Тепловыделяющий элемент стержневого типа и способ его изготовления

 

Сущность: твэл стержневого типа содержит оболочку и приваренную к ней ступенчатую заглушку. Внутри оболочки загружено керамическое топливо в виде экранных таблеток и топливных втулок. Заглушка, герметизирующая оболочку со стороны загрузки ядерным топливом, выполнена гладкой, осесимметричной, с одинаковыми усеченными конусами, а на ее цилиндрической поверхности выдавлен кольцевой поясок, наружный минимальный диаметр которого равен максимальному внутреннему диаметру оболочки, а максимальный диаметр превышает наибольший внутренний диаметр оболочки на величину допуска ее внутреннего диаметра. Гладкая цилиндрическая заглушка с выдавленным кольцевым пояском более технологична, не требует дополнительных ориентирующих устройств при ее установке в оболочку при массовом производстве твэл, а поясок зачищает внутреннюю полость оболочки при запрессовке заглушки и образует плотное фиксированное соединение заглушки с оболочкой, способное длительное время удерживать давление газа в оболочке до сварки оболочки с заглушкой и исключает возможность попадания топливной пыли в зону сварки. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при массовом изготовлении твэлов для различных энергетических ядерных реакторов типа БН, ВВЭР, РБМК и др.

Твэл энергетического ядерного реактора, как правило, содержит топливный сердечник, набранный из таблеток диоксида урана, размещенный внутри оболочки, загерметизированный по торцам концевыми заглушками путем сварки. В верхней части твэла образован компенсационный объем для сбора газообразных продуктов деления, в котором размещен фиксатор, предназначенный для предотвращения смещения топливного сердечника относительно оболочки в процессе транспортно-технологических операций и обеспечения возможности удлинения топливного сердечника при эксплуатации твэла в реакторе.

Известен твэл ядерного реактора, состоящий из трубчатой оболочки, заполненной делящимся топливом, концевых заглушек, вставленных с обоих концов в оболочку и привариваемых к ней, отличающийся тем, что одна из заглушек имеет цилиндрическую форму и конические поверхности с обоих сторон, причем углы наклона различны с меньшим углом со стороны ввода заглушки в оболочку /1/.

Недостатком известной конструкции является ступенчатая форма заглушки со стороны снаряжения оболочки топливом, которая не технологична при изготовлении твэлов на автоматизированных поточных линиях, требует дополнительных ориентирующих устройств на операции вставки заглушки в оболочку.

Наиболее близким техническим решением по сущности и достигаемому техническому результату является конструкция твэла для реактора типа БН-350 /2/, прототип.

Твэл стержневого типа состоит из оболочки с приваренной к ней ступенчатой заглушкой, внутрь оболочки загружены столб экранных таблеток обедненного UO₂, затем втулки из топлива и далее верхнего экрана из тех же таблеток обедненного UO₂. Весь столб таблеток опирается на стакан внизу, а вверху ограничивается фиксатором от перемещения столба при транспортировке твэлов. В твэле предусмотрена полость компенсационный объем, расположенная в более холодной части твэла и предназначенная для газообразных продуктов деления при облучении топлива и увеличения давления. Торцевая заглушка, герметизирующая оболочку со стороны загрузки ядерным топливом, имеет ступенчатую форму в виде буртика на ее торце. Недостатком известного твэла является ступенчатая конфигурация верхней заглушки, так как наличие буртика на торце ухудшает технологичность ее изготовления и усложняются средства автоматизации на операции вставки ее в оболочку при массовом выпуске твэл на автоматизированных линиях. Не исключается возможность попадания топливных частиц в зону сварки оболочки и заглушки и нарушения сплошности сварного соединения, так как удаление топливных частиц в этом случае затруднительно, потому что нет прямого воздействия дуги на залегающие под буртом оксидные включения UO₂ вследствие недостаточных температурных условий (для испарения путем возгонки или другим путем).

