DE1065100B

DE1065100B - Verfahren zum Aufbringen einer Stahl-oder Eisenplattierung auf die Huelsen von Kernreaktorbrennstoffelementen

Info

Publication number: DE1065100B
Application number: DED30006A
Authority: DE
Inventors: Dr Alfred Boettcher
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1959-02-14
Filing date: 1959-02-14
Publication date: 1959-09-10
Also published as: GB916618A; BE587394A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

KL. ZIg ZLIZK)

INTERNAT. KL. G 21

D30006VIIIc/21g

ANMELDETAG: 14. FEBRUAR 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 10. SEPTEMBER 1959

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überziehen von Hülsen von Kernreaktorbrennelementen mit dünnen Stahl- oder Eisenschichten.

Es ist bekannt, für Brennstoffelemente von Kernreaktoren, die einer Oberflächentemperatur von mehr als 300° C ausgesetzt sind, Zirkonhülsen zu verwenden, die außen mit einer dünnen Schicht von Stahl überzogen sind. Dabei bildet die Zirkonhülse das eigentliche, tragende Bauelement, das bei geringem Einfangquerschnitt des Zirkons dem Brennstoffelement seine mechanische und thermische Festigkeit verleiht, während der dünne Stahlüberzug die Korrosions- und Zunderbeständigkeit gewährleistet. Es ist dabei erforderlich, den Stahlüberzug'zu dünn wie möglich zu halten, um unerwünschte Neutronenverluste zu vermeiden, die bei höheren Wandstärken infolge des verhältnismäßig höheren Einfangquerschnittes von Stahl auftreten würden. Das ist auch der Grund, weshalb die Umhüllung von Brennstoffelementen mit Stahl allein, die wegen der mechanischen Stabilität höhere Wandstärken erforderlich machen würde, bei Verwendung von nicht angereichertem Kernbrennstoff im allgemeinen nicht möglich ist. Bei dem Aufbringen dieser dünnen Stahlüberzüge auf mit Zirkoncans versehene Brennstoffelemente muß berücksichtigt werden, daß der Stahlüberzug auch bei Brennstoffelementen, deren Hülsen im Interesse des besseren Wärmeaustausches oder zur Zentrierung mit sogenannten Fins, d. h. Nasen, Rippen oder anderen Vorsprüngen versehen sind, fest anliegen muß und daß außerdem auch die Stirnseiten dieser Brennstoffelemente zur sicheren Verhinderung von Korrosionsangriffen dicht mit Stahl überzogen sein müssen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun zum Aufbringen von Stahl- oder Eisenplattierungsschichten auf mit einer allseitig geschlossenen Hülse versehene Kernreaktorbrennstoffelemente so verfahren, daß über diese Hülse ein dünnwandiges Rohr aus Stahl oder Eisen gezogen wird, das bereits an einer Seite verschlossen sein kann, und zwischen dem Rohr und der Hülse eine dünne Lotschicht angeordnet wird, worauf das Brennstoffelement nach Abschließen der Stirnseiten des Rohres einer Wärmebehandlung bei Temperaturen ausgesetzt wird, die. mindestens der Arbeitstemperatur des Lotes entsprechen. Solche Lotschichten 4-5 werden mit Vorteil durch Bedampfen des Brennstoffelementes mit den Lotmetallen oder Lotlegierungen im Hochvakuum aufgebracht. Die offene Seite des Stahl- oder Eisenrohres wird dann gegebenenfalls unter Einlage eines Stahl- oder Eisendeckels in an sich bekannter Weise verschlossen, und zwar durch Umbördeln und anschließendes Verschweißen, wobei aus Sicherheitsgründen auch eine doppelte Bördelung vorgesehen werden kann. Vor dem Verschließen wird Verfahren zum Aufbringen einer Stahloder Eisenplattierung auf die Hülsen von Kernreaktorbrennstoffelementen

