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Stichwort: Gießschmelzen
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Az. 699 Verfahren zum Verschließen eines metallischen Behälters zum
Transport und/oder Langzeitlagerung von radioaktiven Stoffen und nach dem Verfahren
geschlossener Behälter Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen eines
metallischen Behälters zum Transport und/oder Langzeitlagerung von radioaktiven
Stoffen mit einem metallischen Verschlußdeckel, bei dem der Verschlußdeckel mit
dem Behälter mittels einer schmelzflüssigen Gußmasse an einander zugeordneten Fügeflächen
verbunden wird, die in einen zumindest teilweise vom Verschlußdeckel und Behälter
bestimmten Gießraum gefüllt wird.
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Aus der EP-A1 0 042 882 ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem
bei einem Behälter, der auf seiner dem Deckel gegenüberliegenden Dichtfläche mit
Erhebungen oder Ausnehmungen versehen ist, schmelzflüssiges Material zum Aufbau
eines Formschlusses um die Erhebungen oder in den Ausnehmungen in den Gießraum eingegossen
wird. Bei der bekannten Anordnung wird der Gießraum vollständig aufgefüllt und danach
wird der Zufluß von schmelzflüssiger Gußmasse unterbrochen, d. h. die den Gießraum
darstellenden Aussparungen und die zu ihnen hinführenden Kanäle werden einmalig
aufgefüllt.
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Die bevorzugte Ausbildung der Erhebungen und Ausnehmungen im Querschnitt
in schwalbenschwanzförmiger, rechteckiger, halbrunder oder rechteckiger und hinterschnittener
Konfiguration zeigen, daß bei vorgefertigtem Deckel nur eine formschlüssige Verbindung
angestrebt wird.
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Als weitere Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Deckel nicht vorgefertigt,
sondern zur Gänze mittels einer auf den Mantel des Behälters aufsetzbaren Gußform
hergestellt wird, in die die für den Deckel vorgesehene Gußmasse eingebbar ist.
Das Herstellen eines Deckels in situ erfordert große Mengen von Gußmasse in der
Heißen Zelle. Darüber hinaus erfordert der große Wärmeinhalt eines in situ gegossenen
Deckels einen besonderen technischen Aufwand zur Kühlung der übrigen Behälterbereiche,
um eine unzulässige Erwärmung des in den Behälter eingebrachten radioaktiven Materials
zu vemeiden.
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Wenn bei der bekannten Verfahrensführung eine Verschweißung an den
Fügeflächen von Behälter und Verschlußdeckel erreicht werden soll, müssen vor dem
Einbringen der Gußmasse die Fügeflächen auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur
des Behältermaterials vorgewärmt werden, da der Wärmeinhalt der nur in die Aussparungen
und die Kanäle eingebrachten Gußmasse zum Anschmelzen der Fügeflächen nicht ausreicht.
Bei einer solchen Vorwärmung auf hohe Temperaturen muß ebenfalls für die ausreichende
Kühlung der übrigen Behälterbereiche gesorgt werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
anzugeben, bei dem eine Schweißverbindung (metallische Verbindung) zwischen der
Gußmasse und
den Fügeflächen an Behälter und Deckel möglich wird,
ohne daß der Behälter und der Verschlußdeckel auf zu hohe Temperaturen erwärmt werden,
insbesondere auf Temperaturen, die Kühlungsmaßnahmen in anderen Bereichen von Behälter
und Verschlußdeckel erforderlich machen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Gießraum unter Überdeckung
der Fügeflächen mit der schmelzflüssigen Gußmasse gefüllt wird und ein Durchfluß
der Gußmasse eingestellt wird, bis die Fügeflächen auf die Schweißtemperatur der
für Deckel und Behälter verwendeten Materialien erwärmt werden, und daß danach unter
Einhaltung eines vorgegebenen Füllstandes im Gießraum der Durchfluß unterbrochen
wird.
