DE1565403C - Verfahren und Vorrichtung zur Befesti gung von Distanzhaltern an den Hüllen von Brennstoffelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung von Distanzhaltern an den Hüllen von Brennstoffelementen sowie eine Induktionsheizvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem primären Leiterstreifen und mit einer vom primären Leiterstreifen umgebenen, elektrisch leitenden Aufnahmespule.

Dieses Verfahren und diese Vorrichtung werden besonders, aber nicht ausschließlich zum Verbinden von Auflagepuffern oder Distanzhaltern mit den Hülfen von Brennstoffelementen für Kernreaktoren verwendet. Derartige Hüllen sind beispielsweise Rohre aus einer Legierung aus Zirkonium mit 1,2 bis 1,7 % Zinn, 0,07 bis 0,2 °/o Eisen, 0,05 bis 0,15 °/o Chrom und 0,03 bis 0,08 °/o Nickel.

Es ist bis jetzt schwierig, Distanzhalter an einer derartigen Hülle wirtschaftlich durch Hartlöten oder Schweißen zu befestigen, da die Legierung bei Erhitzung durch atmosphärischen Sauerstoff angegriffen wird. Die Befestigung muß daher im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre erfolgen. Es ist bereits bekannt, Distanzhalter durch Induktionshartlöten an einem einzelnen Rohr zu befestigen. Ein derartiger Lötvorgang umfaßt im allgemeinen das Einsetzen der Hülle in einen elektrisch isolierten Behälter, die Erzeugung eines Vakuums oder das Einleiten eines inerten Gases sowie das Erhitzen der zu verbindenden Stellen durch eine äußere Induktionsspule. Obwohl dieses Verfahren zum Erfolg führt, ist es sehr zeitraubend, da jede Hülle normalerweise mit mindestens zwei Distanzhaltern versehen ist und eine sehr große Anzahl derselben benötigt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Induktionsheizvorrichtung der oben beschriebenen Art anzugeben, mit deren Hilfe mehrere Hüllen gleichzeitig mit wenigstens je einem Distanzhalter verbunden werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die mit einer Lotlegierung versehenen Distanzhalter durch Schweißen an den Hüllen der Brennstoffelemente in wenigstens einer Ebene derselben angeheftet werden und daß die Distanzstücke mehrerer Brennstoffelemente gleichzeitig mittels Induktionsheizung an den Brennstoffelementen befestigt werden.

Die erfindungsgemäße Induktionsheizvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Aufnahmespule tangential in einen äußeren Aufnahmering und einen inneren Aufnahmering unterteilt ist, die beide radial geschlitzt sind, und daß in der Aufnahmespule durch innere Ausbuchtungen im äußeren Aufnahmering und durch äußere Ausbuchtungen im inneren Aufnahmering Löcher gebildet sind, in die die zu erhitzenden Hüllen eingesetzt werden können.

Gemäß der Erfindung ist es nun möglich, Distanzhalter gleichzeitig an einer Anzahl von Hüllen zu befestigen, so daß die benötigte Anzahl von Hüllen während eines einzigen Lötvorganges bearbeitet werden kann. ·

In vorteilhafter Ausgestaltung sind eine zweite oder weitere Aufnahmespulen und ein zweiter primärer Leiterstreifen vorgesehen, die gegen die erste Aufnahmespüle und den ersten primären Leiterstreifen versetzt sind, so daß längliche Hüllen oder Werkstücke durch die von den Aufnahmespulen begrenzten Löcher verlaufen und erhitzt werden. Um den von den primären Leiterstreifen erzeugten Fluß in den Löchern örtlich zu konzentrieren, können Teile der die Ausbuchtungen bildenden Kanten der Aufnahmeringe eine geringere Dicke aufweisen.

Um die Hüllen unter Vakuum oder einem Inertgas erhitzen zu können, wird zwischen den Aufnahmespulen und den primären Leiterstreifen eine gegen die Atmosphäre absperrende Haube aus einem magnetisch durchlässigen und elektrisch isolierenden Material angeordnet.

ίο An Hand der in der Zeichnung dargestellten Aus- - führungsformen der Induktionsheizvorrichtung wird die Erfindung im folgenden beispielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine zum Teil geschnittene perspektivische Ansicht der Induktionsheizvorrichtung,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1, F i g. 3 das Schaltbild einer Schaltung zur Speisung der Primärwindungen der Induktionsheizvorrichtung der F i g. 1 und 2,

F i g. 4 eine Aufsicht auf einen Aufnahmering und F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in F i g. 4. Die Distanzhalter werden zuerst für die Befestigung an den Hüllen vorbereitet, indem Metallstücke genauer Abmessungen aus einem Blech gestanzt werden, mit dem die Lotlegierung anhaftend verbunden ist. Die Stanzform hat eine solche Gestalt, daß die Stücke mit einer zylindrischen Oberfläche hergestellt werden, so daß sie der rohrförmigen Hüllenoberfläche angepaßt sind. Die fertigen Distanzhalter werden dann an den geeigneten Stellen an diesen Hüllen heftangeschweißt.

