DE69401572T2

DE69401572T2 - Leitrohr für Kernbrennstabbündel und Fertigungsverfahren eines solchen Rohres

Info

Publication number: DE69401572T2
Application number: DE69401572T
Authority: DE
Inventors: Michel F-69100 Villeurbanne Verdier
Original assignee: Framatome SA; Compagnie Generale des Matieres Nucleaires SA
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 1993-12-29
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2014-12-24
Also published as: EP0661719B1; DE69401572D1; KR950020760A; FR2714516A1; FR2714516B1; TW259872B; CN1108420A; EP0661719A1; ZA9410342B; US5606583A; ES2097625T3; JPH07306281A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Steuerstabführungsrohre, die zum Einbau in das Skelett einer Brennelementkassette bestimmt sind. Man weiß, daß üblicherweise verwendete Brennelemente zwei durch Führungsrohre aus einer Legierung auf Zirkoniumbasis verbundene Ansatzstücke aufweisen, an denen im allgemeinen Brennstabhaltegitter befestigt sind, die einem regelmäßigen Raster folgen. Wenigstens bestimmte im Reaktor angeordnete Brennelementführungsrohre sind für die Aufnahme der des Steuer-Brennelementbündels während des Herabsinkens des letzteren vorgesehen. Herkömmlicherweise weisen die Führungsrohre in ihrem unteren Abschnitt einen verengten Bereich auf, der dazu dient, das Absinken bzw. Fallen des Bündels am Ende der Bewegung von letzterem durch die Walzen des Kühlmittelstromes zu bremsen, der durch den Stab zwischen letzterem und dem verengten Bereich ausgetrieben wird.
Dieser untere Abschnitt ist im Fall des Bündelfallens sehr beansprucht, aufgrund der Tatsache des hydraulischen Überdrucks, der dann auftritt. Er ist ebenso im Fall von vorübergehenden Erscheinungen beansprucht, die nach und nach das Anheben des Brennelements und dann sein Abfallen verursachen. Im Verlauf dieses Abfallens läuft die Trägheitskraft des Brennelements Gefahr, das Abknicken der schwächer gemachten Rohrabschnitte zu verursachen.
Die Figur 1 zeigt beispielsweise die allgemeine Ausbildungund die Befestigungsart eines zur Zeit üblicherweise verwendeten Führungsrohres 10. Dieses Führungsrohr hat über beinahe seine gesamte Länge eine konstante Dicke. Innerhalb eines gewöhnlichen bzw. laufenden Abschnittes 12, dessen Länge L im allgemeinen im Bereich von 80% der Gesamtlänge des Rohres liegt, weist letzteres einen Nennaußendurchmesser D auf Der laufende Abschnitt 12 verlängert sich im abgebildeten Fall nach oben in einen aufgeweiteten Endbereich 14 zur Befestigung am oberen Ansatzstück 16 des Brennelements mittels einer Gewindehülse 25. Der untere Abschnitt des Führungsröhres weist über den größten Teil seiner Länge einen verringerten Durchmesser d auf. Aufgrund der Tatsache, daß die Dicke des Rohres konstant ist, kommt die Verengung des Rohres von D auf d in einer Verringerung des Innendurchmessers zum Ausdruck. Das durch einen Brennstab 18, der entlang des Rohres hinabsinkt, verdrängte Kühlmittel erfährt in Folge einen beachtlichen Druckverlust wenn der Brennstab den laufenden Abschnitt 12 überschreitet. Der Fuß 20 des Rohres kann nicht verengt werden, insbesondere wenn die Befestigungseinrichtungen am unteren Ansatzstück 22 von der in Figur 1 gezeigten Art sind, die eine hohle Schraube 23 verwenden, um einen verengten Kühlmittelaustrittsdurchgang zu bilden, oder überdies um ein nicht dargestelltes Gitter zu befestigen. Der Abschnitt 12 kann stellenweise einen Bereich 24 mit einem Durchmesser D aufweisen, der es beispielsweise erlaubt, ein weiteres nicht dargestelltes Gitter zu befestigen.
Es ist nicht notwendig, hier die Einrichtungen zur Befestigung des Führungsrohres 10 an den Ansatzstücken 16 und 22 zu beschreiben: sie sind beispielsweise von der in den Druckschriften FR-A-2 368 785 und 2 465 916 beschriebenen Art, auf die man verweisen kann.
Die Verengung des Querschnitts d des Führungsrohres der Figur 1 stellt einen geschwächten Abschnitt dar, der im Falle übermäßiger Beanspruchungen verformt werden kann. Man könnte daran denken, dieses Risiko durch eine stellenweise Verringerung des Innendurchmessers des unteren Abschnittes eines Führungsrohres konstanten Durchmessers D zu beseitigen indem man ein Rohrteilstück in den unteren Abschnitt schweißt. Aber diese Verschweißung würde ebenfalls störende Restbeanspruchungen weiterbestehen lassen, sowie geometrische Unstetigkeiten des Durchmessers und der Geradlinigkeit.
