Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung eines Abstandshalters, der eine Vielzahl von
Abstandshalter-Elementen enthält zur Positionierung von
Brennstäben in einer Nuklearanlage, wobei zu dem Verfahren das
Vorhandensein eines Bleches gehört, welches aus einer
Zirkoniumlegierung besteht.
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Solche Abstandshalter sind normalerweise an einer Vielzahl
von Stellen längs Bündeln aus Brennstäben vorhanden, und sie
definieren Gitter, durch welche sich die Stäbe erstrecken,
und halten diese Stäbe in ihrer Position.
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Ein Verfahren der oben genannten Art ist bereits bekannt. Im
Prinzip gehört zu einem solchen Verfahren, daß das Blech aus
der Zirkoniumlegierung einen Anzahl von Walzstufen
durchlaufen hat, wobei Wärmebehandlungen des Bleches mindestens
zwischen bestimmten Walzstufen stattfinden, um eine Entspannung
und eine Struktur der Legierung zu erreichen, welche das
Walzen in den folgenden Walzstufen erleichtert. Ein aus
einer Zirkoniumlegierung in herkömmlicher Weise hergestelltes
Blech hat jedoch, bedingt durch die dabei entstehende
Mikrostruktur des Materials eine unterschiedliche
Wachstumstendenz in verschiedenen Richtungen des Bleches, wenn es
einer Neutronenstrahlung ausgesetzt ist, was der Fall ist,
wenn es als ein Abstandshalter-Element in unterschiedlichen
Typen von Kernanlagen verwendet wird. Der Grund hierfür
besteht darin, daß das Walzen des Bleches zu einer bevorzugten
Orientierung der Struktur des Materials führt. Unter der
Annahme, daß das Blech im wesentlichen eben ist, besteht die
größte Wachstumstendenz in der Praxis in einer Richtung parallel
zur Walzrichtung. Eine etwas kleinere Wachstumstendenz
betsteht in einer Richtung der Blechebene senkrecht zur
Walzrichtung, und die geringste Wachstumstendenz besteht in
der Richtung der Normalen, das heißt, in Richtung der Dicke
des Bleches. Wenn das Blech einer Neutronenstrahlung
ausgesetzt ist, findet ein Wachstum in derjenigen oder denjenigen
dieser Richtungen statt, welche für Wachstum am anfälligsten
ist/sind, während eine entsprechende Schrumpfung in einer
oder allen der anderen Richtungen stattfindet. Dies ist die
unmittelbare Folge davon, daß das Blechvolumen konstant
bleibt, wenn es der Neutronenstrahlung ausgesetzt ist.
Während der Neutronenbestrahlung wird das Blech in der Praxis
vor allem in Walzrichtung wachsen, etwas weniger senkrecht
zur Walzrichtung und in der Dickenrichtung schrumpfen.
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Hierdurch entsteht ein Problem, wenn ein Blech in
herkömmlicher Weise verwendet wird zur Bildung von Wänden eines
Abstandshalters zur Positionierung von Brennstäben in einer
Kernkraftanlage. Genauer, der Abstandshalter bildet eine
Anzahl von Kanälen, durch welche Brennstäbe verlaufen und
deren Wände von dem genannten Blech gebildet werden. Dadurch
wächst das Blech in einer Richtung senkrecht zu der
Längsrichtung der Kanäle, während gleichzeitig die Wanddicke
abnimmt, was zu einer Vergrößerung der Querschnittsfläche der
Kanäle und zur Bildung eines Spiels zwischen den Wänden der
Kanälen und den Brennstäben führt. Unter ungünstigen
Bedingungen, wie zum Beispiel beim Betrieb eines PWR-Reaktors
(Druckwasserreaktors), erleiden die Brennstäbe, bedingt
durch das genannte Spiel, folglich einen starken Abrieb an
solchen Abstandshalterabschnitten, mit denen sie dabei durch
Vibrationen in Kontakt kommen. Auf lange Sicht kann dies zur
Bildung von Löchern in den Wänden der Brennstäbe führen und
zu einem Auslecken von radioaktivem Material in die
Umgebung. Da auch die Brennstäbe aus einem Material hergestellt
sind, welches anfällig für Wachstum ist, kommt es zu einem
weiteren spiel-bildenden Effekt, wenn der Durchmesser der
Brennstäbe, die einer Neutronenstrahlung ausgesetzt sind,
kleiner wird.
