DE60112256T2

DE60112256T2 - Schwei$verfahren zum dichten verschlie$en einer einfüllöffnung eines kernbrennstab-verschlussstücks

Info

Publication number: DE60112256T2
Application number: DE60112256T
Authority: DE
Inventors: Philippe Mahe
Original assignee: Franco Belge de Fabrication de Combustible FBFC
Current assignee: Franco Belge de Fabrication de Combustible FBFC
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2021-02-03
Also published as: EP1264316A1; FR2805075B1; US20030012326A1; CN1398408A; DE60112256D1; US6668034B2; WO2001061707A1; FR2805075A1; ES2245680T3; CN1159727C; EP1264316B1; ATE300785T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle einer Schweißoperation zum dichten Verschließen des Endes eines Einfüllkanals, der ein oberes Verschlussstück eines Kernbrennstabs durchquert.
Kernreaktoren wie die druckwassergekühlten Reaktoren umfassen ein durch Brennstabbündel gebildetes Core, in dem während des Reaktorbetriebs Energie in Form von Wärme erzeugt wird.
Jedes der Brennstabbündel wird im Allgemeinen durch ein Bündel paralleler Brennstäbe gebildet, zusammengehalten durch das Brennstoffbündel-Tragwerk. Jeder der Brennstäbe umfasst eine rohrförmige Hülse aus einem schwach neutronenabsorbierenden Material wie zum Beispiel einer Zirkonlegierung. In dieser Hülse werden Kernbrennstofftabletten gestapelt, zum Beispiel gesinterte UO₂-Uraniumtabletten. Die Hülse wird anschließend an beiden Enden durch Verschlussstücke verschlossen, von denen jedes einen zylindrischen Teil umfasst, der koaxial in einem Endteil der Hülse eingefügt wird. Das Verschlussstück und die Hülse werden anschließend miteinander verschweißt, längs einer kreisförmigen Linie, die sich in einer zur Achse der Hülse und des Verschlussstücks im Wesentlichen senkrechten Ebene befindet.
Eines der beiden Verschlussstücke der Hülse eines Brennstabs, "oberes Verschlussstück" genannt, weil er sich oben befindet, wenn der Brennstab sich in Arbeitsstellung in dem Brennstabbündel befindet, wird axial von einem Kanal durchquert, der dem Befüllen der Hülse des Brennstabs mit einem die Brennstäbe umgebenden, unter Druck stehenden inerten Gas wie zum Beispiel Helium dient, das die Brennstofftabletten gegen Oxidation schützt und den Wärmeaustausch zwischen den Tabletten und der Hülse des Brennstabs begünstigt, wenn der Brennstab im Core des Kernreaktors arbeitet.
Die Herstellung der Brennstäbe erfordert zahlreiche aufeinanderfolgende Operationen, die das Einfüllen der Brennstofftabletten, das Anbringen und Verschweißen der Verschlussstücke und das Einfüllen – in den zugeschweißten Brennstab – eines unter Druck stehenden Gases wie Helium durch einen Einfüllkanal sowie das anschließende Verschließen dieses Kanals umfassen. Alle Herstellungsschritte des Brennstabs unterliegen strengen Kontrollen, um absolut fehlerfreie Brennstäbe zu erhalten.
Insbesondere die Realisierung des dichten Verschließens des Druckgas-Einfüllkanals des oberen Verschlussstücks unterliegt strengen Kontrollen.
Das Einfüllen von Druck-Helium in die die Tabletten enthaltenden und dicht verschlossenen Brennstäbe durch die Verschlussstücke hindurch erfolgt in einer Einfüllanlage, in die man das obere Ende des Brennstabs einführt, weiches das obere Verschlussstück enthält, das axial von dem Einfüllkanal durchquert wird. Das Ende des oberen Verschlussstücks, an dem der Einfüllkanal in Form einer Öffnung mit kreisförmigem Eingang endet, verlängert durch einen abgefasten Teil des Einfüllkanals, wird so angeordnet, dass es mit einem Ventil zum Verschließen und Öffnen des abgefasten Endteils des Einfüllkanals kooperieren kann. In der Öffnungsstellung des Ventils erfolgt die Entleerung der im Innern der Brennstabhülse enthaltenen Luft und dann das Einfüllen von Druck-Helium durch den Einfüllkanal des oberen Verschlussstücks. Schließlich realisiert man in der Einfüllanlage den dichten Verschluss des Endes des Einfüllkanals mittels Verschweißung, indem man einen zentralen Teil des oberen Verschlussstücks, der an den Einfüllkanal angrenzt, zum Schmelzen bringt. Generell schmelzt man das Material zur Realisierung der Verschweißung mittels eines Laserstrahls, der axial auf den abgefasten Eingangsbereich des Einfüllkanals gerichtet ist. Die durch einen Impulslaser realisierte Verschweißung erfolgt generell durch drei aufeinanderfolgende Schweißimpulse, um die Sicherheit und die Qualität der Realisierung des Verschlusses zu erhöhen. Der abgefaste Eingangsteil des Einfüllkanals wird generell als Pumpspitze bezeichnet.
Selbstverständlich erfolgt die Verschweißung nur dann unter zufriedenstellenden Bedingungen, wenn die Achse des Laserstrahls zum Schmelzen des Materials des Verschlussstücks gemäß der Peripherie des abgefasten Eingangsteils des Einfüllkanals genau zentriert ist in Bezug auf die kreisförmige Eingangsöffnung der Pumpspitze und wenn diese kreisförmige Öffnung einen bestimmten und sehr genau definierten Durchmesser hat.
Außerdem kann die Qualität der Schweißimpulse nach der Verschweißung kontrolliert werden, um festzustellen, ob der Brennstab vollkommen konform ist.