In dieser Beziehung ist aus der Druckschrift US-A-5 068 083 ein Führungsrohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus mehreren durch mechanisches Stecken zusammengebauten Teilen bekannt; diese zweiteilige Konstruktion kann mechanische Beanspruchungen und Unstetigkeiten verursachen.
Die vorliegende Erfindung zielt insbesondere darauf ab, ein Führungsrohr für Brennelementkassetten zur Verfügung zu stellen, das besser als die bisher bekannten den Anforderungen der Praxis genügt, insbesondere dadurch, daß es es ermöglicht, das Risiko von stellenweiser Schwächung und Unstetigkeiten zu vermeiden oder zu verringern.
In dieser Absicht sclhlägt die Erfindung insbesondere ein Führungsrohr für einen Steuerstab für ein Kernreaktorbrennelementbündel gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 vor.
Die Erfindung schlägt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Führungsrohres für einen Steuerstab für ein Kernreaktorbrennelementbündel, gemäß Anspruch 4 vor.
Die Erfindung wird bei der Lektüre der folgenden Beschreibung einer besonderen Ausführungsform besser verständlich, die als Beispiel und nicht als Einschränkung angegeben ist. Die Beschreibung bezieht sich auf die sie begleitenden Zeichnungen, in denen:
- die bereits erwähnte Figur 1 den allgemeinen Aufbau eines Führungsrohres nach dem bisherigen Stand und die Einrichtungen zur Verbindung des Rohres an den Ansatzstücken eines Bündels zeigt;
- die Figur 2, ähnlich zu Figur 1, ein erfindungsgemäßes Führungsrohr zeigt;
- die Figuren 3 und 4 Schemata sind, die dazu dienen, zwei aufeinanderfolgende Herstellungsschritte eines erfindungsgemäßen Rohres zu zeigen.
Das in Figur 2 schematisch gezeigte Führungsrohr 30 weist einen über beinahe seine gesamte Länge konstanten Außendurchmesser D auf, mit Ausnahme eines geweiteten oberen Endbereiches 34 zur Befestigung an einem nicht dargestellten oberen Ansatzstück. Die Tatsache, daß der Außendurchmesser konstant ist, ermöglicht die Befestigung von Gittern an beliebigen Stellen durch Schweißen oder durch jedes andere mechanische Verfahren, wie Quetschen oder Walzen. Das Rohr weist einen laufenden Abschnitt 32 mit einer Dicke e&sub1; auf, die im allgemeinen von derselben Größenordnung sein wird wie die Dicke eines herkömmlichen Führungsrohres des gleichen Nenndurchmessers und der gleichen Länge. Jedoch hat der untere Abschnitt des Führungsrohres 30, der im allgemeinen 10 bis 30 % und gewöhnlich ungefähr 20 % der gesamten Rohrlänge einnimmt, eine erhöhte Dicke e&sub2;, um einen Kanal mit einem geringeren Durchmesser als in dem oberen Abschnitt zu begrenzen. Die Dickenänderung zwischen e&sub1; und e&sub2; ist zunehmend und wird beispielsweise in Form eines Konusses mit einem Spitzenwinkel von ungefähr 10º ausgeführt. Die Überdicke e&sub2;-e&sub1; wird nach dem Druckverlust gewählt, mit dem der aufsteigende Fluß des Kühlmittels beaufschlagt werden soll, das vom Führungsrohr durch das Absinken eines Kontrollstabes herausgetrieben wird. Oberhalb des unteren verengten Abschnittes, in einem mittleren Abschnitt des Rohres, können Öffnungen 37 vorgesehen sein, um das Kühlmittel im Falle eines schnellen Abfallens des Kontrollstabes ausströmen zu lassen. Öffnungen 36 können in der Wandung des Rohres 30, im unteren Abschnitt des letzteren, ausgebildet sein, um den Überdruck zu begrenzen und den Stabes zunehmend zu bremsen, wenn er das Ende des Weges erreicht.
Die oberen und unteren Enden des Führungsrohres 30 können von denen in Figur 2 beispielhaft dargestellten verschieden sein, um sie an andere Befestigungsweisen als die der Figur 1 anzupassen.
Es sind verschiedene Herstellungsverfahren anwendbar um ein Führungsrohr der in Figur 2 gezeigten Art zu verwirklichen.