Gemäß F i g. 1 hat eine typische Hülle 1 zwei Distanzhalter 4, die durch Heftschweißung mit ihr verbunden sind. Sie wird dann längsseits zu anderen

35" Hüllen in der in F ι g. 1 abgebildeten Vorrichtung eingesetzt. Diese Vorrichtung hat einen Bodentisch 10, auf dem ein Halterungssockel 11 montiert ist. Der Sockel hat einen Bund 12 mit Einlaßöffnungen 9, die die Hüllen 1 tragen können. Die Hüllen 1 sind vertikal angeordnet und laufen durch eine Aufnahmespule 13, die an Stellen 14 durchlöchert ist, um diese aufzunehmen. Eine zweite Aufnahmespule 15 befindet sich oberhalb der ersten, durch deren Löcher 16 die Hüllen verlaufen. Die oberen Enden der Hüllen werden durch eine Isolierscheibe 18 festgehalten, die Löcher 19 aufweist, um diese aufzunehmen. Die Löcher 19 haben Ausbuchtungen 19', so daß die gehefteten Distanzhalter 4 nicht die Scheibe 18 verschmutzen oder beschädigen, wenn die Hüllen in ihre Lage geschoben werden.

Wenn die Hüllen ihre Lage eingenommen haben, wird über die Anordnung eine Haube 20 aus Glas oder einem anderen geeigneten magnetisch durchlässigen und elektrisch isolierenden Material gesetzt, die gegen die Atmosphäre abdichtet und auf dem Bodentisch 10 ruht, mit dem sie.in üblicher Weise durch einen O-Ring21 abgedichtet wird. Unmittelbar außerhalb der Haube 20, aber in Nähe der Aufnahmespule 13, befindet sich eine einzige Windung eines primären Leiterstreifens 25, die von einem Hochfrequenz-Wechselstromgenerator bei geringer Impedanz gespeist werden kann. Der primäre Leiterstreifen 25 wird durch Wasserleitungen 26 gekühlt. . Ein ähnlicher primärer Leiterstreifen 30 befindet sich in der Nähe der oberen Aufnahmespule 15 und wird durch Wasserleitungen 31 gekühlt. Die beiden Primärwindungen können entweder parallel oder in Serie mit dem Hochfrequenzgenerator geschaltet sein,

was von der Ausgangsimpedanz des Generators abhängt. Eine typische Parallelschaltung ist in Fi g. 3 mit einem Generator 33 abgebildet.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer der Aufnahmespulen abgebildet, das besonders zufriedenstellend arbeitet. Die Aufnahmespule 13 ist in einen Innen- und einen Außenring 36 bzw. 35 unterteilt. Durch die inneren Ausbuchtungen 37 des Außenringes 35 und die äußeren Ausbuchtungen 38 des Innenringes 36 ergeben sich die Löcher 14. Jeder '" Ring ist a.n einer Stelle 39 bzw. 40 radial unterbrochen.

Es soll nun angenommen werden, daß der Ström in Richtung der Pfeile 41 im primären Leiterstreifen 25 ansteigt. Da sich die Aufnahmeringe 35 und 36 *5 in dem vom primären Leiterstreifen 25 erzeugten Magnetfeld befinden, werden in den beiden Aufnahmeringen Ströme in Richtung der Pfeile 42 erzeugt, die entgegengesetzt zum Richtungswechsel des Stroms im Primärstreifen 25 gerichtet sind. Da sich das Magnetfeld sehr schnell ändert (mit Hochfrequenz), tritt das Feld kaum in die Aufnahmeringe 35 und 36 ein, so daß der Strom auf den Oberflächen der Aufnahmeringe fließt, wie durch die Pfeile angedeutet ist. An den radialen Schlitzen 39 und 40 schließt sich der Stromkreis für den Strom auf den Oberflächenkanten der Aufnahmeringe. Diese Ströme stören das von den Primärleitern erzeugte Feld, das sich auf die Löcher 14 konzentriert. Einen Widerstand aufweisende elektrische Leiter befinden sich in diesen Löchern, nämlich die Hülle und die Distanzhalter, die auf ihr angelötet werden sollen, so daß sie örtlich stark erhitzt werden. Die Hülle, die einen Widerstand mit einer einzigen Windung darstellt, wird auf ihrem Umfang gleichmäßig erhitzt.

Die tatsächliche Temperatur, auf die das Werkstück erhitzt werden kann, kann durch Steuerung der den primären Leiterstreifen 25 und 30 zugeführten Eingangsleistung, der Kopplung zwischen den Aufnahmeringen 35 und 36, der Kopplung zwischen dem Werkstück und der Aufnahmespule, der Länge der Zeit, während der Leistung zugeführt wird, und der Frequenz des Stroms in den primären Leiterstreifen geändert werden. Auf diese Weise ändert sich durch Änderung des Abstands zwischen den Aufnahmeringen 35 und 36 die Feldstärke in den Löchern 14. Ähnlich ergibt sich bei einem großen Loch 14 und einer kleinen Hülle eine geringere Erwärmung in dieser Hülle als bei einem kleineren Loch.