Bei der bekannten Technik erfolgt die Positionierung der Eingangsöffnung des Einfüllkanals oder Druckbeaufschlagungslochs vor der Verschweißungsoperation manuell und mit einer einfachen visuellen Überwachung. Die manuelle mechanische Einstellung der Position des Verschlussstücks und des Druckbeaufschlagungslochs ermöglicht nicht in jedem Fall eine perfekte Positionierung des Druckbeaufschlagungslochs während der Verschweißung. Es besteht die Möglichkeit eines Verstellens oder Blockierens des Brennstabs, was zu einer schlechten Positionierung führt. Außerdem ermöglicht auch die visuelle Überwachung der Positionierung des Einfüllkanals keine sehr effiziente Einstellung.
Die Qualität des Schweißpunkts wird mittels Röntgenstrahlanalyse kontrolliert. Diese Kontrolle ermöglicht, Porositäten der Verschweißung zu detektieren, ermöglicht aber nicht, zu verifizieren, ob die Verschweißung bezüglich ihrer Lage und ihrer Abmessung zufriedenstellend ausgeführt wurde.
Außerdem kann die Kontrolle nicht in der Einfüllanlage durchgeführt werden, sondern erfolgt an einem anderen Ort, was die Herstellung des Brennstabs komplexer und zeitaufwendiger macht.
Falls die Abdichtungsverschweißung durch Laser erfolgt, hängt die Qualität der Laserschweißung von der Geometrie der Abfasung des Eingangsteils des Einfüllkanals ab. Insbesondere ist es notwendig, zu verifizieren, dass die Abfasung eine Eingangsöffnung aufweist, deren Durchmesser, die den maximalen Durchmesser der Abfasung darstellt, extrem strengen dimensionalen Auflagen entspricht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht also dann, ein Verfahren zur Kontrolle einer Schweißoperation zum dichten Verschließen einer Endöffnung eines Einfüllkanals vorzuschlagen, der ein oberes Verschlussstück einer Hülse eines Kernreaktor-Brennstabs axial durchquert, wobei die Hülse des Brennstabs eine Vielzahl Brennstofftabletten, gestapelt in der axialen Richtung der Hülse, und zwei Verschlussstücke umschließt, wobei eines der Verschlussstücke, oder oberes Verschlussstück, von dem Einfüllkanal eines inerten Druckgases durchquert wird und das dichte Verschließen des Einfüllkanals des oberen Verschlussstücks nach Befüllung der Hülse mit dem inerten Druckgas in einer Einfüllanlage mittels Verschweißung realisiert wird, durch Schmelzen eines zentralen, an die Öffnung des Einfüllkanals angrenzenden Endteils des Verschlussstücks, wobei dieses Verfahren ermöglicht, die Anwendungs- und Ausführungsbedingungen des dichten Verschließens des oberen Verschlussstücks durch Verschweißung effizient und ohne Zeitverlust bei der Herstellung des Brennstabs zu kontrollieren.
Zu diesem Zweck – vor dem dichten Verschließen des Einfüllkanals, wenn sich der Brennstab in der Befüllungsanlage in der Position zum Befüllen und zum dichten Verschweißen des Verschlussstücks befindet -, macht man Aufnahmen von der Endfläche des Verschlussstücks, in welcher der Einfüllkanal durch die im Wesentlichen kreisförmige Eingangsöffnung mündet, um ein Bild in digitalisierter Form zu erhalten, und bestimmt man durch Analyse des digitalisierten Bildes die Position des Mittelpunkts der kreisförmigen Eingangsöffnung des Einfüllkanals im Verhältnis zu einer Referenzposition und den Durchmesser der Eingangsöffnung des Einfüllkanals.
Davon leitet man ab, ob es möglich ist, die Verschweißung des Einfüllkanals zu realisieren.
Im Falle der Realisierung des dichten Verschlusses des Einfüllkanals durch Verschweißung macht man nach der Verschweißung Aufnahmen von dem Ende des Verschlussstücks und bestimmt das Vorhandensein und die Position eines Schweißpunkts des dichten Verschlusses des Einfüllkanals.
Um die Erfindung besser verständlich zu machen, wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens nun mit Hilfe der beigefügten Figuren beispielartig anhand des Falls beschrieben, wo der dichte Verschluss des Einfüllkanals eines oberen Verschlussstücks einer Brennstabs durch Laserschweißung realisiert wird.
Die 1 ist eine Axialschnitt-Teilansicht des oberen Endes eines Kernbrennstabs in einer Herstellungsphase vor dem Einfüllen des inerten Gases und dem dichten Verschließen des oberen Verschlussstücks.
Die 2 ist eine der 1 entsprechende Axialschnitt-Teilansicht des oberen Endteils des Brennstabs nach dem dichten Verschließen des oberen Verschlussstücks durch Verschweißung.
Die 3 ist eine schematische Ansicht einer Anlage zum Einfüllen von Inertgas und zum dichten Verschließen des oberen Verschlussstücks des Brennstabs durch Laserverschweißen.
Die 4 ist ein Bild zur Erläuterung der vor dem Verschweißen durchgeführten aufeinanderfolgenden Suchoperationen zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 5 ist ein Diagramm, das die Graupegel von Punkten einer Spalte oder einer Zeile des bei der Kontrolle vor dem Verschweißen des Einfüllkanals des oberen Verschlussstücks eines Kernbrennstabs erhaltenen Bildes liefert.
Die 6, 7 und 8 sind Beispiele von Bildern, die bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor dem Verschweißen des Einfüllkanals des oberen Verschlussstücks eines Kernbrennstabs auf dem Bildschirm der Kontrollvorrichtung erscheinen.
Die 9 ist ein erläuterndes Bild, das die aufeinanderfolgenden Suchoperationen zeigt, die bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Verschweißen des Einfüllkanals des oberen Verschlussstücks eines Kernbrennstabs durchgeführt werden.
