DE69012114T2

DE69012114T2 - Methode zur abdichtung eines brennstabes durch schweissung.

Info

Publication number: DE69012114T2
Application number: DE69012114T
Authority: DE
Inventors: Thorbjoern Sahlin; Katarina Wisen
Original assignee: ASEA Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1989-05-09
Filing date: 1990-05-08
Publication date: 1995-03-30
Anticipated expiration: 2010-05-09
Also published as: US5251247A; DE69012114D1; EP0471770A1; EP0471770B1; SE8901635D0; SE465900B; WO1990013898A1; SE8901635L; JPH04505054A; ATE110877T1; JP2931667B2

Description

Eine Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abdichtung eines Brennstabes durch Schweißen, nachdem der Brennstab mittels Helium unter Druck gesetzt worden ist.
Bei der Herstellung von nuklearem Brennstoff für Leichtwasserreaktoren werden Rohre verwendet, die gewöhnlich aus einer Zirkoniumlegierung, wie zum Beispiel Zirkaloy-2 oder Zirkaloy-4, bestehen und die mit einem Endverschluß versehen werden, worauf das Rohr in der gewünschten Länge mit Brennstofftabletten gefüllt wird. Danach wird das Rohr mittels Helium unter Druck gesetzt, bevor es vollständig abgedichtet wird. Durch das Füllen des Brennstabes mit Helium wird der Wärmeübergang von den Tabletten zu dem Kühlmittel verbessert.
Beispiele für das Abdichten von Brennstäben sind beispielsweise bekannt aus der EP-A-0163425, DE-B-1806599-und FR-A- 2177809.
Während des Abdichtens des Brennstabes wird der Stab gewöhnlich mit Stopfen aus einer Zirkoniumlegierung versehen, welche Stopfen so ausgebildet sind, daß ein Teil des Stopfens in Kontakt mit dem Rohrende des Stabes steht. Durch Schweißen längs Kontaktnaht zwischen Rohr und Stopfen wird das Rohr dicht verschlossen. Ein Anzahl verschiedener Schweißverfahren, wie zum Beispiel TIG-Schweißen, EB- Schweißen oder Widerstandsschweißung, werden in diesem Zusammenhang angewendet. Bei der Anwendung von Schweißverfahren, die kein Vakuum erfordern, wie zum Beispiel TIG- und Widerstandsschweißung, kann das Unterdrucksetzen des Stabes durch Helium im Zusammenhang mit dem Anschweißen des Stopfens erfolgen. Bei Schweißverfahren, welche ein Vakuum erfordern, wie zum Beispiel EB-Schweißung, muß die Unterdrucksetzung des Stabes getrennt durchgeführt werden. Dies geschieht in der Weise, daß der Stopfen mit einem Einfülloch versehen wird, durch welches Helium in den Stab gefüllt werden kann. Das Loch wird danach durch TIG-Schweißung verschlossen.
Die Nachteile der bekannten Verfahren zur Abdichtung eines Brennstabes nach Unterdrucksetzung bestehen darin, daß die TIG-Schweißung in der Gegenwart von Helium schlecht funktioniert. Es sind hohe Spannungen für die Zündung des Schweißlichtbogens erforderlich, und die Schweißelektroden werden sehr schnell verbraucht und müssen ersetzt werden. Da diese Art der Herstellung gewöhnlich am Fließband stattfindet, stellt das häufige Ersetzen von Schweißelektroden einen beträchtlichen Nachteil dar.
Das bekannte Widerstandsschweißen der Verbindung zwischen dem Stopfen und dem Rohrende eines Stabes ist insofern mit Problemen verbunden, daß die Art von Defekten, die an der Schweißverbindung nach dem Widerstandsschweißen auftreten können, wie zum Beispiel Oxydstreifen, nicht durch zerstörungsfreie Prüfverfahren festgestellt werden können. Da nukleare Brennstoffstäbe unter hohem Druck betrieben werden und Substanzen enthalten, deren Ausbreitung außerhalb des Stabes unerwünscht ist, ist es von größter Wichtigkeit, daß abdichtende Schweißverbindungen keine Defekte aufweisen, die zu fortschreitenden Rissen in der Schweißnaht führen.
Um das vorgenannte Problem zu lösen, kann gemäß der Erfindung die kreisförmige Schweißverbindung zwischen dem Stopfen und dem Stab mit einem Verfahren, wie zum Beispiel EB- Schweißung oder TIG-Schweißung, welches eine Inspektion mittels eines störungsfreien Prüfverfahrens erlaubt, ausgeführt werden, während danach die Unterdrucksetzung durch Helium durch den Stopfen mittels eines Einfülloches durchgeführt werden kann, welches für diesen Zweck vorgesehen ist. Zur Abdichtung des Einfülloches wird ein Körper aus einer Zirkoniumlegierung, die zweckmäßigerweise von gleicher Art wie die, aus der der Stopfen besteht, über dem Einfülloch plaziert. Der Körper hat ein Volumen, welches größer ist als das Volumen des oberen Teils des Einfülloches, und er ist so geformt, daß er mit dem Rand des Einfülloches längs einer Begrenzung in Kontakt kommt, deren Kontaktfläche so klein wie möglich ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß zumindest ein Teil der Körpers mit einem abnehmenden Durchmesser, beispielsweise in Form eines Kegels oder einer Kugel, ausgebildet ist. Wenn der Stab dicht zu verschließen ist, kann dies durch Widerstands-Buckelschweißung erfolgen. Der Stab wird dabei zwischen zwei Elektroden