СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК G21C21/02 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к технологии изготовления различных элементов активной зоны методом совместного деформирования ампульно-порошковых систем (АПС) - твэлов, регулирующих органов, выгорающих поглотителей, воспроизводящих материалов поглощающих элементов и пр.

Одним из направлений в повышении технологичности изготовления элементов активной зоны, представляющих собой АПС, т.е. оболочку с засыпкой порошкообразного наполнителя, является совместная обработка, при которой обеспечивается требуемая плотность наполнителя и необходимый размер оболочки.

Известен способ изготовления элементов активной зоны, в частности твэла, методом совместного выдавливания [1], при котором совмещены операции уплотнения сердечника, придания ему и оболочке заданной формы. Заготовку сердечника твэла помещают в гильзу из материала оболочки, заглушают ее пробкой и подготовленную таким образом сборку в горячем состоянии продавливают на прессе через матрицу. В зависимости от режимов процесса деформации при выдавливании возможны различные дефекты, например, в виде разрывов оболочки и сердечника, образования волнообразного профиля сердечника, наличия наплывов на оболочке и т.д. Для увеличения выхода годных изделий увеличивают толщину заготовки оболочки, часть которой удаляют после деформировании заготовки, например химическим травлением. При этом соотношение размеров заготовки подбирают экспериментально, методом проб.

Наиболее близким по технической сущности к описываемым изобретениям является способ изготовления элементов активной зоны ядерного ректора, включающий засыпку в исходную заготовку порошкообразного наполнителя с требуемыми нейтронно-физическими характеристиками, герметизацию заготовки и получение заданных параметров готового элемента путем деформирования заготовки [2] .

Пластическое обжатие заготовки с порошкообразным наполнителем в данном процессе производится путем одновременного приложения пульсирующих усилий, в результате которых изделие обжимается со всех сторон и, уменьшаясь в поперечном сечении, удлиняется. В результате обжатия не только изменяется форма заготовки, но изменяются структура свойства материала оболочки и структура наполнителя. Металл заготовки под действием внешних сил обжимается и течет в обе полости ручья. Это вызывает различное направление сил трения, действующих на заготовку в зоне обжатия, что приводит к появлению дефектных участков и требует увеличения толщины заготовки с последующим удалением материала для получения заданных размеров. Выбор режимов деформации заготовки осуществляется с позиции снижения дефектов и практически не учитывает необходимую степень уплотнения наполнителя. Кроме того, известные способы позволяют изготавливать элементы, имеющие стрежневую форму, так как используемые методы деформации, в основном, не предполагают получения готовых элементов в виде цилиндрических спиралей.

Задачей описываемых изобретений является создание способов изготовления элементов активной зоны ядерного реактора, которые основываются на выборе размеров исходных заготовок, существенно влияющих на технологичность процесса деформации.

В результате решения данной задачи обеспечивается реализация нового технического результата, заключающегося в снижении дефектов при деформации заготовки, что приводит к уменьшению потерь материалов оболочки и материала сердечника.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления элементов активной зоны ядерного реактора, включающем засыпку в исходную заготовку порошкообразного наполнителя с требуемыми нейтронно-физическими характеристиками, герметизацию заготовки и получение заданных параметров готового элемента путем деформирования заготовки тем, что толщину (to) оболочки, длину (lo) и диаметр (Do) исходной заготовки выбирают из соотношений:
,
где
S_об.э. - площадь сечения оболочки готового элемента;
S_к.э. - площадь сечения порошкообразного наполнителя в готовом элементе;
S_об.о. - площадь поперечного сечения оболочки в заготовке;
l_э - длина готового элемента;
K - коэффициент деформационного уплотнения наполнителя,
а после деформирования заготовки ее скручивают в цилиндрическую спираль, причем заготовку деформируют до значения величины характерного размера (D_э) поперечного сечения, испытывающего максимальную деформацию при скручивании в спираль и выбранного из соотношения:
D_э ≤ D_с / (A + 1),
где
- для профилей, поперечное сечение которых имеет с цилиндрической поверхностью диаметром вписанной в спираль окружности только одну общую точку;
- для остальных профилей;
D_с - наружный диаметр спирали;
α - угол подъема витков спирали;
ε_p - относительная равномерная деформация при испытаниях материала оболочки на растяжение в состоянии перед навивкой.

