DE69306458T2

DE69306458T2 - Verfahren zur Herstellung von neutronenabschirmenden Rohren und nach diesem Verfahren hergestellte neutronenabschirmende Rohre

Info

Publication number: DE69306458T2
Application number: DE69306458T
Authority: DE
Inventors: Randell Elliott; William Herrick
Original assignee: AAR Corp
Current assignee: AAR Corp
Priority date: 1992-04-17
Filing date: 1993-04-15
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2013-04-16
Also published as: JP2843738B2; EP0566396A2; ES2095568T3; EP0566396B1; JPH07260975A; US5198182A; ATE146295T1; DE69306458D1; EP0566396A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Neutronen absorbierendes oder Neutronen abschirmendes Material, und insbesondere auf ein Verfahren zum Formen eines derartigen Materials zu einem Rohr, sowie auf das nach dem Verfahren hergestellte Rohr.
Aus US-Patent 40 27 337 der gleichen Inhaberin ist die Herstellung von Neutronen absorbierendem oder Neutronen abschirmendem Material bekannt, das aus einer dünnen, steifen Tafel oder Platte aus Neutronen absorbierendem Material, vorzugsweise Borkarbid, die von einer Aluminiumplatte umgeben ist, besteht. Bei der Ausbildung der Tafel wird zuerst ein Rohling mit einem hohlen Innenraum erstellt, und es wird ein Gemisch aus Neutronen absorbierendem Material, z.B. Borkarbid-Pulver, und einem fein verteilten Metallpulver, z.B. atomisiertem Aluminium, im hohlen Inneren des Rohlings installiert. Anschließend daran wird der Rohling versiegelt, auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Metallpulvers erhitzt und dann heißgewalzt, damit seine Dicke auf einen gewünschten Wert reduziert wird. Das Heißwalzen bewirkt, daß die Partikel des Metallpulvers und des Borkarbids metallurgisch miteinander so verbunden werden, daß bei anschließender Benutzung das Material sei ne Neutronen absorbierenden Eigenschaften behält.
Ein Problem bei dem Material nach US Patent 40 27 377 besteht darin, daß es nicht gebogen werden kann, und daß es seine Neutronen absorbierende Eigenschaft im Biegebereich nicht beibehalten kann. Infolgedessen wurde das Verfahren nach US-Patent 47 51 021 entwickelt, das eine Tafel oder Platte ergibt, die sich biegen läßt. Die Biegung kann jedoch nicht abrupt vorgenommen werden, und deshalb ist eine verhältnismäßig sanfte Biegung erforderlich, wobei der Neutronen absorbierende Borkarbid-Kern gegenüber einer Seite der Tafel versetzt ist. Dieses Patent erfordert Präzisionsarbeit bei der Herstellung, und das Verfahren ist teuer, obgleich damit eine weitgehend zufriedenstellende, Neutronen absorbierende Tafel oder Platte erreicht wird.
Ferner ist aus US Patent 31 03 478 die Ausbildung eines Nuklear-Reaktor-Kontrollstabes entweder mit einer Reihe von linear beabstandeten Flächen von Neutronen absorbierendem Material (Fig. 2) oder eine Reihe von im Abstand versetzten, jedoch sich überlappenden Bereichen von Neutronen absorbierendem Material (Fig. 4) bekannt. Bei der einfachen Version nach den Figuren 1 und 2 wird der Stab durch Ausbilden eines Matenalstreifens mit einer Reihe von Löchern gebildet. Es läßt sich daraus nicht die Ausbildung des Stabes zu einem Rohr entnehmen (da es sich im wesentlichen um einen länglichen Gegenstand handelt). Auch in Verbindung mit der versetzten Version nach den Figuren 3 und 4 ist keinerlei Abstand quer zur Breite zu entnehmen, und da keine Biegung offenbart ist, nachdem ein Stab geformt wird, könnte, selbst wenn eine Biegung vorhanden wäre, diese Biegung nicht in einem Bereich liegen, in welchem kein Abschirmmaterial vorhanden ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Abschnitten eines Neutronen absorbierenden Rohres oder eines Rohres selbst in mehreren Verfahrensschritten. Zuerst wird ein länglicher, etwa rechteckförmiger Metallrohling mit einem hohlen Innenraum ausgebildet. In diesem hohlen Innenraum ist mindestens eine längliche Teilervorrichtung aus Metall vorgesehen, die im Inneren des Rohlings mindestens zwei Kammern ausbildet. Die Kammern werden anschließend mit einem im wesentlichen gleichförmig dispergierten Gemisch einer fein verteilten, Neutronen absorbierenden Bor-Komponente und einem fein verteilten Metallpulver gefüllt.
