Способ опорожнения оболочек ядерного топлива и машина для измельчения ядерного топлива посредством деформации оболочки
Изобретение относится к способу и машине для опорожнения оболочек тепловыделяющих элементов от керамического топлива. Машина содержит два валка (3) для овализации оболочки (16) ядерного топлива с целью измельчения ее содержимого. Противоположный наклон валков (3) способствует автоматическому перемещению оболочек (16). Открывание конца и наклон оболочек приводят к выходу измельченного топлива. Валки являются биконусными с входным участком увеличивающегося диаметра и с выходным участком уменьшающегося диаметра для обеспечения овализации, что обеспечивает измельчение топлива и восстановление круглой формы оболочки на выходе из машины. Технический результат - снижение вероятности застревания таблеток или их фрагментов при опорожнении оболочек. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.
Изобретение относится к способу опорожнения оболочек, содержащих ядерное топливо, а также к машине для измельчения этого топлива, находящегося в прессованном состоянии, с приложением деформации к оболочкам.
Как правило, обработка или утилизация ядерного топлива предполагает разрезание оболочек для растворения в азотной кислоте топлива, высвобождаемого во время разрезания, и топлива, остающегося в кусках разрезанных оболочек.
В случае оболочек с необлученным топливом МОХ, RNR или LWR желательно сначала отделить оболочки от содержащегося в них топлива, так как топливо сложно растворяется вместе с куском оболочки, и, кроме того, топливо в виде таблеток необходимо измельчить перед растворением, чтобы это растворение происходило быстрее за счет увеличения площади воздействия.
Согласно классическому способу опорожнения топливных оболочек, их открывают при помощи инструмента, затем наклоняют, чтобы топливо могло выпасть из оболочки. Однако во многих случаях возникают трудности, в частности, когда между топливными таблетками и оболочкой остается лишь незначительный зазор (примерно менее 0,2 мм), если таблетки разбухли в период между их введением в оболочку и извлечением из оболочки или если они расслоились с образованием фрагментов, приводящих к застреванию таблетки в оболочке. В этом случае наклон оболочек не приводит к их опорожнению.
Были запатентованы другие способы опорожнения оболочек. Можно указать документы HU-A-48046 (доступен в виде реферата ХР 002469759), ЕР-А-0169129 или FR-A-1452479. В них предлагается подвергать оболочки пластической деформации при помощи валков, которые создают контактное давление, сплющивающее материал оболочки, уменьшая ее толщину и соответственно увеличивая ее диаметр. Согласно этим документам, зазор относительно топлива, находящегося в прессованном состоянии, увеличивается, что облегчает опорожнение. Однако эти способы зависят, во-первых, от наличия таблеток, прилегающих друг к другу в прессованном состоянии в оболочке и, во-вторых, от поддержания этих таблеток в прессованном состоянии (в виде нетронутых таблеток), когда на них действует давление валков, необходимое для уменьшения толщины оболочек. Поэтому эти способы могут быть не эффективными в присутствии хрупких таблеток, не однородных в оболочке и/или расслоившихся в оболочке, что приводит к нарушению или к прерыванию уменьшения толщины оболочки в этих местах, то есть к прерыванию ожидаемого увеличения диаметра оболочек, к неравномерности формы оболочки, а также к появлению новых препятствий для выхода топлива из-за заклинивания.
Другим важным условием для нормальной работы этих способов является то, что выполнение отверстия в оболочке с целью ее опорожнения должно происходить на уровне первой топливной таблетки, чтобы давление со стороны валков не привело к вытяжке в месте выполнения отверстия, что может создать препятствие для выхода таблеток. Эта вытяжка отмечается, даже если расстояние между отверстием и концом топлива составляет всего 0,5 или 1 мм. Вместе с тем, отверстие обычно выполняют на расстоянии от топлива, чтобы не повредить режущий инструмент при вхождении в контакт с топливом, положение конца которого в любом случае трудно определить: таким образом, появляется вытяжка, и выход топлива затрудняется.
В документе JP-A-63182559 описано пропускание топливной оболочки между парами валков, достаточно близких друг к другу для получения достаточной овализации оболочки, чтобы измельчить топливо, то есть перевести его из прессованного состояния, в котором оно делится только на таблетки правильной формы, в фрагментированное состояние, в котором таблетки дробятся на более мелкие осколки или измельчаются в порошок. Недостатком этого способа является то, что овализация, производимая последней парой валков, является окончательной и может, таким образом, помешать опорожнению, если измельчение оказалось недостаточным.