Данный результат достигается также тем, что по второму варианту изобретения в способе изготовления элементов активной зоны ядерного реактора, включающем засыпку в исходную заготовку порошкообразного наполнителя с требуемыми нейтронно-физическими характеристиками, герметизацию заготовки и получение заданных параметров готового элемента путем деформирования заготовки, толщину (t_o), длину (l_o) и диаметр (D_o) исходной заготовки выбирают из соотношений:

где
S_об.э. - площадь сечения оболочки готового элемента;
S_к.э. - площадь сечения порошкообразного наполнителя в готовом элементе;
S_об.э. - площадь поперечного сечения оболочки в заготовке;
l_э - длина готового элемента;
K - коэффициент деформационного уплотнения наполнителя,
причем одновременно с деформированием заготовки производят скручивание ее в цилиндрическую спираль с диаметром D_с, а заготовку деформируют до значения величины характерного размера (D_э) поперечного сечения, испытывающего максимальную деформацию при скручивании в спираль и выбранного из соотношения:
D_э ≤ D_с /(A + 1),
где
- для профилей, поперечное сечение которых имеет с цилиндрической поверхностью диаметром вписанной в спираль окружности только одну общую точку;
- для остальных профилей;
α - угол подъема витков спирали;
ε_p - относительная равномерная деформация при испытаниях материала оболочки на растяжение в нагартованном состоянии.

Кроме того, в качестве наполнителя используют ядерное топливо или поглотитель нейтронов, или замедлитель нейтронов, или их смеси, и/или их смеси с нейтроно-прозрачной матрицей.

Целесообразно также в процессе деформирования производить по крайней мере один промежуточный отжиг, а после деформирования осуществлять оконечный отжиг готового изделия.

Отличная особенность настоящих изобретений состоит в том, что выбор размеров исходной заготовки в соответствии с вышеприведенными выражениями позволяет получать готовый элемент без последующей доводки и обработки с учетом требуемой структуры наполнителя и практически исключить отбраковку готовых изделий.

Пример 1. Для изготовления элемента выгорающего поглотителя, выполненного в виде спирали из круглого проволочного элемента, навиваемой виток к витку с наружным диаметром (D_с) 7,5 мм и длиной 500 мм с заданной плотностью наполнителя 2,55 г/см³ в виде смеси поглотителя карбида бора в нейтроно-прозрачной матрице из окиси алюминия в оболочке из циркониевого сплава, равномерная деформация (ε_p) которого, определяемая из справочной литературы или по результатам предварительных испытаний материала оболочки на растяжение, равная величине 0,25, при угле (α) подъема витков спирали 5,985^o, определяют наружный диаметр (D_э) готового элемента D_э ≤ 1,506 = 1,506 мм.

С учетом этого ограничения и обеспечения требуемой конструктивной загрузки с плотностью (γ_э) наполнителя 2,55 г/см³ при толщине оболочки 0,15 мм выбирают диаметр D_э готового элемента, равным 1,3 мм, а коэффициент (K) деформационного уплотнения, равным 1,25. Коэффициент (K) определяют экспериментально предварительно в зависимости от параметров используемого наполнителя и способа деформирования. Значение коэффициента для различных типов реальных наполнителей находится в пределах от 1 до 10.

Геометрические характеристики элемента, рассчитанные с учетом выбранных размеров, составят: S_к.э. = 0,785 мм², S_об.э. = 0,5419 мм². По найденным геометрическим параметрам готового элемента выбирают отношение геометрических параметров t_о/D_о заготовки, равное 0,09868.

При выбранном диаметре (D_о) заготовки 7 мм толщина (t_о) оболочки составит величину 0,691 мм, а площадь (S_об.о.) сечения заготовки 13,6958 мм², при этом длина (l_э) готового элемента и длина (l_о) заготовки будут равны соответственно 7532 мм и 298 мм.

Затем предварительно просушенные порошки карбида бора и окиси алюминия смешивают в заданной весовой пропорции, например в шаровой мельнице в течение 10 - 16 ч. С учетом выбранного значения коэффициента деформационного уплотнения определяют плотность (γ_o) и массу (M_о) навески наполнителя в заготовке:

Исходную трубную заготовку диаметром D_о и толщиной t_о, предварительно герметизированную с одного конца оплавлением, например аргоно-дуговой сваркой или электронно-лучевой сваркой в вакууме, или завальцовкой, заполняют наполнителем с помощью воронкопитателя на вибрационном стенде с частотой 50 Гц в течение 3 мин. Далее навеска наполнителя доуплотняется на вибраторе в течение 3 - 4 мин до достижения высоты порошкового столба равной l_о. После чего герметизируют второй конец заготовки путем установки концевого элемента.

Полученную заготовку деформируют волочением на линейных и/или барабанных волочильных машинах до конечного диаметра 1,3 мм с разовой деформацией на проход 5 - 15 % или интенсивной прокаткой. С целью восстановления запаса пластичности материала оболочки деформирование ведут с промежуточными вакуумными отжигами между циклами деформации на размерах диаметров 3 мм и 1,8 мм и одним конечным отжигом в течение 2 ч при температуре 580 ± 20^oC.

При необходимости готовый элемент рихтуют. После чего готовый элемент закрепляют на оправке в токарном станке и скручивают в спираль "виток к витку" с конечным наружным диаметром (D_c), равным 7,5 мм, получая таким образом спиральный элемент с установленными параметрами, что обеспечивает исключение дополнительных обработок по удалению излишков материала оболочки, в случае превышения толщины оболочки заданного значения или отбраковки изделия при получении готового элемента при толщине оболочки менее необходимого, а также исключает обрезку или отбраковку изделия при получении длины зоны наполнителя готового элемента, отличной от требуемой.

Пример 2. То же, что и пример 1, но спираль выполняют двухзаходной с углом подъема витков спирали α = 11,84^°.. При этом проволочный элемент выполняют из двух частей длиной l_э каждый и равной 3827 мм. Длина заготовки l_о равна 151 мм. После деформации аналогичной, описанной в примере 1, два отожженных проволочных элемента закрепляют на оправке и навивают двухзаходную спираль с конечным наружным диаметром (D_с), равным 7,5 мм, получая готовый элемент.

Пример 3. То же, что и пример 1, только спираль выполняют однозаходной с углом подъема витков спирали α = 11,84^°, т.е. с шагом, отличным от диаметра (D_э) готового элемента. Аналогичным образом определяют размеры заготовки (с учетом шага спирали), которую подвергают деформации. Далее отожженный проволочный элемент с диаметром 1,3 мм закрепляют на оправке и навивают спираль с углом подъема витков α = 11,84^° с конечным нужным диаметром D_с = 7,5 мм, получая спиральный элемент с заданными параметрами и длиной 500 мм. При получении готового элемента с профилем поперечного сечения, отличным от окружности, следует в качестве параметра D_э выбирать характерный размер поперечного сечения, испытывающего максимальную деформацию при навивке спирали. Если профиль поперечного сечения имеет лишь одну точку с цилиндрической поверхностью диаметром вписанной окружности спирали, например при профиле круглого сечения, треугольного сечения, обращенного вершиной внутрь спирали и пр., то характерный размер D_э выбирается с учетом угла подъема витков спирали. Остальные профили, поперечное сечение которых, обращенное внутрь спирали, имеет несколько общих точек или линию с образующей внутренней цилиндрической поверхности спирали, например, ленточные профили, имеют характерный размер, величина которого определяется известным образом при прочностном расчете сечения, имеющего максимальные напряжения.

Пример 4. Для изготовления поглощающего элемента, выполненного в виде спирали из проволочного элемента с прямоугольным сечением и наружным диаметром спирали D_с = 12,4 мм и длиной 1000 мм с плотностью наполнителя 1,9 г/см³ в виде карбида бора в оболочке из серебра (циркония или ниобия, или их сплавов), равномерная относительная деформация которого при совмещении операций деформирования и скручивания спирали равна 0,04 при угле подъема витков α = 9,385^°, определяют характерный размер - толщину (D_э ) ленты. В связи с тем, что сечение проволоки прямоугольное, т.е. его внутренний профиль, обращенный внутрь спирали, имеет с внутренней цилиндрической поверхностью множество общих точек, параметр A = 1/ε_p= 25. . С учетом этого ограничения и обеспечения конструктивной загрузки с вышеуказанной плотностью наполнителя при выбранной толщине (t_о) оболочки 0,1 мм выбирают D_э = 0,4 (D_э, полученное расчетным путем равно 0,477), а коэффициент K деформационного уплотнения наполнителя - 1,46.

По найденным параметрам готового элемента выбирают геометрические параметры круглой заготовки в виде соотношения t_о/D_о = 0,131. При выбранном диаметре (D_о) заготовки, равном 6 мм, значение толщины (t_о) оболочки составит 0,787 мм.

Исходную трубную заготовку предварительно герметизируют с одного конца оплавлением и заполняют на вибростенде наполнителем с помощью воронки-питателя с частотой 50 Гц в течение 9 мин и доуплотняют в течение 5 - 6 мин до достижения высоты порошкового столба, равной l_о, после чего герметизируют второй конец заготовки путем оплавления в электронно-лучевой установке. Далее заготовку деформируют волочением в роликовой волоке с окном прямоугольной формы на линейных или барабанных волочильных станах с последующей прокаткой в гладких валках на листопрокатных станах с разовой деформацией за проход в 5 - 10 %. На последнем проходе одновременно с деформацией заготовки производят скручивание ее в спираль путем установки в клеть станка навивочного приспособления в виде вращающейся оправки или навивочных роликов, получая таким образом спираль с заданными параметрами.

