DE1931174A1

DE1931174A1 - Einrichtung zum elektrolytischen Polieren von Kernbrennstabhuellrohren

Info

Publication number: DE1931174A1
Application number: DE19691931174
Authority: DE
Inventors: Ludwig Koehler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-06-19
Filing date: 1969-06-19
Publication date: 1971-01-07
Also published as: DE1931174B2; FR2046901B1; BE751837A; SE367656B; JPS507540B1; US3720595A; GB1299968A; FR2046901A1; RO55096A

Description

Einrichtung zum elektrolytischen Polieren von Kernbrennstabhüllrohren

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum elektrolytischen Durchlaufpolieren von stabförmigen Werkstücken aus Zirkonlegierungen, insbesondere von Brennstabhüllrohren bzw. fertigen Brennstäben für Kernreaktoranlagen. Diese Bauteile müssen gegenüber dem Reaktorkühlmittel, z.B. Druckwasser von 300⁰C, äußerst korrosionsbeständig sein. Dies ist aber nur dann möglich, wenn diese Oberflächen keinerlei Rückstände aus dem Eertigungsverfahren, insbesondere auch keine Beizrückstände, mehr aufweisen. Es ist in diesem Zusammenhang bereits vorgeschlagen worden, Zirkonbauteile, insbesondere aber die Hüllrohre von Reaktorbrennstäben, elektrolytisch zu polieren, siehe die noch nicht bekanntgemachte Patentanmeldung P 16 13 391.8 (PLA 67/1256). Üblicherweise wird das an sich bekannte Elektropolierverfahren innerhalb von Badbehältern durchgeführt, wobei die benötigten Elektroden der Werkstückform entsprechend angepaßt sind. Es ist dabei notwendig, daß eine Mindeststromdichte nicht unterschritten wird, da sonst keine glatte und glänzende Oberfläche erzielt werden kann. Dies bedeutet aber nicht anderes, als daß bei Bädern, in denen das gesamte Werkstück gleichzeitig elektrolytisch poliert wird, sehr hohe Ströme zur Anwendung kommen müssen, die einmal zu einer starken Temperaturerhöhung des Elektrolyten selbst führen, aber auch wegen ihrer Zuführung, insbesondere zu dem zu polierenden Werkstück, große Schwierigkeiten mit sich bringen.

Diese Schwierigkeiten werden nach dieser Erfindung dadurch umgangen, daß die stabförmigen Zirkonwerkstück im Durchlaufverfahren elektrolytisch poliert werden. Die dazu benötigte Einrichtung ist gekennzeichnet durch, einen rohrförmigen, das durchlaufende Werkstück - z.B. einen Reaktorbrennstab - umgebenden und gleichzeitig als Kathode wirkenden Elektrolytbehal'ter,

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dessen Querschnitt jenem des Werkstückes angepaßt ist und der gegenüber dem Hüllrohr auf beiden Seiten mit Hilfe einer elastischen Dichtung abgeschlossen und mit -Anschlüssen für den kontinuierlichen Durchlauf des Elektrolyten versehen ist sowie Antriebs- und Stromzuführungsrollen für den zu behandelnden Brennstab vor und hinter dem Elektrolytbehälter.

Eine derartige Einrichtung zeichnet sich durch ihre geringe Größe aus, sie ermöglicht außerdem eine Konstanthaltung der Elektrolyttemperatur in einer entsprechenden Kühleinrichtung, durch die der Elektrolyt ständig umgepumpt wird sowie durch die verhältnismäßig geringen benötigten Ströme, deren Zuführung über Kontaktrollen zum Werkstück keine Schwierigkeiten bereitet. Auf diese Weise ist es möglich, eine absolut gleichmäßige Stromverteilung im Elektrolyten und damit eine gleichmäßigere Polierwirkung zu erzielen, wobei neben der Wahl der Stromstärke vor allen Dingen die Vorschubgeschwindigkeit für die Einstellung des Poliergrades Verwendung finden kann. Der für den Poliereffekt benötigte Wanddickenabtrag ist sehr gering. Er beträgt nur etwa 0,001 bis 0,01 mm. Flußsäurereste, die bei der bisher angewandten Technik eine Gefahrenquelle bildeten, werden hierbei vermieden, da der Elektrolyt kein Fluor enthält bzw. von evtl. früheren chemischen Beizungen zurückgebliebene Fluarreste abgetragen werden. Die der Werkstückoberfläche noch anhaftenden •Elektrolytreste werden durch Wasser abgespült, was bei der vorgeschlagenen Einrichtung bereits mit Hilfe des Kühlwassers möglich ist, das zu beiden Seiten der abgedichteten Polierkammer das durchlaufende Werkstück in Wasaerkammern umströmt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile dieser Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor, das in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Dabei zeigt die Fig. einen Ausschnitt aus der Polierkammer mit speziell geformten Oberflächen des gleichzeitig als Kathode fungierenden Elektrolytbehälters.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch diese Einrichtung. Mit 1 ; ist das durchlaufende Werkstück, in diesem Fall ein Kernreaktor'- <