Задача изобретения состоит в усовершенствовании способов опорожнения оболочек ядерного топлива, включающих приложение деформирующего усилия к оболочке, достаточного для достижения измельчения топлива, изначально присутствующего в прессованном состоянии. Отличительным признаком изобретения является то, что деформация сечения оболочки не является окончательной, а наоборот уменьшается на конечном этапе так, чтобы восстановить первоначальную круглую форму оболочки, по меньшей мере, в достаточной степени (отклонения диаметра оболочки после обработки не превышают 0,05 мм). Это двойное усовершенствование обеспечивает намного лучшее опорожнение, чем в известных способах.
Таким образом, поставленная изобретением задача решена в способе опорожнения оболочек ядерного топлива, находящегося в прессованном состоянии, включающем этап, на котором оболочку пропускают через машину, производящую деформацию оболочки посредством повторяющейся в течение нескольких циклов овализации, приводящей к пластической деформации оболочки, согласно изобретению, овализация в циклах является возрастающей от одного цикла к другому и затем уменьшающейся так, чтобы размельчить топливо и затем вернуть оболочкам первоначальную круглую форму.
Овализация является деформацией сечения оболочки, которое первоначально является круглым, с целью придания ей овальной формы путем ее сплющивания. Циклы овализации соответствуют половине оборота оболочки (которая постоянно вращается) таким образом, что каждую точку сечения, деформируемого парой валков, доводят до максимального радиуса и до минимального радиуса определенной овальной формы, создаваемой валками во время одного цикла. Сильная овализация соответствует большему сплющиванию сечения оболочки. Возрастающая овализация соответствует все большему сплющиванию одного и того же сечения оболочки от одного цикла к другому по мере прохождения между валками, и, соответственно, уменьшающаяся овализация соответствует все меньшему сплющиванию от одного цикла к другому. Максимальную овализацию в ходе одного цикла можно определить как прохождение точки оболочки через наибольший радиус или наименьший радиус овальной формы. Овализацию можно измерить по любому критерию, выражающему разность или соотношение между наибольшим радиусом и наименьшим радиусом овальной формы, или между одним из этих радиусов и первоначальным радиусом круглой формы до деформации.
Предпочтительно овализацию производят в достаточной степени, чтобы измельчить топливо, по меньшей мере, за 40 циклов с целью обеспечения большей тонкости измельчения.
Ее можно применять до такой степени, чтобы уменьшить, по меньшей мере, на 3% диаметр топлива, когда оно еще находится в состоянии прессованных таблеток.
Задача изобретения решена также в машине для приложения деформирующего усилия к оболочкам ядерного топлива, предназначенная для осуществления этого способа. Она содержит пару расположенных друг против друга валков, между которыми проходят оболочки, и двигателя для вращения валков; в машине, согласно изобретению, валки содержат периферическую кромку с атакующим конусным участком и с выходным конусным участком, причем эти два участка расширяются к центральному участку, при этом валки имеют оси вращения, в основном, параллельные направлению прохождения оболочек в машине, так, чтобы все указанные участки кромки валков способствовали деформации оболочек. Эта конструкция валков позволяет постепенно прикладывать к оболочке деформирующие усилия, достаточные для измельчения топлива, затем постепенно уменьшать деформирующие усилия, чтобы привести оболочку в ее первоначальную круглую форму.
Отличительным признаком валка в соответствии с настоящим изобретением является то, что он является толстым в центре и заострен по краям, то есть является выпуклым в отличие от вогнутой формы валков из документа JP-F-63182559, оси которых к тому же являются перпендикулярными к направлению оболочки, в отличие от валков в соответствии с настоящим изобретением.
Атакующий участок и выходной участок являются достаточно широкими и толстыми, чтобы обеспечивать две серии овализации оболочки, и их необходимо отличать от крайних сторон валков, которые являются только границами и не оказывают никакого давления.
Предпочтительно центральный участок является цилиндрическим, чтобы прикладывать наибольшую деформацию во время достаточного числа циклов овализации. Поэтому он часто является достаточно широким участком.
Согласно другому усовершенствованию, валки с осями вращения, в основном параллельными направлению прохождения оболочек через машину, вместе с тем имеют наклон в противоположных направлениях относительно вышеуказанного направления, при этом наклон может составлять 2° или меньше по отношению к вышеуказанному направлению. В этом случае деформация валками сопровождается не только вращением оболочки, но также ее поступательным движением с достаточно медленной скоростью для обеспечения необходимого числа овализации, прежде чем каждое сечение оболочки не пройдет через рабочий зазор между двумя валками.
Предпочтительно машина содержит направляющую оболочки, которая имеет наклон к горизонтальному направлению (в собранном состоянии машины), что позволяет опорожнять оболочку по мере измельчения топлива. Эффективность опорожнения обеспечивается даже при большой длине оболочек.
Далее следует описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 показана машина, вид в перспективе;
на фиг.2 показана машина, вид сбоку;
на фиг.3 показана машина, вид сверху;
на фиг.4 показана овализация;
на фиг.5 представлены все циклы овализации.
