DE3334660A1

DE3334660A1 - Verfahren zum schliessen eines behaelters fuer die lagerung radioaktiver substanzen

Info

Publication number: DE3334660A1
Application number: DE19833334660
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. 4250 Bottrop Bienek; Wilhelm Dr.-Ing. 4300 Essen Wick
Original assignee: Steag Kernenergie GmbH
Current assignee: Steag Kernenergie GmbH
Priority date: 1983-09-24
Filing date: 1983-09-24
Publication date: 1985-04-11
Also published as: EP0141967A1

Description

STEAG Kernenergie GmbH
Bismarckstraße 54

4300 Essen 1
Stichwort: Diffusionsschweißen

Az. 681 .

Verfahren zum Schließen eines Behälters für die Lagerung radioaktiver Substanzen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schließen eines Behälters aus sprödbruch- und/oder zugspannungsempfindlichen Werkstoffen für die Lagerung radioaktiver Substanzen, insbesondere abgebrannter Brennelemente, mit einem entsprechenden Deckel, bei dem zwischen den Auflageflächen von Behälter und Deckel eine korrosionsfeste, metallische Schicht aufgebracht wird.

Aus der DE-OS 32 Ol 884 ist ein solches Verfahren zum dichten Verschließen eines Behälters mit einem Deckel aus keramischem Werkstoff bekannt, bei dem Deckel und Behälter mit einem metallischen Lot verbunden werden. Während des Vorganges des Verschließens in einer Heißen Zelle ist ein vollständiges Aufschmelzen des Lotes notwendig, wobei Behälter und Verschlußdeckel im Bereich der Fügeflächen ebenfalls im wesentlichen auf die Schmelztemperatur des

^ow verwendeten metallischen Lots erwärmt werden. Bei Keramiken besteht dabei die Gefahr, daß durch die partielle Erwärmung auf die Schmelztemperatur, und den damit verbundenen großen Temperaturgradienten über die Behälter- bzw. Deckelwandung ein Bauteilversagen auftritt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der vorstehend genannten Art zu schaffen, bei dem Behälter und Deckel einer geringeren Temperaturbelastung ausgesetzt werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Auflageflächen von Behälter und Deckel mittels einer geeigneten Schweißmittelschicht diffusionsverschweißt werden.

Diffusionsschweißverfahren sind, an sich bekannt

(w. t. - Zeitschrift für die industrielle Fertigung 71 (1981), Seiten 13 - 18; Maschinenmarkt 88 (1982), Seiten 1933 - 1936). Verfahrensparameter für das Diffusionsschweißen sind im wesentlichen Temperatur, Druck sowie die Schweißzeit und die Schweißatmosphäre. Als Richtwert für die Schweißtemperatur kann etwa 0,5 - 0,7 T (T = Schmelztemperatur des niedrigst schmelzenden Verbindungspartners) angegeben werden.

Beim Diffusionsschweißen erfolgt somit eine geringere Temperatur bzw. Wärmebelastung von Behälter und Deckel, so daß diese Verschlußtechnik für Behälter aus sprödbruchund/oder zugspannungsempfindlichen Werkstoffen, die in der Regel auch nicht temperaturwechselbeständig sind, besonders geeignet ist. Durch die niedrigere Temperatur ergeben sich auch Vorteile für das Arbeiten in der Heißen Zelle.

Falls der Behälter für die Endlagerung vorgesehen ist, genügt es, wenn beim Diffusionsschweißvorgang ein solch großer Flächenanteil der Fügeflächen miteinander verbunden wird, daß eine im wesentlichen flüssigkeitsdichte Verbindung aufgebaut wird und die Verbindung die mechanischen Kräfte aufnehmen kann, die im Endlager infolge des dort aufgebrachten Außendrucks (Bergdruck) auftreten. Bei den im Endlager herrschenden Bedingungen wird der Diffusionsscheißprozeß fortgesetzt

und letztlich eine vollständig durchgeschweißte Verbindung erreicht. Es wird jedoch bevorzugt, beim Verschließen des Behältes in der Heißen Zelle über die gesamte Fügefläche eine dichte und korrosionsfeste Diffusionsverschweißung zu erzielen.

Bei dem erfindungsgemäßen Diffusionsschweißverfahren ist die Herstellung spannungsarmer und im wesentlichen homogener Verbindungen zwischen verschiedenen Werkstoffen möglich. Hierbei können auch Werkstoffkombinationen verschweißt werden, die in einem Schmelz-, Schweiß- oder Lötprozeß nicht miteinander verbunden werden können, deren Schmelzpunkte und Wärmedehnungen sehr unterschiedlich sind und/oder die bei partieller Erwärmung unzulässig hohe Wärmespannungen aufbauen.