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brennstab, bezeichnet. Die Polierkammer wird durch die Kathode gebildet, die beiderseits mit den Dichtungen 7 abgeschlossen .ist. Diese sind in einem Isolieratoffkörper 4 bzw. 4¹ gelagert und bilden einen preßgasgefüllten Ringraum 13 bzw. 13'» wobei ein mit dem leolierstoffkörper 4 starr verbundener Gegenring 8 als Widerlager dient. Die Ringräume 13 bzw. 13' sind an eine Preßgasleitung 1<? angeschlossen. Der Gasdruck sorgt also dafür, daß die Dichtung 7 stets einen einwandfreien Sitz auf dem durchlaufenden Rohr hat. Das Material dieser Dichtung muß selbstverständlich gegenüber dem Elektrolyten der Einrichtung widerstandsfähig sein. Gut geeignet ist Silikonkautschuk, der in dieser speziellen Form zweckmätfigerweise gegossen wird. An diese beiden Abdichtungen der Polierkun^er schließen sich zwei Wasserkammern 10 bzw. 10' an, die durch die Isolierstoffkörper 4 und 5 bzw. 4' und 5' -gebildet werden. Diese Kammern sind vom Kühlwasser 9 durchströmt, das über die Leitungen 11 bzw. 11' zu einer Rückkühl- und Reinigungseinrichtung gelangt, bevor es wieder in die Kammern 10 bzw. 10' eingeleitet wird. Nach außen hin sind diese Kammern durch einfache Dichtungen 6 gegenüber dem durchlaufenden Rohr 1 abgedichtet. Der Slektrolytbehälter bzw. die Kathode 3 hat für den Elektrolyt 32 jeweils eine Zuführunge- und Abführungsleitung, die über eine Kühlanlage 16 und eine Pumpe 17 miteinander verbunden sind.

Der Elektrolytbehälter bzw. die Kathode 3 sind entweder aus nichtrostenden Stahl gefertigt oder zur Verringerung des Spannungsabfalls innerhalb dieser Elektrode aus Kupfer und an den Stellen, die mit dem Elektrolyten in Berührung kommen, mit rostfreiem Stahl plattiert, siehe Bezugszeichen 31.

Zur weiteren Vergleichmäßigung der Polierwirkung kann es dabei zweckmäßig sein, die Wandung der eigentlichen Polierkammer bzw. der Kathode 3 mit die Elektrolyseströme führenden, vorzugsweise schraubenförmig angeordneten Vorsprüngen, z.B. nach Art eines Gewindeganges 33, siehe Fig. 2, zu versehen. Dies hat zur Folge, daß die Slektrolytströraung schraubenförmig um das zu polierende Werkstück herumgeführt wird, se daa z.B. Ungleichmäßigkeit en in

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der Polierwirkung durch eine sonst möglicherweise örtliche Erwärmung des Elektrolyten mit Sicherheit vermieden wird. Die schraubenförmigen Vorsprünge 33 tragen außerdem durch ihre oberflächenvergrößernde Wirkung zur Vergleichmäßigung der Temperatur und zur Kühlung des Elektrolyten bei.

Die stabförmigen Werkstücke werden durch außerhalb der Einrichtung angeordnete Rollen 15 bzw. 15' bewegt. Diesen gegenüber liegen die Stromzuführungsrollen 14 bzw. 14', die mit dem positiven Pol der Stromquelle verbunden sind. Für den Betrieb der ganzen "Einrichtung ist es wichtig, daß nach dem Durchlauf des Brennstabes sofort wieder für einen Verschluß der Elektrolysekammer gesorgt wird. Dies geschieht, wie in Fig. 1 angedeutet, dadurch, daß die aneinanderfolgenden Brennstäbe 1 durch Kunststoffstücke 2 des gleichen äußeren Durchmessers miteinander verbunden werden. Nach Beendigung des Poliervorganges und Abschaltung der Stromquellen wird als letztes ein Kunststoffstück 2 praktisch gleicher Form nach dem letzten Brennstab in die Einrichtung eingeschoben und bleibt in dieser stehen, bis dieselbe wieder in Betrieb genommen wird. Damit wird erreicht, daß der Elektrolyt nicht auslaufen kann und daß auch die Funktion der Dichtungsmanschetten aufrechterhalten bleibt.