Die 10 ist ein Diagramm, das die Graupegel von Punkten einer Spalte oder einer Zeile des bei der Kontrolle nach dem Verschweißen des Einfüllkanals des oberen Verschlussstücks eines Kernbrennstabs erhaltenen Bildes liefert.
Die 11, 12 und 13 sind Beispiele von Bildern, wie sie als Resultat der Kontrolle der Verschweißung des Einfüllkanals eines oberen Verschlussstücks eines Kernbrennstabs auf dem Bildschirm der Kontrollvorrichtung erscheinen.
In der 1 und der 2 sieht man den generell mit 1 bezeichneten oberen Endteil eines Brennstabs für einen Druckwasserreaktor.
Der Brennstab 1 umfasst insbesondere eine rohrförmige Hülse 2 aus Zirkonlegierung, die Brennstofftabletten 3 umschließt und an ihrem in der 1 dargestellten oberen Ende durch ein Verschlussstück 4 verschlossen ist, welches das obere Verschlussstück des Brennstabs bildet.
Das Verschlussstück 4 ist im Allgemeinen aus Zirkonlegierung und umfasst einen Teil 4a, der praktisch spielfrei in dem Endteil der Hülse 2 steckt. Nach dem Füllen der Hülse 2 mit dem Brennstofftabletten 3 werden Verschlussstücke wie das obere Verschlussstück 4 in die Endteile der Hülse eingefügt und mittels einer Schweißnaht 5 befestigt, realisiert durch Verschmelzen der Materialien des Verschlussstücks und der Hülse längs einer kreisförmigen Linie.
Zwischen dem oberen Verschlussstück 4 und dem Ende des Tablettenstapels befindet sich eine Feder (nicht dargestellt), welche die Tabletten 3 beaufschlagt.
Das obere Verschlussstück 4, das eine Rotationsform um eine Achse 6 herum aufweist, umfasst einen Endteil 4b und einen in der Richtung der Achse 6 entgegengesetzten Endteil 4a, der in koaxialer Anordnung in die Hülse 2 eingefügt ist. Der Endteil 4b des Verschlussstücks 4 umfasst außen sukzessiv in der Richtung der Achse 6, ausgehend von dem oberen Ende des Verschlussstücks, einen kegelstumpfförmigen Teil, eine Schulter und einen zylindrischen Teil, dessen Durchmesser minimal ist. Der Teil mit dem minimalen Durchmesser und die Schulter ermöglichen bei Operationen zur Handhabung des Brennstabs das Ansetzen der Backen eines Greifwerkzeugs.
Das Verschlussstück 4 wird in der Richtung der Achse 6 über seine gesamte Länge von einem Kanal 7 durchquert, der in der Folge Einfüllkanal genannt wird. Dieser Kanal 7 ermöglicht, wie in der Folge beschrieben, die Hülse des Brennstabs mit einem inerten Druckgas zu füllen. Der Einfüllkanal 7 des Verschlussstücks 4 umfasst mehrere aufeinanderfolgende Abschnitte, deren Durchmesser ab dem in die Hülse 2 eingefügten Ende 4a des Verschlussstücks in Richtung des Endteils 4b des Verschlussstücks abnehmen.
An seinem oberen Ende oder äußeren Ende umfasst der Kanal 7 einen kegelstumpfförmigen, auch Pumpspitze (queusot) genannten Endabschnitt 7a, der sich von unten nach oben erweitert und in der oberen Endoberfläche 8 des Verschlussstücks mündet, gemäß einer kreisförmigen Eingangsöffnung, deren Mittelpunkt sich in der gemeinsamen Achse 6 des Verschlussstücks und der Hülse 2 befindet.
Die Pumpspitze 7a des Kanals 7, in der der Verschluss des Kanals 7 durch eine Verschweißung realisiert wird, bildet den Übergang des Kanals 7 zwischen einem Abschnitt 7b mit minimalem Querschnitt und der kreisförmigen Eingangsöffnung des Kanals 7 auf der oberen Endoberfläche 8 des Verschlussstücks 4.
Der Abschnitt 7b mit kleinem Durchmesser kann einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,6 mm haben und die kreisförmige Eingangsöffnung des kegelstumpfförmigen Endabschnitts 7a einen Durchmesser in der Größenordnung von 1,3 mm.
Wie in der 2 dargestellt – nach dem Befüllen der Hülse des Brennstabs mit einem unter Druck stehenden inerten Gas wie zum Beispiel Helium – sichert man den dichten Verschluss des Kanals 7 in seinem oberen Endbereich durch eine Verschweißung 10, die man durch Schmelzen des Materials des Verschlussstücks in der zentralen Zone seines oberen Endteils realisiert, an der Peripherie der Pumpspitze 7a und zum Beispiel bewirkt durch drei Laserschweißimpulse.
Wie in der 3 zu sehen, wird das Einfüllen und das dichte Verschließen des oberen Verschlussstücks 4 des Brennstabs 2 in einer Einfüll- und Schweißanlage 9 realisiert. Die Einfüll- und Verschweißanlage umfasst hauptsächlich eine Kammer, die in einer Wand eine Öffnung für die Einführung eines Kernbrennstabs 2 in horizontaler Lage aufweist, wobei der Brennstab mit dem oberen Ende soweit in die Kammer eingeführt wird, bis das Verschlussstück 4 des Brennstabs 2 ein Ventil 11 erreicht hat, mit dem es kooperiert und dessen Verschlussvorrichtung fähig ist, den Endabschnitt-Schlussteil des Einfüllkanals des Verschlussstücks zu verschließen oder zu öffnen.
Die Kammer der Einfüll- und Schweißanlage 9 umfasst einen dem Einführungsbereich des Brennstabs 2 gegenüberstehenden Bereich, an dessen Wänden eine Laserstrahlschweißvorrichtung 12 vorgesehen ist sowie ein optisches System 13, das ermöglicht, die Positionierung des Laserstrahls zu realisieren, um die dichte Verschlussverschweißung des Einfüllkanals des oberen Verschlussstücks 4 des Brennstabs 2 ausführen zu können, und die auch dazu benützt wird, das erfindungsgemäße Kontrollverfahren durch optische Bildanalyse durchzuführen.