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Durch die vollständige Füllung des Gießraums und des Einstellens eines
vorgegebenen Durchflusses kann an den Fügeflächen die notwendige Schweißtemperatur
erreicht werden, ohne daß besondere Kühlungsmaßnahmen erforderlich sind.
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Als metallische Werkstoffe für Behälter und Verschlußdeckel kommen
eisenhaltige Werkstoffe, wie z. B.
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C-Stahl, Edelstahl, Sphäroguß, Si-Guß, austenitisches Gußeisen, und
Nichteisenmetalle, wie z. B. Kupfer und Aluminium und Legierungen hiervon, in Frage.
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Vorzugsweise werden für Behälter und Verschlußdeckel dieselben Werkstoffe
verwendet. Als Gußmasse werden dieselben Werkstoffe oder artähnliche Werkstoffe
eingesetzt, wie sie für Grundkörper und Abschlußdeckel verwendet worden sind. Das
Schweißgut sollte dieselbe Korrosionsfestigkeit besitzen wie Behälter und Verschlußdeckel.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei Behältern angewendet
werden, bei denen der Behältergrundkörper aus einem nicht-korrosionsfesten metallischen
Werkstoff und einer diesen Grundkörper umgebenden Schicht aus einem korrosionsfesten
Werkstoff besteht. Die Aufnahmeöffnung des Behälters wird zunächst durch einen innen
liegenden zweiten Verschlußdeckel geschlossen und danach mit dem Verschlußdeckel,
der dann mit der außen liegenden korrosionsfesten Schicht gemäß dem vorliegenden
Verfahren verbunden wird. Geeignet sind auch Verschlußdeckel aus nicht korrosionsfesten
Werkstoffen, die mit einer festhaftenden Schicht aus korrosionsfestem Werkstoff
ummantelt sind.
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Auch bei der vorliegenden Verfahrensführung können zumindest die Fügeflächen
vor Eingießen der Gußmasse vorgewärmt werden; jedoch nicht auf eine im Bereich der
Schmelztemperatur liegende Temperatur.
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Es ist möglich, die aus dem Gießraum fließende Schmelze vom Behälter
abzuziehen; es ist jedoch von Vorteil, die durch den Gießraum fließende Schmelze
in einem Aufnahmeraum des Behälter-Deckel-Systems aufzufangen, da dann die für die
Erwärmung erforderliche durchfließende Schmelze in den verschlossenen Behälter integriert
ist und somit abtransportiert werden kann.
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Bei der Verfahrensführung ist es möglich, zunächst den Gießraum vollständig
aufzufüllen und danach den Durchfluß beginnen zu lassen. Andererseits ist es möglich,
daß der Durchfluß bereits bei Füllung des Gießraumes beginnt, wobei jedoch die Einfüllrate
zunächst größer ist als die Durchflußrate, damit eine vollständige Auffüllung des
Gießraums zu Beginn des Gießvorganges erreicht wird.
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Es ist möglich, daß der Gießraum durch Behälter, Verschlußdeckel und
eine nach Aufbau der Verbindung
abnehmbare Form bestimmt wird.
Andererseits ist es möglich, daß der Gießraum allein durch den Behälter und den
Verschlußdeckel bestimmt wird.
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Die Erfindung richtet sich auch auf einen Behälter zum Transport und/oder
Langzeitlagerung von radioaktiven Stoffen, bei dem im Bereich der Fügeflächen ein
Gießraum zur Aufnahme einer schmelzflüssigen Gußmasse vorgesehen ist, die nach ihrem
Erstarren eine Verbindung zwischen Behälter und Verschlußdeckel aufbaut.
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Bei der Vorrichtung gemäß der EP-A1 0 042 882 liegt eine formschlüssige
Verbindung ohne Erschmelzen an den Fügeflächen vor.
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Bei dem erfindungsgemäßen Behälter ist vorgesehen, daß der Gießraum
zumindest teilweise durch erhebungs-und/oder ausnehmungsfreie Fügeflächen an Behälter
bzw. Verschlußdeckel begrenzt ist und mit mindestens einer Einlauföffnung und mindestens
einer Ablauföffnung versehen ist und die Fügeflächen über die Gußmasse miteinander
verschweißt sind.
