PATENTOVÝ SPIS ČESKÁ A SLOVENSKÁ FEDERATIVNÍ REPUBLIKA FR 87/ FEDERÁLNÍ ÚŘAD PRO VYNÁLEZY. (11) Číslo dokumentu:

Transkript

1 PATENTOVÝ SPIS (11) Číslo dokumentu: ČESKÁ A SLOVENSKÁ FEDERATIVNÍ REPUBLIKA (19) (21) Číslo přihlášky: (22) Přihlášeno: (30) Právo přednosti: FR 87/ (40) Zveřejněno: (47) Uděleno: (24) Oznámeno udělení ve Věstníku: (13) Druh dokumentu: B 6 (51) Int. Cl. 5 : В 23 К 15/00 FEDERÁLNÍ ÚŘAD PRO VYNÁLEZY (73) Majitel patentu: FRAMATOME, Courbevoie, FR; (72) Původce vynálezu: Vignes Alain, Paříž, FR; (54) Název vynálezu: Způsob výroby nádoby jaderného reaktoru s lehkou vodou a nádoba jaderného reaktoru vyrobená tímto způsobem (57) Anotace: Nádoba jaderného reaktoru zahrnuje plášť o značné tloušťce stěny, například v rozmezí 200 až 300 mm, tvořený jednotlivými základními díly symetrickými podle osy rotace (2a, 2b, 6, 7, 8, 9, 10, 3a,3b), spojenými mezi sebou svařováním na tupo. Tyto díly Jsou zhotoveny z ocele obsahující 2 až 2,5 % chrómu, 0,9 až 1,1 % molybdenu a méně než 0,15 % uhlíku. Svařování těchto dílů za účelem jejich vzájemného spojení se provádí svazkem elektronů v Jediném tahu v celé tloušťce dílů bez přídavného kovu. Vynález je použitelný zejména pro výrobu nádoby jaderného reaktoru s tlakovou vodou.

2 CS Вб 205 Vynález se týká způsobu výroby nádoby jaderného reaktoru s lehkou vodou, zahrnujíc! plášt značné tlouštíky stěny, například větší než 100 mm. Zejména se vynález týká způsobu výroby nádoby jaderného reaktoru s tlakovou vodou a takovéto nádoby nové koncepce. Nádoby jaderných reaktorů s tlakovou vodou sestávají z pláště obvykle válcového tvaru, uzavřeného na obou koncích bombírovanými dny. Nádoba, která v sobě uzavírá aktivní zónu reaktoru, je vystavena intenzivnímu neutronovému záření a musí snášet teplotu a tlak primárního kapalného prostředí tvořeného vodou o teplotě kolem 320 "С a o tlaku řádově 150 x 10 5 Pa. Nádoby jaderných reaktorů s tlakovou vodou, které se používají v současné době, mají tloustku stěny obvykle v rozmezí 200 až 300 mm a musí být sestaveny z válcových prsténců a z jednoho bombírovaného dna, kteréžto konstrukční prvky jsou spolu spojeny svařením. Druhé bombírované dno nádoby tvoří víko, které se při uvádění nádoby do provozu připevní závrtnými šrouby к přírubě přivařené na jeden z prsténců tvořících nádobu. Smontování nádoby se provádí svařováním pod tavidlem s přídavným kovem, kterýžto postup vyžaduje vhodné opracování konců konstrukčních dílů, které se mají spolu spojit, aby se vytvořily dva svarové úkosy, které se pak zaplní přídavným kovem. Takto vzniklý svar se pak musí znovu opracovat na vnitřní a vnější straně a podrobit tepelnému zpracování. Přes všechnu obezřetnost při svařování vnáší přídavný kov do metalurgické struktury kovu, u něhož je nádoba zhotovena, určitou nespojitost, což může být na závadu zejména tehdy, když je svarový spoj v té oblasti nádoby, která se nachází naproti aktivní zóně reaktoru. Nicméně bylo možno dosáhnout velmi dobré bezpečnosti nádob tím, že se při svařování postupovalo velmi obezřetně a že se přiváděly četné kontroly svarů. Smontování nádoby jaderného reaktoru představuje tedy časově velmi náročný postup, který vyžaduje použití složitých prostředků a který musí provádět vysoce kvalifikovaní pracovníci. Vyplňování svarových úkosů vyžaduje mnoho svařovacích tahů a uložený kov je nutno stále kontrolovat, aby se zabránilo přítomnosti jakýchkoliv cizích části ve svarovém spoji (struskové vměstky atd.). Jsou známy způsobu smontování nádob jaderných reaktorů svařováním bez přídavného kovu, které umožňují vytvořit svarový spoj v jediném tahu a při poměrně velké tloušťce stěny. Zejména již bylo použito svařování svazkem elektronů pro spojení konstrukčních dílů o poměrně značné tloušťce stěny. Nicméně zkoušky ukázaly, že druhy ocele, používané v současné době pro výrobu nádob jaderných reaktorů s lehkou vodou, neumožňují svařování konstrukčních dílů o tloušťce stěny větší než 100 mm svazkem elektronů a v jediném tahu к získání svarového spoje dokonalé jakosti.