Im Innern des zweiten Teils der Kammer 9 befindet sich ein Reflexions- und Fokussierspiegel 14 des durch die Laserschweißvorrichtung 12 emittierten Laserschweißstrahls. Die Vorrichtung 12 umfasst eine optische Faser 15, verbunden mit einem nicht dargestellten Lasergenerator, und einen Kollimator 16, um über den Reflexions- und Fokussierspiegel 14 einen Laserstrahl axialer Richtung auf den die Pumpspitze bildenden Endabschnitt des Einfüllkanals 7 zu lenken.
Um den Einfüllkanal mittels einer Verschweißung 10 unter zufriedenstellenden Bedingungen dicht zu verschließen, muss der Laserstrahl genau auf den Mittelpunkt der kreisförmigen Eingangsöffnung des Einfüllkanals 7 des oberen Verschlussstücks 4 gerichtet werden. Um die Einstellung der Position des Laserschweißstrahls auszuführen, benutzt man das optische Beleuchtungs- und Einstellungssystem 13, das eine Beleuchtungsvorrichtung 17 und ein optisches Visiersystem mit einem Strichkreuz umfasst, um die Richtung festzulegen, in welcher der Laserschuss ausgeführt wird.
Im Falle der Einstellverfahren der Schweißung nach dem Stand der Technik, erfolgt die Einstellung der Position des oberen Verschlussstücks des Brennstabs manuell und wird visuell kontrolliert.
Im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzt man die Beleuchtungsvorrichtung 17 der Laserstrahl-Visier- und -Einstellvorrichtung, um auf digitalisierten Bildern die Kontrolle der Position des Mittelpunkts der Eingangsöffnung des Einfüllkanals in Bezug auf den Laserstrahl und der Konformität der Eingangsöffnung durchzuführen, um festzustellen, ob die Verschweißung des Einfüllkanals nach dem Befüllen des Brennstabs mit Druck-Helium unter zufriedenstellenden Bedingungen durchgeführt werden kann.
Auch die Kontrolle der aus Schweißimpulsen bestehenden Schweißung erfolgt mittels Analyse von digitalisierten Bildern.
Dazu ordnet man einer Optik 18 – ausgerichtet auf die Achse der Kammer 9, die zusammenfällt mit der Achse des Brennstabs 2 –, eine Digitalkamera 18a zu, die mit einem Computer 20 verbunden ist, der einen Bildschirm 19 umfasst. Der Computer 20 enthält einen Video-Erfassungsplatine und eine digitale Eingangs-Ausgangsplatine, die ermöglicht, den Computer 20 mit einem Automaten kommunizieren zu lassen, der die Laserschweißvorrichtung 12 steuert.
Der Computer 20 erhält über die digitale Eingangs-Ausgangsplatine von dem Automaten der Laserschweißvorrichtung 12 Kontrollbefehle und sendet dem Automaten Urteile, erstellt aufgrund der Kontrollresultate. Der Automat sendet dem Computer dann Informationen bezüglich des Brennstabs und der Schweißbedingungen.
Ein erster Schritt des Verfahrens zur Kontrolle des dichten Verschließens des Einfüllkanals des oberen Verschlussstücks eines Brennstabs durch Verschweißung besteht dann, die Position und die Dimension festzustellen, das heißt den Durchmesser der Eingangsöffnung 8a des Einfüllkanals 7, gebildet durch die kreisförmige Kontur, entsprechend welcher der Einfüllkanal 7 auf der Endoberfläche 8 des oberen Verschlussstücks 4 des Brennstabs mündet. Diese Eingangsöffnung bildet das Ende mit dem großen Durchmesser der Abfasung des Endabschnitts 7a des Einfüllkanals 7.
Die Kontrolle erfolgt in der oben beschriebenen Einfüll- und Schweißanlage während einer Phase, in deren Verlauf man Druck-Helium in den Brennstab einfüllt, wobei das Ventil 11 geöffnet ist.
Mit Hilfe der Optik 18 und der Digitalkamera 18a macht man eine Aufnahme der Endoberfläche 8 des Verschlussstücks und der Eingangsöffnung 8a des Endabschnitts 7a des Einfüllkanals, wobei das erfasste Bild durch die Digitalkamera 18a digitalisiert und in digitalisierter Form zum Computer 20 übertragen wird.
Das erhaltene Bild kann auf dem Bildschirm 19 des Computers 20 angezeigt werden, wie zum Beispiel dargestellt in den 6, 7 und 8.
Die auf der kreisförmigen Öffnung der Pumpspitze durchgeführten Suchoperationen werden nun anhand der 4 erläutert.
Aufgrund der Beleuchtung des Endes des oberen Endstücks des Brennstabs in einer axialen Richtung erscheint die Endoberfläche 8 des Brennstabs als eine helle Zone und der Endabschnitt 7a des Einfüllkanals 7 als eine dunkle Zone, wobei die helle Zone und die dunkle Zone voneinander getrennt sind durch eine im Wesentlichen kreisförmige Linie 8a, die den Eingangsrand der Pumpspitze bildet.
Die Analyse eines digitalen Bilds des Endteils des oberen Verschlussstücks ermöglicht, die Position des Mittelpunkts der kreisförmigen Öffnung 8a in Bezug auf den Mittelpunkt eines parametrierbaren Visierbilds bzw. eines Strichkreuzes (une mire) zu ermitteln, um die Position des Laserstrahls festzulegen, mit dem man den dichten Verschluss des Einfüllkanals 7 durch Verschweißung realisiert. Idealerweise fallen die Position des Visierbilds bzw. Strichkreuzes und die Position des Mittelpunkts der Eingangsöffnung des Verschlussstücks zusammen.