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Im Stand der Technik wird das obige Problem zu einem
gewissen Grade dadurch behoben, daß die Richtung der Bleche,
die sich senkrecht zu der Längsrichtung der Kanäle
erstrecken, in der Weise angeordnet wird, daß diese Richtung
mit der Richtung der Bleche zusammenfällt, welche quer zur
Walzrichtung verläuft. Auf diese Weise wird ein beträchtlich
reduziertes Wachstum in dieser Richtung erreicht; aber
dennoch erhält man ein Wachstum, welches ausreichend groß ist,
um ein Problem durch die Bildung eines Spiels zu begründen.
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Das Problem wird auch dadurch zu einem gewissen Grade
behoben, daß Lappen aus den Abstandshalterwänden ausgestanzt
werden, welche wie Federn gegen die Brennstäbe drücken und
weiterhin auf die Brennstäbe drücken, wenn ein Wachstum
stattfindet. Jedoch haben Zirkoniumlegierungen eine etwas
niedrige Streckgrenze, um voll als Federmaterial geeignet zu
sein, wobei in der Praxis die Lappen nur in der Lage sind,
ein Spiel von der Größe dessen zu kompensieren, welches
möglicherweise in Folge der Verkleinerung des Durchmessers der
Brennstäbe auftritt. Die Lappen sind nicht in der Lage, das
gesamte Spiel zu kompensieren, welches zwischen den
Abstandshalterwänden und der äußeren Oberfläche der Brennstäbe
auftritt, bedingt durch die Durchmesserschrumpfung und das
Wachstum der Abstandshalterwand. Nach einem ersten von
mehreren Strahlungszyklen hat sich das Abstandshaltermaterial
auch entspannt, wodurch die Fähigkeit der Lappen, die
Abnahme des Durchmessers der Brennstäbe in den folgenden
Zyklen zu kompensieren, wesentlich reduziert ist.
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Die US-A-4 918 710 beschreibt die Herstellung eines quer
verstrebenden Gitters für ein Brennelement. Das Gitter wird
aus einer Zirkoniumlegierung hergestellt. Platten oder Blech
aus der Zirkoniumlegierung werden/wird kaltverformt, wobei
sich die Platten im Alpha + Beta-Zustand des Zirkoniums
befinden. Das Gitter kann auch in der Alpha-Phase behandelt
werden. Stützvorsprünge für die Brennstäbe werden durch
Schneiden und Prägen der Platten gebildet.
Zusammenfassung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren der eingangs definierten Art zu entwickeln,
welches es ermöglicht, ganz oder teilweise einen reibenden
Verschleiß der Brennstäbe an den Abstandshalterwänden zu
vermeiden und welches gleichzeitig unkompliziert und nicht sehr
teuer ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1
gelöst.
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Durch eine Beta-Abschreckung wird eine willkürliche
Verteilung der bevorzugten Orientierung der Struktur des
Bleches erreicht, was bedeutet, daß die Anfälligkeit gegen
Wachstum die gleiche ist in der Walzrichtung des Bleches wie
auch in der Querrichtung und in der Dickenrichtung. Infolge
davon wird kein Wachstum in dem Blech stattfinden, wenn
dieses später einer Neutronenstrahlung ausgesetzt ist. Dadurch
wird das Problem bezüglich eines Spiels zwischen den
Brennstäben und den Abstandshalterwänden fast vollständig
beseitigt.
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Die anschließende Wärmebehandlung in der Alpha-Phase ist
notwendig, um dem beta-abgeschreckten Blech eine allgemeine
Korrosionsfestigkeit zu verleihen, die im wesentlichen der
allgemeinen Korrosionsfestigkeit eines Bleches entspricht,
welches in konventioneller Weise hergestellt wurde. Um eine
gute Korrosionsfestigkeit gegen allgemeine Korrosion zu erreichen,
sollte die Temperatur über 650ºC, vorzugsweise über
700ºC liegen.
