СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СУШКИ ТАБЛЕТОК ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА ПОСЛЕ МОКРОЙ ШЛИФОВКИ Российский патент 2005 года по МПК G21C21/02 G21C21/10 G21C3/62 

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях изготовления таблеток ядерного топлива для снаряжения тепловыделяющих элементов для атомных реакторов.

Известно, что в процессе изготовления таблеток ядерного топлива после спекания и мокрого шлифования таблетки сушат или горячим воздухом при температуре около 120°С или в атмосфере азота при более высокой температуре (200-300°С) (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1. Под ред. Ф.Г.Решетникова. - М.: Энегоатомиздат, 1995 г., стр.102). Обязательной характеристикой изготовляемых таблеток является общее содержание в них водорода, или реже, отдельно влаги и водорода (см. там же, с.104).

Известно, что тепловыделяющие элементы (твэлы) имеют оболочку из сплава циркония с ниобием, а цирконий имеет высокую химическую активность и склонность к взаимодействию с водородом, с образованием гидридов, охрупчиванием оболочки твэла, приводящей к разгерметизации.

Источником водорода внутри твэла являются таблетки, содержащие адсорбированный водород и влагу (см. там же, стр.170-172).

В известном способе (с.102) сущность способа кроме сушки в среде азота при 200-300°С не раскрыта и не раскрыто устройство.

Наиболее близким по техническим условиям и достигаемому эффекту является способ сушки таблеток ядерного топлива после мокрой шлифовки, включающий их перемещение в сетчатых лодочках и сушку в среде азота при 200-300°С (см. патент Российской Федерации RU 2158030, МПК 7 G 21 С 3/62, 21/10 от 18.11.1998, опубл. 20.10.2000. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов и устройство для его осуществления).

При выгрузке горячих таблеток ядерного топлива, а способ-прототип не предусматривает их охлаждения, таблетки ядерного топлива поглощают влагу из воздуха, при этом равновесное содержание достигается относительно быстро - в течение 1-1,5 ч, независимо от плотности таблеток. При современной, хорошо отработанной технологии производства твэлов взаимодействие таблеток ядерного топлива с оболочкой из циркониевого сплава считается основной причиной преждевременной разгерметизации твэлов, так как наличие водорода или влаги в таблетках приводит к гидрированию оболочки, ее охрупчиванию и под воздействием напряжений, вызываемых изменениями температуры в ядерном реакторе, твэлы могут разрушаться (см. там же, стр.86-87).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство сушки таблеток ядерного топлива после мокрого шлифования, содержащее агрегат сушки и транспортное средство проводки через него таблеток ядерного топлива в сетчатых лодочках в среде азота (см.патент Российской Федерации RU 2158030, МПК 7 G 21 C 3/62, 21/10 от 18.11.1998, опубл. 20.10.2000. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов и устройство для его осуществления).

В патенте-прототипе устройство сушки таблеток ядерного топлива после их мокрого шлифования конструктивно не раскрыто.

Как уже указывалось, что в патенте-прототипе устройство сушки таблеток ядерного топлива после мокрого шлифования содержит агрегат сушки и транспортное средство проводки через него таблеток ядерного топлива в сетчатых лодочках, но не раскрыта система управления устройством.

Из практики работы известно, что широко применяемая в промышленности релейная система управления имеет такие недостатки, как:

1) малое количество времени наработки на отказ у отдельных частей и комплектующих системы, поэтому система не достаточно надежна;

2) частый выход системы управления из строя, связанный с подгоранием контактов реле;

3) большие габариты (громоздкость), что требует размещения системы управления в нескольких шкафах;

4) система управления агрегатом сушки требует частого обслуживания и ремонта из-за малого времени наработки на отказ отдельных элементов системы;

5) отсутствует система визуализации технологического процесса;

6) большие материальные затраты на поддержание и модернизацию оборудования;

7) отсутствует возможность оперативного изменения параметров технологического процесса сушки таблеток ядерного топлива;

8) высокое энергопотребление;

9) низкое быстродействие;

10) возможность регулирования температуры только по двухпозиционному закону;

11) неудобство регистрации и сохранения информации о ходе технологического процесса (см. «Систему управления установкой сушки таблеток». Руководство по эксплуатации. Разработка ОКПНО новосибирского завода химконцентратов 561.092.00.000 РЭ от 13.10.1998).