Das Strichkreuz 21 umfasst eine vertikale Achse und eine horizontale Achse, die den Mittelpunkt des Strichkreuzes definieren. Seine Positionierung erfolgt visuell, wenn die Laserschweißstation richtig eingestellt wird.
Man sucht auf dem Bild die Ränder der Öffnung 8a, indem man der horizontalen und der vertikalen Achse des Strichkreuzes 21 folgt.
Zuerst sucht man die Ränder des Lochs 8a auf der horizontalen Achse oder ersten Achse des Strichkreuzes 21. Man wählt eine Anzahl N, die der Anzahl Bildzeilen entspricht, die beiderseits der Referenz 21 benutzt werden, um eine mittlere Linie bzw. Zeile zu definieren, auf der man die Ränder der Öffnung 8a sucht.
In der 5 sind die Veränderungen der Graupegel der vorhergehend festgelegten mittleren Linie bzw. Zeile zwischen Schwarz und Weiß dargestellt. Die Distanzen bzw. Entfernungen bzw. Strecken auf der Abszissenachse, das heißt längs der Zeile Bildes, sind in Bildpunkten oder Pixeln ausgedrückt.
Man wählt einen parametrierten Schwellenwert.
Der Schwellenwert wird durch die Gerade 22 in der 5 dargestellt.
Der rechte Rand des Bildes und dann der linke Rand des Bildes werden gemäß der mittleren Linie bzw. Zeile festgelegt und indem man die Pixel mit dem Schwellenwert vergleicht.
Aufgrund des rechten Rands und des linken Rands, definiert in dem Diagramm, bestimmt man die Position des Zentrums des Pumpspitzenlochs zum Beispiel in Bezug auf einen Bildrand wie dargestellt durch das Segment 23 und den Durchmesser der Pumpspitze wie dargestellt durch das Segment 24.
Man sucht dann Ränder des Pumpspitzenlochs in gleicher Weise wie vorhergehend, aber indem man die Spalten des Bilds anstatt der Zeilen verwendet. Derart definiert man ein zweites Zentrum der kreisförmigen Eingangsöffnung und den Durchmesser gemäß der vertikalen Achse.
Anschließend sucht man die Ränder der kreisförmigen Eingangsöffnung 8a der Pumpspitze auf der horizontalen Achse 26 oder dritten Achse, die durch das zweite, durch die Suche auf der vertikalen Achse definierte Zentrum verläuft. Davon leitet man die Position des Zentrums der kreisförmigen Öffnung 8a und des Durchmessers der kreisförmigen Öffnung gemäß der horizontalen Achse ab, wobei diese dritte Bestimmung des Zentrums der Öffnung das tatsächlich in Betracht gezogene Zentrum liefert.
Man verifiziert, dass die Werte, erhalten für den Durchmesser gemäß der vertikalen Achse 25 und gemäß der horizontalen Achse 26, kohärent sind, das heißt sich nicht um mehr als um einen gewählten Schwellenwert voneinander unterscheiden.
Man tätigt dann die Umwandlung der Pixel in Millimeter und man vergleicht den Durchmesser der kreisförmigen Öffnung 8a mit Schwellenwerten, definiert durch die "Minimaldurchmesser und Maximaldurchmesser"-Parameter der Öffnung 8a.
Man vergleicht die Position des Zentrums der kreisförmigen Öffnung 8a, definiert durch ihren Abstand von dem Zentrum des Strichkreuzes 21, mit einem Schwellenwert, der einem "Zentrumspositionstoleranz"-Parameter. Man zeigt die Resultate auf dem Bildschirm des Computers 20 an, wie dargestellt in den 6, 7 und 8. In jedem dieser Fälle wird ein erster Millimeterwert angezeigt, welcher der Position des Zentrums der kreisförmigen Öffnung 8a entspricht. Ein zweiter Millimeterwert entspricht dem Durchmesser der kreisförmigen Öffnung 8a und ein Urteil gibt die Konformität oder die Nichtkonformität der gemessenen Werte an. Im Falle einer Konformität der gemessenen Werte, wird ein Ausführungsbefehl zum Automaten der Laserstrahlschweißvorrichtung 12 übertragen. Im gegenteiligen Fall wird ein Blockierungsbefehl übertragen.
Im Falle der 6 sind die erfassten Werte konform, wobei der Abstand zwischen dem Zentrum der Öffnung 8a und dem Zentrum des Strichkreuzes kleiner ist als ein gewählter Schwellenwert und der gemessene Durchmesser enthalten ist zwischen den akzeptablen Minimal- und Maximaldurchmessern.
Im Falle der 7 ist die Öffnung 8a verschoben in Bezug auf das Zentrum des Strichkreuzes 21, so dass der Abstand zwischen dem Zentrum der Öffnung 8a und dem Zentrum des Strichkreuzes größer als der gewählte Schwellenwert ist. Man sendet daher ein Nicht-Konformitätsurteil. Hingegen ist der Durchmesser in diesem Fall zwischen den Minimal- und Maximalschwellenwerten enthalten.
Im Falle der 8 ist der in dem Bild der Öffnung 8a gemessene Durchmesser kleiner als der minimale Schwellenwert. Es wird ein Nicht-Konformitätsurteil gesendet. Zudem ist die Position des Zentrums der Öffnung 8a leicht verschoben in Bezug auf die Position des Strichkreuzes, wobei der Abstand zwischen dem Zentrum der Öffnung 8a und dem Zentrum des Strickkreuzes jedoch kleiner ist als der Schwellenwert.
Es wird auch ein Fehlerurteil gesendet, wenn es nicht möglich war, die Ränder der Öffnung 8a im Laufe der wie oben beschriebenen Suchen zu lokalisieren bzw. festzulegen.