3 CS Вб 2 Účelem vynálezu tudíž je, poskytnout způsob výroby nádoby jaderného reaktoru s lehkou vodou, zahrnující plášt o značné tlouštce stěny, například větší než 100 mm, symetrický podle osy rotace. Způsob podle vynálezu spočívá v tom, že se vyrobí alespoň dva základní konstrukční díly zpravidla rotačně symetrického a obvykle prsténcového tvaru, které se pak spolu spojí svařováním v celé tlouštce stěny к vytvoření nádoby, kterýžto způsob umožňuje vyrobit svarové spoje velmi dobré jakosti a zhotovit dílčí složky nádoby mající velmi dobrou odolnost vůči záření, přičemž jeho provádění zabírá mnohem kratší dobu než při použití dosavadní technologie. К dosažení tohoto cíle jsou základní konstrukční díly, jejichž tloušťka stěny je větší než 100 mm, zhotoveny z ocele obsahující 2 až 2,5 % chrómu, 0,9 až 1,1 % molybdenu a méně než 0,15 % uhlíku a smontování základních konstrukčních dílů se provádí svařováním svazkem elektronů bez přídavného kovu v jediném tahu v celé tlouštce stěn dílů. К lepšímu objasnění vynálezu je v dalším popsán na příkladu, na nějž však vynález není omezen a který je znázorněn na připojených výkresech,, způsob podle vynálezu, použitý při zhotovení nádoby jaderného reaktoru s tlakovou vodou mající průměr řádově 4,50 m, jakož i nádoba vyrobená způsobem podle vynálezu. Obr. 1 představuje pohled v reaktoru s tlakovou vodou. osovém řezu na nádobu jaderného Obr. 2, 3a 4 představují pohledy v osovém řezu ná oddělené jednotlivé díly tvořící nádobu jaderného reaktoru a způsob jejich smontování. Obr. 5 a 6 znázorňují pohledy v nárysu, ve dvou na sebe kolmých směrech, na zařízeni pro svařování nádoby jaderného reaktoru svazkem elektronů. Obr. 7 znázorňuje zařízení podle obr. 5 a 6 v půdorysu. Na obr. 1 je zobrazena nádoba 1 jaderného reaktoru, zahrnující střední válcovou část jakož i bombírované dno 2 a víko 3 polokulovitého tvaru. Víko 3 je připevněno к tělesu nádoby 1 závrtnými šrouby 4.. Válcová část nádoby je tvořena dvěma prsténci б a 7 obklopujícími aktivní zónu reaktoru, prsténcem 8 pro umístění hrdel a přírubou 9. Hrdla 10 umožňují napojit- nádobu na primární cirkulační okruh. Dno 2 a víko 3 sestávají vždy ze dvou částí 2a, 2b resp. За a 3b. Základní konstrukční díly 2a, 2b, 6, 7, 8, 9a 10, tvořící těleso nádoby, jsou spolu spojeny svary v místech 11 styku. Rovněž díly За a 3b víka jsou spolu spojeny svary. Uvnitř nádoby 1 je upravena zóna 12, v níž jsou umístěny palivové články tvořící aktivní zónu reaktoru.