Известен способ фирмы "Сименс", которая запатентовала устройство для механической зачистки концов оболочек твэлов под сварку, используя в качестве зачистного элемента ленту, перематываемую с катушки на катушку. Твэл, загрязненный плутонием, вводится в специальное устройство и там поворачивается на опорном шкиве. В этот момент лента зачищает поверхность оболочки. По такому же принципу созданы другие устройства, позволяющие зачистить не только наружние поверхности, но и на некотором участке изнутри /2/. Недостатком этого способа является сложность автоматизации операции зачистки внутренней поверхности оболочки при массовом выпуске изделий на поточных линиях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ, основанный на задержании пыли в процессе вакуумирования /2/, прототип. Он предусматривает использование металлической пробки-пыжа, который, например, готовят из мелкой металлической сетки, свернутой в шар или цилиндр. Такой пыж вводят в оболочку после загрузки топлива, затем его раздавливают с некоторым усилием, уплотняя по стенке. При вакуумировании этот пыж выполняет функцию фильтра, задерживающего вынос топлива в зону герметизации. Такой способ широко используется в нашей стране при изготовлении твэлов, у которых заглушка выполнена с буртиком. Недостатком данного способа является сложность автоматизации операции вставки пыжа в оболочку при массовом выпуске твэлов и недостаточно высокая эффективность обеспыливания зоны сварного шва, так как пыж исключает вынос пыли лишь из внутренней части оболочки, но не устраняет пыль, находящуюся на торце оболочки и под буртом заглушки, в результате чего сварной шов может быть негерметичным.

Заявляемый твэл направлен на повышение технологичности его изготовления и упрощения средств автоматизации при вставки заглушки в оболочку, а заявляемый способ его изготовления на снижение брака по герметичности.

Указанный технический результат достигается тем, что в твэле стержневого типа, содержащем трубчатую оболочку, заполненную внутри керамическим топливом, опирающимся на проставку, фиксатор для удержания топливного столба, заглушки для герметизации, приваренные с обеих сторон оболочки, одна из заглушек, вставленная со стороны снаряжения ядерным топливом, выполнена гладкой и на ее цилиндрической поверхности выдавлен кольцевой поясок с наружным минимальным диаметром, равным максимальному внутреннему диаметру оболочки, а максимальный диаметр пояска превышает наибольший внутренний диаметр оболочки на величину допуска ее внутреннего диаметра, при этом поясок выполнен М-образной формы и размещен симметрично относительно фасок торцев заглушки.

Таким образом, указанные отличительные существенные признаки позволяют сделать вывод о соответствии технического решения критерию новизны.

Сравнение заявляемого решения с другими аналогами, где заглушка выполнена с буртиком, показало, что предложенная заглушка без бурта и с зачистным пояском более технологична, не требует дополнительных ориентирующих устройств при ее установке в оболочку, причем зачистной поясок, деформируясь, образует с внутренней поверхностью оболочки плотное фиксированное соединение, способное длительное время удерживать давление газа до сварки оболочки с заглушкой.

Таким образом, предложенный твэл соответствует критерию изобретательского уровня.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе, включающем сварку нижней заглушки с оболочкой, установку проставки, снаряжения керамическим топливом, вставку фиксатора, вакуумирования, напуск гелия, приварку верхней заглушки и дистанционирующей проволоки, перед сваркой торцевым швом верхней заглушки с оболочкой производят зачистку внутренней поверхности оболочки, начиная от ее торца, выдавленным кольцевым пояском на заглушке путем осевого ее перемещения внутрь оболочки, причем заглушку устанавливают с выступанием относительно торца оболочки на длину конической части заглушки.

Указанные отличительные существенные признаки позволяют сделать вывод о соответствии критерию новизны. Сравнение заявляемого способа с другими аналогами и прототипом, где устранение пыли осуществляют либо пыжом, либо лентой, показало, что использование безбуртовой заглушки, а конкретно ее зачистного кольцевого пояска по зачистке внутренней поверхности оболочки от пыли повысило эффективность этой операции и позволило при этом совместить зачистку с установкой заглушки, снизить брак по герметичности в 8-10 раз за счет исключения попадания топливных частиц в зону сварки.

Таким образом, техническое решение соответствует критерию изобретательского уровня.

Одной из причин появления негерметичности в твэлах является попадание в торцевые швы топливных частиц. Это подтверждается исследованиями шлифов сварных соединений с торцевыми швами из дефектных твэлов, проведенных на рентгеновском микроанализаторе "Самеса" МС-46 U_μα, C_μα и др.

Усматриваются два возможных пути попадания топливных частиц в зону сварки. Но подготавливаются одним процессом вакуумированием твэла перед заполнением его гелием, когда из твэла выносятся пыль и крошки топлива, оседающие на стенке оболочки твэла и в канале устройства вакуумирования. При запрессовке заглушки с буртом в оболочку бурт выполняет функцию скребка и под ним в месте контакта с торцом оболочки сосредоточиваются частицы топлива, которые при расплавлении заглушки и оболочки оказываются естественно в сварочной ванне. Второй путь появления в торцевых швах оксидных включений обусловлен нахождением топливной пыли на внутренней поверхности оболочки. Во время сварки, выполняя периметрический или торцевой шов, эти оксидные частицы, имеющие более высокую плотность, чем сплав (10,2-10,6 гс/см³), против (7,8 гс/см³) у стали в сварочной ванне не всплывают, практически оставаясь в том же положении, что и до сварки. В шве они образуют дефекты канального типа, приводящие к негерметичности твэлов.

Чтобы уменьшить скапливание топливных частиц у торца оболочки в зоне сварки, естественен переход к заглушке, не имеющий бурта.

Оптимальное решение при выполнении герметизирующего соединения торцевым швом достигается при использовании осесимметричной заглушки, имеющей по торцам форму усеченных конусов, а на цилиндрической части ее выдавлен кольцевой поясок, наружний минимальный диаметр которого равен максимальному внутреннему диаметру оболочки и максимальный его диаметр превышает наибольший внутренний диаметр оболочки на величину допуска ее внутреннего диаметра. Заглушка должна быть установлена относительно торца оболочки с выступанием на длину конической части.

В том случае, если топливные частицы находятся внутри оболочки, то при запрессовке заглушки кольцевой поясок счищает эти частицы от торца и перемещает их вглубь оболочки, а если топливные частицы или пыль окажутся на выступающей части заглушки и на торце оболочки, то они, во-первых, сдуваются потоком инертного газа из сварочной горелки перед возбуждением дуги и, во-вторых, оставшиеся на этих поверхностях топливные частицы испаряются в самой дуге, имеющей температуру столба в (10-12)·10³⁰K.

При использовании заглушки с буртом нет прямого воздействия дуги на топливные частицы, находящиеся под ним, и дуга расплавляет как заглушку, так и бурт. Температура сварочной ванны, в которой застревают топливные частицы, составляет всего 1750-1950 K, что существенно ниже температуры плавления UO₂ или смеси UO₂PuO₂ 3000 К и 2730 K, тем более температура их испарения.

Таким образом, предложенная форма заглушки отвечает условиям металлоемкости, автоматизации транспортирования, собираемости с оболочкой, минимальной поверхностью соррбции топливных частиц, получения сварных швов требуемой геометрии и сплошности.

На фиг. 1 изображен общий вид твэла (аналог); на фиг. 2 общий вид твэла для реактора типа БН-350 (прототип) и твэл предлагаемой конструкции, различающиеся лишь верхней заглушкой; на фиг. 3 -заглушка с буртом после сварки с оболочкой; на фиг. 4 заглушка предлагаемого твэла после сварки с оболочкой; на фиг. 5 заглушка с буртом после сборки с оболочкой с возможным появлением топливных частиц в зоне сварного шва; на фиг. 6 -взаиморасположение заглушки и оболочки предлагаемого твэла; на фиг. 7 заготовка предлагаемой заглушки; на фиг. 8 конфигурация предлагаемой заглушки с выдавленным пояском; на фиг. 9 формирование шва: а) стационарной дугой, б) думп-процессом; на фиг. 10 пример включения топлива между оболочкой и заглушкой непосредственно в торцевом шве, показавшем негерметичность при испытаниях: а) сгусток концентрации в твердом растворе; б) топливные частицы между оболочкой и заглушкой ниже зачистного пояска.

Твэл стержневого типа (фиг. 2) содержит трубчатую оболочку 1, приваренную к ней ступенчатую заглушку 2, внутри оболочки загружено керамическое топливо в виде нижних экранных таблеток 3 из обедненного UO₂ и топливных втулок 4 и снова верхних экранных таблеток 3. Весь столб таблеток опирается на проставку 5, а сверху ограничивается фиксатором 6 от перемещения столба при транспортировке твэлов. В твэле предусмотрена газовая полость - компенсационный объем, расположенная в более холодной части твэла и предназначенная для сбора газообразных продуктов деления при облучении топлива и увеличении давления. Верхняя заглушка 7, герметизирующая оболочку 1 со стороны загрузки ее ядерным топливом, имеет гладкую цилиндрическую безбуртовую конфигурацию с зачистным пояском 8. На наружную поверхность оболочки твэла с определенным шагом навита дистанционирующая проволока 9, концы которой приварены к заглушкам.

Осуществляется способ следующим образом.

Способ изготовления твэла включает следующие операции: сварку нижней заглушки с оболочкой, установку опорного стакана, снаряжение делящимся и воспроизводящим топливом, вставку фиксатора, вакуумирование, напуск гелия, сварку верхней заглушки и дистанционирующие проволоки.

Перед тем как приварить верхнюю заглушку 7 к оболочке 1, необходимо очистить внутреннюю поверхность оболочки от топливной пыли. При введении заглушки 7 в оболочку 1 и дальнейшей ее запрессовке зачистной поясок 8 зачищает своим гребнем топливную пыль с внутренней поверхности оболочки, начиная от торца, и перемещает от зоны сварного шва. Первоначально это было установлено на образцах из отрезков оболочек, внутреннюю поверхность которых покрывали красками, смазкой из пылевидных материалов. Повторные опыты были проведены при металлографических исследованиях на достаточно представительной партии образцов сварных соединений, выполненных стационарной дугой. Из 10 просмотренных сварных образцов рентгеноспектральным анализом обнаружено на одном лишь образце небольшое скопление урана, находящегося не в виде включения топлива, а в твердом растворе (фиг. 10 а). Небольшие частицы обнаружены вне шва, в области ниже зоны зачистного пояска (фиг. 10 б), что может служить известным доказательством выполнения пояском на заглушке положенных ему зачистных функций.

Наибольшая эффективность предложенного способа при герметизации твэла может быть достигнута лишь в том случае, когда исключена возможность попадания топливной пыли не только во внутреннюю полость оболочки, но и на торцы заглушки и оболочки, поэтому заглушка устанавливается с выступанием относительно торца оболочки на длину конической части, обеспечивая тем самым прямой доступ дуги к торцу всей поверхности, где могут быть сорбированы топливные частицы. Под действием высокотемпературной дуги во время сварки мелкие частицы топлива испаряются.

Предложенная конструкция твэла с измененной заглушкой и способ его изготовления рекомендованы при массовом выпуске твэл на автоматизированной поточной линии, начиная с 1 квартала 1996 года.

Формула изобретения

1. Твэл стержневого типа, содержащий трубчатую оболочку, заполненную делящимся и воспроизводящим керамическим топливом, опирающимся на опорный стакан, фиксатор для удержания топливного столба, герметизирующие заглушки, приваренные к обоим концам оболочки, отличающийся тем, что одна из заглушек со стороны снаряжения топливом выполнена гладкой с выдавленным кольцевым пояском на ее цилиндрической части, причем наружный минимальный его диаметр равен максимальному внутреннему диаметру оболочки, а максимальный его диаметр превышает наибольший внутренний диаметр оболочки на величину допуска ее внутреннего диаметра.

2. Твэл по п.1, отличающийся тем, что кольцевой поясок выполнен в виде гребня М-образной формы.

3. Твэл по п.1, отличающийся тем, что заглушка выполнена осисемметричной с одинаковыми усеченными конусами.

4. Способ изготовления твэла, включающий сварку нижней заглушки с оболочкой, установку опорного стакана, снаряжение делящимся и воспроизводящим топливом, вставку фиксатора, вакуумирования, напуск гелия, сварку верхней заглушки и дистанционирующей проволоки, отличающийся тем, что перед сваркой торцевым швом верхней заглушки с оболочкой производят зачистку внутренней поверхности оболочки, начиная от ее торца кольцевым пояском заглушки путем осевого перемещения ее при запрессовке внутрь оболочки, и заглушку при этом устанавливают с выступанием относительно торца оболочки на длину конической части заглушки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10