Im Falle eines Konformitätsurteils wird an den Automaten der Laserschweißvorrichtung 12 ein Ausführungsbefehl gesendet. Die Schweißung erfolgt durch den Impulslaser, der das Metall des oberen Verschlussstückes in einer peripheren Zone des Endteils bzw. der Pumpspitze 7a des Einfüllkanals 7 schmelzt. Mit einem Laserimpuls verschließt man den Eingang des dünnen Teils 7b des Kanals 7 und realisiert dann mit zwei aufeinanderfolgenden Impulsen die Verschweißung 10.
Die Schweißung 10 ist auf ihrer Oberseite schalen- oder kraterförmig, bedingt durch den Schmelzvorgang und die Ablagerung des Metalls in dem zentralen hohlen Teil des Verschlussstücks.
Nach der Verschweißung, wenn sich der Brennstab in der Einfüll- und Schweißanlage 9 in Stellung befindet, kann man sofort eine Kontrolle des Präsenz und der Charakteristiken der Schweißimpulse durchführen dazu beleuchtet man die Endoberfläche des Brennstabs 8, indem man die Beleuchtungseinrichtung 17 benutzt und auf die Oberfläche des Brennstabs Licht in einer axialen Richtung sendet und Aufnahmen von der Endoberfläche 8 des Brennstabs macht, indem man die Optik 8 und die Digitalkamera 18a benutzt.
Das digitalisierte Bild wird zum Computer 20 übertragen.
Das Bild des Endteils des Verschlussstücks kann auf dem Bildschirm angezeigt werden, wie zum Beispiel dargestellt in den 11, 12 und 13.
Die Suchoperationen bezüglich des Schweißimpulses werden anhand der 9 erläutert.
In dem Bild erscheinen die Endoberfläche 8 des oberen Verschlussstücks und der Reflex 27 des durch den Krater des zentralen Teils des Schweißimpulses 10 reflektierten Lichts hell.
Durch Analyse des digitalisierten Bilds bestimmt man den Abstand des Zentrums des Reflexes 27 von dem Zentrum des Strichkreuzes 21, das auf dem Bildschirm abgebildet ist.
Man vergleicht die Position des Zentrums des Reflexes 27, das heißt den Abstand dieses Zentrums von dem Zentrum des Strichkreuzes, mit einem "Zentrumspositionstoleranz"-Parameter, und den Durchmesser des Reflexes mit Schwellenwerten, definiert durch "Maximal- und Minimaldurchmesser"-Parametern.
Man beginnt mit der Bildung von horizontalen mittleren Linien bzw. Zeilen um die Referenz herum und sucht dann eine maximale Anzahl Pixel über dem Schwellenwert, die ermöglichen, sich in dem Reflex zu positionieren.
Anschließend sucht man die Ränder des Reflexes 27 auf einer ersten Achse, gebildet durch die horizontale Achse, die durch die vorhergehend gefundene Position verläuft. Dazu definiert man eine mittlere Linie bzw. Zeile, wie oben angegeben, und zeichnet ein repräsentatives Diagramm der Veränderung der Graupegel längs der mittleren Linie bzw. Zeile, wie dargestellt in der 10.
Man definiert einen Schwellenwert, dargestellt durch die horizontale Gerade 28 in der 10.
Man sucht den rechten und den linken Rand des Reflexes, indem man die aufeinanderfolgenden Pixel auf der mittleren Linie bzw. Zeile mit dem Schwellenwert vergleicht. Man berechnet eine erste Position des Zentrums des Reflexes in Bezug auf einen Bildrand; diese Position ist in der 10 durch das Segment 29 dargestellt.
Man berechnet auch einen ersten Durchmesser des Reflexes zwischen dem rechten und dem linken Rand; dieser Durchmesser ist in der 10 durch das Segment 30 dargestellt.
Man bestimmt die Ränder des Reflexes auf einer zweiten Achse, gebildet durch eine senkrechte Linie, die durch das erste Zentrum verläuft, das vorhergehend definiert wurde, indem eine identische Suche durchgeführt wurde, aber auf den Spalten des Bildes.
Man verifiziert die Kohärenz der für den Durchmesser des Reflexes 27 auf der ersten und der zweiten Achse erhaltenen Werte.
Man tätigt eine Umwandlung der Pixel in Millimeter und vergleicht den Durchmesser mit den "Minimal und maximal"-Schwellenwerten und die Position mit dem "Zentrumspositionstoleranz"-Parameter.
Man zeigt die Resultate auf dem Bildschirm des Computers an, wie dargestellt in den 11, 12 und 13.
In jedem der Fälle betrifft die eine der in digitaler Form angezeigten Informationen die Position des Reflexes und die andere seinen Durchmesser. Die Position des Reflexes entspricht dem Abstand in mm zwischen dem Zentrum des Reflexes und dem Zentrum des die Referenz bildenden parametrierbaren Strichkreuzes. Die Position des Zentrums des Reflexes entspricht der Position des Zentrums des Schweißimpulses.
In dem Fall der 11 sind sowohl die Position als auch der Durchmesser des Reflexes zufriedenstellend. Es wird also ein Konformitätsurteil angezeigt.
In dem Fall der 12 ist das Zentrum des Reflexes 27 in Bezug auf das Referenzzentrum 21 um einen Wert verschoben, der höher ist als der vorher festgelegte Schwellenwert.
Es wird also ein Nicht-Konformitätsurteil angezeigt. Der Durchmesser des Reflexes ist jedoch zufriedenstellend, das heißt enthalten zwischen dem zulässigen Minimalwert und dem zulässigen Maximalwert.
In dem Fall der 13 erscheint kein Reflex 27, was ein Fehlen des Schweißpunkts in der Pumpspitze des Einfüllkanals 7 des oberen Verschlussstücks des Brennstabs ausdrückt. Es wird ein Nicht-Konformitäts-Urteil ausgegeben.