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Um die für das Erreichen einer bestimmten Temperatur erforderliche
Durchflußmenge beim Schließen sicher einhalten zu können, ist es zweckmäßig, über
Vorversuche die erforderliche Durchflußmenge zu bestimmen und dann die Vorrichtung
so zu gestalten, daß dem Gießraum über die Ablauföffnung ein Aufnahmeraum nachgeschaltet
ist, dessen Volumen durch die durch den Gießraum durchzusetzende Durchflußmenge
bestimmt ist.
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Dabei ist es möglich, daß der Aufnahmeraum in dem verschlossenen Behälter,
d. h. im Behälter selbst oder im Verschlußdeckel, vorgesehen ist oder durch eine
vom Behälter abnehmbare Gußform bestimmt ist.
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In Abhängigkeit von der Deckelkonfiguration kann der Gießraum axial
zur Stirnfläche oder radial zur Mantelfläche des verschlossenen Behälters ausgerichtet
oder geneigt sein. Bei dieser Ausführungsform stehen die Fügeflächen einander gegenüber
und der Zwischenraum ist mit der Gußmasse ausgefüllt.
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Andererseits ist es auch möglich, daß an den Stirnflächen des Behälters
und des Deckels nicht gegenüberstehende Fügeflächen ausgebildet sind und die Gußmasse
beide Fügeflächen übergreift.
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Es ist z. B. möglich, daß die Fügeflächen eine Lippe mit geneigten
Flanken bilden, in einer Radialebene liegen oder in einer zur Behälterachse geneigten
Ebene liegen. Es muß nur sichergestellt werden, daß die Vergußmasse in ausreichender
Stärke beide Fügeflächen übergreift.
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Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren genauer erläutert
werden. Es zeigt: Figur 1 einen Teilschnitt durch einen Behälter mit radialem Gießraum,
Figur 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Figur 1, Figur 3 einen Teilschnitt
durch einen Behälter mit in einer gesonderten Form ausgebildeten Aufnahmeraum mit
eingefüllter Schmelze, Figur 4 einen Teilschnitt durch eine Ausführungsform des
Behälters mit in dem Deckel ausgebildeten Aufnahmeraum,
Figur 5
einen Teilschnitt mit in einer gesonderten Form umgossenen Lippe und Figur 6 einen
Teilschnitt mit einer in Behälter und Deckel integrierten Form umgossenen Lippe.
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Figur 1 zeigt einen Behälter 1 mit aufgesetztem Verschlußdeckel 2,
der bei der gezeigten Ausführungsform unter Aufrechterhaltung eines sich radial
erstreckenden Gießspaltes 3 auf einen Gewindeansatz lb des Behälters aufgeschraubt
ist. Andere Techniken zur Vormontage und Deckelfixierung sind denkbar, wie z. B.
Klemmverbindungen.
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Über Behälter und Deckel ist eine geteilte Gußform 4 geschoben, die
eine Einlauföffnung 4a und eine Auslauföffnung 4b aufweist und deren Gußspalt der
Geometrie des Gießspaltes 3 entspricht. Der Auslauföffnung 4b ist eine Einfriereinrichtung
5 zugeordnet, die schematisch als eine von Wasser durchflossene Kühlschlange dargestellt
ist. Die Ablauföffnung 4b kann weiterhin durch einen nicht gezeigten Schieber oder
einen Stopfen verschlossen werden. Der Querschnitt der Öffnung 4a ist größer als
der Querschnitt der Öffnung 4b. Selbstverständlich können mehrere Ein-und Auslauföffnungen
vorgesehen sein. Nach einer vorzugsweisen geringen Vorwärmung der einander gegenüberstehenden
Fügeflächen 2a und la durch eine nicht gezeigte elektrische, insbesondere induktive
Heizung oder andere Vorwärmemittel, wird bei noch verschlossener Auslauföffnung
4b der Fügespalt mit Schmelzgut ausgegossen und dann die Auslauföffnung 4b geöffnet.
