DE1931174A1 - Einrichtung zum elektrolytischen Polieren von Kernbrennstabhuellrohren - Google Patents
Einrichtung zum elektrolytischen Polieren von KernbrennstabhuellrohrenInfo
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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'- <
009882/1791 , ~3~ i
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-3-
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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BAD
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— 5 —
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 (7)
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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