Im Anschluß daran wird der Rohling getempert, damit er auf eine erhöhte Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metallpulvers gebracht wird. Wenn die Temperatur des Rohlings auf diese Weise erhöht worden ist, wird der Rohling hei ßgewalzt und seine Dicke auf die einer dünnen, starren, Neutronen absorbierenden Tafel oder Platte zurückgeführt, die entgegengesetzte Metallrandteile und einen länglichen Abstandsteil aus Metall an der Stelle einer jeden Metall-Teilervorrichtung besitzt. Schließlich wird die dünne Platte oder Tafel an jedem Abstandsbauteil in Längsrichtung gebogen.
Nach einem ersten Aspekt wird mit der Erfindung somit ein Verfahren zur Herstellung eines Neutronen absorbierenden Rohres oder Rohrabschnittes eines solchen Rohres vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
a) ein länglicher, etwa rechteckförmiger Metallrohling hergestellt wird, der im Inneren einen hohlen Innenraum mit mindestens einer länglichen Teilervorrichtung bzw. Trennwand aus Metall aufweist, um mindestens zwei Kammern in diesem Innenraum auszubilden,
b) die Kammern mit einer im wesentlichen gleichförmig dispergierten Mischung einer fein verteilten, Neutronen absorbierenden Bor-Komponente und einem fein verteilten Metalpulver gefüllt werden,
c) der Rohling getempert wird, um ihn auf eine erhöhte Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metallpulvers zu bringen,
d) der Rohling heißgewalzt wird, um seine Dicke so weit zurückzuführen, daß eine steife, Neutronen absorbierende dünne Platte oder Tafel entsteht, die gegenüberliegende Metallrandteile und einen länglichen Metall-Abstandsteil an jeder Teilervorrichtung aus Metall aufweist, und
e) die dünne Platte oder Tafel an jedem Abstandsteil in Längsrichtung gebogen wird.
Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist nur eine Teilervorrichtung aus Metall im Rohling vorgesehen, und der Biegeschritt umfaßt ein Biegen der dünnen Platte oder Tafel in Längsrichtung in einen L-förmigen Querschnitt. Ein Rohr wird durch Herstellen eines zweiten, im wesentlichen identischen Abschnittes und durch Verbinden der beiden Abschnitte an ihren Randteilen aus Metall zur Ausbildung des Rohres geformt.
In typischer Weise umfaßt das vorbeschriebene Verfahren ferner den Schritt, daß über die Metallrandteile der Abschnitt mit einem oder mehreren weiteren Abschnitten verbunden wird, die nach dem gleichen Verfahren hergestellt werden, so daß ein Neutronen absorbierendes Rohr erzielt wird. Vorzugsweise wird eines der Metallrandteile einer jeden Tafel oder Platte in einen L-förmigen Querschnitt gebogen, bevor die Tafeln oder Platten längs ihrer Seitenränder miteinander verbunden und verschweißt werden, um ein Rohr auszubilden.
Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird beim Formen und vor dem Biegen der Tafel oder Platte eines der Metallrandteile dieser Tafel oder Platte mit einer größeren Breite als der andere Randteil gebildet. Dieser Randteil größerer Breite ist der Randteil, der dann zu einem L-förmigen Querschnitt gebogen wird.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein Neutronen absorbierendes Rohr dadurch ausgebildet, daß ein länglicher, rechteckförmiger Metallrohling mit einem hohlen Innenraum und einer Reihe von länglichen Teilervorrichtungen aus Metall im Inneren des Rohlings angeordnet wird, damit mindestens vier Kammern im Inneren entstehen. Diese Kammern werden mit dem gleichförmig dispergierten Gemisch der fein verteilten, Neutronen absorbierenden Bor-Komponente und Metallpuver gefü lt, der Rohling wird getempert, damit er auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird, und der Rohling wird dann heißgewalzt, damit seine Dicke reduziert wird und er zu einer dünnen, starren, Neutronen absorbierenden Tafel bzw. Platte mit gegenüberliegenden Metall-Randteilen und einem länglichen Metall-Abstandsteil an der Stelle einer jeden der Metall-Teilervorrichtungen geformt wird. Die Tafel bzw. Platte wird dann in Längsrichtung an jedem der Abstandsteile gebogen, und die Metall-Randteile werden miteinander so verbunden, daß sie ein Rohr bilden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird auch vorzugsweise die Ausbildung der Metall-Randteile der Tafel bzw. Platte so vorgenommen, daß eines der Metall-Randteile eine größere Breite als der andere Randteil hat, so daß der eine Metall-Randeil zu einem L-förmigen Querschnitt gebogen werden kann, bevor die beiden Randteile miteinander verbunden werden.
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Neutronen absorbierenden Rohres gemäß der Erfindung, wie es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird,
Fig. 2 in einer Endansicht, ähnlich einem Querschnitt, die Ausbildung eines länglichen, etwa rechteckförmigen Metallrohlings mit einer Metall-Teilervorrichtung im Inneren, und
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Rohling nach Fig. 2, nachdem der Rohling getempert und heißgewalzt worden ist, um seine Dicke auf eine dünne, starre, Neutronen absorbierende Tafel oder Platte zurückzuführen.
In Fig. 1 ist ein Neutronen absorbierendes Rohr nach der Erfindung mit 10 bezeichnet. Vorzugsweise ist, wie nachstehend im Detail beschrieben wird, das Rohr 10 aus dünnen, starren, Neutronen absorbierenden Tafeln oder Platten 12 und 14 hergestellt, die identisch miteinander sind, und von denen eine in Fig. 3 nach dem Walzen und Trimmen sowie vor dem Biegen gezeigt ist. Jede der Tafeln oder Platten 12 und 14 ist aus einem Metallrohling 16 hergestellt, wie er in Fig. 2 gezeigt ist. Der Metallrohling 16 ist in länglicher, etwa rechteckförmiger Gestalt aus Aluminium geformt, so daß er Aluminiumflächen 18 und 20 sowie gegenüberliegende Aluminiumseitenränder 22 und 24 aufweist. Der Rohling kann nach der in US-Patent Nr.40 27 377 gezeigten und beschriebenen Methode ausgebildet werden, oder aber nach einem anderen Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Rohlings.
Wenn der Rohling hergestellt worden ist, wird mindestens eine längliche Teilervorrichtung bzw. Trennwand 26 aus Metall im Inneren des Rohlings angeordnet, die den Rohling in mindestens zwei Kammern 28 und 30 teilt. Die Teilervorrichtung 26, die in Fig. 2 gezeigt ist, wird aus einem oder mehreren Metallelementen gebildet und besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Metallrohling 16. Andererseits können die Teilervorrichtung 26, die Seitenränder 22 und 24 sowie die Aluminiumflächen 18 und 20 als eine einzige Einheit ausgebildet sein. Auch kann jede Metall-Teilervorrichtung 26 alternativ aus einem einzigen Metallstück bestehen, und es können, wie weiter oben erwähnt, mehr als eine Metall-Teilervorrichtung in dem hohlen Innenraum des Rohlings 16 angeordnet sein, damit zusätzliche Kammern ausgebildet werden. Wenn beispielsweise zwei Teilervorrichtungen aus Metall vorgesehen sind, bilden die Teilervorrichtungen in Verbindung mit dem Metallrohling drei Kammern, während drei Teilervorrichtungen vier Kammern bilden, usw.