Anmelder: Deutsche Gold- und Silber-Scheideanstalt

vormals Roessler, Frankfurt/M., Weißfrauenstr. 9

Dr. Alfred Boettcher, Frankfurt/M., ist als Erfinder genannt worden

die ganze Anordnung zweckmäßig unter verminderten Druck gesetzt, um die Luftreste weitgehend zu entfernen. Nachdem der Stahl- oder Eisenüberzug auf diese Weise allseitig verschlossen ist, wird das überzogene Brennstoffelement erfindungsgemäß einer Wärmebehandlung unterworfen, bei der es mindestens auf die Arbeitstemperatur des jeweils verwendeten Lotes längere Zeit erhitzt wird. Während der Wärmebehandlung verbindet das Lot den Stahl- oder Eisenüberzug mit der Hülse des Brennstoffelementes, so daß diese nunmehr allseitig dicht und wärmeschlüssig mit einer Stahlhaut überzogen ist. Mit besonderem Vorteil wendet man bei dieser Wärmebehandlung einen allseitig wirkenden Druck an, zweckmäßigerweise dadurch, daß man die Wärmebehandlung in einem Autoklav vornimmt. Man unterstützt so sehr wirksam ein allseitiges festes Anlegen des dünnen Stahl- oder Eisenüberzuges an die Hülse, auch dann, wenn letztere mit Fins versehen ist.

Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung kann das Stahl- oder Eisenrohr auf dem bereits allseitig mit einer Hülse versehenen Brennstoffelement gewissermaßen auch in situ dadurch erzeugt werden, daß man sich des an sich bekannten Wickelverfahrens bedient. Zu diesem Zweck wird die Brennstoffelementhülse spiralig mit einer Stahl- oder Eisenfolie derart bewickelt, daß sich die Folienränder jeweils überlappen. Der Verschluß dieser Stahl- oder Eisenauflage an den Enden kann durch Kappen aus dem gleichen Material bewirkt werden, die gleichzeitig zum Festhalten der Folienenden dienen können. Auch hier ist selbstverständlich eine Lotzwischenschicht vorzusehen, wobei für die Auswahl des Lotes maßgebend ist, daß es sowohl Eisen auf Eisen bzw. Stahl auf Stahl als auch jeweils einen der beiden Werkstoffe mit dem Werkstoff der

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Brennstoffelementhülse verbindet. Im Gegensatz zu der vorher beschriebenen Ausführungsform hat es sich für die Aufbringung der Lotschicht als besonders vorteilhaft erwiesen, die Wickelfolie an der nach innen gewickelten Seite mit dem Lot zu überziehen, was ebenfalls durch Aufdampfen im Hochvakuum geschehen kann. Die weitere Handhabung des so gewickelten Elementes vollzieht sich unter Anwendung ^:der schon weiter oben erläuterten Maßnahmen. Das Element wird anschließend einer Wärmebehandlung mindestens auf der Arbeitstemperatur des Lotes unterworfen, wobei die Verbindung zwischen den Folienrändern untereinander und mit den Verschlußkappen sowie mit dem Hülsenwerkstoff zweckmäßigerweise durch äußere Druckeinwirkung unterstützt werden kann. Die Verwendung einer Folie hat den Vorteil, daß man zu noch dünneren Stahl- oder Eisenüberzügen kommen kann als bei der Verwendung von einseitig geschlossenen Rohren, bei denen eine Mindestwandstärke im Interesse der Stabilität nicht unterschritten werden kann. Außerdem gestaltet sich durch die Anwendung von Verschlußkappen die Abdeckung der Stirnseiten einfacher, da die Notwendigkeit für das Umbördeln und Verschweißen des offenen Rohrendes entfällt. Schließlich ist die Herstellung eines Folien- oder dünnen Blechbandes einfacher als die eines dünnwandigen Rohres.

. . Das. Verfahren gemäß vorliegender Erfindung hat sich unter Verwendung von Edelstahl besonders für das Überziehen von mit Zirkonhülsen versehenen Brennstoffelementen bewährt, die auf diese Weise ohne die Gefahr einer Herabsetzung der mechanischen und thermischen Festigkeit sowie der Korrosionsbeständigkeit bei höheren Temperaturen in Reaktoren betrieben werden können. In ähnlicher Weise ist es jedoch auch möglich, Aluminiumrohre mit Edelstahl zu plattieren und die bisherigen Zircaloyhülsen zu ersetzen. Neben Edelstahlüberzügen kommen beispielsweise für Reaktoren mit gasförmigen Wärmeaustauschmitteln auch solche aus Armcoeisen in Betracht.

Die Abb. 1 und 2 dienen der weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung.

In Abb. 1 bedeutet 11 einen Stab aus einem Kernreaktorbrennstoff, z.B. aus nicht angereichertem Uran oder einer hochschmelzenden Uranverbindung. Der Stab ist mit einer Hülse 12 aus Zirkon allseitig umschlossen. Auf dieser befindet sich die Lotschicht 13, die durch Aufdampfen aufgebracht sein kann. Mit 14 ist ein dünnwandiges, einseitig offenes Stahlrohr bezeichnet, das nach dem Aufziehen auf die Zirkonhülse mit einem Deckel 15 durch Umbördeln oder Schweißen verschlossen ist.

Die Abb. 2 bezieht sich auf die andere Ausführungsform, bei der das Rohr auf der Hülse durch Bewickeln mit einer Folie oder einem dünnwandigen Blech erzeugt wird. Das eigentliche, mit einer Zirkonhülse umschlossene Brennstoffelement ist mit 21 bezeichnet. Es weist vier Längsrippen 22 auf. In der Darstellung ist der linke Teil des Brennstoffelementes mit einer Stahlfolie 23 umwickelt, die am linken Ende mit einer Kappe 24 festgelegt ist. Die Kappe 25 wird am anderen linde nach vollständigem Aufwickeln der Folie 23 aufgeschoben. Die Folie 23 ist auf der Innenseite mit einer nicht besonders bezeichneten Lotschicht versehen, wobei das Lot sowohl mit der Folie selbst

ίο als auch mit der Zirkonhülse lötet. Auch die aufgeschobenen Verschlußkappen sind innen mit einer mit der Folie und dem Zirkon lötenden Lotschicht belegt. Diese Lötung erfolgt dann durch anschließende Wärmebehandlung des bewickelten und mit den Kappen versehenen Körpers in einem Druckgefäß.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufbringen einer Stahl- oder Eisenplattierung auf die"Hülsen von Kernreaktorbrennstoffelementen, dadurch gekennzeichnet, daß über die allseitig geschlossene Hülse des Brennstoffelementes ein dünnwandiges Rohr aus Stahl oder Eisen gezogen und zwischen dem Rohr und der Hülse eine dünne Lotschicht angeordnet wird, worauf das Brennstoffelement nach Verschließen der Stirnseiten des Rohres einer Wärmebehandlung bei Temperaturen ausgesetzt wird, die mindestens der Arbeitstemperatur des Lotes entsprechen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung unter allseitiger Druckeinwirkung, z.B. in einem Autoklav, durchgeführt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse in ein einseitig geschlossenes Rohr aus Stahl oder Eisen eingeführt und dieses am offenen Ende durch gegebenenfalls doppeltes Umbördeln und Verschweißen verschlossen und dann der Wärmebehandlung ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr aus Stahl oder Eisen auf der Brennstoffelementhülse nach der Wickelmethode aus dünnem Folienband oder Blech erzeugt und mit Kappen an den Stirnseiten verschlossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Folienband oder Blech auf der nach innen zu wickelnden Fläche mit einer Lotschicht versehen ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotzwischenschicht durch Aufdampfen entsprechender Metalle oder Metallegierungen im Hochvakuum auf der Brennstoffelementhülse oder Wickelfolie und den Verschlußkappen aufgebracht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen