Тепловыделяющий элемент энергетического ядерного реактора и способ его изготовления

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к конструкциям газозаполненных твэлов для экспериментальных, испытательных и исследовательских реакторов и способам их изготовления. Твэл содержит оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, с размещенным в ней топливным сердечником и концевые элементы, герметично соединенные с оболочкой сварными швами. Оба концевых элемента соединены с оболочкой при помощи сварных швов, выполненных многопроходной электронно-лучевой сваркой. По крайней мере в одном из концевых элементов выполнена полость с размещенной внутри ампулой с инертным газом заданного состава и давления. Полость соединена с внутренним объемом оболочки, а концевой элемент с полостью выполнен толщиной, соизмеримой с толщиной стенки оболочки. Для изготовления твэла в концевом элементе предварительно формируют полость, в которую помещают ампулу, заполненную газом заданного состава с избыточным давлением. Ампулу выполняют из материала с температурой плавления ниже температуры плавления материала концевого элемента. Твэл герметизируют при помощи сварных швов, выполненных электронно-лучевой сваркой, а заполнение внутренней полости оболочки газом производят путем вскрытия ампулы после герметизации путем теплового воздействия на концевой элемент. Технический результат - получение твэла с более качественными, коррозионностойкими, менее напряженными сварными швами. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к конструкциям газозаполненных твэлов для экспериментальных, испытательных и исследовательских реакторов и способам их изготовления.

Известны конструкции газонаполненных твэлов, которые используются в экспериментальных (прототип энергетических), испытательных и исследовательских реакторах, включающие оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, с размещенным в ней топливным сердечником, а также концевые элементы, герметично соединенные с оболочкой сварными швами (Решетников Ф.Г. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1995, кН.2, с.158-159).

При изготовлении газонаполненных твэлов вначале изготавливают концевые элементы, производят подготовку оболочки с приваркой одного концевого элемента и размещением в ней топливного сердечника, причем заполнение внутреннего объема твэла после его вакуумирования производят в камере с избыточным давлением газа (гелия), а затем выполняется сварка второго концевого элемента с оболочкой (Решетников Ф.Г. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1995, кН.2, с.177-178, патент RU №2355533, МПК G21C 3/10, опубл. 20.05.2009, патент RU №2065213, МПК G21C 21/00, опубл. 10.08.1996 и др.), что сопряжено с избыточным расходом инертного газа, обусловленного объемом камеры.

Эксплуатационная надежность твэлов во многом определяется качеством выполненных сварных соединений. Известно, что сварное соединение (шов), выполненное многопроходной электронно-лучевой сваркой (ЭЛС), обеспечивает коррозионную и эрозионную стойкость, механическую прочность без нарушения герметичности. Однако выполнение сварных соединений ЭЛС твэлов, заполненных инертным газом, обуславливает необходимость существенного усложнения конструкции твэла из-за необходимости выполнения дополнительных эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1995, кН.2, с.181, с.210, с.213, с.217).

Известен способ изготовления газозаполненного твэла, в котором оболочку соединяют со вторым концевым элементом при помощи газодуговой сварки (ГДС). Несмотря на то, что в конструкции твэла присутствуют только два сварных шва, на их поверхности и в зоне термического влияния швов образуется слой, возникающий вследствие взаимодействия металла с атмосферой - кислородом и азотом, ухудшающий коррозионную стойкость соединений (Решетников Ф.Г. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1995, кН.2, с.177, с.192, с.213).

Наиболее близким известным техническим решением, принятым за прототип, является тепловыделяющий элемент энергетического ядерного реактора, включающий оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, с размещенным в ней топливным сердечником, концевые элементы, герметично соединенные с оболочкой сварными швами (патент RU №2127457, МПК G21C 3/10, опубл. 10.03.1999).

Соединение второго концевого элемента с оболочкой (т.е. при окончательной герметизации) твэла, снаряженного топливом и заполненного инертным газом (гелием), выполняется контактно-стыковой сваркой (КСС). Существенным недостатком швов, выполненных КСС, является высокий уровень остаточных послесварочных напряжений, приводящий к коррозии. При этом для каждого твэла применяется два вида сварки: ЭЛС и КСС. Заполнение газом производится в отдельной камере, что сопряжено с его повышенным расходом.