Wenn der Rohling auf diese Weise ausgebildet worden ist, werden die Kammern 28 und 30 mit einem im wesentlichen gleichförmig dispergierten Gemisch aus einer fein verteilten, Neutronen absorbierenden Komponente und einem fein verteilten Metallpulver gefüllt. Das Gemisch entspricht vorzugsweise dem nach US-Patent 40 27 377. Es können jedoch auch andere, ähnliche Materialien verwendet werden, solange sie die Neutronen absorbierende Eigenschaft haben, nachdem eine Tafel oder Platte ausgebildet worden ist.
Nachdem der Rohling geformt und gefiillt worden ist, wird er auf eine erhöhte Temperatur getempert, die unterhalb der Schmelztemperatur des Metallpulvers liegt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Rohling 16 eine bestimmte Zeit lang getempert, die ausreicht, um die Temperatur des Rohlings auf Werte zwischen 427º C und 455º C (800 und 850ºF) während des gesamten Walzvorganges anzuheben.
Im Walzbetrieb wird der Rohling 16 heißgewalzt, um seine Dicke zu reduzieren. Die Dicke wird vorzugsweise in mehreren Durchläufen durch eine Walzenstraße reduziert. Während dieses Vorgangs werden das Gemisch aus Bor-Komponente und Metallpulver metallurgisch miteinander verbunden oder gesintert, so daß die Tafeln oder Platten 12 und 14 entstehen. Die resultierende Tafel oder Platte hat dünne, starre, Neutronen absorbierende Flächen 32 und 34, entgegengesetzte Metallrandteile 36 und 38 und ein längliches Metall-Abstandsteil 40 an der Stelle einer jeden Teilervorrichtung 26 aus Metall im Rohling 16. Die Randteile der Tafel oder Platte 12 werden soweit wie notwendig getrimmt, so daß vorzugsweise die kombinierten Breiten der Randteile 36 und 38 sich der Breite eines jeden Abstandsteiles 40 nähern, obgleich die kombinierten Breiten weiter oder enger sein können.
Nachdem die Tafel oder Platte 12 ausgebildet worden ist, wird sie in Längsrichtung an jedem Abstandsteil 40 gebogen, vorzugsweise in einen L-förmigen Querschnitt, wie für jede der Tafeln oder Platten 12 und 14, die das Rohr 10 bilden, in Fig. 1 dargestellt ist. Gleichzeitig wird der breitere Randteil 36 in einen L-förmigen Querschnitt gebogen. Die beiden Tafeln oder Platten 12 und 14 werden dann in Längsrichtung miteinander an ihren Randteilen 36 und 38 durch Verschweißen verbunden, wie mit Schweißnähten 42 in Fig. 1 dargestellt. Vorzugsweise sind die Schweißnähte 42 nicht an den Biegungen der Randteile 36 positioniert, sondern werden an einem nicht gebogenen Teil des Randteiles 36 ausgebildet, damit die größtmögliche Festigkeit für das ausgebildete Rohr 10 sichergestellt ist. Wenn der Randteil 36 nicht gebogen wird, können andererseits die Randteile 36 und 38 stumpf aneinanderstoßen und an den Stoßstellen verschweißt werden. Das Rohr 10 wird deshalb mit Neutronen absorbierenden Flächen 32 und 34 der Tafeln oder Platten 12 und 14, die nicht gebogen sind, ausgebildet, wobei Biegungen in den Abstandsteilen 40 und den Randteilen 36 vollständig innerhalb Flächen aus festem Material angeordnet sind. Die Biegungen beeinflussen deshalb die Integrität der Neutronen absorbierenden Kernteile oder Flächen der Tafel oder Platte nicht.
Obgleich das Rohr 10 vorzugsweise aus zwei Tafeln oder Platten 12 und 14 ausgebildet ist, die nach dem vorbeschriebenen Verfahren geformt und geschweißt sind, kann das Rohr 10 auch aus einer einzigen Tafel oder Platte mit drei Teilervorrichtungen 26 aus Metall ausgebildet werden, die in einem Metall-Rohling 16 installiert sind, der vier Kammern im Rohling ausbildet. Nachdem der Rohling gefüllt und getempert worden ist, wird er in der vorbeschriebenen Weise heißgewalzt, was zu einer Tafel oder Platte mit entgegengesetzten Randteilen 36 und 38 führt, die