Способ изготовления тепловыделяющего элемента для ядерного реактора

 

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов (твэл) для ядерных реакторов, в частности для реакторов с жидкометаллическим теплоносителем. Технический результат: обеспечение равномерного свинцового слоя между топливным столбом и оболочкой твэла, а также упрощение способа и используемого оборудования. В соответствии со способом изготавливают свинцовую трубку и помещают ее внутрь оболочки твэла, с помощью дорна убирают технологический зазор между оболочкой и свинцовой трубкой, обрабатывают нижний торец оболочки и приваривают нижнюю заглушку, загружают внутрь оболочки со свинцовым покрытием керамические таблетки и фиксируют их в оболочке, обрабатывают верхний торец оболочки, в контролируемой газовой среде приваривают верхнюю заглушку и проводят финишные операции. 5 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов для ядерных реакторов (далее - твэл), в частности для реакторов с жидкометаллическим теплоносителем.

Известен твэл ядерного реактора, представляющий собой герметизированную с торцов трубчатую оболочку, внутри которой размещены таблетки ядерного топлива и фиксатор топливного столба [1]. Способ изготовления такого твэла состоит из операций изготовления трубчатой оболочки, герметизации одного из ее торцов, загрузки в оболочку таблеток керамического ядерного топлива, установки в ней фиксатора столба таблеток и герметизации при контролируемой атмосфере второго торца оболочки. Недостатком конструкции такого твэла является наличие газового зазора между стенкой оболочки и боковой поверхностью таблеток. Это повышает тепловое сопротивление твэла, увеличивает температуру топливных таблеток, увеличивает взаимодействие оболочки с ядерным топливом и продуктами его деления и повышает вероятность нарушения герметичности оболочки.

Известен твэл ядерного реактора, представляющий собой герметизированную с торцов трубчатую оболочку, внутри которой размещены таблетки ядерного топлива, причем в зазоре между топливным столбом и трубчатой оболочкой размещен барьерный слой, выполненный в виде нескольких слоев фольги, которые сварены между собой точечной сваркой [2]. Способ изготовления такого твэла состоит из операций изготовления трубчатой оболочки, герметизации одного из ее торцов, изготовления из нескольких видов фольги барьерного слоя, состоящего из наружного, промежуточного и внутреннего слоев. Недостатком конструкции такого твэла является наличие газового зазора между стенкой оболочки и боковой поверхностью таблеток. Это повышает тепловое сопротивление твэла, увеличивает температуру топливных таблеток, увеличивает взаимодействие оболочки с ядерным топливом и продуктами его деления и повышает вероятность нарушения герметичности оболочки.

Известен твэл для ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем в виде герметичной трубчатой оболочки, внутри которой размещен топливный сердечник, зазор между сердечником и оболочкой заполнен газом, а на его нижнем торце выполнена камера, в которой размещена пробка из пирографита. Камера сообщена каналом с внутренним объемом оболочки твэла и отделена от внешней среды с помощью мембраны. Заполнение зазора между топливным сердечником и оболочкой жидким металлом происходит непосредственно в самом реакторе перед выходом его на мощность за счет разрушения мембраны под действием давления теплоносителя и поступления жидкого металла теплоносителя через камеру во внутренний объем твэла. При этом герметизация твэла происходит за счет взаимодействия пирографита пробки со щелочным металлом теплоносителя и заполнения каналов камеры образующимся соединением. Недостатком этой конструкции твэла является возможность его разгерметизации при транспортировке со стороны мембраны, а также невозможность надежного контроля в работающем реакторе процесса заполнения газовых объемов в твэлах с жидкометаллическим теплоносителем.