Изготовление известной конструкции твэла заключается в том, что подготавливают оболочку, размещают в ней топливный сердечник, вакуумируют, заполняют оболочку инертным газом с избыточным давлением и соединяют ее с концевыми элементами при помощи сварных швов. При этом один концевой элемент приваривают при помощи ЭЛС, а после заполнения газом твэла приваривают второй концевой элемент при помощи КСС.

Этот способ также имеет недостатки. При приварке второго концевого элемента при помощи КСС (окончательная герметизация) качество сварного соединения снижается, поскольку в составе атмосферы под оболочкой и в зоне сварного шва присутствует азот и кислород, что приводит к снижению коррозионной устойчивости, механической прочности сварного шва и в итоге надежности работы твэла. (Решетников Ф.Г. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1995, кН.2, с.183). Как уже упоминалось, при изготовлении известного твэла имеет место повышенный расход газа.

Решаемая задача - повышение надежности работы твэла и упрощение его изготовления за счет обеспечения возможности соединения оболочки с двумя концевыми элементами при помощи двух швов, выполненных многопроходной ЭЛС.

Решаемая задача и технический результат достигаются за счет того, что в конструкции твэла, включающей оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, с размещенным в ней топливным сердечником, концевые элементы, герметично соединенные с оболочкой сварными швами, согласно изобретению оба концевых элемента соединены с оболочкой при помощи сварных швов, выполненных электронно-лучевой сваркой, по крайней мере, в одном из концевых элементов, выполнена полость с размещенной внутри ампулой с инертным газом заданного состава и давления, при этом полость соединена с внутренним объемом оболочки, а концевой элемент с полостью выполнен толщиной, соизмеримой с толщиной стенки оболочки.

Указанная задача и технический результат достигаются также тем, что в способе изготовления тепловыделяющего элемента, включающем подготовку оболочки с размещением в ней топливного сердечника, изготовление концевых элементов, вакуумирование, заполнение оболочки инертным газом с избыточным давлением, герметизацию оболочки при помощи сварных швов, согласно изобретению, по крайней мере, в одном из концевых элементов предварительно формируют полость, соединенную с внутренним объемом оболочки, в которую помещают ампулу, заполненную газом заданного состава с избыточным давлением, выполненную из материала с температурой плавления ниже температуры плавления материала концевого элемента, а заполнение внутренней полости оболочки газом производят путем вскрытия ампулы после герметизации.

Вскрытие ампулы можно произвести путем теплового воздействия на концевой элемент с ампулой.

Сущность данного технического решения иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 приведена схема конструкции твэла.

На фиг.2 приведена схема вакуумирования внутреннего объема оболочки и сварки в камере для ЭЛС.

На фиг.3 приведена схема варианта изготовления газонаполненной ампулы.

На фиг.4 (а,б,в,г) представлены имитатор твэла с ампулой в концевом элементе и результаты вскрытия ампулы.

Тепловыделяющий элемент (фиг.1) состоит из оболочки 1, в которой размещен топливный сердечник 2. Оболочка 1 соединена с концевыми элементами 3 и 4 при помощи швов, выполненных многопроходной ЭЛС. В концевом элементе 3 выполнена полость 5, в которую помещена газонаполненная ампула 6, зафиксированная от осевого смещения резьбовой пробкой 7 с отверстием. Топливный сердечник 2 зафиксирован винтовой пружиной 8. Напротив ампулы 6 расположен нагреватель 9.

Изготовление твэла осуществляют следующим образом. Вначале подготавливают оболочку 1 и размещают в ней топливный сердечник 2. Изготавливают концевые элементы 3, 4 и, по крайней мере, в одном из них формируют полость 5, в которую помещают ампулу 6, заполненную газом заданного состава и давления. Резьбовой пробкой 7 с отверстием фиксируют ее от осевого смещения. В концевой элемент устанавливают пружину 8. Затем в вакуумируемую камеру для ЭЛС 10 (фиг.2) помещают: оболочку 1 с топливным сердечником 2, концевой элемент 3 с размещенной в полости 5 ампулой, пробкой и пружиной, второй концевой элемент 4. Концевые элементы 3 и 4 первоначально устанавливаются с зазором к оболочке твэла. Герметизацию отвакуумированного твэла производят многопроходной ЭЛС концевых элементов с оболочкой одновременно или последовательно (фиг.2, поз.11 - головка электронно-лучевой установки), после чего тепловым воздействием на легкоплавкую оболочку ампулы производят ее вскрытие и находящийся в ней газ заполняет внутреннюю полость оболочки до заданного значения давления. Возможно производить тепловое воздействие на ампулу электронным лучом непосредственно в камере (фиг.2), направив его на концевой элемент с ампулой, либо непосредственно перед операцией проверки на герметичность.

Таким образом, конструкция твэла является двухшовной, а сварные соединения могут выполняться одним видом сварки. Это упрощает изготовление твэлов. Выполнение швов (соединений) многопроходной ЭЛС повышает надежность твэлов. Вакуумирование в камере (фиг.2) оболочки с топливным сердечником при наличии зазора между концевыми элементами 3 и 4 и оболочкой 1 твэла улучшает условия вакуумирования, что в конечном итоге влияет на качество атмосферы под оболочкой.

Оболочку газонаполненной ампулы выполняют из легкоплавкого или легко вскрываемого материала. Изготовление газонаполненной ампулы возможно, например, из трубчатой заготовки, соединенной с газовым постом (фиг.3). Трубчатая заготовка 12 пережимается роликами 13, что обеспечивает диффузионную сварку ампулы 6, при этом ампульный объем 14 остается под требуемым давлением Р, которое обеспечивается газовым постом. Такое изготовление ампулы и всего твэла позволяет экономить инертный газ, что особенно важно при использовании дорогостоящих инертных газов. По сравнению с прототипом отсутствуют операции наполнения газом камеры, сброса газа из сварочной камеры при КСС.

Такое выполнение газонаполненных твэлов целесообразно для экспериментальных твэлов с невысоким внутренним давлением газа в диапазоне от 1 до 2 кг/см². Использование данного технического решения позволяет применить один вид сварки - ЭЛС, что позволяет ускорить и упростить изготовление твэлов (особенно маломерных в диапазоне длин от 0,5 м до 2 м), уменьшить расход газа, улучшить условия вакуумирования внутреннего объема твэла.

Пример осуществления

Для твэла с внутренним объемом 1,5 см³ при давлении гелия 1,2 кг/см² использовалась ампула с объемом 0,37 см³ и внутренним давлением гелия 5 кг/см². Для изготовления ампулы использовалась трубчатая, тщательно очищенная заготовка из свинца марки С0. Внутренний диаметр заготовки 4 мм, толщина стенки 0,8 мм. Один конец заготовки присоединялся к газовому посту, который обеспечивал требуемое давление гелия 5 кг/см², другой конец подвергался холодной отпайке (диффузионной сварке) сдавливанием роликами 13 (фиг.3). Ролики 13 (или трубчатая заготовка) перемещались на размер ампулы (для объема 0,37 см³ длина составит 30 мм), после сдавливания заготовки роликами 13 получали готовую ампулу с давлением в полости 15-5 кг/см². Ампула подвергалась проверке на утечку гелия посредством течеискателя. Ампула вставлялась в предусмотренную в концевом элементе (заглушке) 3 (фиг.1) полость, затем ставили резьбовую пробку 7 с отверстием, обеспечивающим соединение с внутренней полостью оболочки 1, и поджимающую пружину 8. Толщина стенки заглушки, выполненной из нержавеющей стали, в зоне размещения ампулы составляла 0,8 мм. Далее заглушку 3 в сборе, оболочку 1 с топливным сердечником 2 и заглушку 4 размещали соосно в вакуумируемой камере 10, как показано на фиг.2. Вакуумировали камеру до уровня остаточного давления 10^-5 мм рт.ст. Заглушки (концевые элементы) 3 и 4 досылали до упора в торцы оболочки 1, которые устанавливали напротив головок 11 ЭЛС. Герметизацию твэла производили многопроходными сварными швами при вращении изделия. При этом формирование сварных швов может производиться как одновременно, так и последовательно в одной камере. Вскрытие газонаполненной ампулы производили посредством нагрева через стенку концевого элемента 3, толщина которого составляла 0,6 мм в зоне расположения ампулы, нагревателем 9 (фиг.1). При достижении на стенке оболочки температуры (450-500)°C ампула вскрывается и гелий заполняет весь объем твэла через отверстие в пробке 7. Величина давления в твэле P₁ пропорциональна давлению в ампуле Р, объемам твэла V₁ и ампулы V (Р×V=Р₁×V₁) и составляет (при Р=5 кг/см², V=0,37 см3, V,=1,5 см³) величину 1,2 кг/см².