Машина содержит раму, на которой установлены редукторный двигатель 2 и пара валков 3, расположенных друг против друга. Валки установлены на валах 4, вращающихся в парах опорных подшипников 5 и оборудованных на одном конце шестерней 6. Редукторный двигатель 2 тоже содержит шестерню 7 передачи движения. Между шестернями 6 и 7 натянута цепь 8, сообщающая одинаковое движение вращения в одном направлении валам 4 и валкам 3. Валки 3 содержат на своей кромке 9 атакующий конусный участок 10 (на который в первую очередь попадают оболочки 16), центральный цилиндрический участок 11 и выходной конусный участок 12 (через который оболочки выходят из валков 3). Участки 10, 11, 12 сопрягаются между собой без изменения диаметра, при этом конусные участки 10 и 12 расширяются к центральному участку 11, который, таким образом, является самой широкой частью валка 3 (на фиг.3 их конусность показана в преувеличенном виде). Пары опорных подшипников 5 установлены на каретках 13, соединенных с рамой при помощи соответствующих регулировочных винтов 14, установленных так, чтобы их вращение позволяло изменять расстояние между каретками 13 и промежуток между валками 3. Наконец, устройство содержит также направляющую 15 оболочки, которая установлена на раме 1 между каретками 13 и в которую заходит оболочка 16, содержащая ядерное топливо. Оболочку 16 в целях осуществления способа опорожнения предварительно открывают любым способом, при котором один конец оболочки 16 отрезают. Отверстие 17 направляющей 15 оболочки позволяет вводить оболочку 16 в машину.
Необходимо отметить, что некоторые способы для разрезания оболочки 16 могут привести к вытяжке при открывании, которая может затруднить опорожнение. Указанную вытяжку можно устранить путем фрезерования конца оболочки 16.
Машина работает следующим образом. Запускают редукторный двигатель 2 и оболочку 16 вводят в направляющую 15 через отверстие 17. Ее захватывают валки 3, зазор между которыми устанавливают в зависимости от диаметра оболочки 16, для ее постепенной деформации атакующим участком 10, сохранения деформации на центральном участке 11 и ее уменьшения с восстановлением круглой формы при помощи выходного участка 12. Происходит циклическая овализация оболочки 16, которая сначала увеличивается, затем стабилизируется и после этого уменьшается по мере прохождения оболочки через атакующий участок 10, центральный участок 11, затем через выходной участок 12, прессованное топливо при этом измельчается, не мешая восстановлению круглой формы оболочки 16 на выходе из машины.
Фиг.4 и 5 требуют некоторых пояснений. Каждое сечение оболочки 16 принимает овальную форму примерно в виде эллипса, когда она проходит между деформирующими ее валками 3. Максимальный радиус овальной формы обозначен R, а минимальным радиусом является r, который зависит от расстояния между валками 3 при рассматриваемом сечении оболочки 16. Любая точка C оболочки находится на радиусе rx. На фиг.5 показано изменение радиуса rx точки C во времени по мере прохождения оболочки 16 между валками 3 с одновременным ее вращением: начиная от плоской части, соответствующей радиусу r0 оболочки в недеформированном состоянии (круглая форма), кривая претерпевает все более сильные изгибы на первом этапе (соответствующем прохождению сечения оболочки 16, к которому принадлежит рассматриваемая точка C, через атакующий участок 10), затем одинаковые изгибы, когда сечение проходит через центральный участок 10, затем все более слабые изгибы, когда она проходит через выходной участок 12, и радиус точки C принимает опять стабильное значение, близкое к r0, когда сечение выходит из валков 3: при этом восстанавливается практически круглая форма. Верхняя огибающая кривой проходит через наибольшие радиусы R, нижняя огибающая - через наименьшие радиусы r. Цикл овализации Z соответствует половине оборота оболочки 16 и прохождению точки C через большой радиус R и малый радиус r или полному периоду кривой на фиг.5. Эту кривую последовательно наблюдают по всем точкам всех сечений оболочки 16. Овализацию, достигаемую за цикл Z, можно определить, например, как уменьшение первоначального радиуса r0 круглой формы в месте, где овальная форма имеет наименьший радиус, то есть 
, таким образом, чтобы нулевая овализация соответствовала круглой форме, а большая овализация - сильно сдавленной форме.
Валки 3 имеют оси, в основном, параллельные направлению оболочки 16; вместе с тем они наклонены в противоположных направлениях по отношению к направлению оболочки 16, когда она заходит в дорожку прохождения, определенную линией направляющей 15 оболочки: один в сторону передней части оболочки 16, а другой в сторону задней части, чтобы валки 3 сообщали поступательное движение вперед, которое перемещает оболочку 16 между валками 3. Эти наклоны показаны на фиг.3. Аналогично можно сказать, что (см. фиг.2) соответствующие оси X и X' валков 3 образуют противоположные углы +B и -B относительно плоскости, проходящей через центры валков 3 и параллельной оболочке 16.