Man kann insbesondere von einem Rohling ausgehen, der von einem Rohrteilstück mit einem konstanten Durchmesser und einer Dicke, die im wesentlichen gleich e&sub2; ist, gebildet wird, gewöhnlich aus einer Legierung auf Zirkoniumgrundlage mit geringem Neutroneneinfangdurchmesser. Der Rohling wird über einen Teil seiner Länge, der dazu bestimmt ist, den Abschnitt 32 entstehen zu lassen, einer Verringerung der Dicke bis zu einem Wert nahe e&sub1; mittels eines herkömmlichen Verfahrens zur Außendurchmesserverringerung unterzogen. Man kann insbesondere ein Drehkneten oder -hämmern anwenden, was den Rohling in ein Zwischenprodukt 38 mit im wesentlichen konstantem Innendurchmesser, von der in Figur 3 gezeigten Art verwandelt.
Das Zwischenprodukt 38 wird dann einer anderen Behandlung unterzogen, um ein Rohr zu verwirklichen, das einen über beinahe seine gesamte Länge konstanten Außendurchmesser aufweist. Die metallurgische Behandlung, die es erlaubt, zu einem Führungsrohr 30 der in Figur 4 gezeigten Art zu gelangen, kann ein Drehhämmern sein, das es erlaubt, den starken Abschnitt ins Innere des Führungsrohres zu treiben.
Der eine und/oder der andere Endabschnitt des Führungsrohres können überdies, wenn nötig, nach der Art der Befestigung an den Ansatzstücken geformt werden. Das Rohr wird Bearbeitungen und Behandlungen unterzogen, die dazu dienen, ihm eine zufriedenstellende Oberflächenbeschaffenheit zu geben. Schließlich wird das Rohr, das durch Hämmern erhalten worden und stark hartgeschmiedet ist, im allgemeinen einer Vergütungsbehandlung unterzogen.
Das Führungsrohr kann von verschiedenen Legierungen auf Zirkoniumbasis mit geringer Neutronenabsorption gebildet werden. Die beim Rohr im Laufe seiner Herstellung angewendeten thermo-metallurgischen Behandlungen hängen bis zu einem gewissen Grad von der gewählten Legierung ab.
Die Führungsrohre können insbesondere aus einem der "Zirkaloy-4" genannten Materialien gebildet werden, die in Gewichtsanteilen die folgende zusammensetzung haben:
- Zinn : 1,20-1,70 %,
- Eisen : 0,18-0,24 %,
- Chrom : 0,07-0,13 %,
- Sauerstoff : 0,09-0,16 %,
wobei die Summe des Eisen- und Chromgehaltes im Bereich von 0,18 und 0,37 % liegt, und der Rest aus Zirkonium ist, mit Ausnahme der unvermeidlichen Verunreinigungen.
Rohrförmige Rohlinge aus Zirkaloy-4, die von Barren ausgehend erhalten werden, sind auf dem Markt in spannungsloser Form, in α-Phase, erhältlich. An diesen Rohlingen wird die Verminderung der Dicke in wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Schritten ausgeführt, kalt, mit Zwischenrekristallisation durch Aufheizen auf eine Temperatur zwischen 500ºC und 750ºC während einem Dutzend Stunden. Nach einer metallurgischen Behandlung zum Zurücktreiben des starken Abschnittes in das Innere, wird das Rohr einer Abschlußgesamtbehandlung unterzogen, die von einer Entspannung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 450ºC und 750ºC gebildet wird, die oft bis zu einer vollständigen Rekristallisation geht, die durch Halten während einer Stunde bis sechs Stunden auf einer Temperatur zwischen 600ºC und 750ºC erhalten wird.
Es ist ebenso möglich, Rohre aus einer "Zirkaloy-2" genannten Legierung zu verwenden, die Nickel enthält und deren Zusammensetzung zuzüglich Zirkonium:
- Zinn : 1,20 - 1,70 %
- Eisen : 0,07 - 0,20 %
- Chrom : 0,05 - 0,15 %
- Nickel: 0,03 - 0,08 %
ist, wobei die Summe des Eisen-, Chrom- und Nickelgehaltes zwischen 0,18 und 0,38 % liegt.
Eine andere verwendbare Zirkoniumlegierung enthält nur 0,6 bis 3 % Niob und 90 bis 3000 ppm Sauerstoff, wobei der Rest von den unvermeidlichen Verunreinigungen gebildet wird. In diesem Fall werden die Zwischenrekristallisationsbehandlungen im allgemeinen bei 500ºC bis 620ºC während einer bis sechs Stunden ausgeführt. Die Schlußbehandlung kann die gleiche wie im Fall von Zirkaloy-4 sein, aber vorteilhafterweise zwischen 500ºC und 595ºC.
Man kann überdies quaternäre Legierungen auf Zirkoniumbasis verwenden, die 0,3 bis 1,7 % Zinn und 0,01 bis 0,8 % Eisen in Gewichtsanteilen enthalten, sowie eines der folgenden Elemente:
- Niob : 0,30 - 1,50 %
- Vanadium : 0,10 - 0,50 %
- Chrom : 0,03 - 0,50 %
- Sauerstoff : 0,01 - 0,50 %
In diesem Fall kann das Zwischenausglühen während einer bis sechs Stunden bei 450ºC bis 650ºC ausgeführt werden. Die Abschlußbehandlung kann von einer Entspannung von einer Stunde bis zu sechs Stunden zwischen 450ºC und 650ºC gebildet werden.