4 3 CS Вб3 Je zřejmé, že svarové spoje 11 v místech jednak mezi oběma prsténci 6 a 7 aktivní zóny reaktoru, jednak mezi hořením prsténcem 2 aktivní zóny reaktoru a prsténcem 8 pro připojení hrdel, kteréžto prsténce se nacházejí v úrovni aktivní zóny reaktoru, jsou nejvíce namáhány zářením. Na obr. 2 jsou znázorněny jednotlivé základní konstrukční díly tvořící nádobu reaktoru před.jejich smontováním. Těmito díly jsou většinou prsténce nebo prsténcovité příruby, s výjimkou obou koncových kulovitých dílů 2a a 3a. Uvedené konstrukční díly se vyrábějí kováním z ocele tohoto složení: С : 0,22 %; Mn : 1,15 až 1,60 %; Si : 0,10 až 0,30 %; Ni : 0,50 až 0,80 %; Cr : 0,25 *%? Mp : 0,43 až 0,57 %. Jednotlivé díly určené ke smontování se pak obrobí к vytvoření lícujících okrajů na svých koncích. Když se tyto díly umístí do polohy pro smontování svařením, vytvoří jejich okraje jednu nebo dvě zkosené hrany, mezi něž se ukládá přídavný materiál po sobě následujícími tahy automatického svařování pod tavidlem. Poté se okraje a část přídavného materiálu odstraní opracováním, načež se svarový spoj dokončí nanášením postupně dalších vrstev, rovněž postupně navařovaných jednotlivými tahy. Je třeba uskutečnit velmi mnoho dílčích tahů к vytvoření svarového spoje. Jak je zřejmé z obr. 3, spojí se'tupým svarem nejprve prsténce 6 a 2 aktivní zóny reaktoru v jeden prsténec 13,. К tomuto prsténci 13 se.pak přisadí a přivaří dno 2. Tato první sestava 18 tvoří dolní montážní podskupinu nádoby (obr. 4). Hoření podskupina 19 je tvořena prsténcem 14 nesoucím hrdla, к němuž byla hrdla 1() přivařena a jenž vznikne navařením příruby 9 na prsténec 8. Obě tyto montážní podskupiny 18, 19 se pak Je sobě přivaří. Veškeré tyto svary se provádějí automatickým svařováním pod tavidlem. Rovněž víko 3 se vyrobí svařením dílů За a 3b pod tavidlem. Jednotlivé díly tvořící nádobu zpravidla v rozmezí 200 až 300 mm. reaktoru mají tlouštku stěny U nádoby jaderného reaktoru, vyrobené způsobem podle vynálezu, jsou vykované díly 2a, 2b, 6, 7, 8., 9., 10, 3a, 3b, z nichž nádoba sestává, vyrobeny z ocele obsahující 2 až 2,50 % chrómu a 0,9 až 1,10 % molybdenu a nanejvýš 0,15 % uhlíku, yýhodně obsahuje tato ocel 2,25 % chrómu a 1 % molybdenu. Přesněji mají ocele použité při způsobu podle vynálezu к výrobě nádoby jaderného reaktoru toto složení: С : 0,11 až 0,15 %; Me : 0,30 až 0,60.%; Si : 0,15 až 0,35 %; Cr : 2 až 2,50 %; Mo : 0,9 až 1,1 I ; Ni :. nanejvýš 0,30 %; P : nanejvýš 0,005; S : nanejvýš 0,005 %; Cu : nanejvýš 0,05 %; V : nanejvýš 0,01 %; AI: nanejvýš 0,02 %; Co : nanejvýš 0,03 %; Sb : nanejvýš 0,001; As : nanejvýš 0,012 %.

5 CS Вб 4 Minimální mechanické vlastnosti těchto ocelí jsou tyto: při 20 C: mechanická pevnost 550 MPa mez pružnosti (průtažnosti) 385 MPa tažnost 20 % při 330 C: mez pružnosti (průtažnosti) 310 MPa Tyto ocele, z nichž se vyrábějí zařízení pro petrochemický průmysl, se ukázaly být svařitelné svazkem elektronů až do tlouátěk nejméně 300 mm. Svary vyrobené v jednom tahu svařovacím dělem svazkem elektronů o výkonu 200 kw se vyznačují vynikajícími metalurgickými vlastnostmi. Jednotlivé prsténce a kulovité dno a víko, z nichž nádoba reaktoru podle vynálezu sestává, mají tlouštku stěny v rozmezí 200 až 300 mm. Díly 2a, 2b, 6, 7, 8, 9, 10 a 3a, 3b jsou vyrobeny a vytvarovány do požadovaného tvaru postupy odlévání a kování ocele, jak jsou známy pro výrobu základních konstrukčních dílů nádoby jaderného reaktoru. Spojení těchto základních dílů se provádí jako při dosavadních známých postupech tak, že se vytvoří dolní podskupina 18 nádoby přivařením předem svařeného dna 2 к dílu 13 vzniklému svařením prsténců 6 a 7, a hoření podskupina 19 se vytvoří přivařením hrdel 10 к prsténci 14 nosiči hrdel, vzniklému přivařením příruby 9 к prsténci 8, pro umístění hrdel. Konečné smontování nádoby 20 (obr. 4) se provede přivařením na tupo dolní podskupiny 18 к hořéní podskupině 19. Jednotlivé svary se provádějí jediným tahem svazkem elektronů na к sobě přiložených koncích dílů, které se mají spolu spojit. Ve srovnání s dosavadní technologií automatického svařování pod tavidlem je množství potřebné tepelné energie mnohem menší a vzniká v menším množství materiálu na spoji dvou dílů. Z toho vyplývají menší změny dílů tvořících nádobu a jejich deformace působením tepla. Svařování svazkem elektronů umožňuje vytvářet spoje bez přídavného materiálu, jejichž odolnost proti záření je stejná jako odolnost samotného základního materiálu. Kromě toho skutečnost, že svařování svazkem elektronů se provádí jediným tahem, značně zkracuje dobu potřebnou pro smontování nádoby. Na obr. 5, б a 7 je znázorněno zařízení množmijící provádět svařování jednotlivých základních dílů, z nichž nádoba jaderného reaktoru sestává, svazkem elektronů. Toto zařízení tvoří komora 30 velkých rozměrů, z níž je možno vyčerpat vzduch čerpací soustavou umožňující dosáhnout vakua řádově 10-5 mm Hg.