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Nach der Beta-Abschreckung und der Wärmebehandlung in dem
Temperaturbereich der Alpha-Phase zeigt sich, daß das Blech
eine etwas größerte Streckgrenze und eine etwas größere
Duktilität hat, was dazu führt, daß die ausgestanzten Lappen
bessere Federeigenschaften zeigen und die Gefahr einer
Rißbildung im Zusammenhang mit dem Stanzen solcher Lappen
kleiner ist.
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Es sollte erwähnt werden, daß ein anderes Verfahren, welches
die genannten Stufen einschließt, in dem schwedischen
Patentdokument SE 502 866 beschrieben wird, aber daß das
Problem in diesem Falle ein völlig anderes ist, nämlich zu
verhindern, daß Führungsrohre für Steuerstäbe in einem
Druckwasserreaktor an einem Wachstum in Längsrichtung gehindert
werden, wenn sie zwischen einer Kopf- und einer Fußplatte
eingesetzt sind und dabei der Gefahr ausgesetzt sind,
gebogen oder gebrochen zu werden. Charakteristisch für die
vorliegende Erfindung ist die Wahrnehmung der Tatsache, daß ein
vollständig anderes Problem, nämlich das Problem des Abriebs
von Brennstäbe in Abstandshaltern bedingt durch die Bildung
eines Spiels zwischen Brennstäben und Wänden von
Abstandshalter-Elementen, mittels des definierten Verfahrens gelöst
werden kann.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens
nach der Erfindung gibt man dem Blech während des Stanzens
eine erhöhte Temperatur.
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Durch die Erhöhung der Temperatur des Bleches während des
Stanzens wird eine größere Zähl von Gleitflächen in der
Zirkoniumlegierung aktiviert, und das Blech kann ohne Gefahr
von Rißbildungen im Blech leichter verformt werden. Da die
Zirkoniumlegierung eine HCP-Struktur hat und daher bei
Raumtemperatur eine kleine begrenzte Anzahl von Gleitflächen
hat, ist dies ein wichtiger Aspekt, der dazu beiträgt, die
Herstellung von Abstandshalter-Elementen leichter zu machen,
das heißt von Blechen mit vorstehenden Abschnitten, welche
wie Federn gegen die Brennstäbe drücken und dabei dazu
beitragen durch Vermeidung der Entstehung eines Spiels zwischen
den Wänden der Abstandshalter-Elemente und den Brennstäben,
bedingt durch die Reduktion des Durchmessers der Brennstäbe,
wenn diese einer Neutronenstrahlung ausgesetzt sind. Dabei
sollte beachtet werden, daß die vorstehenden Abschnitte
einen Teil der Wände der Abstandshalter-Elemente bilden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens
nach der Erfindung liegt die erhöhte Temperatur des Bleches
während des Stanzens im Bereich von 25 bis 500ºC und
bevorzugter im Bereich von 50 bis 250ºC. Dadurch erhält man die
gewünschte Aktivierung der Gleitflächen, insbesondere ohne
irgendwelche nachteiligen Einflüsse auf das Material unter
anderen Gesichtspunkten, wie zum Beispiel hinsichtlich der
Korrosion.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der
folgenden detaillierten Beschreibung und den übrigen
abhängigen Ansprüchen erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im folgenden wird eine detaillierte Beschreibung des
Verfahrens gemäß der Erfindung und eines Ausführungsbeispiels
eines nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten
Abstandshalters gegeben, und zwar beispielhaft unter Bezug
auf die beigefügten Figuren, in denen:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Abstandshalters
zeigt,
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Abstandshalter-
Zelle zeigt, die aus Abschnitten von Abstandshalter-
Elementen besteht,
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht von oben auf eine
Abstandshalter-Zelle gemäß Fig. 2 zeigt mit einem
darin vorhandenen Brennstab und
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Fig. 4 eine andere Querschnittsansicht der Abstandshalter-
Zelle gemäß den Fig. 2 und 3 zeigt.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen
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Fig. 1 zeigt einen typischen Abstandshalter 1 zur
Positionierung von Brennstäben in einer Nuklear-Anlage. Der
Abstandshalter 1 besteht aus einer Vielzahl von
Abstandshalter-Elementen 2, von denen jedes im wesentlichen aus
einem flachen Blech besteht, welche Bleche in der Weise
zusammengeschweißt sind, daß sie eine Vielzahl von Zellen 3 des
Abstandshalters 1 bilden. Die Zellen 3 definieren Kanäle mit
einem rechteckigen Querschnitt, und diese Kanäle sind dafür
vorgesehen, daß durch sie Brennstäbe 4 geführt werden, von
denen nur einer beispielhaft gezeigt ist. Durch den
Abstandshalter führen auch Führungsrohre für Steuerstäbe, und
der Abstandshalter ist an diesen Führungsrohren befestigt,
jedoch sind diese Führungsrohre in der Figur nicht gezeigt.
