NO115015B - - Google Patents

Description

Gass- og væsketett forbindelse mellom et brennstoffrør og veggen i en kjernereaktor.

Foreliggende oppfinnelse angår en gass- og

væsketett forbindelse mellom veggen i en kjer-neraktor og et brenselrør som forløper gjennom

kjernereaktor ens reaksjonsparti, idet brenselrø-ret består av et materiale som har god mekanisk

styrke og god gjennomtrengningsevne for nøy-troner, f. eks. zirkoniumlegering. En slik legering

er imidlertid vanskelig å sveise til beholderveggen, som fortrinnsvis består av rustfritt stål.

Fastsveisningen av brenselrøret, f. eks. av

en zirkoniumlegering med beholderveggen, som

vanligvis består av rustfritt stål, er derfor vanskelig da det dannes metallforbindelser som er

meget skjøre. Tidligere måtte derfor rørene ved

bygning av reaktoren anbringes på en slik måte

at det er vanskelig, for ikke å si umulig, å skifte

et skadet rør etterat reaktoren var tatt i bruk.

Oppfinnelsen går ut på å anordne brensel-rørene i en kjernereaktor slik at man kan mon-

tere disse uten at reaktoren må stoppes. Ifølge oppfinnelsen består forbindelsen av en hylse som er forbundet med beholderveggen og som i den ende som vender mot reaktoren er påsatt en ring, og av en muffe med et ringformet avsnitt hvis ytre diameter er lik ringens indre diameter, muffen består av et material som er sveisbar med ringen, fortrinnsvis av rustfritt stål og mekanisk forbundet med en ende av brenselrøret allerede ved montasjen, idet diametrene på de enkelte deler i anordningen er valgt slik at rø-ret sammen med den på dette anbragte muffe er innskyvbar gjennom hylsen og ringen, og den endelige fastsettelse av brennerrøret skjer ved at den utoverragende ende av ringen sveises sammen med den tilsvarende ende av muffen. På denne måte er det mulig å skifte røret under reaktorens drift og erstatte dette med et nytt uten at reaktoren stanses.

Det er tidligere kjent én forbindelse mellom et austinittisk og et ferrittisk rør, der enden av det austinittiske rør er innvalset i en ferrittisk forbindelsesmuffe som er forsynt med valseriller. Videre er det kjent med et forbindelsesstykke av et materiale hvis utvidelseskoeffisient kontinuer-lig forandrer seg fra den ene ende til den andre, og videre en fremgangsmåte til fastsettelsen av rør i varmeveksler. I begge tilfeller dreier det seg, i motsetning til foreliggende oppfinnelse, om ved sveising å forbinde et mellomstykke ved endene med elementer med forskjellige legeringer, mens anbringelsen av røret til mellomstykket skjer mekanisk og der bare muffen sveises til en ring av likt materiale.

Oppfinnelsen går videre ut på å forbinde muffen med brenselrørets ende ved hjelp av en på enden av røret avtettet forskruning og å full-stendiggjøre avtetningen ved enden av forskruningen ved hjelp av aksial påtrykning av en metallisk ring.

Til forhøyelse av avtetningen ved enden av forskruningen kan ifølge et ytterligere trekk ved oppfinnelsen et tynt sylindrisk fremspring på et av elementene være forbundet med det andre element ved hjelp av en rundtgående sveising med ultralyd. Fortrinnsvis oppviser hver gjenge ifølge en videre utvikling av oppfinnelsen kjegleform og er ved den ene ende avkortet og ved den andre forsynt med mindre gjengedybde slik at den samvirker med den avkortede ende av de andre gjengene.

Ifølge et ytterligere trekk ved oppfinnelsen skjer forbindelsen mellom brenselrørenden og muffen ved at begge de i hverandre anordnede elementer trykkes inn i en ringformet åpning med mindre radielt tverrsnitt.

Oppfinnelsen går videre ut på at forbindelsen av muffen til den nevnte rørende skjer før montasjen i reaktoren ved at det i det indre av den av disse to elementer bestående anordning stikkes inn en dor med større termisk utvidelseskoeffisient enn det indre element og at muffe og rørende blir loddet til hverandre i vakuum under en beskyttelsesgass.

Foreliggende oppfinnelse skal forklares nær-mere ved hjelp av tegningen som i

Fig. 1 viser et aksielt snitt av en rørende som ifølge oppfinnelsen er anordnet og i reaktorrom-met på en kjernereaktor som er moderert med tungtvann. Fig. 2 viser et skjematisk riss av rørenes anordning i kjernereaktor ens reaksjonsparti. Fig. 3 og 4 viser halvparten av et aksialt snitt gjennom disse rørs detaljer i to forskjellige ut-førelsesformer. Fig. 5 og 6 viser skjematisk et aksialt snitt der det fremgår to forskjellige fremstillingsmå-ter for rørene.

Det i figurene viste rør 1, 2 er utført slik at det kan anbringes i reaksjonspartiet 3 på en kjernereaktor 4, der det som moderator blir brukt tungtvann som inneholdes i en tett beholder 5.

Under reaktorens drift inneholder disse rør-ene brenselelementer og gjennomstrømmes av kjølegass under trykk, hvorfra også deri almin-nelige betegnelse «trykkrør» er utledet. Man må altså sørge for tetning for tungtvann mellom beholderen 5 og brenselrørene samtidig for tetning med hensyn til den under trykk stående gass mellom brenselrørene og tilførsels- og utgangs-rør for gassen.

Fortrinnsvis fremstilles de deler av røret som befinner seg i reaksjonspartiet av zirkonium eller en zirkoniumlegering, for eksempel såkalt zircaloy, som vesentlig består av zirkonium, 1,2— 1,7 pst. tinn, 0,07—0,2 pst. jern, 0,05—0,15 pst. krom og 0,03—0,08 pst. nikkel, idet delene angir vektpst. Disse stoffer er praktisk talt de eneste som er økonomisk godtagbare samtidig som de har en god mekanisk styrke og god gjennomtrengelighet for nøytroner.

Beholderen og ledningen for den under trykk stående gass utenfor reaksjonsområdet fremstilles på grunn av mekaniske styrkeegen-skaper av rustfritt eller halvrustfritt stål.

Problemet består i å fremskaffe en tett forbindelse mellom rørformede elementer på zirko-niumbasis og forbindelsesstykker av stål. Disse materialer er ikke sveisbare med hverandre da de ved smelting danner metalliske forbindelser som er meget skjøre. Det er derfor nødvendig å benytte seg av en fremgangsmåte som arbeider uten smelting, noe som vanskeliggjør montasje og demontasje av brenselrørene. Dette arbeidet er nødvendig etterat reaktoren har arbeidet en viss tid dersom man vil forhindre at reaktoren stopper som følge av ødeleggelse av et brensel-rør, f. eks. på grunn av korrosjon.

Problemene med dette arbeidet i tilknytning

til reaktoren vil fremgå av følgende: Beholderen for tungtvann er for biologisk avskjerming og av termiske årsaker omgitt av et lag 6 med vann og et betonglag 7. Som en følge av dette må et antall tett mot disse lagene førte ledninger, dannes av stålhylser 8. Gjennomfør-ingene kan ikke bestå av brenselrørene selv dersom man vil ha mulighet for å bytte dem ut. Stålhylsene 8 må være permanent festet ved reaktorens fremstilling og sveiset fast i beholderen. De forskjellige beskyttelseslagene 6 og 7 hindrer praktisk tilgangen til beholderen fra den ytre ende av brenselrørene eller fra hylsene 8. All montasje og demontasje av rørene kan altså ba-re utføres gjennom det indre av hylsene etterat beskyttelseslukker og spesielle deler, såsom var-meskjermer, føringsorganer o. 1. er fjernet fra disse hylser og rør. Dessuten må brenselrørene kjøles med fri konveksjon av vannet i største-oarten av deres lengde. Dette utelukker enhver anordning av et ringformet vannvolum som er mer eller mindre iro og som befinner seg mellom brenselrørene og omhyllingen. Den uunngåelige oppvarmning av volumet til en temperatur som kan gå opp til 500° C, ofte til og med over denne temperatur, ville gi disse rørene utillatelige høye spenningsforskjeller. Rørene bør derfor være korte i beholderen.

Disse forskjellige betingelser, på den ene side de spesielle egenskaper på de stoffer som skal behandles og på den annen side den dårlige til-gjengelighet til de enkelte deler i anordningen, begrenser mulighetene for en praktisk løsning for oppnåelse av den ønskede tette anordning. Normalt er det mulig i en viss avstand å skaffe en forbindelse mellom metaller med like egenskaper, f. eks. ved sveising, ommantling, pressing, innvalsing eller påkrymping. Dette er imidlertid ikke mulig når det gjelder i en viss avstand å fremstille en forbindelse mellom zircaloy og rustfritt stål. Samtlige løsninger på metallurgisk ba-sis (f. eks. sveising) og størstedelen av de mekaniske forbindelser (f. eks. sintring) faller her på forhånd bort.

Ifølge oppfinnelsen forbinder man i første arbeidstrinn, som skjer i et verksted, en muffe 2 av rustfritt stål til begge ender av en rørformet del 1 av zircaloy, først og fremst ifølge en av ne-denstående anførte metoder. I et annet arbeidstrinn som utføres på anleggsstedet anbringes ved sveising muffen 2 i det indre av ringen 9 av rustfritt stål som på sin side er forbundet med beholderen 5.

I fig. 1 fremgår det at en rørformet hylse 8 tett og mekanisk motstandsdyktig er sveiset fast til veggen (som kan bestå av flere lag) i beholderen 5 og med veggen 10 (som likeledes kan bestå av flere lag) som atskiller betonglaget 7 fra lettvannslaget. Denne hylse sikrer forbindelsen mellom lagenes ytre og reaksjonsområdet 3 og er av tilstrekkelig størrelse til å tillate gjennom-gang av brenselrøret 1, 2 og løper på den ene side av beholderen ut i et sylindrisk utvidet avsnitt 8X, mens den indre delen av ringen 9 er festet ved hjelp av sveising. Denne ringen oppviser to sylindriske avsnitt med forskjellig ytre diameter, hvorav den ene, 91kan være tett tilpasset til det' indre av det utvidede avsnitt 8,, og hvorav det andre, 92har et fremspring som rager fritt inn i det indre av det utvidede parti 8!i motsatt retning av reaksjonsområdet.

Hylsen 8 og ringen 9 (stål mot stål) er sveiset til hverandre ved 11 som ligger i plan lodd-rett på røraksen. Likeledes er muffen 2 sveiset til ringens 9 avsnitt 92(stål mot stål) langs en berøringsdiameter 12. Denne diameter 12 er i virkeligheten lett tilgjengelig for et sveisemunn-stykke eller andre verktøy fra yttersiden av reaksjonsområdet gjennom hylsen 8.

Som nevnt ovenfor fremstilles de tette forbindelser mellom midtdelen 1 av zircaloy i hvert brenselrør og endemuffene 2 av rustfritt stål i et verksted eller et laboratorium.

For å imøtegå problemene med hensyn til plassbehov festes muffene ikke umiddelbart på den midlere del 1, men på en kortkrave lxav zircaloy og anordningens hylse-krave forbindes med det ytterligere avsnitt 12på den midtre del. Denne forbindelse (zircaloy på zircaloy) kan lett skje i verksted ved hjelp av sveising slik som vist ved 13 i fig. 1. Sveisingen kan f. eks. skje under en argonatmosfære eller ved elektronbombardement.

Med hensyn til den tette befestigelse av en muffe 2 (rustfritt stål) på en krave lt (zircaloy) har man valget mellom et større antall forskjellige fremgangsmåter som kan brukes i et verksted som kan bearbeide relativt små deler.

Ved et første utførelseseksempel på denne befestigelse fremstilles en forskruning der begge delene lt og 2 som skal forbindes med hverandre, forsynes med gjenger som gir en fullstendig tetning ved endene av sammenskruningen.

I en første variant av denne utførelse gir man gjengene en profil som er vist ved 14 i fig. 3 (i et halvt aksielt snitt). Profilen har i det vesentlige form av en avkortet kjegle og hver gjenge er avkortet ved den ene ende og har ved den andre ende gjengedybde med mindre dybde som samvirker med de avkortede ender på de motsvarende i gjengene. Denne profil gir både en god mekanisk styrke og en skjøtforbindelse som krever liten plass i tverr-retningen.

Tetningen på innsiden, mot det høye trykk, oppnås på den ene side ved hjelp av aksial sammentrykning av en metallring 15 (f. eks. av ut-glødd kopper eller av messing) og for det annet ved radiell sammentrykning av to partier som berører hverandre ved (16), idet sammenpres-ningen gir en radiell deformering på noen tiendedels millimeter (presspasning).

Tetningen utad, på den ene side med lavt trykk, har som hovedformål å unngå risiko for korrosjon (som følge av sprengdannelser) og oppnås ved aksialt anlegg mellom plane flater (ved 17) ved enden av gjengene og/eller en fast-spenning på grunn av den stramme innføring av to sylindriske flater som berører hverandre (ved 18).

Gjengenes tverrsnitt har fortrinnsvis form

av likebenede trapeser med avrundede hjørner.

Ved en foretrukket utførelsesform oppviser brenselrørene en ytre diameter på 100 millimeter, veggtykkelsen 5 mm, og de i aksiell retning for-løpende sylindriske flater var glatte, de avkortede endene på gjengene og det egentlige gjenge-avsnitt var henholdsvis 6, 12 og 18 mm. Ringens 15 aksielt tverrsnitt var et kvadrat med 1 mm lange sider, vinkelen målte på gjengenes høyeste sted 15°, gjengedybden 1,5 mm ved det normale avsnitt og 0,8 mm ved de avkortede endene og muffen besto av rustfritt stål 18/8.

Ved en annen utførelsesform av endefor-skruning ble gjengene gitt den med 19 i fig. 4 betegnede profil som har vesentlig sylindrisk form. Hver forskruning er konisk mot endene ved at gjengetoppene er avkortet og gjengedybdene i den andre enden av forskruningene er gjort tilsvarende grunne slik at de to forskruningene samvirker med hverandre.

På hver av delene 1 og 2 er det anordnet et sylindrisk fremspring 20 på noen tiendedels mm tykkelse. Disse fremspring blir liggende tett an mot en bearbeidet flate på det andre stykke ved enden av forskruningen.

Tetningen ved gjengenes ende oppnås ved anlegg mellom plane partier 21 og en rundtgående sveisning av hvert av fremspringene 20 til den bearbeidede flate ved hjelp av ultralyd.

Ifølge et annet utførelseseksempel fremstilles forbindelsen muffe-krave på følgende måte: Man anordner et rørformet element 22 (fig. 5) av zircaloy tett i et annet rørformet element 23 av rustfritt stål. Det hele omgis med en hylse 24 av mykt stål, som f. eks. under vakuum ved hjelp av elektronbombardement blir sveiset for å unngå enhver uønsket oksydasjon.

I tilslutning til dette skyves det hele inn på

en dor 25 med tiltagende tverrsnitt, oppvarmer delen til en temperatur mellom 850 og 900° C og trykker det sammensatte legemet i retning mot det større avsnitt på doren ved hjelp av en hul-støtstang 26. Dorens største diameter befinner seg overfor den indre overflate av et dreielegeme 27. Dette bestemmer forbindelsens tverrsnitt.

I denne forbindelse, som er vist med strek-prikk-linjer ved 28 er de to rørformede utgangs-elementer ført intimt sammen. På innsiden av den ene aksiale ende fjerner man zirkaloyen og på utsiden av den andre ende stålet, hvorved produktet ved sin ene ende består av zirkaloy av den type som anvendes i de ovennevnte kra-

ver lj og ved sin annen ende av rustfritt stål av samme type som muffen 2.

Ved en forbindelse av sistnevnte type hadde delen av zirkaloy fra begynnelsen en indre diameter på 24 mm og en ytterdiameter på 44 mm,

og det andre element, som besto av rustfritt stål, hadde en indre diameter på 44 mm og en ytterdiameter på 58 mm mens den ferdige forbindelse en ytre diameter på 100 mm og tykkelsen på hvert element var nedsatt med 3 mm.

Ifølge en tredje utførelsesform for forbindelse muffe-krave brukes det en slagloddeforbin-delse, idet man mellom to rørformede elementer,

hvis indre 29 består av zirkaloy og hvis ytre 30 består av rustfritt stål anbragte et mellomlag for sammensmeltningen (fig. 6). For dette for-

mål skyves det første av disse elementer tett inn i det andre og skyver det hele inn på en sylindrisk dor 31 som består av et materiale som har en termisk utvidelseskoeffisient som er større enn for zirkaloy.

I tilslutning til dette blir det hele oppvarmet

til 1000° C under vakuum eller under en beskyt-telsesatmosfære (helium eller argon) hvorved elementet 29 klemmes fast mot elementet 30 og det skjer en metallisk smeltning mellom de fla-

tene som berører hverandre.

En slik dor kan bestå av rustfritt stål eller enda bedre av en legering som inneholder 65,3

pst. jern, 25 pst. aluminium og 9,7 pst. krom og hvis termiske utvidelseskoeffisient mellom 0 og 1020° C er konstant på 40.10-". i sammenlig-ning med dette har zirkaloy en utvidelseskoeffisient på omkring 6. IO-6 og rustfritt stål 18. 10-6.

Det kan være fordelaktig å omgi det ytre element 32 med en foring med liten uvidbarhet for å understøtte den etterstrebede sammensmelt-ning. Foringen kan dog ha samme utvidelseskoeffisient som elementet 30 for å kontrollere form-ingen.

Ifølge et ytterligere utførelseseksempel fes-

ter man muffen på kraven ved påkrympning.

For å oppnå fullstendig tetning på forbindel-sene, som er fremstilt i henhold til den ene eller den annen av de foranbeskrevne utførelsesfor-mer, kan det være av interesse å anbringe et hef-tende metallag langs minst en av de linjer som begrenser skjøtens ender. Dette gjøres fordel-aktigst ved at man på denne linje påfører me-tallpartikler ved hjelp av en plasmastråle ved en meget høy temperatur (15000° C).

Claims (7)

1. Gass- og væsketett forbindelse mellom et brenselrør som går inn i en kjernereaktors reaksjonsparti og reaktorens vegg, idet brenselrøret består av et materiale som oppviser en god mekanisk styrke og god gjennomtrengelighet for nøytroner, som f. eks. en zirkoniumlegering, men som er vanskelig å sveise til beholderveggen som fortrinnsvis består av rustfritt stål, karakterisert ved at forbindelsen utgjøres av en hylse (8) som er tett forbundet med beholderveggen (5) og i hvis ende som vender mot reak-

toren (3) der er innsatt en ring (9), og av en muffe (2) med et ringformet avsnitt hvis ytre diameter er likt med ringens (9) indre diameter, og at muffen består av et materiale som er sveis-bart med ringens (9) materiale, fortrinnsvis rustfritt stål, og at muffen er mekanisk forbundet med den ene ende av brenselrøret (1) allerede ved montasjen, idet diametrene på de enkelte deler av anordningen er valgt slik at røret (1) sammen med den på dette anbragte muffe (2) er innskyvbar gjennom hylsen (8) og ringen (9) og at den endelige befestigelse av brenselrøret skjer ved at den utoverragende ende på ringen (9) blir sveiset sammen med den tilsvarende en-de på muffen (2) med en sveisesøm (12).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at muffen er forbundet med enden av brenselrøret ved hjelp av en ved enden an-bragt tettende forskruning.

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at avtetningen ved enden av forskruningen ytterligere tettes ved hjelp av aksiell påtrykning av en metallisk ring.

4. Anordning ifølge krav 2 eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at et tynt sylindrisk fremspring ved enden av forskruningen på det ene element er forbundet med det andre element ved en rundtgående sveising med ultralyd, for forhøyelse av tetningen.

5. Anordning ifølge krav 2 eller flere av foregående krav, karakterisert ved at hver gjenge vesentlig oppviser avkortet kjegleform som ved en av forskruningens ender er avkortet og at gjengedybden i den andre enden er grun-nere, slik at de korte gjengene på den ene forskruning samvirker til en god tetning med de mindre gjengedyp på den andre forskruning.

6. Fremgangsmåte til fremstilling av forbindelse mellom brenselrørenden og muffen ifølge kravene 1—5, karakterisert ved at forbindelsen av muffen med den nevnte rørende skjer før montasjen ved at de to ihverandre anordnede elementer trykkes gjennom en ringformet åpning med mindre radiell tverrsnitt.

7. Fremgangsmåte til fremstilling av forbindelse mellom enden av brenselrø ret og muffen ifølge krav 1—5, karakterisert ved at forbindelsen mellom muffe og nevnte rørende skjer ved å tvinge de to elementer som skal for bindes inn på en dor som har større termisk utvidelseskoeffisient enn det indre element, og at muffe bg rørende blir slagloddet til hverandre i vakuum under beskyttelsesgass.