Автоматическая линия изготовления стержневого тепловыделяющего элемента и тепловыделяющий элемент энергетического ядерного реактора

 

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов для тепловыделяющих сборок энергетических ядерных реакторов типа ВВЭР-1000. Технический результат изобретения - сокращение разброса энерговыделения по высоте тепловыделяющего элемента, тепловыделяющей сборки и реактора в целом. С одной стороны столешницы-бокса устройства снаряжения установлен механизм снаряжения частичного столба топливных таблеток одной степени обогащения по урану-235 в нижнюю часть открытого конца оболочки. В столешнице-боксе устройства снаряжения смещение отсекателя-прижима на горизонтальных ложементах формирования столба топливных таблеток другой степени обогащения по урану-235 в сторону отсекателя-упора выполнено величиной, меньшей разницы между длиной общего столба топливных таблеток и длиной двух частичных столбов таблеток на величину столба из нескольких таблеток. После механизма доснаряжения средней части оболочки топливными таблетками со степенью обогащения, аналогичной степени обогащения таблеток, снаряжаемых в среднюю часть оболочки, установлен механизм конечного снаряжения верхней части оболочки топливными таблетками со степенью обогащения, аналогичной степени обогащения таблеток, снаряжаемых в нижнюю часть оболочки. Механизмы снаряжения частичного столба топливных таблеток в верхнюю и нижнюю части оболочки выполнены в виде транспортных съемных кассет с каналами с топливными таблетками внутри каждого канала, равными по длине частичному столбу топливных таблеток, снаряжаемого в верхнюю или нижнюю часть оболочки, имеющие задвижки с отверстиями, смещаемыми при закрытии каналов и совмещаемыми при загрузке, выгрузке из каналов частичных столбов топливных таблеток в открытую часть оболочки и снабжены приводами шагового их перемещения с выводом на позицию выгрузки очередного канала с частичным столбом топливных таблеток, силовым цилиндром со штоком, соосным каналу и открытому концу снаряжаемой оболочки. Столб топливных таблеток тепловыделяющего элемента профилирован в осевом направлении по обогащению ураном-235, его средняя часть снаряжена топливными таблетками диоксида урана с одной степенью обогащения, а нижняя и верхняя части - таблетками с другой степенью обогащения по урану-235 на длину, обеспечивающую сокращение разброса энерговыделения по длине тепловыделяющего элемента. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может найти применение на предприятиях изготовления тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), профилированных по высоте топливными таблетками различного обогащения по урану 235, сборки ТВЭЛ в тепловыделяющую сборку (ТВС), профилированную по высоте различным обогащением по урану 235, преимущественно для водо-водяного энергетического реактора ВВЭР-1000. У ТВЭЛов, собранных в ТВС и находящихся в активной зоне ядерного реактора, неизбежны (радиальная и аксиальная) неравномерность энерговыделения, определяющаяся утечкой нейтронов за пределы активной зоны. Снижение неравномерности энерговыделения в активной зоне позволяет не только повысить экономичность ядерного реактора, но и существенно улучшить эксплуатационные условия ТВЭЛов и ядерного реактора в целом.

Сокращение разброса энерговыделения по длине ТВЭЛа позволяет, не меняя конструкцию ТВЭЛа и размера корпуса ядерного реактора, повысить общую мощность активной зоны, равномернее и глубже "сжигать" ядерное топливо (уран 235 в топливных таблетках диоксида урана), увеличить длительность работы на одной загрузке, а при сохранении мощности увеличить теплофизические и прочностные запасы надежности ТВЭЛов и конструкции активной зоны в целом.

Хороший эффект могло бы дать осевое профилирование обогащения по высоте ТВЭЛа, но этого пока не делается в связи с существенными усложнениями производства ТВЭЛов для ядерного реактора ВВЭР-1000 (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1. Под ред. Ф.Г. Решетникова. -М.: Энергоатомиздат, 1995 г., с.16-17).

Известна автоматическая линия изготовления ТВЭЛ, содержащая устройства подготовки оболочек к снаряжению со сваркой заглушки к одному концу оболочки с механизмом зачистки сварного шва оболочки с заглушкой, снаряжения, включающего столешницу с вибратором с горизонтальными ложементами в виде направляющих с щелевыми отверстиями удаления крошки и пыли, вибропитатель поштучной подачи топливных таблеток на упомянутые ложементы для формирования столба топливных таблеток, отсекатель-упор начала столба топливных таблеток и отсекатель-прижим конца столба топливных таблеток, очистки открытого торца снаряженной оболочки в виде подвижного в осевом направлении полого штока, сообщенного с вакуумной системой, запрессовки фиксаторов в открытый конец снаряженной оболочки, герметизации снаряженной оболочки сваркой заглушки под давлением инертного газа под оболочкой, поверхностной химической обработки, размещенные в одном потоке и имеющие транспортные средства проводки с устройства на устройство (см. патент Российской Федерации 2070740 по заявке 94018136/25 от 17.05.94 г., Автоматическая линия изготовления ТВЭЛ, опубл. 20.12.96 г., МПК 6 G 21 C 21/02).

Известная линия предназначена для снаряжения ТВЭЛ одного вида обогащения по урану 235 шести штук единовременно и не предназначена для снаряжения профилированных различным обогащением ТВЭЛ.

В процессе формирования столба топливных таблеток на ложементах при прижиме отсекателем-прижимом сформировать столб точно заданной длины не удавалось из-за разброса по длине топливных таблеток, поэтому ТВЭЛы снаряжались столбом топливных таблеток с некоторым превышением заданной длины столба и из них собирались ТВС с заведомо большим количеством топливного материала - урана 235, что вело к изменению "К" инженерного, вызывающего неопределенность в расчетах ядерного реактора.

Наиболее близким по техническим условиям и достигаемому эффекту является устройство снаряжения топливными таблетками оболочек стержневых ТВЭЛ, входящее в состав автоматической линии, содержащее столешницу-бокс с вибратором, с горизонтальными ложементами в виде направляющих, снабженных щелевыми отверстиями удаления крошки и пыли, сообщенных с вакуумной системой, вибропитатель поштучной подачи топливных таблеток в каждый ложемент, узел контроля длины столба топливных таблеток с отсекателем-упором начала столба топливных таблеток и отсекателем-прижимом конца столба топливных таблеток, узлы примыкания оболочек с приваренными к одному концу заглушками своими открытыми концами соосно ложементам, узел очистки от топливной пыли конца снаряженной оболочки в виде соосного оболочке подвижного полого штока, сообщенного с вакуумной системой, поворотный барабан с ячейками для таблеток, из которых в нижнем положении одна ячейка соосна открытому концу снаряженной оболочки и механизм замера длины столба топливных таблеток в оболочке, где отсекатель-прижим на столешнице-боксе смещен в сторону отсекателя-упора на длину нескольких таблеток, механизм замера длины столба топливных таблеток в снаряженной оболочке размещен на подвижном полом штоке и совмещен с механизмом замера длины таблетки в ячейке поворотного барабана, поворотный барабан снабжен двигателем шагового поворота подпружиненным упором со стороны снаряжаемой оболочки между ее открытым концом и барабаном со скошенным торцем с уклоном в сторону оболочки, патрубком, соосным верхней ячейке поворотного барабана, сообщенным с вакуумной системой с одной стороны поворотного барабана, и соосным этой же ячейке трубопроводом J-образной формы с другой стороны поворотного барабана, сообщенного через отсекатель поштучной подачи таблеток с питателем таблеток с их рыхлителем, причем устройство снабжено электронно-вычислительной машиной, датчиками, шаговым двигателем измерения размера компенсационного объема, соответственно длины столба топливных таблеток в оболочке и длины таблеток, электрически связанных между собой и двигателем шагового поворота поворотного барабана, отсекателем и рыхлителем таблеток (cм. патент RU 2156508 по заявке 98122088 от 08.12.98 г., МКИ 7 G 21 C 21/02, "Способ и устройство снаряжения таблетками оболочек стержневых ТВЭЛ").

Устройство легко встраивается в автоматическую линию изготовления ТВЭЛ, обеспечивает точность формирования длины топливного столба топливных таблеток, имеющих разброс по длине, но предназначено для снаряжения ТВЭЛ одной степени обогащения по урану 235.

Известен стержневой ТВЭЛ для водо-водяного энергетического ядерного реактора, содержащий оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, топливный столб, контактирующий с одного торца с заглушкой, а с другого, удерживаемый в заданном положении фиксатором, заглушки, соединенные с оболочкой сварными швами (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1. Под ред. Ф.Г. Решетникова. -М. : Энергоатомиздат, 1995 г., с.45, рис. 2.1 ТВЭЛ реактора ВВЭР-1000).

Согласно требованиям, предъявляемым к ТЭЛам, конструкция и технология изготовления ТВЭЛов должны быть простыми и недорогими, позволяющими применить высокопроизводительные автоматизированные технологические процессы. Объемная доля конструкционных материалов, применяемых в ТВЭЛах, должна быть минимальной (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1. Под ред. Ф.Г. Решетникова. -М.: Энергоатомиздат, 1995 г., с.44).

Этим требованиям известная конструкция ТВЭЛа не соответствует, т.к. при герметизации требуется выполнить четыре сварных шва (нижней заглушки к оболочке, сварку наконечника технологического к оболочке, сварку наконечника технологического после заполнения инертным газом оболочки и верхней заглушки к наконечнику технологическому). Объемная доля конструкционных материалов из-за технологического наконечника не является минимальной.

Наиболее близким по техническим условиям и достигаемому эффекту является тепловыделяющий элемент водо-водяного энергетического ядерного реактора, содержащий оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, топливный столб, контактирующий с одного торца с заглушкой, а с другого, удерживаемый в заданном положении фиксатором, заглушки, соединенные с оболочкой сварным швом, выполненным электронно-лучевой сваркой, а противоположный торец оболочки, удаленный от топливного столба, соединен контактной стыковой сваркой с заглушкой (см. патент Российской Федерации 2127457 по заявке 97109458/25 от 04.06.97 г., МПК 6 G 21 С 3/10, 21/00, 21/02, В 23 К 11/02, 15/00).

ТВЭЛ - прототип устраняет недостатки известного ТВЭЛа, т.е. герметизация осуществлена двумя сварными швами вместо четырех и объем конструкционного материала сокращен - отсутствует технологический наконечник. Однако как известный ТВЭЛ, так и ТВЭЛ - прототип снаряжены столбом топливных таблеток одной степени обогащения по урану 235 и изготовление таких ТВЭЛов с профилированием обогащения по урану 235 по длине ТВЭЛа не было предусмотрено на предприятиях изготовления ТВЭЛ для водо-водяных энергетических ядерных реакторов (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1, под ред. Ф.Г. Решетникова. -М.: Энергоатомиздат 1995 г., с.17).

Технической задачей изобретения является разработка на базе существующей автоматической линии изготовления стержневых ТВЭЛ новой автоматической линии изготовления стержневых ТВЭЛ, профилированных по высоте ТВЭЛа разным обогащением по урану 235, позволяющих при работе в ядерном реакторе сократить разброс энероговыделения по высоте ТВЭЛа, ТВС и в целом активной зоны, повысить общую мощность активной зоны, равномернее и глубже "сжигать" ядерное топливо, увеличить теплофизические и прочностные запасы надежности ТВЭЛов и конструкции активной зоны в целом.

Эта техническая задача решается тем, что в автоматической линии изготовления стержневых ТВЭЛ, преимущественно для водо-водяного энергетического ядерного реактора, содержащем устройства подготовки оболочек к снаряжению со сваркой заглушки к одному концу оболочки с механизмом зачистки сварного шва оболочки с заглушкой, снаряжения, включающего столешницу-бокс с вибратором, с горизонтальными ложементами в виде направляющих с щелевыми отверстиями удаления крошки и пыли, сообщенных с вакуумной системой, вибропитатель поштучной подачи топливных таблеток в каждый ложемент, отсекатель-упор начала столба топливных таблеток и отсекатель-прижим конца столба топливных таблеток в горизонтальных ложементах, смещенный в сторону отсекателя-упора, узлы примыкания оболочек открытыми концами соосно горизонтальным ложементам, механизм доснаряжения топливного столба в открытый конец снаряжаемой оболочки в виде шагово поворотного барабана с ячейками и топливными таблетками внутри, из которых одна ячейка соосна открытому концу снаряжаемой оболочки с одной стороны и подвижному полому штоку силового цилиндра с другой стороны, сообщенному с вакуумной системой очистки конца снаряжаемой оболочки от топливной пыли, снабженному механизмом замера длины столба топливных таблеток в снаряжаемой оболочке и замера длины топливной таблетки в ячейке поворотного барабана, электронно-вычислительную машину с датчиками, шаговым двигателем измерения компенсационного объема, длины столба топливных таблеток в оболочке, длины таблеток, электрически связанных между собой, с двигателем шагового поворота поворотного барабана, отсекателем и рыхлителем таблеток, запрессовки фиксаторов в открытый конец снаряжаемой оболочки, герметизации снаряжаемой оболочки сваркой заглушки под давлением инертного газа под оболочкой, поверхностной химической обработки, размещенные в одном потоке и имеющем транспортные средства проводки с устройства на устройство и средства контроля и разбраковки.

Согласно изобретению с одной стороны столешницы-бокса устройства снаряжения установлен механизм снаряжения частичного столба топливных таблеток одной степени обогащения по урану 235 в нижнюю часть открытого конца оболочки, в столешнице-боксе устройства снаряжения смещение отсекателя-прижима на горизонтальных ложементах формирования столба топливных таблеток другой степени обогащения по урану 235 в сторону отсекателя-упора выполнено равным на несколько топливных таблеток меньше разницы между общей длиной столба топливных таблеток и суммарной длиной двух частичных столбов топливных таблеток, после механизма доснаряжения средней части оболочки топливными таблетками аналогичной степени обогащения по урану 235, что и снаряжаемых в среднюю часть оболочки, установлен механизм конечного снаряжения верхней части оболочки топливными таблетками аналогичной степени обогащения, что и снаряжаемых в нижнюю часть оболочки, при этом механизм снаряжения частичного столба топливных таблеток в нижнюю часть оболочки и механизм конечного снаряжения частичного столба топливных таблеток в верхнюю часть оболочки выполнены в виде транспортных съемных кассет с каналами, с топливными таблетками внутри каждого канала, равными по длине частичному столбу топливных таблеток, снаряжаемого в нижнюю часть оболочки либо в верхнюю часть оболочки, имеющие задвижки с отверстиями, смещаемыми при закрытии каналов и совмещаемыми при загрузке, выгрузке из каналов частичных столбов топливных таблеток в открытую часть оболочки, снабжены приводами шагового их перемещения с выводом на позицию выгрузки очередного канала с частичным столбом топливных таблеток и силовым цилиндром, шток которого соосен каналу и открытому концу снаряжаемой оболочки.

Другими отличиями является выполнение транспортной съемной кассеты в виде барабана, по образующей которого размещены каналы, а задвижки к ним в виде поворотных колец по торцам барабана, привод шагового перемещения в виде подпружиненного по центру затвора, взаимодействующего с барабаном и снабженного храповиком и рукояткой взвода.

В качестве второго варианта выполнение транспортной съемной кассеты в виде прямоугольного пенала, по высоте которого размещены горизонтальные каналы, задвижки по их торцам выполнены в виде вертикально перемещаемых пластин шагового перемещения в виде механизма шагового вертикального подъема и опускания транспортной съемной кассеты.

Эта техническая задача решается тем, что в тепловыделяющем элементе водо-водяного энергетического реактора, содержащем оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, столб топливных таблеток, контактирующий с одного торца с заглушкой, а с другого, удерживаемый в заданном положении фиксатором, заглушки, соединенные с оболочкой сварными швами, при этом заглушка, непосредственно контактирующая со столбом топливных таблеток, соединена с оболочкой сварным швом, выполненным электронно-лучевой сваркой, а противоположный торец оболочки, удаленный от столба топливных таблеток, соединен контактной стыковой сваркой с заглушкой.

Согласно изобретению столб топливных таблеток профилирован в осевом направлении по обогащению урана 235, его средняя часть снаряжена топливными таблетками диоксида урана с одной степенью обогащения по урану 235, а его нижняя и верхняя части снаряжены топливными таблетками диоксида урана с другой степенью обогащения по урану 235 на длину, обеспечивающую сокращение разброса энерговыделения по длине тепловыделяющего элемента, тепловыделяющей сборки и активной зоны ядерного реактора в целом.

Другим отличием является то, что нижняя часть L₁ и верхняя L₃ часть столба топливных таблеток выполнены по профилированию на длину, равную L₃=L₁= 13D÷39D, где L₃=L₁ - длина профилированной верхней или нижней части столба топливных таблеток, D - диаметр топливной таблетки, а средняя часть L₂ общего столба L топливных таблеток со степенью обогащения по урану 235 выше, чем степень обогащения по урану 235 верхней или нижней части общего столба L топливных таблеток и выполнена равной L₂=L-(L₁+L₃).

Предложенная автоматическая линия изготовления профилированного ТВЭЛ позволяет с минимальными затратами модернизировать существующую автоматическую линию и изготавливать ТВЭЛы, снаряженные таблетированным топливом с разным обогащением по урану 235, позволяющим при работе в ядерном реакторе сократить разброс энерговыделения по высоте ТВЭЛа, ТВС и в целом активной зоны, равномернее и глубже "сжигать" ядерное топливо, увеличить теплофизические и прочностные запасы надежности ТВЭЛов и конструкции активной зоны в целом.

На чертежах представлена автоматическая линия изготовления стержневого тепловыделяющего элемента и тепловыделяющий элемент водо-водяного энергетического реактора, где на фиг.1 показана автоматическая линия изготовления стержневого тепловыделяющего элемента; на фиг.2 - ТВЭЛ профилированный; на фиг.3 - столешница-бокс; на фиг.4 - механизм доснаряжения; на фиг. 5 - механизм снаряжения частичного столба с барабаном - съемной транспортной кассетой; на фиг.6 - механизм снаряжения частичного столба со съемной транспортной кассетой-пеналом; на фиг.7 - вид с торца механизма снаряжения;
на фиг.8 - механизм храповика.

Автоматическая линия изготовления стержневых ТВЭЛ содержит устройства подготовки оболочек 1 к снаряжению со сваркой 2 заглушки 3 к одному концу оболочки 1 с механизмом 4 зачистки сварного шва оболочки 1 с заглушкой 3 снаряжения, включающего столешницу-бокс 5 с вибратором 6, с горизонтальными ложементами 7 в виде направляющих с щелевыми отверстиями удаления крошки и пыли (не показаны), сообщенных с вакуумной системой, вибропитатель 8 поштучной подачи топливных таблеток 9 в каждый из шести горизонтальных ложементов 7, отсекатель-упор 10 начала столба топливных таблеток 9 и отсекатель-прижим 11 конца столба топливных таблеток 9 в горизонтальных ложементах, смещенный в сторону отсекателя-упора 10, узлы 12 примыкания оболочек 1 открытыми концами соосно горизонтальным ложементам 7, механизм доснаряжения топливного столба в открытый конец снаряжаемой оболочки 1 в виде шагово поворотного барабана 13 с ячейками 14 и топливными таблетками 9 внутри, из которых одна ячейка 14 соосна открытому концу снаряжаемой оболочки 1 с одной стороны и подвижному полому штоку 15 силового цилиндра 16 с другой стороны, сообщенному с вакуумной системой (не показана) очистки конца снаряжаемой оболочки 1 от топливной пыли, снабженному механизмом 17 замера длины столба топливных таблеток 9 в снаряжаемой оболочке 1 и замера длины топливной таблетки 9 в ячейке 14 поворотного барабана 13, электронно-вычислительную машину 18 с датчиками, электрически связанными с устройствами механизма доснаряжения, запрессовки фиксаторов 19 в открытый конец снаряжаемой оболочки 1, герметизации 20 снаряжаемой оболочки 1 сваркой заглушки 21 под давлением инертного газа под оболочкой 1, поверхностной химической обработки 22, размещенные в одном потоке и имеющие транспортные средства проводки с устройства на устройство и средства контроля и разбраковки.

С одной стороны столешницы-бокса 5 устройства снаряжения установлен механизм 23 снаряжения частичного столба L₁ топливных таблеток одной степени обогащения по урану 235 в нижнюю часть открытого конца оболочки 1.

В столешнице-боксе 5 устройства снаряжения смещение отсекателя-прижима 11 на горизонтальных ложементах 7 формирования столба L₂ топливных таблеток другой степени обогащения по урану 235 в сторону отсекателя-упора 10 выполнен равным на несколько топливных таблеток меньше разницы между общей длиной столба L топливных таблеток и суммарной длиной двух частичных столбов L₁+L₁ или L₁+L₃ топливных таблеток L₂=L-(L₁+L₃) или L₂=L-(L₁+L₁), L₁=L₃,
где L - общая длина столба топливных таблеток;
L₁ - частичный столб топливных таблеток;
L₂ - частичный столб топливных таблеток в средней части оболочки другого обогащения;
L₃ - частичный столб топливных таблеток в верхней части оболочек обогащения, аналогичного обогащению, частичного столба топливных таблеток в нижней части оболочки.

После механизма доснаряжения 13 средней части оболочки топливными таблетками аналогичной степени обогащения по урану 235, что и снаряженных в среднюю часть оболочки, установлен механизм 24 конечного снаряжения верхней части оболочки 1 топливными таблетками аналогичной степени обогащения, что и снаряжаемых в нижнюю часть оболочки 1, при этом механизм 23 снаряжения частичного столба L₁ топливных таблеток в нижнюю часть оболочки 1 и механизм 24 конечного снаряжения частичного столба L₃ топливных таблеток в верхнюю часть оболочки 1 выполнены в виде транспортных съемных кассет 25 с каналами 26 с топливными таблетками 9 внутри каждого канала 26, равными по длине частичному столбу L₁ топливных таблеток, снаряжаемого в нижнюю, либо L₃ в верхнюю часть оболочки, имеющие задвижки 27 с отверстиями 28, смещаемыми при закрытии каналов и совмещаемыми при загрузке, выгрузке из каналов частичных столбов L₁, L₃ топливных таблеток в открытую часть оболочки 1.

Транспортные съемные кассеты 25 снабжены приводами 29, 30 шагового их перемещения с выводом на позицию выгрузки очередного канала 26 с частичным столбом топливных таблеток и силовым цилиндром 31, шток 32 которого соосен одному каналу 26 и открытому концу снаряжаемой оболочки 1. Транспортные съемные кассеты 25 выполнены в двух вариантах.

Первый вариант кассеты выполнен в виде барабана, по образующей которого размещены каналы 26, задвижки 27 к ним выполнены в виде поворотных колец по торцу барабана, а привод 29 шагового перемещения в виде подпружиненного по центру затвора 33, взаимодействующего с барабаном и снабженного храповиком 34 и рукояткой 35 взвода.

Второй вариант выполнения транспортной съемной кассеты 25 в виде прямоугольного пенала, по высоте которого размещены горизонтальные каналы 26, задвижки 27 по их торцам выполнены в виде вертикально перемещаемых пластин, а привод 30 шагового перемещения в виде механизма 36 шагового вертикального подъема и опускания транспортной съемной кассеты 25.

Тепловыделяющий элемент водо-водяного энергетического ядерного реактора содержит оболочку 1, заполненную газом заданного состава и давления. Для заполнения оболочки 1 применен гелий под давлением 20...25 атмосфер под оболочкой. В оболочке 1 столб топливных таблеток 9 контактирует с одного торца с заглушкой 3, а с другого удерживается в заданном положении фиксатором 19. Заглушки 3, 21 соединены с оболочкой 1 сварными швами. Заглушка 3, контактирующая со столбом топливных таблеток 9, соединена с оболочкой 1 сварным швом, выполненным электронно-лучевой сваркой, а противоположный торец оболочки 1, удаленный от столба топливных таблеток 9, соединен контактной стыковой сваркой с заглушкой 21.

Столб топливных таблеток 9 профилирован в осевом направлении по обогащению урана 235. Его средняя часть снаряжена топливным таблетками 9 диоксида урана с одной степенью обогащения по урану 235, а его нижняя и верхняя части снаряжены топливными таблетками 9 диоксида урана с другой степенью обогащения по урану 235 на длину, обеспечивающую сокращение разброса энерговыделения по длине ТВЭЛа, тепловыделяющей сборки и активной зоны ядерного реактора в целом.

Нижняя L₁ и верхняя L₃ части столба топливных таблеток выполнены по профилированию на длину, равную L₁=L₃=13D÷39D, где L₁=L₃ - длина профилированной верхней или нижней части столба топливных таблеток;
D - диаметр топливной таблетки, а средняя часть L₂ общего столба L топливных таблеток со степенью обогащения по урану 235 выше, чем степень обогащения по урану 235 верхней или нижней части общего столба L топливных таблеток и выполнена, равной L₂=L-(L₁+L₃).

Автоматическая линия изготовления стержневого тепловыделяющего элемента работает следующим образом.

После устройства подготовки оболочки 1 с электронно-лучевой сваркой 2 заглушки 3 к концу оболочки 1 и зачистки сварного шва на механизме 4 зачистки оболочки 1 поступают на снаряжение на механизм 23 снаряжения частичного столба L₁ топливных таблеток 9 в нижнюю часть оболочки 1. Доставку частичных столбов топливных таблеток 9 осуществляют в транспортной съемной кассета 25 с каналами 26 с топливными таблетками 9 внутри, с длиной каналов 26, равных длине L₁ частичного столба топливных таблеток 9. Транспортная съемная кассета 25 может быть выполнена в виде барабана с размещением каналов 26 по образующей барабана с поворотными задвижками 27 к ним по торцам, отверстиями 28 в задвижках и в виде прямоугольного пенала, каналы 26 в котором размещены горизонтально по высоте пенала, а задвижки в виде вертикально перемещаемых пластин.

При доставке на снаряжение транспортной съемной кассеты 25 в виде барабана его устанавливают в привод 29 шагового перемещения в виде подпружиненных по центру затвора 33, который рукояткой 35 поворачивают несколько раз - взводят, совмещают отверстия 28 в задвижке 27 с отверстиями каналов 26 поворотном вокруг своей оси задвижки 27 и штоком 32 силового цилиндра 31 частичный столб L₁ топливных таблеток 9 одной степени обогащения по урану 235 снаряжают в открытый конец в нижнюю часть оболочки 1.

При обратном ходе штока 32 силового цилиндра 31 срабатывает храповик 34, барабан поворачивается на один шаг, частично снаряжаемая оболочка 1, заменяется очередной пустой оболочкой и цикл частичного снаряжения повторяется.

При доставке на снаряжение транспортной съемной кассеты 25 в виде прямоугольного пенала, последний устанавливают в привод 30 шагового перемещения в виде механизма 36 шагового вертикального подъема и опускания транспортной съемной кассеты.

Снаряжение частичного столба осуществляется штоком 32 силового цилиндра 31 в открытый конец оболочки 1 аналогично снаряжению из каналов барабана.

Оболочки 1, снаряженные частичными столбами L₁ своими открытыми концами, автоматически устанавливаются в узлы 12 примыкания соосно горизонтальным ложементам 7 столешницы-бокса 5 с вибратором 6. Отсекатель-прижим 11 смещают в сторону отсекателя-упора 10 на величину L₂, равную на несколько топливных таблеток 9 меньше разницы от общей длины столба L топливных таблеток 9 и суммарной длины двух частичных столбов L₁+L₁ или L₁+L₃ топливных таблеток L₂=L-(L₁+L₃) или L₂=L-(L₁+L₁), L₁=L₃,
где L - общая длина столба топливных таблеток;
L₁ - частичный столб топливных таблеток в нижней части оболочки 1 одного обогащения;
L₂ - частичный столб топливных таблеток в средней части оболочки другого обогащения;
L₃ - частичный столб топливных таблеток в верхней части оболочки с аналогичным обогащением, что и частичный столб топливных таблеток в нижней части оболочки.

Включают вибропитатель 8 и топливные таблетки 9 из вибропитателя 8 при вибрации поступают на горизонтальные ложементы 7 и перемещаются по ним до отсекателя-упора 10.

При перемещении топливных таблеток 9 по горизонтальным ложементам 7 происходит удаление топливной пыли, крошки, сколов через щелевые отверстия в горизонтальных ложементах 7 и формирование частичного столба L₂, который отсекателем-прижимом 11 отсекается и после открытия отсекателя-упора 10 под действием вибрации вводится в открытый конец оболочки 1.

Оболочка 1, снаряженная частичным столбом L₁ одного обогащения и частичным столбом L₂ другого обогащения по урану 235, поступает на доснаряжение, где с помощью механизма 17 замера длины столба таблеток (L₁+L₂) в оболочке 1 определяется недостающая до заданной длины столба длина таблеток 9.

Электронно-вычислительная машина 18 дает команду на поворот барабана 13 с выводом на позицию доснаряжения необходимой ячейки 14 соосно открытому концу оболочки и штоком 15 силового цилиндра 16 недостающие таблетки до заданной длины столба вводятся в оболочку 1.

Оболочка 1 после доснаряжения средней части частичным столбом L₂ топливных таблеток поступает на механизм 24 конечного снаряжения частичным столбом L₃ топливных таблеток 9 такого же обогащения по урану 235, что и L₁, где аналогично снаряжению частичного столба L₁ осуществляют снаряжение частичного столба L₃.

Оболочка 1, профилированная разным обогащением по урану 235, т.е. с пониженным обогащением по концам и повышенным обогащением в середине поступает на запрессовку фиксаторов 19 в открытый конец снаряженной оболочки, на очистку открытого конца от пыли и на герметизацию 20 контактной стыковой сваркой заглушки 21 к оболочке 1 под давлением гелия под оболочкой.

После герметизации ТВЭЛы проходят ультразвуковой контроль сварного шва и поверхностную химическую обработку 22.

Тепловыделяющий элемент водо-водяного энергетического реактора изготавливают следующим образом. К оболочке 1 приваривают заглушку 3 электронно-лучевой сваркой, в открытый конец в нижнюю часть оболочки снаряжают частичный столб L₁ топливных таблеток 9 низкого обогащения по урану 235, в среднюю часть оболочки 1 снаряжают неполный частичный столб ₂ топливных таблеток 9 повышенного обогащения по урану 235, проводят доснаряжение до заданной длины среднюю часть и в верхнюю часть оболочки снаряжают частичный столб "L₃" топливных таблеток низкого обогащения по урану 235.

Длину частичных столбов L₁, L₂, L₃ определяют по формуле L₃=L₁=13D... 39D,
где L₁= L₃ - длина профилированной верхней или нижней части столба топливных таблеток;
D - диаметр топливной таблетки, а среднюю часть L₂ общего столба L определяют по формуле: L₂=L-(L₁+L₃).

Пример: при диаметре таблетки 7,6 мм длине L=3530 мм столба таблеток L₁= 13D÷39D;
L₁=13х7,6=98,8 мм, L₁=39х7,6=296 мм, L₁=L₃; L₁=L₃=98,8...296, а длина L₂ средней части равна L₂=L-(L₁+L₃);
L₂=3530-(98,8+98,8)L₂=3332 мм
L₂=3530-(296+296)L₂=2938 мм
Из расчета следует, что длина L₁ или L₃ может находиться в пределах 98,8÷296 мм, что является наиболее оптимальным.

Формула изобретения

1. Автоматическая линия изготовления стержневого тепловыделяющего элемента, содержащая устройства подготовки оболочек к снаряжению со сваркой заглушки к одному концу оболочки, с механизмом зачистки сварного шва оболочки с заглушкой, снаряжения, включающего столешницу-бокс с вибратором, с горизонтальными ложементами в виде направляющих с щелевыми отверстиями удаления крошки и пыли, сообщенных с вакуумной системой, вибропитатель поштучной подачи топливных таблеток в каждый ложемент, отсекатель-упор начала столба топливных таблеток и отсекатель-прижим конца столба топливных таблеток в горизонтальных ложементах, смещенный в сторону отсекателя-упора, узлы примыкания оболочек открытыми концами соосно горизонтальным ложементам, механизм доснаряжения топливного столба в открытый конец снаряжаемой оболочки в виде шагово-поворотного барабана с ячейками и топливными таблетками внутри, из которых одна ячейка соосна открытому концу снаряжаемой оболочки с одной стороны и подвижному полому штоку силового цилиндра с другой стороны, сообщенному с вакуумной системой очистки конца снаряжаемой оболочки от топливной пыли, снабженному механизмом замера длины столба топливных таблеток в снаряжаемой оболочке и замера длины топливной таблетки в ячейке поворотного барабана, электронно-вычислительной машиной с датчиками, шаговым двигателем измерения компенсационного объема, длины столба топливных таблеток в оболочке, длины таблеток, электрически связанных между собой, с двигателем шагового поворота поворотного барабана, отсекателем и рыхлителем таблеток, запрессовки фиксаторов в открытый конец снаряженной оболочки, герметизации снаряженной оболочки сваркой заглушки под давлением инертного газа под оболочкой, поверхностной химической обработки, размещенные в одном потоке и имеющие транспортные средства проводки с устройства на устройство и средства контроля и разбраковки, отличающаяся тем, что с одной стороны столешницы-бокса устройства снаряжения установлен механизм снаряжения частичного столба топливных таблеток одной степени обогащения по урану-235 в нижнюю часть открытого конца оболочки, в столешнице-боксе устройства снаряжения смещение отсекателя-прижима на горизонтальных ложементах формирования столба топливных таблеток другой степени обогащения по урану-235 в сторону отсекателя-упора выполнено величиной, меньшей разницы между длиной общего столба топливных таблеток и длиной двух частичных столбов топливных таблеток на величину столба из нескольких топливных таблеток, после механизма доснаряжения средней части оболочки топливными таблетками со степенью обогащения, аналогичной степени обогащения топливных таблеток, снаряжаемых в среднюю часть оболочки, установлен механизм конечного снаряжения верхней части оболочки топливными таблетками со степенью обогащения, аналогичной степени обогащения топливных таблеток, снаряжаемых в нижнюю часть оболочки, при этом механизмы снаряжения частичного столба топливных таблеток в верхнюю и нижнюю части оболочки выполнены в виде транспортных съемных кассет с каналами с топливными таблетками внутри каждого канала, равными по длине частичному столбу топливных таблеток, снаряжаемого в верхнюю или нижнюю части оболочки, имеющие задвижки с отверстиями, смещаемыми при закрытии каналов и совмещаемыми при загрузке, выгрузке из каналов частичных столбов топливных таблеток в открытую часть оболочки, и снабжены приводами шагового их перемещения с выводом на позицию выгрузки очередного канала с частичным столбом топливных таблеток, силовым цилиндром со штоком, соосным каналу и открытому концу снаряжаемой оболочки.

2. Автоматическая линия по п. 1, отличающаяся тем, что транспортная съемная кассета выполнена в виде барабана, по образующей которого размещены каналы, задвижки к ним выполнены по торцам барабана в виде поворотных колец, привод шагового перемещения выполнен в виде подпружиненного по центру затвора, взаимодействующего с барабаном и снабженного храповиком и рукояткой взвода.

3. Автоматическая линия по п. 1, отличающаяся тем, что транспортная съемная кассета выполнена в виде прямоугольного пенала, горизонтальные каналы размещены по его высоте, задвижки по их торцам выполнены в виде вертикально перемещаемых пластин, а привод шагового перемещения - в виде механизма шагового вертикального подъема и опускания транспортной съемной кассеты.

4. Тепловыделяющий элемент энергетического ядерного реактора, содержащий оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, столб топливных таблеток, контактирующий с одного торца с заглушкой, а с другого удерживаемый в заданном положении фиксатором, заглушки, соединенные с оболочкой сварными швами, при этом заглушка, непосредственно контактирующая со столбом топливных таблеток, соединена с оболочкой сварным швом, выполненным электронно-лучевой сваркой, а заглушка противоположного торца оболочки, удаленного от столба топливных таблеток, соединена с оболочкой контактной стыковой сваркой, отличающийся тем, что столб топливных таблеток тепловыделяющего элемента профилирован в осевом направлении по обогащению ураном-235 таким образом, что его средняя часть снаряжена топливными таблетками с одной степенью обогащения по урану-235, а нижняя и верхняя части - топливными таблетками с другой степенью обогащения по урану-235 на длину, обеспечивающую сокращение разброса энерговыделения по длине тепловыделяющего элемента.

5. Тепловыделяющий элемент по п. 4, отличающийся тем, что нижняя и верхняя части столба топливных таблеток выполнены по профилированию на длину, определяемую по формуле
L₃= L₁-(13 ÷ 39)D,
где L₃= L₁ - длины профилированных верхней и нижней частей столба топливных таблеток;
D - диаметр топливной таблетки;
а средняя часть общего столба топливных таблеток со степенью обогащения по урану-235 выше, чем степень обогащения верхней и нижней частей общего столба топливных таблеток, выполнена длиной, определяемой по формуле
L₂= L - (L₁+L₃),
где L₂ - длина средней части общего столба топливных таблеток;
L - длина общего столба топливных таблеток;
L₁= L₃ - длины профилированных верхней и нижней частей столба топливных таблеток.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8