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Die Bleche, aus denen die Abstandshalter-Elemente 2
bestehen, bestehen aus einer aus Zirkoniumlegierung. Solche
Legierungen sind dadurch gekennzeichnet, daß sie für Neutronen
durchlässig sind und eine gute Korrosionsfestigkeit in einem
korrosiven Medium haben. Zirkoniumlegierungen sind vor allem
wertvoll als Wandmaterial von Abstandshaltern in
Druckwasserreaktoren (PWR), aber auch in Siedewasserreaktoren (BWR).
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Jedoch, bedingt durch die besonderen Bedingungen in BWRen,
wird normalerweise Inconel als Abstandshaltermaterial in
Siedewasserreaktoren verwendet, wobei das durch Wachstum
bedingte Spiel nicht auftritt. Es sei auch erwähnt, daß die
Anzahl der Zellen bei PWRen normalerweise größer ist als bei
BWRen (normalerweise 17 · 17 für PWR und 5 · 5 für BWR).
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Jedes Abstandshalter-Element hat mindestens einen Abschnitt
5,6, welcher aus der Ebene des Bleches hervorsteht. Diese
Abschnitte 5,6 enthalten einerseits einen relativ festen,
nicht-nachgiebigen vorstehenden Abschnitt 5 und einen
nachgiebigen Lappen 6, wobei beide beim Stanzen der Bleche aus
der Ebene des Bleches hervorgepreßt wurden. Der vorstehende
Abschnitt 5 und der Lappen 6 ragen in entgegengesetzten
Richtungen aus der Blechebene, das heißt der Ebene des
Abstandshalter-Elementes 2, hervor. Jede Abstandshalter-Zelle
3 enthält zwei Lappen oder Federelemente 6 und zwei
vorstehende Abschnitte oder Ausstülpungen 5. Die Federelemente 6
sind vorzugsweise an solchen Abstandshalter-Elementen 2 der
Abstandshalter-Zelle 3 positioniert, die zueinander
benachbart und senkrecht zueinander liegen, wie man der Fig. 3
entnehmen kann. Dadurch wird eine stabile und dennoch
nachgiebige Befestigung des Brennstabes 4 in der Abstandshalter-
Zelle 3 erreicht.
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Da im Betrieb der Abstandshalter 1 und die Brennstäbe 4
einer Neutronenstrahlung ausgesetzt sind, kommt es in Folge
von Wachstum zu einer gewissen Verkleinerung des
Durchmessers der Brennstäbe, die ebenfalls vorzugsweise aus einer
Zirkoniumlegierung hergestellt sind. Die Fixierung der
Brennstäbe in den Abstandshalter-Zellen bleibt jedoch gut,
da die Federelemente oder Lappen 6 so angeordnet sind, daß
sie elastisch gegen die Brennstäbe 4 anliegen, auch wenn
eine gewisse Verkleinerung des Durchmessers der Brennstäbe
eintritt. In erster Linie gilt dies für einen ersten Strahlungszyklus,
nach welchem eine Entspannung des
Abstandshaltermaterials auftritt und der Federeffekt nachläßt. Da die
Abstandshalter-Elemente 2 gemäß dem Verfahren nach der
Erfindung hergestellt sind, findet bei ihnen praktisch kein
Wachstum statt, so daß keine weitere Quelle vorhanden ist,
welche ein Spiel zwischen den Brennstäben 4 und den
Abstandshalter-Elementen 2 verursacht.
