht gezeigte Heizeinrichtung zum Einsatz kommt, die das eingebrachte Pulver und die Fügeflächen vor Auslösen der Zündschnur vorwärmt.

Bei den Ausführungsformen gemäß Figuren la - 2b ist

eine V-förmige Rinne 5 zur Aufnahme des aus dem Pulver

erschmolzenen Schweißguts S vorgesehen, so daß die

Schweißnaht als Schweißfuge ausgebildet ist.

Bei der in den Figuren 3a und 3b gezeigten Ausführungsform ist die Schweißnaht als Schweißlippe ausgebildet. Zu diesem Zwecke weist ein Behälter 12 an seiner freien Stirnfläche eine unter einem Winkel c^Tvon 45° gegen die Ebene E geneigte Fügefläche 12a auf und weist der in nicht näher gezeigter Weise in seiner Position gehaltene Deckel 13 eine Fügefläche 13a auf, die bezüglich der Ebene E in der in der Figur 3a gezeigten Weise gegensinnig unter dem gleichen Winkel der Fügefläche 12a geneigt ist. Über Behälter 12

°® und Deckel 13 greift eine mit der Schmelzform 6 der Figuren la - Ib vergleichbare Schmelzform 14, die neben einem sich konisch verjüngenden Abschnitt 14a einen geradzylindrischen Abschnitt 14b aufweist, der Behälter 12 und Deckel 13 in der aus der Figur 3a ersichtlichen Weise übergreift. Während bei der Ausführungsform gemäß Figuren la - 2b die Berührlinie BL am Tiefstpunkt der Aufnahmerinne 5 für die Aufnahme

des Schmelzguts S liegt, liegt bei der Ausführungsform gemäß Figur 3a die Berührlinie höher als die beiden sich an der Wandung der Schmelzform 14 einstellenden Tiefstpunkte.

Nach Einfüllen des metallothermischen Pulvers und Zünden desselben erschmilzt nicht nur der Stahl aus dem Pulver, sondern auch das Material von Behälter 12 und Deckel 13 im Bereich der Berührlinie BL, wie dies schematisch in Figur 3b dargestellt ist, so daß ein besonders sicherer Verschluß erreicht wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4, bei der die Schmelzform wegen der Ausbildung der Flächen 12b und 13b an Behälter 12 bzw. Deckel 13 in den Behälter integriert ist, kommt es ebenfalls zur Ausbildung einer Schweißlippe vergleichbar Figur 3b, wenn das metallothermische Pulver gezündet worden ist.

Zur Verlängerung der Fügeflächen schließen sich an die Flächen 12a vom Behälter und 13a vom Deckel sich ebenfalls unter dem Winkelc£ erstreckende Fügeflächenverlängerungen 12a' und 13b' an, die in die Flächen 12b und 13b der Schmelzform übergehen.

Abschließend wird darauf hingewiesen, daß der Inhalt der Literaturstelle Ulimann zum Inhalt der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht wird, insbesondere

die Seite 355.
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Claims

STEAG Kernenergie GmbH
Bismarckstraße 54

Essen 1

Stichwort: Metallothermisches Schweißen ο

Az. 698

Verfahren zum Verschließen eines metallischen Behälters _n zum Transport und/oder Langzeitlagerung von radioaktiven Stoffen und nach dem Verfahren geschlossener Behälter

Patentansprüche

Verfahren zum Verschließen eines metallischen Behälters zum Transport und/oder Langzeitlagerung von radioaktiven Stoffen mit einem metallischen Verschlußdeckel, bei dem der Verschlußdeckel mit dem Behälter verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, 20

daß der Verschlußdeckel mit dem Behälter durch die metallothermische Reaktion eines in einem von Deckel und Behälter zumindest teilweise begrenzten Schmelzraum eingebrachten und mindestens ein ²^ Metalloxid und ein Reduktionsmetall enthaltenden Pulvers verschweißt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß für die metallothermische Reaktion Metalloxide oder Mischungen von Metalloxiden eingesetzt werden, die zu den gleichen Materialien oder artähnlichen Materialien führen, die für Grundkörper und Verschlußdeckel verwendet worden sind.
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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Behälter mit dem Verschlußdeckel durch B eine aluminothermische Reaktion verschweißt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,

daß Metallpulver und/oder die Fügeflächen von Behälter und Verschlußdeckel auf eine unterhalb der Schmelztemperatur liegende Temperatur vorgewärmt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet,

daß nach Auflegen des Verschlußdeckels auf den Behälter eine zusätzliche gesonderte Schmelzform aufgesetzt wird, das Pulver eingebracht wird, die metallische thermische Reaktion gezündet wird und nach Erkalten der sich bildenden Verschweißung die Schmelzform und die sich bei der Reaktion bildende Schlacke entfernt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet,

daß bei Auflegen des Deckels zwischen diesem

und dem Behälter eine Schmelzform aufgebaut wird, das Metallpulver in die Schmelzform eingebracht wird, die metallothermische Reaktion gezündet wird und die sich bei der Reaktion bildende Schlacke

in der Schmelzform verbleibt. 35
7. Behälter zum Transport und/oder zum Langzeitlagern von radioaktiven Stoffen, dessen Aufnahmeöffnung durch einen aufgeschweißten Deckel unter Ausbildung einer Schweißnaht verschlossen ist, wobei Behälter und Deckel aus einem metallischen Werkstoff bestehen, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schweißnaht (S) mittels einer metallothermischen Reaktion aufgebaut ist. 10
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schweißnahtbegrenzungsflächen (la,4a;12a,13a) des Behälters (1;12) und/oder des Deckels (4;13) am Grunde der Schweißnaht einen Winkel bezüglich einer zur Längserstreckungsrichtung des Behälters senkrechten Ebene (E) einschließen, der ein Haften von Schlacketeilchen an den Fügeflächen im wesentlichen ausschließt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,

daß bei auf den Behälter (1) aufgelegten Deckel (4) Behälter und Deckel einen Schmelzraum (la,4a,Ib,4b) begrenzen, in dem nach Ablauf der metallothermischen Reaktion die Reaktionsprodukte Schmelzgut (S) und Schlacke (SL) vorhanden sind.