Claims

1. Führungsrohr für einen Steuerstab für eine Kernreaktorbrennelementkassette, aus einer Legierung auf Zirkoniumgrundlage, in dessen Rand Kühlmittelaustrittslöcher (36, 37) gebrochen sind und das, ausgenommen ggf. in einem Endabschnitt (34) zur Befestigung an einem Kopfstück, eine zylindrische Außenfläche aufweist und in einem unteren Bereich des Rohres eine erhöhte Dicke aufweist, so daß das Rohr mit einem zylindrischen Stab einen Durchgang begrenzt, der im unteren Bereich des Rohres verengt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr einstückig ist und auf einer Länge von zwlschen 10 und 30 % der Gesamtlänge des Rohrs eine konstante, erhöhte Dicke hat und von einigen der Löcher durchbrochen ist.

2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Bereich mit erhöhter Dicke ca. 20 -% der Länge des Rohrs ausmacht.

3. Rohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung zwischen der Innenoberfläche des gewöhnlichen Bereichs des Rohrs und der Innenoberfläche des unteren, verdickten Bereich des Rohrs die Form eines Kegels mit einem Scheitelwinkel von ca. 10º hat.

4. Verfahren zur Herstellung eines Führungsrohrs für einen Steuerstab für eine Kernreaktorbrennelementkassette, bei dem ein rohrförmiger Rohling von im wesentlichen konstanter Dicke gebildet wird, die Dicke des Rohlings auf einem Teil von zwischen 70 und 90 % seiner Länge unter Beibehaltung eines konstanten Innendurchmessers verringert wird und der Bereich des Rohlings, der seine ursprüngliche Dicke behalten hat, nach innen gedrückt wird, um ein Rohr mit konstantem Außendurchmesser zu bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Dickenverringerung und das Eindrücken durch Drehhämmern bewirkt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 mit einer abschließenden Entspannungs-Wärmebehandlung über mehrere Stunden bei einer Temperatur zwischen 450 ºC und 650 ºC.