Es ist möglich, daß eine Werkstoffkombination verwendet wird und/oder die Schweißparameter so eingestellt werden, daß ausschließlich ein Festkörperdiffusionsschweißen ohne flüssige Phase erfolgt.

Andererseits ist es möglich, eine solche Werkstoffkombination zu verwenden und/oder die Schweißparameter so einzustellen, daß zumindest in den Bindungszonen zwischen metallischer Schicht einerseits und Deckel bzw. Behälter andererseits durch Diffusion die Bildung einer niedrig schmelzenden eutektischen Konzentration der Werkstoffkombination durchlaufen

30. wird. Bei dieser Verfahrensführung läuft der Aufbau der Verbindung somit über eine flüssige Phase. Diese flüssige Phase wird jedoch nicht durch Erwärmen der Werkstoffe für Behälter, Deckel oder Zwischenschicht auf deren Schmelztemperatur erreicht, sondern durch den Diffusionsvorgang.

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Die Schicht kann als vorgefertigtes Formteil zwischen Behälter und Deckel eingelegt werden, insbesondere erst nach dem Beladen des Behälters mit dem zu lagernden radioaktiven Material. Andererseits kann die Schweißmittelschicht als festhaftende Vorbeschichtung auf mindestens einer der Auflageflächen aufgebaut werden.

Um im Bereich der Verbindungszonen die Auflageflächen von Deckel und Behälter und ggf. Zwischenschicht während des Verbindungsvorgangs zu aktivieren, werden vorzugsweise vor oder zu Beginn des Diffusionsschweißens etwaig vorhandene Oxidhäute zumindest teilweise zerstört. Die Zerstörung kann erfolgen, indem zu Beginn des

15. Diffusionsschweißens nach Einstellung der Schweißparameter eine Relativbewegung, vorzugsweise Drehung, des auf der Diffusionsmittel schicht aufliegenden Deckels relativ zum Behälter erfolgt. Es ist auch möglich, daß mindestens auf einer der zu fügenden Auflageflächen (Behälterteiloberfläche und/oder Oberfläche der Zwischenschicht) eine Oberflächenstruktur vorgesehen ist derart, daß beim Fügen, d. h. beim Zusammenbringen, die metallische Zwischenschicht zur Zerstörung der Oxidhäute im vorgegebenem Ausmaß

^° verformt wird.·. Auch ist es möglich, die mit Oxidhäuten versehenen Oberflächen chemisch zu ätzen oder chemisch reduzierenden Bedingungen, z. B. einer Wasserstoffatmosphäre, auszusetzen. Kombinationen der vorstehenden Maßnahmen sind möglich.

Es ist möglich, daß für die Diffusionsmittelschicht ein einziges Metall verwendet wird, wie z. B. Au, Cu, Al, Ti, Pt, Ag, Cr, Ni. Bevorzugt werden Au, Cu, Al, insbesondere Au. Es kann aber auch zweck-

maßig sein, ein mit einem anderen Metall dotiertes Metall zu verwenden. Zum Verschließen eines Behälters aus Al_0o kann vorzugsweise mit Li dotiertes Au oder Cu .eingesetzt werden.

Sprödbruch- und/oder zugspannunsempfindliche Werkstoffe für Behälter und Deckel sind neben den bereis vorstehend erwähnten Keramikwerkstoffen, zu denen neben Al₃O₃ auch die Karbide wie SiC, Kohlenstoff (auch in Graphitform) gehören, auch Gußeisen, wie 2. B. Sphäroguß, Stahlguß oder Gußeisen mit einem höheren Siliciumgehalt, wie z. B. Siliciumguß mit einem Siliciumgehalt bis ca. 17 %. Bevorzugt wird Gußeisen mit einem höheren Siliciumgehalt. Vom eigentliehen Siliciumguß spricht man bei einem Siliciumgehalt von 14,5 - 17 %, wobei der Kohlenstoff bei einem Gehalt von 0,4 - 0,8 % liegt. Für die Lagerung in Salzlaugen ist ein Siliciumguß mit einem Mindestgehalt von ca. 15 % Si und einem Kohlenstoffmindestgehalt von ca. 0,7 % besonders geeignet. Bei Lagerung in normalem Grundwasser zugänglichen Bereichen ist ein Siliciumgehalt von mindestens 3 % anzustreben.

In den vorstehenden Ansprüchen und in der vorliegenden Beschreibung wird unter Behälter und Deckel auch eine solche Konfiguration verstanden, bei der Behältergrundkörper und Deckel im wesentlichen gleiche axiale Erstreckung haben, d. h. auch Behälterkonfigurationen, bei denen die Verbindungslinie zwischen den beiden Behälterteilen etwa in der Mitte des geschlossenen Behälters liegt.