6 5 CS Вб 5 Pro montování nádob jaderných reaktorů s tlakovou vodou, jejichž průměr je okolo 4,50 m, byla zkonstruována komora tvaru rovnoběžnostěnu, jejíž vnitřní rozměry jsou tyto: délka 8,50 m, šířka 7,50 m a výška 12,50 m. Objem takovéto komory je 800 m 3. Elektronové dělo o výkonu 200 kw je upevněno na nosiči 32. namontovaném pohyblivě v podélném směru na nosníku 33., který opět je pohyblivě ve svislém směru nasazen na dvou svislých sloupech 34 majících prakticky stejnou výšku jako komora 30.. Tím je umožněno přemisťování elektronového děla v příčném směru v rozsahu 6 m a ve svislém směru v rozsahu 9 m. Elektronové dělo, jak je patrné na obr. 5 a 7, je namontováno na nosiči 32 otáčivě v rozsahu 90 kolem vodorovné osy a v příčném směru vzhledem ke komoře a kolem svislé osy. Svařovací zařízení svazkem elektronů zahrnuje rovněž vozík 36, na němž je uložena otočná plošina 37 o průměru řádově 5 m. Vozík 36 se může pohybovat v prostoru komory.30 tak, že se může přemísťovat v rozsahu přibližně 3,30 m po délce komory 30.. Zařízení, jak je znázorněno na obr. 5, б a 7, umožňuje provádět veškeré svary potřebné ke smontování nádoby jaderného reaktoru. Pro provedení svarů к spojení prsténců к sobě nebo ke spojení prsténců s kulovitými víky se díly, které se mají spolu spojit, upevní na plošině 37 a elektronové dělo 31. se uvede do vodorovné polohy ve výšce potřebné pro provedení svarového spoje. Svařované díly se otáčejí kolem svislé osy otočné plošiny 37. a svarový spoj se vytvoří svazkem elektronů jediným tahem, rychlostí 10 až 40 cm.min -^ podle tloušťky svarového spoje. Tímto způsobem bylo možno vytvořit svarové spoje o tloušťce až 300 mm vynikající metalurgické jakosti na dílech z ocele obsahující 2,25 % chrómu a 1 % molybdenu. Rovněž hrdla 10, je možno přivařit svazkem elektronů к prsténci 8 za vzniku prsténce 14 nosiče hrdel použitím zařízení znázorněného na obr. 5, б a 7. Tuto operaci je možno uskutečnit postupem popsaným ve francouzském patentovém spisu (francouzská patentová přihláška ). Tento postup se vyznačuje zejména přechodovou plochou komolokuželovitého tvaru mezi každým z hrdel a prsténcem. Podstatnou výhodou ocele, z níž jsou jednotlivé díly nádoby vyrobeny, je, že je málo citlivá na záření. Tato chrommolybdenová ocel vykazuje počátek přechodové teploty nižší než -20 C v neoz~ř*ném stavu, tato teplota se zvýší na hodnotu kolem 0 až 10 C po 40 letech ozařování v provozních podmínkách v sousedství aktivní zóny jaderného reaktoru. Tyto podmínky odpovídají maximální době životnosti nádoby jaderného reaktoru. Z toho plyne, že u složek nádoby, vytvořené způsobem podle vynálezu z chrommolybdenové ocele, nedochází к porušení rozštěpením následkem nepravidelného šíření trhlin, ke kterému může dojít jen pod přechodovou teplotou. Rovněž se zabrání jakémukoliv nebezpečí šíření trhlin, které by mohlo mít za následek unikání v nádobě.