Der Aufbau der Aufnahmespule 15 ist dem der Aufnahmespule 13 ähnlich. Wenn daher die Hüllen ihre Lage eingenommen haben, wobei die Distanzhalter an ihnen heftangeschweißt sind sowie die Haube 20 aufgesetzt worden ist, wird der Innenraüm der Haube 20 entweder evakuiert (z. B. über ein Absperrorgan im Bodentisch 10), oder ein inertes Gas wird in die Haube eingeleitet, um den atmosphärischen Sauerstoff wegzuspülen. Anschließend wird den primären Leiterstreifen 25 und 30 Strom zugeführt, so daß die Aufheizung beginnt In einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel wurde festgestellt, daß bei Erregung der primären Leiterstreifen 25 und 30 mit einem Strom von einem 1-MHz-Generator eine Lötzykluszeit von 17 Sekunden ausreicht, um 24 Distanzhalter an 12 Rohren zu be- festigen.

Wenn die Erhitzung stärker auf die Oberfläche der Hüllen konzentriert werden soll, dann können die Aufnahmespulen gemäß den Fig. 4 und 5 abgewandelt werden. Hier nimmt die Dicke der Aufnahmespulen fortschreitend ab, wenn die dem Werkstück benachbarte Kante erreicht wird. Die dicke Kante 45 an den am weitesten vom Werkstück entfernten Kanten der Aüfnahmespule leitet den gleichen Strom wie die Kante 46 in der Nähe des Werkstücks. Die Stromdichte ist daher entlang den Kanten 46 größer als entlang den Kanten 45, und das durch den primären Leiterstreifen erzeugte Feld ist daher im Loch 14 in der Nähe der Kanten 46 stärker konzentriert.

Ein mit der Erfindung erreichter Vorteil besteht darin, daß, falls mehr als zwei Distanzhalter an einer Hülle befestigt werden sollen, eine weitere Aufnahmespule mit einem mit dieser zusammenarbeitenden primären Leiterstreifen an jeder gewünschten Stelle in Längsrichtung der Hülle angebracht werden kann. Jede neue Aufnahmespule ist in ähnlicher Weise wie die Aufnahmespulen 13 und 15 unterbrochen und hat ihren eigenen primären Leiterstreifen und Kühlspulen, falls es nötig ist. Es ist ersichtlich, daß bei einer Gestalt der Aufnahmespulen, die im Zusammenhang mit den F i g. 4 und 5 gezeigt ist, Abwandlungen des Heizungsschemas erreicht werden können. Es kann z. B. für manche Zwecke wünschenswert sein, die Erhitzung nur für einige der Löcher in der Aufnahmespule zu erhöhen oder wahlweise zu gewährleisten, daß einige Teile des Lochs eine größere Erhitzung als andere Teile erlauben. Die Kanten 46 (F i g. 5) können dann in zu den Distanzhaltern benachbarten Bereichen dünn sein, aber die ursprüngliche Dicke der Kanten 45 in zu den Distanzhaltern entfernten Bereichen beibehalten.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Befestigung von Distanzhaltern an den Hüllen von Brennstoffelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer Lotlegierung versehenen Distanzhalter durch Schweißen an den Hüllen der Brennstoffelemente in wenigstens einer Ebene derselben angeheftet werden und daß die Distanzstücke mehrerer Brennstoffelemente gleichzeitig mittels Induktionsheizung an den Brennstoffelementen befestigt werden.

2. Induktionsheizvprrichtung zur Befestigung von Distanzhaltern an Hüllen von Brennstoffelementen mit einem primären Leiterstreifen und mit einer vom primären Leiterstreifen umgebenen, elektrisch leitenden Aufnahmespule zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmespule (13) tangential in einen äußeren Aufnahmering (35) und einen inneren Aufnahmering (36) unterteilt ist, die beide radial geschlitzt sind, und daß in der Aufnahmespule (13) durch innere Ausbuchtungen (37) im äußeren Aufnahmering (35) und durch äußere Ausbuchtungen (38) im inneren Aufnahmering (36) Löcher (14) gebildet sind, in die die zu erhitzenden Hüllen eingesetzt werden können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine zweite Aufnahmespule (15) und einen damit zusammenarbeitenden zweiten primären Leiterstreifen (30), die gegen die erste

' Aufnahmespule (13) und den ersten primären Leiterstreifen (25) versetzt sind, so daß längliche

Hüllen (1) durch die von den ersten und den zweiten Aufnahmespulen begrenzten Löcher (14, 16) verlaufen und erhitzt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Teile (46) der die Ausbuchtungen bildenden Kanten der Aufnahmeringe eine geringere Dicke aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine gegen die Atmosphäre absperrende Haube (20) aus einem ma- ίο gnetisch durchlässigen und elektrisch isolierenden Material zum Einschließen der Aufnahmespulen (13,15) und der Hüllen (1) zwischen den Aufnahmespulen (13,15) und den primären .Leiterstreifen (25,30). ·

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und' zweite primäre Leiterstreifen (25,30) an einen elektromagnetischen Hochfrequenzstromgenerator (33) angeschlossen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen