способ изготовления тепловыделяющего элемента для ядерного реактора

Формула изобретения

1. Способ изготовления твэла ядерного реактора, который состоит в том, что изготавливают свинцовую трубку и помещают ее внутрь оболочки твэла на длину активной части твэла, с помощью дорна убирают технологический зазор между оболочкой и свинцовой трубкой, обрабатывают нижний торец оболочки и приваривают нижнюю заглушку, загружают внутрь оболочки со свинцовым покрытием керамические таблетки и фиксируют их в оболочке, обрабатывают верхний торец оболочки, в контролируемой газовой среде приваривают верхнюю заглушку и проводят финишные операции.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что свинцовую трубу изготавливают из свинцовой полосы путем ее сгиба по цилиндрической образующей с формированием продольного шва, параллельного оси трубы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что свинцовую трубу изготавливают из свинцовой полоски путем ее спиральной навивки по цилиндрической образующей с формированием спирального шва вдоль оси трубы.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что керамические таблетки загружают внутрь оболочки со свинцовым покрытием с использованием высокочастотной вибрации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов для ядерных реакторов (далее - твэл), в частности для реакторов с жидкометаллическим теплоносителем. Известен твэл ядерного реактора, представляющий собой герметизированную с торцов трубчатую оболочку, внутри которой размещены таблетки ядерного топлива и фиксатор топливного столба [1]. Способ изготовления такого твэла состоит из операций изготовления трубчатой оболочки, герметизации одного из ее торцов, загрузки в оболочку таблеток керамического ядерного топлива, установку в ней фиксатора столба таблеток и герметизации при контролируемой атмосфере второго торца оболочки. Недостатком конструкции такого твэла является наличие газового зазора между стенкой оболочки и боковой поверхностью таблеток. Это повышает тепловое сопротивление твэла, увеличивает температуру топливных таблеток, увеличивает взаимодействие оболочки с ядерным топливом и продуктами его деления и повышает вероятность нарушения герметичности оболочки. Известен твэл ядерного реактора, представляющий собой герметизированную с торцов трубчатую оболочку, внутри которой размещены таблетки ядерного топлива, причем в зазоре между топливным столбом и трубчатой оболочкой размещен барьерный слой, выполненный в виде нескольких слоев фольги, которые сварены между собой точечной сваркой [2]. Способ изготовления такого твэла состоит из операций изготовления трубчатой оболочки, герметизации одного из ее торцов, изготовления из нескольких видов фольги барьерного слоя, состоящего из наружного, промежуточного и внутреннего слоев. Недостатком конструкции такого твэла является наличие газового зазора между стенкой оболочки и боковой поверхностью таблеток. Это повышает тепловое сопротивление твэла, увеличивает температуру топливных таблеток, увеличивает взаимодействие оболочки с ядерным топливом и продуктами его деления и повышает вероятность нарушения герметичности оболочки. Известен твэл для ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем в виде герметичной трубчатой оболочки, внутри которой размещен топливный сердечник, зазор между сердечником и оболочкой заполнен газом, а на его нижнем торце выполнена камера, в которой размещена пробка из пирографита. Камера сообщена каналом с внутренним объемом оболочки твэла и отделена от внешней среды с помощью мембраны. Заполнение зазора между топливным сердечником и оболочкой жидким металлом происходит непосредственно в самом реакторе перед выходом его на мощность за счет разрушения мембраны под действием давления теплоносителя и поступления жидкого металла теплоносителя через камеру во внутренний объем твэла. При этом герметизация твэла происходит за счет взаимодействия пирографита пробки со щелочным металлом теплоносителя и заполнения каналов камеры образующимся соединением. Недостатком этой конструкции твэла является возможность его разгерметизации при транспортировке со стороны мембраны, а также невозможность надежного контроля в работающем реакторе процесса заполнения газовых объемов в твэлах жидкометаллическим теплоносителем.

Известен способ изготовления твэла, который включает приварку к трубчатой оболочке твэла нижней заглушки, размещение внутри оболочки заданного количества легкоплавкого металла, например свинца, расплавление свинца в оболочке в вакуумной нагревательной печи, загрузку в оболочку с жидким металлом предварительно нагретых топливных таблеток и формирование в зазоре между топливом и оболочкой металлического слоя, охлаждение оболочки с топливом и металлом, проведение дополнительных операций и герметизация оболочки верхней заглушкой [3]. Недостатком способа является сложность обеспечения заданных параметров качества твэла, в частности равномерного зазора между топливными таблетками и оболочкой, а также необходимость использования сложного технологического оборудования, в частности вакуумной печи с длиной рабочей камеры более трех метров.

Технической задачей изобретения является обеспечение равномерного свинцового слоя между топливным столбом и оболочкой твэла, а также упрощение способа и используемого оборудования.

Поставленная задача достигается тем, что изготавливают свинцовую трубку и помещают ее внутрь оболочки твэла, с помощью дорна убирают технологический зазор между оболочкой и свинцовой трубкой, обрабатывают нижний торец оболочки и приваривают нижнюю заглушку, загружают внутрь оболочки со свинцовым покрытием керамические таблетки и фиксируют их в оболочке, обрабатывают верхний торец оболочки, приваривают верхнюю заглушку и проводят финишные операции.

В частном варианте выполнения изобретения свинцовую трубу изготавливают из свинцовой ленты путем ее сгиба по цилиндрической образующей с формированием продольного шва, параллельного оси трубы.

В другом частном варианте выполнения изобретения свинцовую трубу изготавливают из свинцовой ленты путем ее спиральной навивки по цилиндрической образующей с формированием спирального шва вдоль оси трубы.

В другом частном варианте выполнения изобретения керамические таблетки загружают внутрь оболочки со свинцовым покрытием с использованием высокочастотной вибрации. Под керамическими таблетками понимаются таблетки, содержащие делящееся вещество, например смесь нитридов урана и плутония, а также таблетки нижней и верхней экранных зон, если они используются в конструкции твэла.

Сущность изобретения поясняется конкретными примерами осуществления вариантов способа, которые изложены ниже.

Пример 1. Изготавливают путем прессования трубку из свинца высокой чистоты с наружным диаметром 8,3 мм с допуском 0,02 мм и толщиной стенки 0,275 мм длиной 11007,0 мм и помещают ее внутрь нижней части оболочки твэла длиной 2030 мм с наружным диаметром 9,4 мм с допуском 0,02 мм и толщиной стенки 0,5 мм с допуском 0,02 мм. С помощью дорна, имеющего в поперечном сечении диаметр 7,85 мм с допуском 0,01 мм, убирают технологический зазор между оболочкой и свинцовой трубкой. Проводят обработку нижнего торца оболочки под сварку и приваривают нижнюю заглушку. С верхнего торца внутрь оболочки последовательно загружают таблетки нижней экранной зоны, топливные таблетки, а затем загружают таблетки верхней экранной зоны и фиксируют полученный столб таблеток в оболочке с помощью пружинного фиксатора. Таблетки экранных зон и топливные таблетки предварительно шлифуют на наружный диаметр 7,8 мм с обеспечением допуска на внешний диаметр в пределах 0,01 мм. Обрабатывают верхний торец оболочки под сварку и в контролируемой газовой среде приваривают верхнюю заглушку. Проводят финишные операции и контроль равномерности свинцового слоя между оболочкой и таблетками вихретоковым методом при температуре 20^oС. Результаты контроля показывают, что таблетки размещены соосно с оболочкой, газовый зазор между ними при температуре 20^oС составляет 0,02 мм, а при температуре 350^oС газовый зазор исчезает за счет увеличения объема свинца при его расплавлении.

Пример 2. Изготавливают свинцовую трубу с геометрическими размерами, приведенными в примере 1, из свинцовой полосы шириной 26,3 мм и толщиной 0,275 мм путем ее сгиба по цилиндрической образующей диаметром 8,35 мм. В изготовленную трубку загружают топливные таблетки, калибруют по внешнему диаметру 8,35 мм. Затем эту трубку с топливными таблетками в ней загружают в твэльную трубку. Проводят финишные операции и герметизируют, как в примере 1. Результаты контроля твэла не отличались от приведенных в примере 1.

Пример 3. Изготавливают свинцовую трубу с геометрическими размерами, приведенными в примере 1, из свинцовой полосы, как в примере 2, путем ее спиральной навивки по цилиндрической образующей диаметром 8,35 мм. В изготовленную трубку загружают топливные таблетки, калибруют по внешнему диаметру 8,35 мм. Затем эту трубку с топливными таблетками в ней загружают в твэльную трубку. Проводят финишные операции и герметизируют, как в примере 1. Результаты контроля твэла не отличались от приведенных в примере 1.

Пример 4. Изготавливают твэльную оболочку со свинцовым покрытием и нижней заглушкой, как в примере 1. Топливные таблетки загружают внутрь оболочки со свинцовым покрытием при ее вертикальном размещении и наложении на нее вибрации с частотой от 300 до 1000 герц и ускорением до 8 g. Затем проводят изготовление и контроль твэла, как в примере 1. Результаты контроля твэла не отличались от приведенных в примере 1. Результаты осуществления предлагаемого способа показывают, что он может быть использован для изготовления твэлов ядерных реакторов, в частности для реакторов со свинцовым теплоносителем типа БРЕСТ - ОД - 300.

Способ позволяет значительно упростить технологический процесс изготовления твэлов и позволяет обойтись без применения сложного и дорогостоящего оборудования.

Источники информации

1. Nuclear Engineering, 1963, v.8, 86, р.253.

2. Патент США 5301218, МПК G 21 С 3/00, опубл.05.04.94.

3. Патент РФ 2067324, опубл. 27.09.96.