Die Erfindung ist auch auf einen Behälter nach Anspruch 9 gerichtet.

Anhand der beigefügten Figur soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.

Ein zylindrischer Behälter 1, der an einem Ende durch einen einstückig mit ihm ausgebildeten Boden la verschlossen ist, ist mit gestrichelt angedeutetem radioaktivem

Material 2 gefüllt. Auf der Auflagefläche des Behälters 1 liegt ein ringförmiges Formteil 3 aus einem für eine Diffusionsschweißverbindung geeignetem metallischem Werkstoff auf. Auf dem Formteil 3 liegt ein Deckel 4 auf. Behälter 1 und Deckel 4 bestehen z. B. aus Al-O-. und das Formteil 3 aus mit Li dotiertem Au. Durch eine geeignete Druckvorrichtung wird auf den Deckel 4 ein Druck aufgebracht, so daß das Formteil 3 unter einem für das Diffusionsschweißen ausreichenden Druck zwischen Deckel 4 und Behälter 1 gehalten ist.

Durch eine geeignete Heizvorrichtung (ζ. Β. induktiv) werden das Formteil 3, der Behälter 1 und der Deckel 4 im Bereich der Anlageflächen auf eine unterhalb der Schmelzpunkte der Werkstoffe für Behälter 1, Deckel 4 und Formteil 3 erwärmt und so lange gehalten, bis die Diffusionsschweißverbindung längs der Anlageflächen aufgebaut ist.

Beim Beispiel ist das Formteil 3 als Flachring ausgebildet und die Anlageflächen erstrecken sich senkrecht zur Behälterachse. Andere Ausbildungen wie gestuftes Formteil und entsprechende Anlageflächen sind denkbar. Die Anlageflächen können auch konisch ausgebildet sein. Auf den konischen Flächen oder auf geradzylindrischen Flächen können Gewinde ausgebildet sein. Die konischen oder geradzylindrischen Flächen mit oder ohne Gewinde werden mindestens zum Teil von der Dichtung und/oder Verbindungsschicht

abgedeckt.

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Claims

STEAG Kernenergie GmbH
Bismarckstraße 54

Essen 1

Stichwort: Diffusionsschweißen

Az. 681

Verfahren zum Schließen eines Behälters für die Lagerung radioaktiver Substanzen

Ansprüche

Verfahren zum Schließen eines Behälters aus spröd- ~" bruch— und/oder zugspannungsempfindlichen Werkstoffen für die Lagerung radioaktiver Substanzen, insbesondere abgebrannter Brennelemente, mit einem entsprechenden Deckel, bei dem zwischen den Auflageflächen von Behälter und Deckel eine korrosionsfeste, metallische Schicht aufgebracht wird,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Auflageflächen von Behälter (1) mittels einer geeigneten·Schweißmittelschicht (3) diffusionsverschweißt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Werkstoffkombination verwendet wird und/oder die Schweißparameter so eingestellt werden, daß ausschließlich ein Pestkörperdiffusionsschweißen ohne flüssige Phase erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Werkstoffkombination verwendet wird und/oder die Schweißparameter so eingestellt werden, daß zumindest in den Bindungszonen zwischen metallischer Schicht einerseits und Deckel bzw. Behälter andererseits durch Diffusion die. Bildung einer niedrig schmelzenden eutektischen Konzentration der Werkstoffkombination durchlaufen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schicht als vorgefertigtes Formteil zwischen Behälter und Deckel eingelegt wird oder daß die Schicht als festhaftende Vorbeschichtung auf mindestens eine der Auflageflächen aufgebaut wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet,

daß vor oder zu Beginn des Diffusionsschweißens etwaig vorhandene Oxidhäute zumindest teilweise

zerstört werden.
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6.' Verfahren nach einem der Ansprüche 1- 5, dadurch gekennzeichnet,

daß für die Diffusionsmittelschicht ein einziges Metall verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet,

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daß ein mit einem anderen Metall dotiertes Metall verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Werkstoffe für Behälter und Deckel ausgewählt sind aus der Gruppe folgender sprödbruch- und/oder zugspannungsempfindlicher Werkstoffe: Keramikwerkstoffe, Gußeisen, insbesondere Gußeisen mit einem höheren Siliciumgehalt.
9. Mit einem Deckel geschlossener Behälter für die Lagerung radioaktiver Substanzen, bei dem zwischen den Auflageflächen von Behälter und Deckel, die aus sprödbruch- und/oder zugspannungsempfindlichen Werkstoffen bestehen, eine korrosionsfeste metallische Schicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet,

daß der Behälter (1) und der Deckel (4) durch eine mittels der metallischen Schicht (3) aufgebaute Diffusionsschweißverbindung miteinander verbunden sind.