Контейнер для горячего изостатического прессования заготовок стержней топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора

Авторы патента:

G21C21/02 - изготовление топливных или воспроизводящих элементов в неактивных оболочках

Владельцы патента RU 2498428:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") (RU)

Контейнер предназначен для размещения в нем заготовок стержней сердечников твэлов при горячем изостатическом прессовании и может быть использован при изготовлении твэлов ядерных реакторов различного назначения. В кольцевой проточке на внутренней поверхности цилиндрической трубы установлено днище в виде вогнутой в полость трубы мембраны. При этом проточка выполнена от торца трубы на расстоянии, равном стрелке прогиба мембраны. Опрокидывание мембраны при прессовании выпуклостью наружу трубы обеспечивает изостатическую передачу давления прессования на заготовки. Технический результат - обеспечение условия изостатичности приложения внешнего давления при прессовании. 1 ил.

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к технологии горячего изостатического прессования керметных стержней топливных сердечников тепловыделяющих элементов ядерных реакторов различного назначения.

2. Уровень техники

Актуальным направлением в ядерной энергетике является создание мобильных атомных станций малой мощности (Ватулин А.В., Кулаков Г.В. и др. «Разработка твэлов активных зон плавучих энергоблоков и атомных станций малой мощности: состояние и перспективы», «Вопросы атомной науки и техники», серия «Материаловедение и новые материалы», вып.1 (64), М., 2005, с.146-148,). При серийном выпуске таких станций перспективно использование твэлов, в которых тепловыделяющие сердечники набраны из керметных стержней (см., например, Федик И.И., Гаврилин С.С. и др. «Новое поколение твэлов на основе микротоплива для ВВЭР», «Атомная энергия», М., 2004, т.96, вып.4, с.280).

В качестве заготовки при изготовлении таких керметных стержней используется циркониевая трубка, заполненная порошком ядерного топлива и закрытая с двух сторон заглушками (см., например, Гаврилин С.С., Денискин В.П., Леонов А.В., Федик И.И. «Заготовка стержня топливного сердечника керметного тепловыделяющего элемента ядерного реактора». Патент РФ №2 305 333 от 15.03.2006, опубл. 27.08.2007, бюл. №24). После капсулирования топлива в циркониевую оболочку производится обжатие заготовки и уплотнение топлива путем горячего изостатического прессования (см., например, Гаврилин С.С., Пермяков Л.Н., Черников А.С., "Композиционный материал для топливных сердечников дисперсионных твэлов", Патент РФ №2139581 от 23.06.98, опубл. 10.10.99, бюл. №28; Гаврилин С.С., Денискин В.П., Леонов А.В., Федик И.И. "Способ изготовления керметного стержня топливного сердечника тепловыделяющего элемента ядерного реактора", Патент РФ №2 305 334 от 15.03.2006, опубл. 27.08.2007, бюл. №24).

Перед проведением прессования блок заготовок размещают в контейнере, устанавливают блок на брикет рабочей среды, например, из силиката натрия и в отдельной печи нагревают контейнер до температуры расплавления рабочей среды (около 1000°C) и погружения в нее блока заготовок под собственным весом. После погружения блока в рабочую среду контейнер переносят в пресс-форму пресса и производят изостатическое прессование (см. Гаврилин С.С., Денискин В.П., Стафеева Н.В., Федик И.И., «Способ горячего изостатического прессования заготовки стержня топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора», Патент РФ №2 388 081 от 04.05.2008, опубл. 27.04.2010).

Известные конструкции контейнеров, пригодные для горячего изостатического прессования заготовок стержней топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора, выполнены в виде трубы, закрытой с одной стороны днищем, а условия изостатичности передачи давления рабочей средой обеспечивается введением в конструкцию контейнера элементов, обеспечивающих дистанционирование заготовок от стенок и днища контейнера.

Известен контейнер, выполненный в виде трубы, закрытой с одной стороны днищем, на котором установлен опорный элемент из эластичной пластмассы, препятствующий заготовке опустится на днище контейнера (см., например, В.Д. Джонс, «Прессование и спекание», «Мир», М., 1965, с.113). Недостатком такого контейнера является невозможность проведения прессования при высокой температуре.

Известен также контейнер, выполненный в виде трубы, закрытой с одной стороны днищем, в котором установлены элементы подвески заготовок, препятствующие опусканию заготовок на днище при расплавлении рабочей среды (см., например, И.М. Федорченко, Р.А. Андриевский, «Основы порошковой металлургии», изд. АН УССР, Киев, 1963, с.203). Недостатком такой конструкции является необходимость введения в технологию ручных операций, трудно поддающихся автоматизации.

Последняя конструкция контейнера по совпадающим с заявляемой конструкцией признакам и областью применения наиболее близка к заявляемой и выбрана в качестве прототипа.

3. Сущность изобретения

Предлагается контейнер для горячего изостатического прессования заготовок стержней топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора, состоящий из цилиндрической трубы, закрытой с одной стороны днищем. Отличие предлагаемого контейнера от прототипа заключается в том, что днище выполнено в виде вогнутой в полость трубы мембраны, на внутренней поверхности трубы выполнена кольцевая проточка, мембрана впрессована по контуру в кольцевую проточку трубы, причем проточка выполнена на расстоянии от торца трубы, равном стрелке прогиба мембраны.

Такое конструктивное решение обеспечивает условие изостатичности приложения внешнего давления при прессовании. При расплавлении рабочей среды заготовки стержней, объединенные, например, в блок, находятся в контакте с днищем контейнера и в таком положении контейнер с заготовками устанавливается в пресс-форму пресса. В начале рабочего хода верхнего плунжера пресса происходит захлопывание всех газовых полостей в объеме матрицы пресса, в том числе опрокидывание мембраны выпуклостью наружу трубы, что дает возможность рабочей среде проникнуть в образовавшийся зазор между блоком заготовок и днищем трубы. Заполнение этого зазора происходит практически мгновенно, что и обеспечивает изостатичность приложения давления прессования. Такое решение не связано с необходимость введения в технологию дополнительных ручных операций и облегчает решение задачи автоматизации производства.

4. Перечень фигур графических изображений

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором

1 - стальная труба;

2 - днище в виде мембраны, обращенной выпуклостью внутрь трубы;

3 - кольцевая проточка.

5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

В подтверждение возможности осуществления изобретения был изготовлен контейнер (чертеж), состоящий из стальной трубы 1 с внутренним диаметром 46 мм и толщиной стенки 1,5 мм, закрытый днищем 2, выполненным в виде выпуклой мембраны диаметром 46,2 мм, толщиной 0,5 мм и стрелкой прогиба 2 мм. На расстоянии 2 мм от торца трубы выполнена кольцевая проточка 3 глубиной 0,3 мм и шириной 0,5 мм, в которую впрессовано днище.

В контейнере был размещен брикет рабочей среды из силиката натрия, поверх которого установили блок из семи заготовок стержней. Контейнер вместе с блоком заготовок и брикетом рабочей среды нагревался в отдельной печи до температуры 1000°С в течение 30 мин. После погружения блока заготовок в стекло контейнер переносился в пресс-форму гидравлического пресса и блок заготовок подвергался прессованию при нагрузке 120 тонн и машинном времени 30 с.

После прессования блок заготовок выдавливался из контейнера при приложении усилия в направлении днища. Между днищем и блоком заготовок образовался слой стекла толщиной около 2 мм, что свидетельствует о выполнении условия изостатичности нагрузки при прессовании.

Контейнер для горячего изостатического прессования заготовок стержней топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора, состоящий из цилиндрической трубы, закрытой с одной стороны днищем, отличающийся тем, что днище выполнено в виде вогнутой в полость трубы мембраны, впрессованной по контуру в кольцевую проточку, выполненную на внутренней поверхности трубы и расположенную от торца трубы на расстоянии, равном стрелке прогиба мембраны.