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Die oben beschriebenen Abstandshalter-Elemente und der
Abstandshalter werden in folgender Weise gemäß der Erfindung
hergestellt:
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Die Abstandshalter-Elemente 2 und die äußeren Wände 7,8 des
Abstandshalters 1 werden aus einem Blech aus einer
Zirkoniumlegierung, die beta-abgeschreckt wurde und anschließend im
Temperaturbereich der Alpha-Phase der Legierung
wärmebehandelt wurden, durch Schneiden oder Stanzen von Blechen
hergestellt mit einer Gestalt und in einer Größe, die denjenigen
der äußeren Wände 7,8 und den individuellen Abstandshalter-
Elementen 2 entsprechen. Die Abstandshalter-Elemente 2
unterscheiden sich von den äußeren Wänden 7,8 nur dadurch, daß
sie (nicht gezeigte) vertikale Schlitze aufweisen, wodurch
sie einander kreuzen können und das Netz bilden können,
welches die Abstandshalter-Zellen definiert. Die Schlitze
erstrecken sich zweckmäßigerweise bis zur Hälfte der Höhe der
Abstandshalter-Elemente und sie beginnen am Boden bei
derjenigen Abstandshalter-Elementen, die in einer der Richtungen
verlaufen, und von oben bei denjenigen, die senkrecht zu den
erstgenannten verlaufen. Es wird jedoch nicht
ausgeschlossen, daß auch die äußeren Wände mit Schlitzen versehen sind.
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Anschließend, vorher oder gleichzeitig damit werden diese
Bleche in der Weise gestanzt, daß Abschnitte 5 und 6 des
Bleches aus einer Oberfläche hervorstehen, die sich hier in
der Ebene des Bleches erstreckt. Diese Abschnitte 5,6 sind
identisch mit den vorstehenden Abschnitten oder
Ausstülpungen 5 und den Lappen oder Federelementen 6, die oben
beschrieben wurden.
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Während des Stanzens verleiht man den Blechen eine erhöhte
Temperatur, indem man das verwendete Stanzwerkzeug mit einer
erhöhten Temperatur versieht. Dadurch nimmt die Temperatur
des Bleches während des Stanzens einen Wert in der Größe von
25 bis 500ºC, vorzugsweise in der Größe von 50 bis 250ºC und
noch vorzugsweiser in der Größe von 50 bis 150ºC an.
Obgleich andere Wege zur Erwärmung des Bleches nicht
ausgeschlossen werden, ist dieser Weg besonders vorteilhaft, wenn
das Blech, wie in diesem Falle, dünn oder sehr dünn ist.
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Danach werden die Abstandshalter-Elemente 2 in der Weise
zusammengefügt, daß sie die oben beschriebenen Abstandshalter-
Zellen 3 bilden, die ihrerseits zusammen den Abstandshalter
1 selbst bilden. Die Verbindung erfolgt zweckmäßigerweise
durch Schweißen, obwohl andere Verfahren nicht
ausgeschlossen werden.
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Es soll ferner erwähnt werden, daß die auf diese Weise
gewonnenen Abstandshalter bei allen Arten von Reaktoren
verwendet werden können, daß sie aber besonders vorteilhaft bei
ihrer Verwendung in Druckwasserreaktoren (PWR) sind, und
zwar aus den oben bereits erwähnten Gründen.
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Es sollte zur Kenntnis genommen erkannt, daß innerhalb des
Schutzbereiches der Ansprüche natürlich eine Vielzahl von
Variationen und Modifikationen des Verfahrens nach der
Erfindung möglich sind.