Im Falle eines Konformitätsurteils kann der Brennstab als richtig verschweißt betrachtet und die Produktion verlassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch, festzustellen, wie tief die Schweißung geht, und insbesondere – wenn nur der erste Schweißimpuls getätigt worden ist –, beobachtet man einen sehr kleinen, aus der Tiefe der Pumpspitze stammenden Reflex. In diesem Fall detektiert man aufgrund der Reflexdurchmesser-Messung leicht das Fehlen des zweiten und dritten Schweißimpulses.
Das Studium des Diagramms, das die Grauniveaus längs einer Referenzlinie liefert, die den Reflex des Schweißimpulses durchquert, ermöglicht auch, die Position des Zentrums des in der 10 mit 31 bezeichneten Schweißimpulskraters zu bestimmen.
Die Analyse der mittels des Computers 20 realisierten optischen Bilder erfolgt dank eines in "visual basic" unter Windows NT geschriebenen Programms.
Die Erfindung ermöglicht, in der Anlage zum Befüllen und Verschließen des Kernbrennstabs eine Kontrolle des Durchmessers der Öffnung der Pumpspitze des oberen Verschlussstücks des Brennstabs und seine Positionierung in Bezug auf einen Schweißlaserstrahl zu realisieren, um festzustellen, ob es möglich ist oder nicht, den dichten Verschluss des mit Druck-Helium aufgefüllten Brennstabs durch Schweißen zu realisieren.
Die Erfindung ermöglicht außerdem, zu verifizieren, dass der Schweißpunkt oder Schweißimpuls in konformer Weise ausgeführt ist. Alle Operationen werden in der Einfüll- und Verschlussanlage ausgeführt, in Überlappungszeit.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, Handhabungen des Brennstabs zwischen der Einfüll- und Verschlussanlage und einer Kontrollstation zu vermeiden, und das Urteil bezüglich der Konformität des Schweißimpulses ist unmittelbar nach dem Ende der Schweißoperation verfügbar.
Die Informationen bezüglich der Operation in ihrer Gesamtheit (Positionierung, Schweißung und Kontrolle) können auf einer Festplatte gesichert werden und sind in der Folge in Form von Datenbanken auswertbar.
Schließlich ist die für die Aufnahmen benutzte Beleuchtung eine Standardbeleuchtung, die mit den im Handel erhältlichen Einrichtungen realisiert werden kann. Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt.
Man kann die Verarbeitung der digitalisierten Bilder der Endoberfläche des oberen Verschlussstücks vor und nach dem Schweißen mit anderen Verfahren durchführen als denen durchführen, die zum Beispiel zur Bestimmung der Ränder der Eingangsöffnung des Einfüllkanals und des Schweißimpulsreflexes beschrieben worden sind.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren bei jedem Brennstab angewendet werden, dessen oberes Verschlussstück von einem Einfüllkanal für inertes Druckgas durchquert wird.

Claims

Verfahren zur Kontrolle einer Schweißoperation zum dichten Verschließen einer Endöffnung (8a, 7a) eines Einfüllkanals (7), der ein oberes Verschlussstück (4) einer Hülse (2) eines Kernreaktor-Brennstabs (1) axial durchquert, wobei die Hülse (2) des Brennstabs (1) eine Vielzahl Brennstofftabletten (3), gestapelt in der axialen Richtung der Hülse (2), und zwei Verschlussstücke umschließt, wobei eines der Verschlussstücke (4), oder oberes Verschlussstück, von dem Einfüllkanal (7) eines inerten Druckgases durchquert wird und der dichte Verschluss des Einfüllkanals (7) des oberen Verschlussstücks (4) nach Befüllung der Hülse (2) mit dem inerten Druckgas in einer Einfüllanlage (9) mittels Verschweißung realisiert wird, durch Schmelzen eines zentralen, an die Öffnung (8a) des Einfüllkanals angrenzenden Endteils (7a) des Verschlussstücks (4), dadurch gekennzeichnet, dass – vor dem dichten Verschließen des Einfüllkanals (7), wenn sich der Brennstab (1) in der Einfüllanlage (9) in der Position zum Befüllen und zum dichten Verschweißen des Verschlussstücks (4) befindet –, man Aufnahmen macht von der Endfläche (8) des Verschlussstücks (4), in der der Einfüllkanal (7) durch die im Wesentlichen kreisförmige Eingangsöffnung (8a) mündet, um ein Bild in digitalisierter Form zu erhalten, man durch Analyse des digitalisierten Bildes die Position des Mittelpunkts der kreisförmigen Eingangsöffnung (8a) des Einfüllkanals (7) im Verhältnis zu einer Bezugsposition (21) bestimmt und den Durchmesser der Eingangsöffnung (8a) des Einfüllkanals (7) bestimmt, – man davon ableitet, ob es möglich ist, die Verschweißung des Einfüllkanals (7) zu realisieren, – man im Falle der Realisierung des dichten Verschlusses des Einfüllkanals (7) durch Verschweißung nach der Verschweißung Aufnahmen von dem Ende des Verschlussstücks (4) macht und das Vorhandensein und die Position eines Schweißpunkts (10) des dichten Verschlusses des Einfüllkanals (7) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet: – dass die Bezugsposition (21) durch den Mittelpunkt eines Strichkreuzes mit einer horizontalen und einer vertikalen Achse gebildet wird, wobei die Position des Zentrums bzw. Mittelpunkts des Strichkreuzes (21) einer Einstellposition einer Schweißeinrichtung (12), zum Beispiel einem Laserstrahl, entspricht, um den dichten Verschluss durch Verschweißung des Einfüllkanals (7) des Verschlussstücks (4) zu realisieren, – dass man die Ränder der Eingangsöffnung (8a) des Einfüllkanals (7) auf der Endoberfläche (8) des Verschlussstücks (4) auf einer ersten Achse des Strichkreuzes (21) sucht, – dass man davon eine erste Position des Mittelpunkts