Zum v/eiteren Verständnis der Funktion des Erfindungsgegenstandes seien noch einige Verfahrensdaten genannt. Mit dieser Einrichtung können z.B. Zirkonlegierungen, wie Zircaloy 2 bis 4, Zirkonkupferlegierungen, aber auch bei geeigneten anderen Elektrolyten Stahl, rostfreier Stahl, Messing o.dgl. poliert werden. Der querschnitt der Stäbe muß selbstverständlich nicht unbedingt kreisförmig sein. Es können z.B. auch Ovalrohre oder Vierkantrohre bzw. Stäbe in ähnlicher Weise poliert werden. Bei Stabdurchmessern von 10 bis 15 mm' lassen sich. Vorschubgeschwindigkeiten von 1 bis 10 m/Min, erreichen, wobei Stromstärke von 5 bis 100 A in Frage kommen. Die Spannung beträgt dabei etwa 10 bis 5.0 V. Wie bereits erwähnt, kommt für Zirkonlegierungen als Elektrolyt eine Mischung von Essigsäure-Perchlorsäure in Jrage, der z.B. auch noch Salzsäure und/öder Chloressigsäure

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zugesetzt sein kann. Dabei soll die Temperatur des Elektrolyten etwa auf Raumtemperatur liegen, also 20 bis 30° betragen. Der Preßgasdruck für die Dichtungen richtet sich nach der Steifigkeit des Dichtungsmaterials. Er wird normalerweise in der Größenordnung von 1 bis 3 atü liegen. Zur Erzielung des gewünschten Poliereffektes genügt normalerweise ein Zirkonabtrag von 1 bis 20 αλ,

Die zur Durchführung des mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erzielbaren Poliereffektes benötigten weiteren Einrichtungen, wie z.B. Stromversorgung, Wasserkühl- und Reinigungsanlagen u.dgl. wurden aus Übersichtlichkeitsgründen nicht naher dargestellt. Es soll lediglich abschließend noch darauf hingewiesen werden·, daß auch das Kühlwasser 9 bei entsprechender Ansäuerung zur Hebung seiner Leitfähigkeit anstelle der Rollen 14 zur Stromzuführung verwendet werden kann. Dies hätte insbesondere bei Verwendung höherer Stromdichten den Vorteil, daß eine dann evtl. mögliche Funkenbildung zwischen den Stromzuführungsrollen und dem Werkstück und damit eine Beschädigung derselben mit Sicherheit vermieden wird. Gleich bleibt in jedem Pall die koaxiale Ausbildung des Elektrolytgefäßes bzw. der Kathode, die Art seiner Abdichtung sowie die Führung des Elektrolyten.

2 Figuren

7 Patentansprüche . g

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Claims

PLA 69/'I ^'.'7 -6- Patentansprüche

1. Einrichtung zum elektrolytischen Durchlaufpolieren von stabförmigen Werkstücken aus Zirkonlegierungen, inabesondere von Brennstabhüllrohren bzw. fertigen Brennstäben für Kernreaktoranlagen, gekennzeichnet durch einen rohrförmigen, das durchlaufende Werkstück - z.B. einen Brennstab - umgebenden und gleichzeitig als Kathode wirkenden Elektrolytbehälter, dessen Querschnitt jenem des Werkstückes angepaßt ist und der gegenüber dem Hüllrohr auf beiden Seiten mit Hilfe einer elastischen Dichtung abgeschlossen und mit Anschlüssen für den kontinuierlichen Durchlauf des Elektrolyten versehen ist sowie Antriebsund Stromzuführungsrollen für den zu behandelnden Brennstab vor und hinter dem Elektrolytbehälter.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Herstellung und Aufrechterhaltung des Sitzes der elastischen Dichtung ein Preßgaspolster vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Gießtechnik hergestellte, aus Silikonkautschuk bestehende Dichtungen vorgesehen sind,

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß eine ■ ständige Kühlung des durchlaufenden Werkstückes in dem Elektrolytbehälter vor- und nachgeschaltetenWasserkammern und eine Kühlung des durch eine Pumpe umgewälzten Elektrolyten vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wandung des Elektrolytbehälters mit die Oberfläche vergrößernden sowie die Elektrolytströmung führenden, vorzugsweise schraubenförmig angeordneten Vorsprüngen, versehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß der Elektrolytbehälter aus rostfreiem Stahl besteht, der gegenüber

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dera Elektrolyten - einerEssigsäure-Perchlorsäuremischung - beständig ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1.und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytbehälter aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie z.B. Kupfer, besteht und lediglich an den mit den. Elektrolyten in Berührung kommenden Partiell mit rostfreiem Stahl plattiert ist.

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