Известен способ изготовления твэла, который включает приварку к трубчатой оболочке твэла нижней заглушки, размещение внутри оболочки заданного количества легкоплавкого металла, например свинца, расплавление свинца в оболочке в вакуумной нагревательной печи, загрузку в оболочку с жидким металлом предварительно нагретых топливных таблеток и формирование в зазоре между топливом и оболочкой металлического слоя, охлаждение оболочки с топливом и металлом, проведение дополнительных операций и герметизацию оболочки верхней заглушкой [3]. Недостатком способа является сложность обеспечения заданных параметров качества твэла, в частности равномерного зазора между топливными таблетками и оболочкой, а также необходимость использования сложного технологического оборудования, в частности вакуумной печи с длиной рабочей камеры более трех метров.

Технической задачей изобретения является обеспечение равномерного свинцового слоя между топливным столбом и оболочкой твэла, а также упрощение способа и используемого оборудования.

Поставленная задача достигается тем, что изготавливают свинцовую трубку и загружают в нее керамические таблетки, обжимают свинцовую трубку по керамическим таблеткам для выборки зазора между свинцовой трубкой и керамическими таблетками и формирования одинакового наружного диаметра свинцового покрытия, к нижнему торцу оболочки твэла приваривают заглушку, загружают внутрь оболочки керамические таблетки со свинцовым покрытием и фиксируют их в оболочке, обрабатывают верхний торец оболочки, приваривают к нему в контролируемой газовой среде верхнюю заглушку и проводят финишные операции.

В частном варианте выполнения изобретения свинцовую трубку изготавливают из свинцовой полосы путем ее сгиба по цилиндрической образующей с формированием продольного шва, параллельного оси трубки.

В другом частном варианте выполнения изобретения свинцовую трубку изготавливают из свинцовой полосы путем ее спиральной навивки по цилиндрической образующей с формированием спирального шва.

В другом частном варианте выполнения изобретения керамические таблетки со свинцовым покрытием загружают внутрь оболочки с использованием высокочастотной вибрации.

В другом частном варианте выполнения изобретения керамические таблетки со свинцовым покрытием изготавливают в виде нескольких отдельных блоков таблеток со свинцовым покрытием, формирующих вместе сердечник твэла.

В другом частном варианте выполнения изобретения технологический зазор между свинцовой трубкой и таблетками убирают с помощью фильеры.

Под керамическими таблетками понимаются таблетки, содержащие делящееся вещество, например смесь нитридов урана и плутония, а также таблетки нижней и верхней экранных зон, если они используются в конструкции твэла.

Сущность изобретения поясняется конкретными примерами осуществления вариантов способа, которые изложены ниже.

Пример 1. Изготавливают путем прессования трубку из свинца высокой чистоты с наружным диаметром 8,45 мм с допуском ±0,02 мм и толщиной стенки 0,275 мм, длиной 1100±7,0 мм. Внутрь свинцовой трубки последовательно загружают таблетки нижней экранной зоны, топливные таблетки, а затем загружают таблетки верхней экранной зоны. Таблетки экранных зон и топливные таблетки имеют номинальное значение наружного диаметра 7,85 мм с обеспечение допуска на внешний диаметр в пределах ±0,01 мм. С помощью специальной фильеры диаметром отверстия 8,35 мм с допуском ±0,01 мм проводят выборку зазора между свинцовой трубкой и керамическими таблетками и формируют одинаковый наружный диаметр свинцового покрытия, равный 25 мкм. Керамические таблетки в свинцовой оболочке помещают внутрь оболочки твэла с приваренной нижней заглушкой. Оболочка длиной 2030 мм с наружным диаметром 9,4 мм с допуском ±0,02 мм и толщиной стенки 0,5 мм. Сердечник твэла в виде керамических таблеток в свинцовой оболочке фиксируют внутри оболочки с помощью пружинного фиксатора. Обрабатывают верхний торец оболочки под сварку и в контролируемой газовой среде приваривают верхнюю заглушку. Проводят финишные операции и контроль равномерности свинцового слоя между оболочкой и таблетками вихретоковым методом при температуре 20^oС. Результаты контроля показывают, что таблетки размещены соосно с оболочкой, газовый зазор между ними при температуре 20^oС составляет 25 мкм, а при температуре 350^oС газовый зазор исчезает за счет увеличения объема свинца при его расплавлении.

Пример 2. Изготавливают свинцовую трубку с геометрическими размерами, приведенными в примере 1, из свинцовой полосы шириной 26,3 мм и толщиной 0,275 мм путем ее сгиба по цилиндрической образующей диаметром 8,35 мм. 3атем проводят изготовление и контроль твэла, как в примере 1. Результаты контроля твэла не отличались от приведенных в примере 1.

Пример 3. Изготавливают свинцовую трубку с геометрическими размерами, приведенными в примере 1, из свинцовой полосы, как в примере 2, путем ее спиральной навивки по цилиндрической образующей диаметром 8,35 мм.

Затем проводят изготовление и контроль твэла, как в примере 1. Результаты контроля твэла не отличались от приведенных в примере 1.

Пример 4. Изготавливают три свинцовые трубки соответствующих длин, как в примере 1. В первую трубку загружают керамические таблетки нижней экранной зоны, во вторую - топливные таблетки с делящимся веществом, а в третью - таблетки верхней экранной зоны. Геометрические размеры таблеток не отличались от приведенных в примере 1. Загрузку проводили в соответствии с примером 1. Проводят обжим каждого из трех блоков с помощью фильеры в соответствии с примером 1. Внутрь твэльной оболочки последовательно загружают три полученных блока таблеток нижней экранной зоны, активной зоны и верхней экранной зоны. Затем проводят изготовление и контроль твэла, как в примере 1. Результаты контроля твэла не отличались от приведенных в примере 1.

Пример 5. Проводят изготовление трех блоков таблеток со свинцовой оболочкой, как в примере 4, при наружном диаметре каждого из блоков 8,35 мм. Полученные блоки керамических таблеток загружают внутрь оболочки с размерами, как в примере 1, при ее вертикальном размещении и наложении на нее вибрации с частотой от 300 до 1000 герц и ускорением до 8g. Затем проводят изготовление и контроль твэла, как в примере 1. Результаты контроля тэла не отличались от приведенных в примере 1.

Результаты осуществления предлагаемого способа показывают, что он может быть использован для изготовления твэлов ядерных реакторов, в частности для реакторов со свинцовым теплоносителем. Способ позволяет значительно упростить технологический процесс изготовления твэлов, расширить допуски на геометрические размеры топливных таблеток и обойтись без применения сложного и дорогостоящего оборудования.

Источники информации 1. Nuclear Engineering, 1963, v.8, 86, р.253.

2. Патент США 5301218, МПК G 21 С 3/00, опубл. 05.04.94.

3. Патент РФ 2067324, опубл. 27.09.96.

Формула изобретения

1. Способ изготовления твэла ядерного реактора, состоящий в том, что изготавливают свинцовую трубку и загружают в нее керамические таблетки, обжимают свинцовую трубку по керамическим таблеткам для выборки зазора между свинцовой трубкой и керамическими таблетками и для формирования одинакового наружного диаметра свинцового покрытия, к нижнему торцу оболочки твэла приваривают заглушку, загружают внутрь оболочки керамические таблетки со свинцовым покрытием и фиксируют их в оболочке, обрабатывают верхний торец оболочки, приваривают к нему в контролируемой газовой среде верхнюю заглушку и проводят финишные операции.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что свинцовую трубку изготавливают из свинцовой полосы путем ее сгиба по цилиндрической образующей с формированием продольного шва, параллельного оси трубы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что свинцовую трубку изготавливают из свинцовой полосы путем ее спиральной навивки по цилиндрической образующей с формированием спирального шва.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что керамические таблетки со свинцовым покрытием загружают внутрь оболочки с использованием высокочастотной вибрации.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что керамические таблетки со свинцовым покрытием изготавливают в виде нескольких отдельных блоков, которые последовательно загружают в оболочку твэла.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что свинцовую трубку обжимают по керамическим таблеткам с помощью фильеры.