Предложенное техническое решение испытано на имитаторе твэла (фиг.4а) с концевым элементом 3, в котором размещалась ампула 5 (фиг.4б - рентгеновский снимок имитатора фиг.4а). Внутренняя полость имитатора откачивалась до давления 10^-3 мм рт.ст. Наружная поверхность концевого элемента 3, толщина стенки которого составляла 0,6 мм, нагревалась до температуры 500°C. Ампула вскрылась, что подтвердилось рентгеновским снимком (фиг.4в), а внутренний объем наполнился газом до давления 1,2 кг/см², что было определено по показанию манометра. На фиг.4г представлена фотография ампулы, извлеченной после испытаний, на которой видно вскрытие и подплавление свинцовой оболочки ампулы.

Таким образом, из-за отсутствия потерь инертного газа его расход на производство одного твэла минимальный. Введение вскрываемой газонаполненной ампулы в конструкцию твэла позволило получить двухшовную конструкцию твэла с двумя сварными швами, выполненными многопроходной ЭЛС. Данный вид сварки позволяет получать более качественные, коррозионностойкие, менее напряженные сварные швы, что повышает надежность твэла. Также использование ЭЛС для обоих герметизирующих сварных соединений упрощает процесс герметизации твэла, повышает производительность, уменьшает количество требуемого оборудования для герметизации (сварки). Вакуумирование оболочки с топливным сердечником при свободном доступе к обоим торцам оболочки улучшает условия вакуумирования внутреннего объема твэла, а затем после герметизации и вскрытия ампулы позволяет улучшить состав атмосферы под оболочкой, что также влияет на надежность твэла. По сравнению с прототипом изобретение позволяет отказаться от изготовления, а потом и заплавления «лыски» на одном из концевых элементов. Изготовление газонаполненной ампулы, в свою очередь, не требует сложного, дорогостоящего оборудования.

1. Тепловыделяющий элемент энергетического ядерного реактора, включающий оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, с размещенным в ней топливным сердечником, концевые элементы, герметично соединенные с оболочкой сварными швами, отличающийся тем, что оба концевых элемента соединены с оболочкой при помощи сварных швов, выполненных электронно-лучевой сваркой, по крайней мере, в одном из концевых элементов выполнена полость с размещенной внутри ампулой с инертным газом заданного состава и давления, при этом полость соединена с внутренним объемом оболочки, а концевой элемент с полостью выполнен толщиной, соизмеримой с толщиной стенки оболочки.

2. Способ изготовления тепловыделяющего элемента, включающий подготовку оболочки с размещением в ней топливного сердечника, изготовление концевых элементов, вакуумирование, заполнение оболочки инертным газом с избыточным давлением, герметизацию оболочки при помощи сварных швов, отличающийся тем, что, по крайней мере, в одном из концевых элементов предварительно формируют полость, соединенную с внутренним объемом оболочки, в которую помещают ампулу, заполненную газом заданного состава и с избыточным давлением, выполненную из материала с температурой плавления ниже температуры плавления материала концевого элемента, а заполнение внутренней полости оболочки газом производят путем вскрытия ампулы после герметизации оболочки.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что вскрытие ампулы производят путем теплового воздействия на концевой элемент с ампулой.