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Die abfließende Schmelze, die einen Teil ihrer Wärme auf die Fügeflächen
la und 2a übertragen hat, wird durch kontinuierlich über die Einlauföffnung 4a nachgespeiste
Schmelze ersetzt, so daß der Gießspalt 3 fortlaufend mit frischer Schmelze gefüllt
bleibt.
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Sind die Fügeflächen so weit aufgeheizt, daß kein nennenswerter Wärmeübergang
von der Schmelze zu den Fügeflächen hin mehr stattfindet, wird die Ablauföffnung
4b geschlossen, die Einfriereinrichtung 5 mit Wasser beaufschlagt und gleichzeitig
die Zufuhr frischer Schmelze eingestellt. In diesem Zustand weisen die Fügeflächen
ebenfalls Schmelztemperatur auf, so daß nach der Erstarrung eine innige metallische
Verbindung (Schweißverbindung) zwischen Schmelze und den Behälterbauteilen vorliegt.
Danach wird die Form geöffnet und abgezogen; die verbleibenden Gußnasen können dann
abgetrennt werden. Die erforderliche Durchflußmenge kann durch Erfassung der Temperaturen
an den Fügeflächen geregelt oder durch Vorversuche ermittelt werden.
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Bei der in der Figur 3 gezeigten Ausführungsform ist ein Behälter
5 mit einer stufenartigen Erweiterung 5a an seiner Stirnseite versehen. Auf der
Stufe 5a liegt ein Verschlußdeckel 6 auf, der zu seiner Stirnseite hin mit einem
in seinem Durchmesser reduzierten Abschnitt 6a versehen ist. Damit wird zwischen
Behälter 5 und Deckel 6 ein sich axial erstreckender Gießspalt oder Fügespalt 7
mit einander gegenüberstehenden Fügeflächen 5b und 6b aufgebaut.
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Das untere Ende des Fügespalts 7 steht über mehrere sich unter einem
Winkel schräg durch die Wandung des Behälters 5 hindurch erstreckende Auslaufkanäle
5c mit dem Grunde eines Aufnahmeraums 8 in Verbindung, der in einer am oberen Ende
des Behälters angeordneten Ringform 9 ausgebildet ist. Der Aufnahmeraum 8 weist
einen
im Volumen kleineren unteren Abschnitt 8a und einen Abschnitt 8b größeren Teilvolumens
auf, so daß bei gefülltem Aufnahmeraum 8 der größere Wärmeinhalt am freien Ende
des Behälters angeordnet ist.
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Das Volumen des Aufnahmeraums 8 entspricht dem Durchflußvolumen, das
für die gewünschte Aufwärmung der Fügeflächen 5b und 6b erforderlich ist. Die Länge
der Ausflußkanäle 5c entspricht mindestens der Tiefe des Fügespalts 7, damit vergleichbare
Korrosionswege vorliegen; wie bei der gezeigten Ausführungsform werden sie jedoch
vorzugsweise länger als die Tiefe des Gießspaltes ausgeführt.
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Nach einer eventuellen Vorwärmung der Fügeflächen 5b und 6b wird die
Gußmasse zunächst in einer so großen Menge in den Spalt 7 eingegossen, daß trotz
der durch die Ablaufkanäle- 5c abfließenden Schmelze der Gießspalt 7 schnell aufgefüllt
wird. Danach wird entsprechend des Abflusses über die Kanäle 5c fortlaufend Schmelze
in den Gießspalt 7 gegossen, bis die abgeflossene und damit abgekühlte Schmelze
im Aufnahmeraum 8 den gleichen Flüssigkeitsspiegel erreicht wie die Schmelze im
Fügespalt. Nach Auffüllen des Aufnahme raums 8 ist sichergestellt, daß die Fügeflächen
5b und 6b die für die Verbindung angestrebte Temperatur aufweisen.