Технической задачей является повышение качества таблеток ядерного топлива, надежности эксплуатации твэлов в ядерном реакторе и повышение производительности устройства сушки таблеток ядерного топлива за счет повышения надежности его работы.

Эта техническая задача решается тем, что в способе сушки таблеток ядерного топлива после мокрой шлифовки, включающем их перемещение в сетчатых лодочках и сушку в среде азота, согласно изобретению в каждую лодочку насыпают таблеток навалом, не более 85% по объему лодочки, сушку таблеток ядерного топлива осуществляют, по крайней мере, в трех зонах, где температуру 300±10°С поддерживают в первой зоне, температуру 200±20°С поддерживают во второй зоне, а в третьей зоне поддерживают температуру 120±20°С, перемещение сетчатых лодочек с таблетками через зоны сушки осуществляют с линейной скоростью не более 0,04 м/сек газообразный азот предварительно нагревают до температуры не менее 120°С и подают в зоны сушки под давлением, МПа (кг/см³) 0,15-0,16(1,5-1,6), а сушку таблеток ядерного топлива осуществляют до остаточного содержания в них водорода не более 6×10^-5%.

Эта техническая задача решается тем, что в устройстве сушки таблеток ядерного топлива после мокрого шлифования, содержащем агрегат сушки и транспортное средство проводки через него таблеток ядерного топлива в сетчатых лодочках в среде азота, согласно изобретению устройство сушки таблеток ядерного топлива после мокрого шлифования дополнительно снабжено калорифером и системой управления устройством сушки таблеток ядерного топлива, где агрегат сушки таблеток ядерного топлива выполнен из реторты в виде горизонтальной квадратной трубы, охваченной, по крайней мере, тремя проволочными нагревателями с термопреобразователями, на концах реторты размещены узлы загрузки и выгрузки с дверцами, приводимыми в движение пневмоцилиндрами, транспортное средство проводки сетчатых лодочек через агрегат сушки таблеток выполнено в виде транспортера с рычагами, дистанционирующими лодочки на транспортере, калорифер выполнен в виде нагреваемой трубы подачи горячего газообразного азота в реторту, а система управления устройством сушки таблеток ядерного топлива выполнена на базе программируемого контроллера.

Другим отличием является то, что в качестве программируемого контроллера использован программируемый контроллер SIMATIC S-300, электрически связанный с электрооборудованием агрегата сушки таблеток, приводом транспортера, электрооборудованием калорифера, устройствами звуковой и световой сигнализации. Такое выполнение способа и устройства сушки таблеток ядерного топлива после мокрой шлифовки позволит повысить качество таблеток ядерного топлива и надежности эксплуатации твэлов, снаряженных этими таблетками за счет достижения содержания общего водорода в таблетках 2×10^-5% вместо 6×10^-5%, допустимых по ТУ.

Новая система управления на базе промышленного контроллера SIMATIC S7-300 устройством сушки таблеток ядерного топлива после их мокрого шлифования позволяет:

1) многократно увеличить надежность работы устройства сушки таблеток ядерного топлива за счет исключения механических переключения контактов при регулировании температурных режимов, что значительно сокращает затраты на поддержание работоспособности оборудования и повышает его производительность;

2) реализовать различные законы управления технологическим процессом, что в конечном итоге существенно влияет на повышение качества продукции;

3) отработать ход технологического процесса наглядно и информативно;

4) иметь возможность перепрограммирования контроллера оперативного изменения параметров технологического процесса;

5) за счет унификации системы автоматизации иметь возможность модернизации оборудования;

6) иметь малые габариты системы управления, низкое энергопотребление и высокое быстродействие, удобство регистрации и сохранения информации и передачи данных о ходе технологического процесса для обработки на электронно-вычислительной машине.

На чертежах представлено устройство для осуществления сушки таблеток ядерного топлива после мокрой шлифовки, где:

- на фиг.1 - общий вид устройства сушки таблеток

- на фиг.2 - устройство сушки таблеток (вид сбоку);

- на фиг.3 - узел загрузки устройства сушки таблеток.

Устройство сушки таблеток ядерного топлива после мокрого шлифования содержит агрегат 1 сушки, транспортное средство 2 проводки через него таблеток ядерного топлива в сетчатых или перфорированных лодочках 3 в среде азота.

Устройство сушки таблеток ядерного топлива после мокрого их шлифования дополнительно снабжено калорифером 4 и системой управления устройством сушки таблеток ядерного топлива.

Агрегат 1 сушки таблеток ядерного топлива выполнен из реторты 5 в виде горизонтальной квадратной трубы, охваченной, по крайней мере, тремя проволочными нагревателями 6, 7, 8 с термопреобразователями 9, 10, 11. На концах реторты 5 размещены узлы загрузки 12 и выгрузки 13 с дверцами 14, 15, приводимыми в движение пневмоцилиндрами 16, 17.

Транспортное средство 2 проводки сетчатых или перфорированных лодочек 3 через агрегат 1 сушки таблеток выполнено в виде транспортера с рычагами 18, дистанционирующими лодочки 3 на транспортере.

Калорифер 4 выполнен в виде нагреваемой трубы 19 подачи горячего газообразного азота в реторту 5.

Система управления устройством сушки таблеток ядерного топлива выполнена на базе программируемого контроллера 20. В качестве программируемого контроллера 20 использован программируемый контроллер SIMATIC S7-300, электрически связанный с электрооборудованием агрегата 1 сушки таблеток, приводом транспортера 2, электрооборудованием калорифера 4, устройствами звуковой и световой сигнализации.

Реторта 5 агрегата 1 установлена на раме 21 с регулируемыми опорами.

Термопреобразователи 9, 10, 11 предназначены для автоматического поддержания температур в каждой из трех зон нагрева проволочными нагревателями 6, 7, 8. Со стороны узла загрузки 12 реторта 5 имеет патрубок 22.

По бокам реторты 5 для осуществления контроля наличия или отсутствия лодочки в начале или конце реторты установлены источники света 23, 24 и фотодатчики 25, 26.

Способ сушки таблеток ядерного топлива после мокрого шлифования осуществляют в устройстве следующим образом.

Таблетки ядерного топлива после их мокрого шлифования загружают в лодочку 3 навалом не более 85% по объему лодочки 3 и транспортируют к агрегату.

Узел загрузки 12 на реторте 5 агрегата 1 открывают поднятием дверцы 14 пневмоцилиндром 16 и в открытый узел загрузки 12 загружают сетчатую или перфорированную лодочку 3 с загруженными в нее таблетками ядерного топлива. После закрытия дверцы 14 пневмоцилиндром 16 лодочка 3 транспортным средством 2 в виде транспортера с рычагами 18 со скоростью не более 0,04 м/сек перемещается через зону, где с помощью нагревателей 6 и термопреобразователя 9 поддерживается температура 300±10°С с одновременной подачей в реторту 5 из нагреваемой трубы 19 калорифера 4 газообразного азота с температурой не менее 120°С с выводом газа через патрубок 22 узла загрузки 12 вместе с парами влаги из таблеток.

Затем лодочка 3 с таблетками, с той же скоростью 0,04 м/сек перемещается через вторую зону, где с помощью нагревателя 7 и термопреобразователя 10 поддерживается температура 200±20°С, а в зону с температурой 300±10°С поступает очередная сетчатая или перфорированная лодочка 3 с таблетками ядерного топлива.

После перемещения через третью зону с температурой 120±20°С, поддерживаемой нагревателем 8 и термопреобразователем 11 сетчатая лодочка с таблетками ядерного топлива, имеющего остаточное содержание водорода 2×10^-5% вместо 6×10^-15%; по ТУ через узел выгрузки 13 при открытой с помощью пневмоцилиндра 17 дверце 15 выгружается из реторты 5, в которую постоянно подается горячий газообразный азот под давлением, МПа (кг/см³-0,15-0,16(1,5-1,6). После выгрузки лодочки 3 пневмоцилиндр 17 закрывает дверцу 15 и цикл сушки продолжается, а выгруженные сухие таблетки в среде азота в боксе охлаждаются.

Система управления выполнена на базе программируемого контроллера 20 SIMATIC S7-300, который электрически связан с электрооборудованием агрегата 1 сушки таблеток, приводом транспортера 2, электрооборудованием калорифера 4, устройствами звуковой и световой сигнализации, с источниками света 23, 24 и фотодатчиками 25, 26 контроля наличия или отсутствия лодочек в начале или конце реторты 5.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к изготовлению таблеток ядерного топлива для снаряжения тепловыделяющих элементов атомных реакторов. Техническим результатом изобретения является повышение качества таблеток, надежности эксплуатации тепловыделяющих элементов и повышение производительности устройства сушки таблеток. В каждую лодочку насыпают навалом таблетки не более 85% объема лодочки, сушку осуществляют в трех зонах с различным температурным режимом. Осуществляют перемещение лодочек с линейной скоростью не более 0,04 м/сек. Газообразный азот нагревают и подают в зоны сушки под давлением, а сушку производят до содержания водорода в таблетках не более 6×10^-5%. Устройство сушки таблеток дополнительно снабжено калорифером и системой управления. Агрегат сушки выполнен из реторты в виде горизонтальной трубы с квадратным сечением, охваченной нагревателями проволочными с термопреобразователями. Узлы загрузки-разгрузки на концах реторты имеют дверцы, приводимые в движение пневмоцилиндрами. Транспортное средство представляет из себя транспортер с рычагами, калорифер - нагреваемую трубу подачи горячего газообразного азота в реторту, а система управления выполнена на базе программируемого контроллера. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ сушки таблеток ядерного топлива после мокрой шлифовки, включающий их перемещение в сетчатых лодочках и сушку в среде азота, отличающийся тем, что в каждую лодочку насыпают таблеток навалом не более 85% по объему лодочки, сушку таблеток ядерного топлива осуществляют, по крайней мере, в трех зонах, где температуру 300±10°С поддерживают в первой зоне, температуру 200±20°С поддерживают во второй зоне, а в третьей зоне поддерживают температуру 120±20°С, перемещение сетчатых лодочек с таблетками через зоны осуществляют с линейной скоростью не более 0,04 м/с, газообразный азот предварительно нагревают до температуры не менее 120°С и подают в зоны сушки под давлением МПа (кг/см²) - 0,15-0,16(1,5-1,6), а сушку таблеток ядерного топлива осуществляют до остаточного содержания в них водорода не более 6·10^-5%.2. Устройство сушки таблеток ядерного топлива после мокрой шлифовки, содержащее агрегат сушки и транспортное средство проводки через него таблеток ядерного топлива в сетчатых лодочках в среде азота, отличающееся тем, что устройство сушки таблеток ядерного топлива после мокрого шлифования дополнительно снабжено калорифером и системой управления устройством сушки таблеток ядерного топлива, где агрегат сушки таблеток ядерного топлива выполнен из реторты в виде горизонтальной квадратной трубы, охваченной, по крайней мере, тремя проволочными нагревателями с термопреобразователями, на концах реторты размещены узлы загрузки и выгрузки с дверцами, приводимыми в движение пневмоцилиндрами, транспортное средство проводки сетчатых лодочек через агрегат сушки таблеток выполнено в виде транспортера с рычагами, дистанционирующими лодочки на транспортере, калорифер выполнен в виде нагреваемой трубы подачи горячего газообразного азота в реторту, а система управления устройством сушки таблеток ядерного топлива выполнена на базе программируемого контроллера.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве программируемого контроллера использован программируемый контроллер SIMATIC S7-300, электрически связанный с электрооборудованием агрегата сушки таблеток, приводом транспортера, электрооборудованием калорифера, устройствами звуковой и световой сигнализации.