Изобретение относится к области атомной техники и может быть использовано при изготовления топливного материала для тепловыделяющих элементов (твэлов) исследовательских ядерных реакторов.

Устройство снаряжения оболочек тепловыделяющих элементов таблетками делящегося материала // 2470394

Изобретение относится к производству тепловыделяющих твэлов ядерного реактора. .

Автоматическая линия изготовления тепловыделяющих элементов ядерного реактора // 2459292

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов) для энергетических ядерных реакторов.

Устройство отмера длины столба стержневых тепловыделяющих элементов и подачи топливных таблеток в оболочку // 2448379

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при снаряжении оболочек тепловыделяющих элементов (твэл) ядерным топливом в виде таблеток. .

Устройство установки пружин для стержневого тепловыделяющего элемента ядерного реактора // 2436178

Изобретение относится к устройству установки пружин в трубчатой оболочке для реализации стержневых тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. .

Защитный кожух топливной оболочки, способ изготовления топливных стержней и устройство для его осуществления // 2403636

Изобретение относится к защитному кожуху топливной оболочки, способу изготовления топливных стержней и устройству для его осуществления. .

Способ изготовления тепловыделяющих элементов ядерного реактора // 2397557

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов для энергетических ядерных реакторов.

Автоматическая линия изготовления оболочек тепловыделяющих элементов ядерного реактора // 2391726

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение при изготовлении оболочек тепловыделяющих элементов для ядерных энергетических реакторов. .

Тепловыделяющий элемент для ядерных реакторов (варианты) и способ его изготовления (варианты) // 2389089

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к конструкции тепловыделяющих элементов и технологии их изготовления, и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов ядерных реакторов с топливом высокого обогащения.

Способ горячего изостатического прессования заготовки стержня топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора // 2388081

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности, к способам изготовления керметных стержней топливных сердечников тепловыделяющих элементов (твэл) ядерных реакторов различного назначения.

Способ изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов // 2504032

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в технологии производства спеченных керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов. Для прессования таблеток используют смесь порошка диоксида урана, приготовленного по одной из известных технологий, с удельной поверхностью частиц 2,0-2,2 м2/г, ультрадисперсного порошка UO2 с удельной поверхностью 10,5-11 м2/г и нанокристаллических порошков оксидов Gd2O3, ТiO2, Nb2O5, Аl2О3, Сr2О3. Содержание ультрадисперсного порошка UO2 в смеси - 5-10 % масс., нанокристаллических оксидных порошков Gd2O3 - 3-5 % масс., других оксидов - 0,02-0,1 % масс. Такое топливо существенно превосходит стандартное по показателю среднего размера зерна (25-60 мкм вместо 10-20 мкм). Технический результат - увеличение глубины выгорания топлива при его эксплуатации за счет увеличения зерна топливных таблеток, улучшение его технологических и эксплуатационных свойств за счет увеличения пластичности и, как следствие, повышение надежности работы тепловыделяющих элементов. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

Способ изготовления топливных стержней // 2507616

Изобретение относится к технологиям изготовления топливных стержней, предназначенных для снаряжения сердечников керметных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Заготовки стержней помещают в цилиндрический контейнер, заплавляют стеклом и переносят контейнер в пресс-форму пресса, где осуществляют горячее изостатическое прессование. После выгрузки контейнера из пресс-формы его охлаждают на воздухе в течение 2-3 минут и выдавливают стеклянную прессовку из контейнера на холодном прессе со скоростью 0,3-0,5 мм/с. Размерную механическую обработку заготовок до получения номинальных размеров стержней проводят после скалывания стекла. Технический результат - исключение операции механической обдирки прессовки от материала контейнера, повышение уровня автоматизации производства.

Способ прессования заготовок керметных стержней // 2508572

Изобретение относится к способам прессования заготовок керметных стержней тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Заготовки, заплавленные силикатом натрия в цилиндрическом контейнере, выполненном из стали с содержанием углерода (0,1-0,35) мас.%, после образования на поверхности контейнера слоя окалины подвергаются изостатическому прессованию. Выпрессовку контейнера осуществляют после минутной выдержки контейнера в пресс-форме при снятом давлении. Технический результат - значительное уменьшение усилия выпрессовки и, как следствие, повышение ресурса работы прессового оборудования за счет уменьшения износа пресс-формы.

Способ изготовления газонаполненного тепловыделяющег элемента // 2513036

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к способам изготовления газонаполненных тепловыделяющих элементов (твэлов) с топливными сердечниками из нитрида или карбонитрида урана. Способ изготовления твэла включает изготовление «трубы в сборе» путем герметичного соединения оболочки с одной из концевых заглушек и формирование топливного сердечника путем укладки в «трубу в сборе» топливных таблеток. Перед укладкой топливных таблеток «трубу в сборе» предварительно вакуумируют и заполняют тяжелым инертным газом, например аргоном, а последующую укладку таблеток осуществляют при помощи направленной под избыточным давлением струи упомянутого тяжелого инертного газа. Затем проводят повторное вакуумирование, заполнение внутреннего объема гелием и окончательную герметизацию твэла при помощи второй концевой заглушки. При заполнении «трубы в сборе» тяжелым инертным газом и при укладке топливных таблеток ее располагают вертикально, открытым концом вверх. Технический результат - удаление в процессе изготовления твэла пылевидных частичек топлива в зазоре между таблетками и оболочкой и обеспечение бесконтактного воздействия на топливные таблетки, а также улучшение состава атмосферы под оболочкой. Это в свою очередь позволяет увеличить ресурс и надежность работы твэлов. 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

Способ дистанционирования твэлов в тепловыделяющей сборке // 2528952

Изобретение относится к изготовлению тепловыделяющих сборок ядерного реактора (ТВС), в частности к дистанционированию тепловыделяющих элементов (твэлов). Способ дистанционирования твэлов в рабочей сборке ядерного реактора включает следующие операции: проволоку различного поперечного сечения навивают в спираль виток к витку, растягивают до требуемого диаметра, отжигают, рассекают на отрезки штатной длины, а отрезки спирали размещают между смежными твэлами внешнего и внутренних рядов рабочей сборки. Технический результат - снижение гидравлического сопротивления ТВС, упрощение изготовления ТВС. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ получения тепловыделяющего элемента высокотемпературного ядерного реактора // 2539352

Изобретение относится к технологии изготовления тепловыделяющих элементов для высокотемпературных ядерных реакторов. Способ включает изготовление матрицы на основе пластин(2) из углеродных материалов, в которых выполнены посадочные места с заложенными в них микротвэлами (1) с защитными покрытиями. Согласно изобретению в качестве углеродного материала используют высокоплотный изотропный графит, пластины выполняют толщиной 2÷3 диаметра микротвэла, посадочные места в пластинах выполняют в виде углублений с округлым днищем для каждого микротвэла, диаметром, равным 1,4÷1,6 диаметра микротвэла, с шагом 2,5÷3,5 диаметра микротвэла и глубиной 1,6÷2,2 диаметра микротвэла, на микротвэлы с защитными покрытиями наносят матричную композицию (3) толщиной слоя 150÷250 мкм. Далее микротвэлы помещают до упора в выполненные углубления, каждое из которых после размещения микротвэла заполняют матричной композицией до верха пластины. Затем пластины скрепляют между собой углеродным связующим в количестве 0,02÷0,06 от массы пластин и термообрабатывают при температуре 1800-1900°C. Технический результат заключается в увеличении прочности твэла и его теплопроводности за счет снижения объема пустот в матрице твэла, а также снижении вероятности возникновения сквозных дефектов в покрытиях микротвэла и уменьшении выхода продуктов деления. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство снаряжения фольгой оболочек твэлов // 2548008

Устройство относится к изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерного реактора. Устройство снаряжения фольгой оболочки твэла содержит валики, ложемент, штангу с цилиндром, губки и узел формирования отбортовки на фольге. Ложемент выполнен в виде уголка с промежуточной и торцевыми стенками. На одной торцевой стенке закреплена штанга с цилиндром, равным диаметру таблетки делящегося материала. Между промежуточной и другой торцевой стенками установлена подвижная каретка, передвигающаяся по полкам уголка. При этом цилиндр охватывают радиально перемещающиеся губки. Перед губками размещен узел формирования радиальной отбортовки на фольге. Устройство установлено под углом к горизонту, а каретка выполнена с весом, способным преодолевать момент свободного вращения редуктора привода. Технический результат - упрощение механизма перемещения оболочки твэла. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ насыщения пористых заготовок оксидами металлов // 2568425

Изобретение относится к атомной промышленности и гидрометаллургии и может быть использовано, например, для получения уран-графитовых тепловыделяющих элементов (твэл) или композиционных высокотемпературных материалов методом пропитки пористых материалов (графит, металлы, оксиды металлов и т.п.) растворами солей и последующей термообработки. Способ насыщения пористых заготовок оксидами металлов включает вакуумную обработку заготовок, пропитку их растворами солей металлов, сушку и термообработку. Пропитку осуществляют при температуре 5÷12°C метастабильным раствором соли соответствующего металла с уротропином, а после пропитки пористые заготовки помещают в предварительно нагретую до 80÷95°C инертную среду и выдерживают в течение 0,5÷1,0 час. В качестве инертной среды используют воздух, воду, масло. Технический результат - упрощение процесса введения оксидов металлов, в том числе оксидов урана, в пористую матрицу (заготовку) за счет исключения использования легколетучих и взрывоопасных органических жидкостей (ацетон и изопропиловый спирт), а так же сокращение продолжительности процесса и, соответственно, энергозатрат. 4 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил.

Способ изготовдения твэла ядерного реактора // 2576659

Изобретение относится к изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерного реактора. Изготовление твэла ядерного реактора осуществляют в два этапа. На первом - снаряжают заготовку оболочки твэла контактным материалом, таблетками делящегося материала, пружиной, сжатой хвостовиком, сваривают, вакуумируют, герметизируют, нагревают до температуры плавления контактного материала, охлаждают. На втором - через переходник дополняют отражателем и газосборником. В качестве контактного материала применяют: магний, натрий, свинец, медь-магний, свинец-висмут, алюминий-кремний-никель. Технический результат - повышение теплопроводности между внутренней поверхностью оболочки твэла и столбом таблеток делящегося материала. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ сборки тепловыделяющего элемента ядерного реактора // 2588609

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к сборке стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), и может быть использовано в ядерных реакторах разного типа. Пружинный фиксатор топливного столба, располагаемый в компенсационном объеме твэла, имеет последовательно расположенные от торца топливного столба компенсирующую, буферную и фиксирующую группы витков. Фиксатор устанавливается в оболочку твэла цилиндрическим трехступенчатым штоком, имеющим длину ступени наименьшего диаметра, обеспечивающую требуемое усилие поджатия топливного столба, а общую длину ступеней с наименьшим и средним диаметрами менее длины компенсационного объема на 1,5…2,0 диаметра твэла. Перемещение штока продолжается до упора компенсирующей части фиксатора в топливный столб и сжатия ее до момента касания штоком торца топливного столба. Далее шток извлекается из твэла, а открытый торец оболочки герметизируется с помощью заглушки. Технический результат - уменьшение разброса и длины пружинного фиксатора топливного столба после установки, что обеспечивает возможность увеличения загрузки топлива в твэл, повышения его энерговыработки. 8 ил.