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Bei der in der Figur 4 gezeigten Ausführungsform liegt ebenfalls ein
Deckel 10 auf einer Abstufung lla eines Behälters 11. Der Deckel ist mit einem in
seinem Durchmesser verringerten Abschnitt lOa versehen, so daß wieder ein sich axial
erstreckender Gießspalt 12 bestimmt ist. Bei der in der Figur 4 gezeigten Ausführungsform
liegen Ablaufkanäle lOc
im Deckel selbst und führen zu einem im
Deckel vorgesehenen Aufnahmeraum 13, der seinerseits über Entlüftungskanäle 14 zum
Behälterinneren hin entlüftet werden kann. Die in den Aufnahmeraum 13 eingeführte
Schmelze trägt zur Abdichtung und Verbindung bei.
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Bei den Ausführungsformen nach Figuren 3 und 4 kann die Spaltbreite
auch durch einen entsprechenden Rücksprung im Deckel vergrößert werden.
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Bei der in der Figur 5 gezeigten Ausführungsform weist ein Behälter
15 an seiner Stirnfläche eine vorstehende umlaufende Teil lippe 15a auf, der eine
entsprechende Teil lippe 16a an einem Verschlußdeckel 16 zugeordnet ist, so daß
beide Teil lippen 15a und 16a eine von der Berührlinie durchsetzte Lippe 17 mit
geneigten Fügeflächen 17a und 17b bilden (siehe Figur 5).
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Mit Abstand von der Lippe 17 ist in der Außenwandung des Behälters
15 eine Abstufung 15b vorgesehen und ist in der Deckelaußenseite eine Ringnut 16b
ausgebildet. In die Abstufung 15b und die Ringnut 16b greift eine abnehmbare Form
18 ein, die mit den Fügeflächen 17a und 17b einen ringförmigen Gießspalt 19 mit
V-förmigen Querschnitt über der Lippe 17 bestimmt. Dem Gießspalt sind eine Einlauföffnung
18a und eine Vielzahl von Ablaufkanälen 18b zugeordnet. Bei dieser Ausführungsform
wird die Schmelze in größerer Menge in den Gießspalt 19 eingefüllt, so daß dieser
schnell aufgefüllt wird und danach wird so viel Schmelze nachgegossen, wie über
die Kanäle 18b abläuft, bis die Fügeflächen 17a und 17b die erforderliche Temperatur
erreicht haben. Auch bei dieser Ausführungsform kann ein Aufnahmeraum im Behälter
und/oder Verschlußdeckel vorgesehen sein.
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Während bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 eine gesonderte Form
erforderlich ist, ist bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 die Form für den Gießspalt
20 in einen Behälter 21 und einen Deckel 22 integriert.
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Auch hier ist eine Lippe 23, vergleichbar der Lippe 17 aus Figur 5,
vorgesehen, jedoch wird der Gießraum durch einen umlaufenden Kragen 21a des Behälters
21 und einen umlaufenden Kragen 22a des Deckels 22 begrenzt, wobei die Kragen einstückig
mit den zugeordneten Bauteilen ausgebildet sind. Am Fuße der Kragen sind wieder
Ablaufkanäle 21b bzw. 22b ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform kann die in den
vom Kragen 22a gebildeten Zylinderraum ablaufende Gußmenge am Behälter verbleiben
und mit diesem gelagert werden.
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Bei den Ausführungsformen gemäß Figuren 5 und 6 werden die Öffnungen
18b bzw. 21b und 22b zur Unterbrechung des Durchflusses durch nicht gezeigte Stopfen
oder andere von außen angreifende Schließmittel geschlossen. Bei der Ausführungsform
gemäß Figur 4 ist ein Schließen der Entlüftungsöffnungen 14 nicht erforderlich,
da nur eine solche Schmelzgutmenge eingefüllt wird, bis der Aufnahmeraum 13 gefüllt