Способ обеспечивает возможность получения спиралей любой формы - цилиндрической, спирали Архимеда, входящей спирали и т.д., а также позволяет повысить качественные характеристики конечных изделий с точки зрения увеличения однородности оболочки и наполнителя по высоте изделия. Выход годных изделий, параметры которых соответствуют заданным, повышается с 65 - 70 % минимум до 90 %.

Использование: изобретение относится к ядерной технике, в частности, к технологии изготовления различных элементов активной зоны методом совместного деформирования ампульно-порошковых систем-твэлов, регулирующих органов и пр. Сущность изобретения: способ изготовления элементов активной зоны включает засыпку в исходную заготовку порошкообразного наполнителя с требуемыми нейтронно-физическими характеристиками, герметизацию заготовки и получение готового элемента путем деформирования заготовки. Размеры исходных заготовок- толщину оболочки, длину и диаметр исходной заготовки выбирают в соответствии с определенными математическими выражениями. После или в процессе деформирования заготовки ее скручивают в цилиндрическую спираль. 2 с.п. 3 з.п.ф-лы.

1. Способ изготовления элементов активной зоны ядерного реактора, включающий засыпку в исходную заготовку порошкообразного наполнителя с требуемыми нейтронно-физическими характеристиками, герметизацию заготовки и получение заданных параметров готового элемента путем деформирования заготовки, отличающийся тем, что толщину (tо), длину (lо) и диаметр (D0) исходной заготовки выбирают из соотношений

где Sоб.э. - площадь сечения оболочки готового элемента;
Sк.э. - площадь сечения порошкообразного наполнителя в готовом элементе;
Sоб.о. - площадь поперечного сечения оболочки в заготовке;
l_э - длина готового элемента;
K - коэффициент деформационного управления наполнителя,
а после деформирования заготовки ее скручивают в цилиндрическую спираль, причем, заготовку деформируют до значения величины характерного размера (Dэ) поперечного сечения, испытывающего максимальную деформацию при скручивании в спираль и выбранного из соотношения:
Dэ ≤ Dс / (А + 1),
где для профилей, поперечное сечение которых имеет с цилиндрической поверхностью диаметром вписанной в спираль окружности только одну общую точку;
для остальных профилей;
Dс - наружный диаметр спирали;
α - угол подъема витков спирали;
ε_p - относительная равномерная деформация при испытаниях материала оболочки на растяжение, в состоянии перед навивкой. 2. Способ изготовления элементов активной зоны ядерного реактора, включающий засыпку в исходную заготовку порошкообразного наполнителя с требуемыми нейтронно-физическими характеристиками, герметизацию заготовки и получение заданных параметров готового элемента путем деформирования заготовки, отличающийся тем, что толщину (tо), длину (lо) и диаметр (Dо) исходной заготовки выбирают из соотношений:

где Sоб.э. - площадь сечения оболочки готового элемента;
Sк.э. - площадь сечения порошкообразного наполнителя в готовом элементе;
Sоб.о. - площадь поперечного сечения оболочки в заготовке,
lэ - длина готового элемента;
K - коэффициент деформационного уплотнения наполнителя, причем, одновременно с деформированием заготовки производят скручивание ее в цилиндрическую спираль с диаметром D_с, а заготовку деформируют до значения величины характерного размера (Dэ) поперечного сечения, испытывающего максимальную деформацию при скручивании в спираль и выбранного из соотношения:
D_э ≤ D_с / А + 1,
где для профилей, поперечное сечение которых имеет с цилиндрической поверхностью диаметром вписанной в спираль окружности только одну общую точку;
для остальных профилей;
α - угол подъема витков спирали;
ε_p - относительная равномерная деформация при испытаниях материала оболочки на растяжение в нагартованном состоянии. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что деформирование заготовки осуществляют по крайней мере с одним промежуточным отжигом. 4. Способ по п.1 или 2 и/или 3, отличающийся тем, что готовый элемент подвергают конечному отжигу. 5. Способ по п.1 или 2, и/или 3, и/или 4, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют ядерное топливо, и/или замедлитель нейтронов, и/или поглотитель нейтронов, и/или их смеси с нейтронопрозрачной матрицей.