Линия изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора

Изобретение относится к атомной энергетике и, в частности, к изготовлению топливных таблеток для тепловыделяющих элементов тепловыделяющих сборок ядерных реакторов. Линия снабжена агрегатом контроля термической стабильности таблеток с вертикальными нагревателями, состоящими, по крайней мере, из трех секторных нагревательных элементов, образующих внутри цилиндрическую полость для установки контейнера из молибдена. Снаружи сбоку и сверху нагревателей размещены тепловые экраны. Контейнер выполнен из спирального скрученного в несколько слоев листов молибдена со сквозными боковыми щелевыми отверстиями, в которых горизонтально установлены опорные стержневые элементы из вольфрама с ограничительным кольцом снаружи контейнера. Внутри контейнера на стержневые элементы установлены в чередующемся порядке перфорированные съемные диски из молибдена, дистанционированные съемными кольцами с высотой, превышающей высоту таблеток. Агрегат контроля термической стабильности таблеток сообщен с вакуумной системой, снабжен патрубками ввода аргона и водорода, средствами контроля, выполнен с водоохлаждаемыми крышкой и стенками, снабжен сатуратором увлажнения аргона и водорода. Техническим результатом является повышение качества таблеток, поступающих на снаряжение тепловыделяющих элементов, стабильности температурного режима при контроле на термическую стабильность таблеток и повышение срока службы контейнеров. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к атомной промышленности и может найти применение на предприятиях изготовления таблетированного топлива из диоксида урана (UO₂) для тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), собираемых в тепловыделяющие сборки (ТВС) и используемых в ядерных реакторах.

Известно устройство изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающее:

- агрегат смешения порошков диоксида урана UO₂, оксида урана и связующего;

- агрегат прессования таблеток из выше приготовленной смеси;

- агрегат нагревания, спекания таблеток в восстановительной среде и охлаждения;

- агрегат мокрого шлифования поверхности таблеток;

- агрегат сушки (см. “Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов”. /Под. ред. Ф.Г. Решетникова, М.: Энергоатомиздат, 1995 г., Книга 1, стр.93-95, 98-99, 101-102.).

Известно, что важной характеристикой качества таблеток является их термическая стабильность, т.е. сохранение их плотности и как следствие размеров в начальной период работы реактора (несколько десятков часов).

Особенно важно значение изменения диаметра таблетки. Термическая стабильность таблеток характеризуется относительным изменением их наружного диаметра, выраженным в процентах, после повторной их термообработки.

Термообработку проводят при температуре 1700-1750°С в течение (24±2) часа в смеси аргона и водорода (объемная доля 7-8%) с влажностью (350±50) ррт (измерение влажности производится при температуре 25°С и давлении 1 атм). Допустимое значение доспекаемости составляет 0,3-0,5%. Оно зависит от допусков на наружный диаметр таблеток и внутренний диаметр ТВЭЛьных труб и чаще всего устанавливается по согласованию между потребителем и изготовителем таблеток (см. там же стр.105).

Однако в линии-аналоге конструктивно не раскрыт агрегат контроля термической стабильности таблеток.

Наиболее близким по технической сущности, достигаемому эффекту и полноте раскрытия является устройство для изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающее агрегаты:

- смешения порошков диоксида урана UO₂, связующего и оксида урана U₃0₈;

- прессования таблеток из приготовленной смеси;

- нагревания, спекания и охлаждения таблеток;

- мокрого шлифования поверхности таблеток;

- сушки таблеток;

- переработки брака и транспортное средство проводки порошка и таблеток с агрегата на агрегат (см. Патент Российской Федерации №2158030 от 18.11.98, опубл. 20.10.2000 г., МПК 7 G 21 C 3/62, 21/10. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов и устройство для его осуществления).

В устройстве-прототипе агрегаты объединены в поточную линию с транспортным средством проводки порошков и таблеток с агрегата на агрегат (см. Патент №2158030, стр.13, фиг.2). В прототипе предусмотрен контроль термической стабильности таблеток и в таблице на стр.27-28 приведены данные по доспекаемости, стабильной плотности, средней равномерной пористости и среднему размеру зерна, однако конструктивно не раскрыта сущность контроля термической стабильности таблеток.

В процессе работы в активной зоне ядерного реактора в таблетках ядерного топлива ТВЭЛа температура может достигать до 2000°С, что может привести к радиальным и осевым перераспределениям ядерного топлива (см. “Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов”. /Под. ред. Ф.Г. Решетникова, М.: Энергоатомиздат, 1995 г., Книга 1, стр.53).

В связи с этим одной из основных характеристик топливных таблеток является их стабильность по геометрическим размерам при высокотемпературной обработке, т.е. весьма важно знать о том, как поведет себя топливный столб в ТВЭЛе - “разбухнет” или уменьшится в объеме. “Разбухание” топливных таблеток в ТВЭЛе не допустимо, т.к. при этом возможен локальный перегрев оболочки и как следствие разгерметизация ТВЭЛа.

Как уже указывалось выше термообработка при температуре 1700-1750°С таблеток для определения термостабильности проводится в течение (24±2) часа с последующим охлаждением, т.е. контейнеры из молибдена с таблетками при таких колебаниях температур часто выходят из строя из-за разрушения крепежных элементов стенок между собой и днища к стенкам.

Кроме того, проверка на термическую стабильность таблеток требует стабилизации температурного режима.

Технической задачей является повышение качества таблеток, поступающих на снаряжение тепловыделяющих элементов, стабильности температурного режима при контроле на термическую стабильность таблеток и повышение срока службы контейнеров при высокотемпературной циклической обработке в них таблеток.

Эта техническая задача решается тем, что в линии изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора, включающей агрегаты:

- смешения порошков диоксида урана UO₂, связующего и оксида урана U₃0₈;

- прессования таблеток из приготовленной смеси;

- нагревания, спекания и охлаждения таблеток;

- мокрого шлифования поверхности таблеток;

- сушки таблеток;

- переработки брака и транспортное средство проводки порошка и таблеток с агрегата на агрегат; согласно изобретению линия снабжена агрегатом контроля термической стабильности таблеток, у которого вертикальные нагреватели выполнены, по крайней мере, из трех секторных нагревательных элементов, образующих внутри цилиндрическую полость для установки контейнера из молибдена с таблетками, снаружи с боков секторных нагревательных элементов и сверху размещены тепловые экраны, а контейнер из молибдена выполнен из спирально скрученного в несколько слоев листа молибдена со сквозными боковыми щелевыми отверстиями, в них горизонтально установлены опорные стержневые элементы из вольфрама, на которых с внешней боковой стороны контейнера размещено ограничительное кольцо из молибдена, а во внутреннюю полость контейнера на упомянутые опорные стержневые элементы в чередующемся порядке установлены перфорированные съемные диски из молибдена, дистанционированные друг от друга опорными съемными дистанционирующими кольцами с высотой, превышающей высоту таблеток, размещенных по периферии каждого перфорированного съемного диска.

Другим отличием является то, что агрегат контроля термической стабильности таблеток сообщен с вакуумной системой, снабжен патрубками ввода аргона и водорода, средствами контроля и выполнен с водоохлаждаемой крышкой и стенками.

Отличием является снабжение агрегата контроля термической стабильности сатуратором увлажнения аргона и водорода, подаваемых в агрегат.

Предложенный агрегат позволит выявить таблетки и в целом партию таблеток с отклонениями по термической стабильности таблеток, отбраковать их, повысить качество ТВЭЛ, снаряжаемых таблетками, и повысить срок службы контейнеров при высокотемпературной цикличной обработке в них таблеток.

На чертежах представлена линия изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора, где

на фиг.1 - общий вид линии;

на фиг.2 - агрегат контроля термической стабильности таблеток;

на фиг.3 - секторные нагреватели;

на фиг.4 - контейнер из молибдена.

Линия изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора включает агрегаты: 1 - смешения порошков диоксида урана UO₂, связующего и оксида урана U₃О₈, 2 - прессования таблеток 3 из приготовленной смеси, 4 - нагревания, спекания и охлаждения таблеток 3, 5 - мокрого шлифования поверхности таблеток 3, 6 - сушки таблеток 3, 7 - переработки брака таблеток 3, транспортное средство 8 проводки порошка и таблеток с агрегата на агрегат.

Линия снабжена агрегатом 9 контроля термической стабильности таблеток 3, у которого вертикальные нагреватели 10 выполнены, по крайней мере, из трех секторных нагревательных элементов, образующих внутри цилиндрическую полость 11 для установки контейнера 12 из молибдена с таблетками 3.

Снаружи с боков секторных нагревательных элементов и сверху размещены тепловые экраны 13, 14. Контейнер 12 из молибдена выполнен из спирально скрученного в несколько слоев листа из молибдена со сквозными боковыми щелевыми отверстиями 15, в них горизонтально установлены опорные стержневые элементы 16 из вольфрама, на которых с внешней боковой стороны контейнера размещено ограничительное кольцо 17 из молибдена, а во внутреннюю полость контейнера 12 на упомянутые стержневые элементы 16 в чередующемся порядке установлены перфорированные съемные диски 18 из молибдена, дистанционированные друг от друга опорными съемными дистанционирующими кольцами 19 с высотой “Н” превышающей высоту “H1” таблетки 3, размещенными по периферии каждого перфорированного съемного диска 18.

Агрегат 9 контроля термической стабильности таблеток 3 сообщен с вакуумной системой 20, снабжен патрубками ввода аргона 21 и водорода 22, средствами контроля (не показаны) и выполнен с герметично закрывающейся водоохлаждаемой крышкой 23 и водоохлаждаемыми стенками 24.

Агрегат 9 снабжен сатуратором 25 увлажнения аргона и водорода, подаваемых в агрегат 9.

Линия работает следующим образом. После смешения порошков диоксида урана, оксида урана со связующим в агрегате 1, прессования в агрегате 2 таблеток 3, спекания таблеток 3 в агрегате 4, мокрого их шлифования в агрегате 5, сушки в агрегате 6, перемещаемых из агрегата в агрегат транспортным средством 8, от партии таблеток делают выборку таблеток 3 для проверки их термической стабильности.

Предварительно готовят контейнер 12 из молибдена, стенки которого выполнены из спирально свернутого в несколько слоев листа молибдена. В сквозные щелевые боковые отверстия 15 контейнера 12 устанавливают горизонтально стержневые элементы 16 из вольфрама, снаружи контейнера 12 одевают ограничительное кольцо 17, а во внутреннюю полость на стержневые элементы 16 размещают перфорированный диск 18, по периферии которого размещают таблетки 3 из выборки от партии, соосно перфорированному диску 18 устанавливают дистанционирующее кольцо 19, высота “Н” которого превышает высоту “H1” таблетки. На дистанционирующее кольцо 19 устанавливают очередной перфорированный диск 18, располагают по периферии таблетки 3, устанавливают следующий перфорированный диск 18 на дистанционирующее кольцо и т.д.

Контейнер 12 с таблетками 3 устанавливают в полость 11, образованную секторными нагревателями 10 агрегата 9 контроля термической стабильности с тепловыми экранами 13.

Устанавливают тепловые экраны 14 сверху, закрывают водоохлаждаемую крышку 23, подключают агрегат 9 к вакуумной системе 20 и осуществляют постепенный нагрев до заданной температуре контроля термической стабильности 1700-1750°С с таблеток 3.

После выдержки при этой температуре в течение 24±2 часов с подачей водорода в увлажненном виде через патрубок 22 от сатуратора 25, где водород увлажняется, осуществляют постепенное снижение температуры с охлаждением от водоохлаждаемых стенок 24 и водоохлаждаемой крышки 23.

Вытеснение водорода из агрегата 9 осуществляют аргоном, подаваемым через патрубок 21.

Геометрические размеры таблеток 3 сравнивают до термообработки и после термообработки. При выявлении отклонений вся партия таблеток направляется на переработку в агрегат 7, а при соответствии таблеток требованиям термической стабильности партия таблеток 3 направляется на снаряжение ТВЭЛ.

1. Линия изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора, включающая агрегаты смешения порошков диоксида урана UO₂, связующего и оксида урана U₃O₈, прессования таблеток из приготовленной смеси, нагревания, спекания и охлаждения таблеток, мокрого шлифования поверхности таблеток, сушки таблеток, переработки брака и транспортное средство проводки порошка и таблеток с агрегата на агрегат, отличающаяся тем, что линия снабжена агрегатом контроля термической стабильности таблеток, у которого вертикальные нагреватели выполнены, по крайней мере, из трех секторных нагревательных элементов, образующих внутри цилиндрическую полость для установки контейнера из молибдена с таблетками, снаружи с боков секторных нагревательных элементов и сверху размещены тепловые экраны, а контейнер из молибдена выполнен из спирально скрученного в несколько слоев листа молибдена с сквозными боковыми щелевыми отверстиями, в них горизонтально установлены опорные стержневые элементы из вольфрама, на которых с внешней боковой стороны контейнера размещено ограничительное кольцо из молибдена, а во внутреннюю полость контейнера на упомянутые опорные стержневые элементы в чередующемся порядке установлены перфорированные съемные диски из молибдена, дистанционированные друг от друга опорными съемными дистанционирующими кольцами с высотой, превышающей высоту таблеток, размещаемых по периферии каждого перфорированного съемного диска.

2. Линия по п.1, отличающаяся тем, что агрегат контроля термической стабильности таблеток сообщен с вакуумной системой.

3. Линия по п.1, отличающаяся тем, что агрегат контроля термической стабильности снабжен патрубками ввода аргона и водорода, средствами контроля и выполнен с водоохлаждаемой крышкой и стенками.

4. Линия по п.1, отличающаяся тем, что агрегат контроля термической стабильности таблеток снабжен сатуратором увлажнения аргона и водорода, подаваемых в агрегат.