Если рама имеет наклон относительно горизонтали или, в целом, если оболочка 16 проходит через машину с таким наклоном, чтобы отверстие 17 введения оболочек направляло оболочку вниз, измельченное топливо сразу выходит из оболочки 16 и падает вниз в не показанный на фигурах бункер.
Далее приведены несколько конкретных сведений об изобретении, находящемся при обычных условиях. Оболочку 16 можно вращать со скоростью примерно 300 оборотов в минуту. Овализация при прохождении через центральный участок 11 валков может обеспечивать эффективное измельчение с конечным восстановлением круглой формы оболочки 16, когда она приводит к уменьшению на 5%-15% наружного диаметра оболочки 16 таким образом, чтобы внутренний диаметр оболочки 16 в месте, наиболее суженном при этом значении овализации, был меньше диаметра топлива примерно на 0,3-0,6 мм. Наклон ±B осей вращения валков 3 может составлять примерно 1-2°. Этот небольшой угол позволяет, при соответствующей ширине центрального участка 11, создать максимальную овализацию каждого сечения за 20 оборотов, то есть всего 40 овализации в любой угловой точке C оболочки и ее содержимого. Это число должно обеспечивать общее и достаточно тонкое измельчение топлива. Наклон направляющей 15 оболочки может составлять от 15° до 90° к горизонтали (угол A на фиг.2). Центральный участок 11 может иметь ширину примерно 10 мм. Атакующий участок 10 постепенно деформирует оболочку 16 без резких переходов, а выходной участок 12 прикладывает к оболочке 16 все менее сильные деформации, которые постепенно придают ей первоначальную круглую форму.
При вышеуказанных параметрах отмечают следующее гранулометрическое распределение фрагментов топливных таблеток и порошка, получаемых при помощи машины для оболочек, заполненных таблетками не облученного оксида урана диаметром 7,2 мм и длиной 10,1 мм.
| Гранулометрический ряд (мм) | Массовая доля (%) | Совокупная доля (%) |
| ϕ<0,080 | 15,8% | 15,8% |
| 0,08<ϕ<0,125 | 3,8% | 19,6% |
| 0,125<ϕ<0,16 | 2,6% | 22,2% |
| 0,16<ϕ<0,2 | 1,5% | 23,7% |
| 0,2<ϕ<0,315 | 5,3% | 29,0% |
| 0,315<ϕ<0,5 | 6,3% | 35,3% |
| 0,5<ϕ<0,8 | 6,6% | 41,9% |
| 0,8<ϕ<1,25 | 8,6% | 50,6% |
| 1,25<ϕ<1,8 | 6,8% | 57,4% |
| 1,8<ϕ<2 | 2,2% | 59,6% |
| 2<ϕ<3,15 | 14,9% | 74,5% |
| ϕ>3,15 | 25,4% | 99,9% |
1. Способ опорожнения круглых оболочек ядерного топлива, причем топливо находится в прессованном состоянии, содержащий этап, на котором оболочку пропускают через машину, производящую деформацию оболочки посредством овализации, повторяющейся в течение множества циклов, приводящей к пластической деформации оболочки, отличающийся тем, что овализация в циклах возрастает от одного цикла к другому и затем уменьшается, так, чтобы измельчить топливо и затем вернуть оболочкам первоначальную круглую форму.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение топлива осуществляют, по меньшей мере, за 40 циклов.
3. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что овализацию осуществляют с уменьшением, по меньшей мере, на 3% диаметра топлива в прессованном состоянии.
4. Машина для приложения деформирующего усилия к оболочкам (16) ядерного топлива, содержащая пару расположенных напротив друг друга валков (3) и двигатель (2) для приведения во вращение валков (3), отличающаяся тем, что валки содержат периферическую кромку (9) с атакующим конусным участком (10) и с выходным конусным участком (12), при этом атакующий участок (10) и выходной участок (12) расширяются к центральному участку валков, причем валки имеют оси вращения, в основном параллельные направлению прохождения оболочек в машине, при этом все указанные участки кромки валков участвуют в деформации оболочек.
5. Машина по п.4, отличающаяся тем, что центральный участок является цилиндрическим.
6. Машина по любому из пп.4 или 5, отличающаяся тем, что оси вращения валков имеют наклон в противоположных направлениях относительно указанного направления.
7. Машина по п.6, отличающаяся тем, что наклон валков не превышает 2° по отношению к указанному направлению.
8. Машина по любому из пп.4, 5, 7, отличающаяся тем, что содержит направляющую оболочки, которая имеет наклон к горизонтальному направлению.
9. Машина по п.6, отличающаяся тем, что содержит направляющую оболочки, которая имеет наклон к горизонтальному направлению.