der kreisförmigen Eingangsöffnung (8a) des Einfüllkanals (7) und einen ersten Wert des Durchmessers der Eingangsöffnung (8a) ableitet, – dass man die Ränder der Öffnung auf einer zu der ersten Achse senkrechten zweiten Achse des Strichkreuzes sucht, die durch den vorhergehend definierten Mittelpunkt verläuft, – dass man davon eine zweite Position des Mittelpunkts der kreisförmigen Eingangsöffnung (8a) des Einfüllkanals (7) und einen zweiten Wert des Durchmessers der Eingangsöffnung (8a) des Einfüllkanals (7) ableitet, – dass man die Ränder der Öffnung (8a) auf einer zu der zweiten Achse senkrechten dritten Achse des Strichkreuzes sucht, die durch den vorhergehend definierten zweiten Mittelpunkt verläuft, – dass man davon eine dritte Position des Mittelpunkts der kreisförmigen Öffnung (8a) und einen dritten Wert des Durchmessers der kreisförmigen Öffnung (8a) ableitet, wobei der dritte Mittelpunkt der kreisförmigen Öffnung (8a) als tatsächlicher Mittelpunkt der Öffnung (8a) betrachtet wird, – dass man den zweiten und den dritten Durchmesser miteinander vergleicht, um daraus die Kohärenz der als Durchmesser der kreisförmigen Öffnung (8a) betrachteten Werte des zweiten und des dritten Durchmessers abzuleiten, – dass man den Abstand zwischen der bestimmten dritten Position des Mittelpunkts der Öffnung (8a) und des Mittelpunkts des Strichkreuzes (21) bestimmt, und – dass man den berechneten Abstand zwischen den Mittelpunkten der kreisförmigen Öffnung (8a) und des Strichkreuzes (21) sowie den berechneten Wert des Durchmessers der kreisförmigen Eingangsöffnung (8a) des Einfüllkanals (7) mit Schwellenwerten vergleicht, um die Konformität der Eingangsöffnung (8a) des Einfüllkanals und ihrer Positionierung und die Möglichkeit, den dichten Verschluss durch Verschweißung zu realisieren, zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Suche der Ränder der Eingangsöffnung (8a) des Einfüllkanals (7) auf jeder der Achsen aufgrund eines Diagramms durchführt, das die Graupegel längs einer mittleren Zeile oder Spalte des digitalisierten Bildes liefert, das heißt die mittleren Graupegel von N Zeilen oder Spalten, die parallel sind zu der Achse, gemäß der man die Suche durchführt, und die sich beiderseits dieser Achse befinden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Ränder der kreisförmigen Eingangsöffnung (8a) des Einfüllkanals (7) bestimmt, indem man einen Schwellenwert der Graupegel benutzt, der einen Mittelwert zwischen den Graupegeln des Bilds des Einfüllkanals und den Graupegeln der Oberfläche (8) des oberen Verschlussstücks (4) um die kreisförmige Eingangsöffnung (8a) des Einfüllkanals herum bildet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man nach Realisierung des dichten Verschlusses des Einfüllkanals (7) des oberen Verschlussstücks (4), zum Beispiel durch einen Laserschweißimpuls (10), in dem digitalisierten Bild der Endoberfläche (8) des Verschlussstücks einen Reflex (27) des Schweißimpulses (10) sucht, dessen kraterförmiger zentraler Teil axial ausgerichtetes Licht reflektiert, und man die Position des Mittelpunkts und die Dimension des Reflexes (27) bestimmt.
Dass man die Position des Mittelpunkts des Reflexes (27) im Verhältnis zu einem Mittelpunkt eines Strichkreuzes (21), definiert durch zwei zueinander senkrechte Achsen, horizontal beziehungsweise vertikal auf dem digitalisierten Bild, einer Schweißposition entsprechend, und den Durchmesser des Reflexes (27) bestimmt, und dass man den Abstand des Mittelpunkts des Reflexes (27) von dem Mittelpunkt des Strichkreuzes (21) und den berechneten Durchmesser des Reflexes (27) mit Schwellenwerten vergleicht, um zu definieren, ob das obere Verschlussstück (4) des Kernbrennstabs (1) nach der Verschweißung konform ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die Ränder des Reflexes (27) auf einer ersten Achse des Strichkreuzes (21) sucht, man davon eine erste Position des Mittelpunkts und einen ersten Wert des Durchmessers des Reflexes (27) ableitet, man die Ränder des Reflexes (27) auf einer durch den vorhergehend definierten ersten Mittelpunkt des Reflexes (27) verlaufenden, zu der ersten Achse senkrechten zweiten Achse sucht, man davon eine zweite Position des Mittelpunkts und einen zweiten Wert des Durchmessers des Reflexes (27) ableitet, man den ersten und den zweiten Durchmesser vergleicht, um die Kohärenz der erhaltenen Werte zu verifizieren, man den Abstand zwischen dem zweiten Mittelpunkt des Reflexes (27) und dem Mittelpunkt des Strichkreuzes (21) bestimmt, und man den Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Reflexes (27) und dem Mittelpunkt des Strichkreuzes (21) und den berechneten Durchmesser des Reflexes (27) mit Schwellenwerten vergleicht, um die Konformität der Realisierung des dichten Verschlusses durch Verschweißung des Einfüllkanals (7) des oberen Verschlussstücks (4) des Brennstabs (1) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man die Suche der Ränder des Reflexes (27) auf jeder der ersten und zweiten Achsen durchführt, indem man ein Diagramm festlegt, das die Graupegel längs einer zu der ersten und der zweiten Achse parallelen mittleren Zeile liefert, einem Mittelwert der Graupegel längs mehrerer Zeilen oder Spalten des digitalisierten Bildes entsprechend, die jeweils parallel sind zu der ersten oder zweiten Achse und beiderseits der ersten oder zweiten Achse angeordnet sind.