ähnlich der Tafel oder Platte 12 sind, wobei jedoch drei der Abstandsteile 40 aus Metall benachbarte, Neutronen absorbierende Flächen unterteilen. Die auf diese Weise geformte Tafel oder Platte wird an jedem der Abstandsteile in eine L-förmige Gestalt gebogen, ebenso wird der Randteil 36 in L-Form gebogen, so daß ein Rohr entsteht, das den gleichen Querschnitt wie das in Fig. 1 gezeigte Rohr hat. Da das Rohr aus einer einzigen Tafel oder Platte geformt ist, ist nur eine einzige Längs-Schweißnaht 42 erforderlich, um die Randteile 36 und 38 zur Vervollständigung des Rohres miteinander zu verschweißen.
Obgleich das Rohr bei einer bevorzugten Ausführung etwa quadratisch im Querschnitt ausgebildet ist, kann das Rohr auch einen recheckförmigen oder annähernd rechteckförmigen Querschnitt haben. Zusätzlich kann das Rohr mit mehr als vier Seiten ausgebildet sein, nämlich fünfeckförmig, sechseckförmig oder in einer anderen Konfiguration. Unabhängig davon, wie das Rohr ausgebildet wird, ist es wichtig, daß das Rohr so geformt wird, daß Längsbiegungen vollständig innerhalb eines Abstandsteiles aus Metall, der benachbarte, Neutronen absorbierende Flächen der das Rohr bildenden Tafel oder Platte unterteilt, positioniert ist.
Jede der Teilervorrichtungen 26 aus Metall kann aus einem einzelnen Stück Metall oder aus mehreren Stücken Metall hergestellt werden. Die Teilervorrichtungen sind jedoch konfiguriert, und die schließlich geformte Tafel oder Platte entspricht der Darstellung nach Fig. 3, wobei ein oder mehrere Abstandsteile 40 aus Metall geformt werden, so daß die Tafel oder Platte 12 an den Abstandsteilen gebogen werden kann.
Vorzugsweise ist die Summe der Breiten der Randteile 36 und 38 gleich der des Abstandsteiles 40, sodaß bei einer Biegung der Tafeln oder Platten 12 und 14 das entstehende, geformte Rohr 10 im wesentlichen symmetrisch ist. Diese Beziehung ist jedoch nicht kritisch, und die Summe der Breiten kann größer oder kleiner als die Breite des Abstandsteiles 40 sein.
In der Zeichnung ist ein quadratisches Rohr 10 dargestellt, das aus zwei Tafeln oder Platten 12 hergestellt ist, die einen zentrischen Abstandsteil 40 haben. Soll ein Rohr rechteckförmigen Querschnitt haben, kann die Teilervorrichtung 26 aus Metall im Rohling 16 gegen den einen oder den anderen Rand der Seiten ränder 22 oder 24 versetzt sein, so daß eine der Kammern 28 oder 30 größer als die andere ist, was zur Folge hat, daß eine Tafel oder Platte 12 mit dem Abstandsteil 40 gegen den einen oder den anderen der Randteile 36 oder 38 versetzt ist. Für den Fachmann ergibt sich, daß auch andere Formen durch einfaches Positionieren des äußersten Abstandsteils oder der Abstandteile 40 und durch Biegen der Tafel(n) bzw. Platte(n) 12 an dieser Stelle erzielt werden können.
Die Breite des Abstandsteils 40 wird auf einen Mindestwert ausgebildet, der erforderlich ist, damit die Tafeln oder Platten 12 und 14 gebogen werden können, ohne daß die Integrität der Neutronen absorbierenden Flächen 32 und 34 gebogen oder in sonstiger Weise beeinflußt wird. Die Breite der verschiedenen Abstandsteile 40 wird vom Fachmann nach der Lehre vorliegender Anmeldung gewählt.
Die Erfindung kann im Rahmen der Patentansprüche verschiedene Änderungen erfahren.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Neutronen absorbierenden Rohren (10) oder Rohrabschnitten (12, 14) derartiger Rohre, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein länglicher, etwa rechteckförmiger Metallrohling (16) hergestellt wird, der im Inneren einen hohlen Innenraum mit mindestens einer länglichen Teilervorrichtung bzw. Trennwand (26) aus Metall aufweist, um mindestens zwei Kammern (28, 30) in diesem Innenraum auszubilden,