7 CS Вб б Kromě toho, poněvadž obsah uhlíku v oceli použité pro výrobu dílů nádoby je nízký, je na vnitřní stěně nádoby obvykle zapotřebí jen jediné vrstvy neoxidovatelného obložení. Tato výhoda je tím významnější, že obsah uhlíku v oceli je omezen na nízké hodnoty. Vynález není omezen na popsané způsoby provedení. Jediná omezení způsobu podle vynálezu se týkají- tlouštky stěny, kterou je možno svařit jediným tahem svazkem elektronů. S přihlédnutím к tomuto omezení je vynález použitelný pro výrobu jakékoliv nádoby pro jaderný reaktor. P A T E N T O V É N Á R O K Y 1. Způsob výroby nádoby jaderného reaktoru s lehkou vodou, zahrnující plášt značné tlouštky stěny, například větší než 100 mm, symetrický podle osy rotace, při němž se vyrobí nejméně dva základní díly zpravidla tvaru symetrického podle osy rotace, které se pak vzájemně spojí svařením v celé tlouštce stěny к vytvoření složky nádoby, vyznačující se tím, že základní díly nádoby (2a, 2b, 6, 7, 8, 9, 10, 3a, 3b), jejichž tlouštka stěny je větší než 100 mm, se vyrobí z ocele obsahující 0,11 až 0,15 % C, 0,30 až 0,60 % Mn, 0,15 až 0,35 Si, 2 až 2,5 Cr, 0,9 až 1,1 Mo, nanejvýše 0,30 Ni, nanejvýše 0,005 P, nanejvýše 0,005 S, nanejvýše 0,05 Cu, nanejvýše 0,01 V, nanejvýše 0,02 AI, nanejvýše 0,03 Co, nanejvýše 0,001 Sb a nanejvýše 0,012 As, přičemž spojení základních dílů nádoby se provede svařením svazkem elektronů v jediném tahu bez přídavného kovu v celé tlouštce stěn základních dílů. 2. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že se použije základních dílů (2b, 6, 7, 8) nádoby o tlouštce stěn v rozmezí od 200 do 300 mm. 3. Způsob podle bodu 1, při němž dílčí složkou nádoby jaderného reaktoru je nádoba jaderného reaktoru s tlakovou vodou zahrnuj ící polokulovité dno (2), prsténec (13) aktivní zóny a prsténec (8) nosič hrdel, vyznačující se tím, že polokulovité dno (2) se spojí s prsténcem (13) aktivní zóny svařením svazkem elektronů a vzniklá podskupina čili dolní podskupina (18) nádoby se spojí s hoření podskupinou (19) nádoby, tvořenou prsténcem (14) nosičem hrdel, navazujícím na podpěrnou přírubu (9) víka (3) nádoby, rovněž svařením svazkem elektronů. 4. Nádoba jaderného reaktoru s tlakovou vodou, zahrnující válcové těleso uzavřené bombírovanými dny polókulovitého tvaru, vyznačující se tím, že sestává ze základních dílů, jejichž tlouštka stěny je větší než 100 mm, z ocele obsahující 0,11 až 0,15 % C, 0,30 až 0,60 Mn, 0,15 až 0,35 Si, 2 až 2,5 Cr, 0,9 až 1,1 Mo, nanejvýše 0,30 Ni, nanejvýše 0,005 P, nanejvýše 0,005 S, nanejvýše 0,05 Cu, nanejvýše 0,01 V, nanejvýše 0,02 AI, nanej-

8 7 CS Вб 7 výše 0,03 Co, nanejvýše 0,001 Sb a nanejvýše 0,012 As, symetrických podle osy rotace a spojených svařením svazkem elektronů v jediném tahu v celé tlouštce stěny. 5. Nádoba podle bodu 4, vyznačující se tím, že sestává z polokulovitého dna (2), válcového prsténce (13) a prsténce (14) nosiče hrdel, vzájemně spojených tupým spojem vytvořeným svařením svazkem elektronů za vzniku tělesa nádoby, a z polokulovitého víka (3). 5 Výkresů

9 CS Вбб ОЬг.1

10 Obr. 2 Obr. 3 14

11 CS Вб б

12 см го CS Вб б

13 CS Вб б Obr. 7 Konec dokumentu