plaziert, von denen eine auf dem Körper angeordnet ist. Auf die Elektrode wird eine Kraft ausgeübt, und ein elektrischer Strom wird durch den Körper und den Stopfen geleitet. Da die Kontaktfläche zwischen dem Körper und dem Stopfen klein ist, wird eine hohe Stromdichte erreicht, und die Erhitzung der Teile des Werkstückes, die miteinander in Kontakt stehen, ist gut. Wenn der Körper gegen das Einfülloch gepreßt wird, wird Material des Randes des Einfülloches mit Material des Körpers zusammengeschweißt, und der Körper wird in das Einfülloch gepreßt. Die obere Oberfläche des Körpers wird ebenfalls verformt und kann so gepreßt werden, daß der obere Teil des Körpers mit der Oberfläche des Stopfens eine Ebene bildet. Durch das dichte Verschließen des Einfülloch in dieser Weise wird eine Dichtung erreicht, die sehr dicht ist, da ein Körper mit einem größeren Durchmesser als ihn die Öffnung des Einfülloches hat in das Einfülloch hineingepreßt wurde und da der Körper derart geformt ist, daß er bei seiner Anbringung über dem Einfülloch eine sehr kleine Kontaktfläche hat.
In der oben beschriebenen Weise ist es möglich, die bekannten Probleme in Verbindung mit dem TIG-Schweißen zu lösen, die zugegebenermaßen ein Schweißnaht liefert, die mittels zerstörungsfreier Prüfung bereits geprüft werden konnte, bei der aber das Schweißverfahren große Unbequemlichkeiten durch die Notwendigkeit eines häufigen Elektrodenwechsels verursacht hat. Die früher bestehenden Probleme bei der Prüfung von Brennstäben werden durch die Erfindung ebenfalls dadurch beträchtlich verkleinert, daß die Widerstandsschweißung an einem nicht belasteten Teil des Stabes stattfindet und die Abdichtung des Einfülloches durch die Gestaltung eines Körpers aus zusätzlichem Material, wie oben beschrieben, in zufriedenstellender Weise sichergestellt wird.
Figur 1 zeigt einen Teil eines Brennstabes 1 mit einem Stopfen 2. Der Stopfen ist mit einem Einfülloch 3 versehen. Der Brennstab 1 besteht aus einem Rohr aus einer Zirkoniumlegierung, zum Beispiel Zirkaloy-2 oder Zirkaloy-4 oder einer Zirkonium-Niob-Legierung. In dem Rohr sind Brennstofftabletten angeordnet, die gewöhnlich aus Urandioxyd bestehen. Das Rohr ist an beiden Enden mittels angeschweißter Stopfen abgedichtet. Die Stopfen bestehen aus einer Zirkoniumlegierung und können verschieden ausgeführt sein. Einer der Stopfen ist mit einem Einfülloch versehen zum Einfüllen von Helium in den Stab.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Stopfen mit einem Einfülloch. Auf dem Einfülloch ist ein Körper 4 angeordnet, dessen Volumen größer ist als der obere Teil des Einfülloches und dessen Oberfläche zum Teil konisch ausgebildet ist. Konzentrisch um das Einfülloch des Stopfens herum ist eine in der Figur nicht gezeigte Nut vorhanden. Die Widerstands-Buckelschweißung wird in einer Kammer durchgeführt, und der Stab 1 wird in einer V-förmigen Vertiefung in einem Elektrodenblock aus Kupfer oder einer Kupferlegierung plaziert. Die andere Elektrode wird auf dem Körper 4 angebracht. Um einen günstigen Spannungszustand in dem Körper zu erhalten, wird der Körper durch Widerstandsheizung vorgeheizt, wobei die Stromstärke kleiner ist als die für das Schweißen erforderliche Stromstärke, wodurch die Oberfläche des Körpers plastisch wird. Danach wird die Stromstärke und die Preßkraft auf den Körper verstärkt, um eine Verschweißung zu erreichen. Es ist vorteilhaft, Wech-8 selstrom zu verwenden, um den Körper vor dem Schweißen ausreichend zu erhitzen.
Das Verfahren ist für alle Arten von Brennstäben brauchbar, die mit Helium unter Druck gesetzt werden, und zwar sowohl für Siedewasserreaktoren als auch für Druckwasserreaktoren sowie auch für andere Reaktorbauarten, die mit unter Druck gesetztem Brennstoff arbeiten.

Claims

1. Verfahren zur Abdichtung eines Brennstabes, nachdem dieser Stab mittels Helium unter Druck gesetzt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß Helium in den Stab durch ein Einfülloch (3) eingefüllt wird, welches in einem Stopfen (2) angeordnet ist, daß auf dem Einfülloch ein Körpers (4) aus einer Zirkoniumlegierung angeordnet ist, wobei das Volumen des genannten Körpers größer ist als der obere Teil des Einfülloches und der genannte Körper so geformt ist, daß er mit dem Einfülloch längs eines Kante in Kontakt kommt, und daß das Einfülloch mittels Widerstands- Buckelschweißung dichtend verschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Oberfläche des Körpers konisch oder sphärisch ausgebildet ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper vor der Widerstands-Buckelschweißung bei kleinerer Stromstärke, als sie für das Schweißen erforderlich ist, vorgeheizt wird.

22

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands-Buckelschweißung mit Wechselstrom durchgeführt wird.