b) die Kammern (28, 30) mit einer im wesentlichen gleichförmig dispergierten Mischung einer fein verteilten, Neutronen absorbierenden Bor-Komponente und einem fein verteilten Metallpulver gefüllt werden,

c) der Rohling (16) getempert wird, um ihn auf eine erhöhte Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metallpulvers zu bringen,

d) der Rohling (16) heißgewalzt wird, um seine Dicke so weit zurückzuführen, daß eine steife, Neutronen absorbierende dünne Platte oder Tafel entsteht, die gegenüberliegende Metallrandteile (36, 38) und einen länglichen Metall- Abstandsteil (40) an jeder Teilervorrichtung (26) aus Metall aufweist, und

e) die dünne Platte oder Tafel an jedem Abstandsteil (40) in Längsrichtung gebogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Metallrandteile (36, 38) der Abschnitt (12, 14) mit einem oder mehreren weiteren Abschnitten (12, 14) verbunden wird, die nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt werden, damit das Neutronen absorbierende Rohr (10) ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Rohling (16) eine Teilervorrichtung (26) aufweist, und daß in Schritte) die oder jede dünne Platte (12, 14) oder Tafel in Längsrichtung zu einem L-förmigen Querschnitt gebogen wird.

4. Vefahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) der längliche, etwa rechteckförmige Rohling (16) mindestens drei Teilervorrichtungen (26) aufweist, damit mindestens vier Kammern (28, 30) im Rohling (16) entstehen, und daß

f) die Metallrandteile (36, 38) der dünnen Platte oder Tafel miteinander so verbunden werden, daß ein Neutronen absorbierendes Rohr (10) entsteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling (16) drei Teilervorrichtungen (26) aufweist, und daß in Schritt e) die dünne Platte oder Tafel (12, 14) in Längsrichtung in eine L-Querschnittsform an jedem Metallabstandsteil (40) gebogen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt d) die oder jede dünne Platte oder Tafel (12, 14) so ausgebildet wird, daß sie einen Metallrandteil (36) mit größerer Breite als der andere Randteil (38) aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt

e) ferner das Biegen eines der Metallrandteile (36, 38) der oder jeder dünnen Platte oder Tafel (12, 14) in eine L-Querschnittsform umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gebogene Metallrandteil (36) einer dünnen Platte oder Tafel (12, 14) mit dem nicht gebogenen Metallrandteil (38) der gleichen oder einer unterschiedlichen dünnen Platte oder Tafel (12, 14) verbunden wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 - 8 ,dadurch gekennzeichnet, daß die Metallrandteile (36, 38) durch Schweißen miteinander verbunden werden.

10. Neutronen absorbierendes Rohr (10) oder Neutronen absorbierender Rohrabschnitt (12, 14), hergestellt nach dem Verfahren eines der vorausgehenden Ansprüche.