СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ СТЕРЖНЕЙ Российский патент 2014 года по МПК G21C21/02 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности, к технологии изготовления керметных стержней топливных сердечников тепловыделяющих элементов ядерных реакторов различного назначения.

2. Уровень техники

Одним из направлений в ядерной энергетике является использование твэлов, в которых тепловыделяющие сердечники набраны из керметных стержней (см., например, Федик И.И., Гаврилин С.С. и др. "Новое поколение твэлов на основе микротоплива для ВВЭР", "Атомная энергия", Москва, 2004, т.96, вып.4, с.276-285).

В качестве заготовки при изготовлении таких керметных стержней используется циркониевая трубка, заполненная порошком ядерного топлива и закрытая с двух сторон заглушками (патент РФ №2305333 от 15.03.2006, опубл. 27.08.2007, бюл. №24). После капсулирования топлива в циркониевой оболочке производится обжатие заготовки и уплотнение в ней топлива путем изостатического прессования (см., например, патент РФ №2305334 от 15.03.2006, опубл. 27.08.2007, бюл. №24, патент РФ №2371789 от 04.05.2008, опубл. 27.10.2009, бюл. №30). Конечный продукт получают после освобождения заготовок от рабочей среды, передающей давление на заготовки при их прессовании, и размерной механической обработки до получения номинальных размеров стержней.

Известен способ изготовления спеченных изделий, который может быть применен при изготовлении керметных стержней, заключающийся в том, что заготовки и стекло, являющееся средой для передачи давления, помещают в стальной контейнер, нагревают контейнер до заплавления заготовок, после чего контейнер охлаждают и герметизируют. После герметизации контейнера производят его повторный нагрев до температуры прессования, переносят контейнер в стальную пресс-форму и осуществляют горячее изостатическое прессование. Затем производят охлаждение контейнера, освобождают прессовку от контейнера и скалывают стекло. Далее осуществляют размерную механическую обработку заготовок до получения номинальных размеров стержней (Авторское свидетельство СССР №445 526, опубл. 05.10.74, бюл. №37).

Недостатком данного способа является сложность операции освобождения прессовки от контейнера, которая осуществляется механической обдиркой металла контейнера с прессовки. Такая операция при массовом производстве стержней практически не поддается автоматизации. Кроме того, к недостаткам этого способа следует отнести применение дробленого стекла, добавляемого в горячий контейнер по мере его расплавления, а также наличие операции герметизации контейнера, что усложняет технологию и увеличивает время производственного цикла.

С предлагаемым способом этот способ совпадает по операциям размещения заготовок и стекла в контейнере, нагреве контейнера до заплавления заготовок стеклом, переносе контейнера в пресс-форму, изостатическом прессовании, выгрузке контейнера из пресс-формы, охлаждения контейнера и освобождения прессовки от контейнера.

Известен также способ изготовления топливных стержней, включающий изготовление заготовок стержней и их последующее горячее изостатическое прессование, заключающееся в том, что заготовки размещают поверх стеклянных брикетов в стальном контейнере, выполненном в виде цилиндрического стакана, нагревают контейнер с заготовками и брикетами до заплавления заготовок стеклом, переносят контейнер в пресс-форму пресса, прикладывают усилие прессования повышением давления рабочей среды при перемещении пуансона пресса (патент РФ №2388081 от 04.05.2008, опубл. 27.04.2010). После прессования контейнер выгружают из пресс-формы, механически освобождают стеклянную прессовку с заготовками стержней от контейнера, скалывают стекло с заготовок и проводят их размерную механическую обработку до получения номинальных размеров стержней.

К недостаткам данного способа изготовления топливных стержней относится необходимость механического освобождения стеклянной прессовки от контейнера, что затрудняет автоматизацию производства.

С предлагаемым способом этот способ совпадает по операциям: размещения заготовок в контейнере поверх стеклянных брикетов, нагреве контейнера до погружения заготовок в расплавленное стекло, переноса контейнера в пресс-форму, изостатического прессования заготовок, выгрузке контейнера из пресс-формы, освобождения прессовки от контейнера, скалывания стекла с заготовок и размерной механической обработке заготовок до получения номинальных размеров стержней.

По совокупности существенных признаков последний способ наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.

3. Раскрытие изобретения

Данное техническое решение направлено на решение задачи автоматизации производства топливных стержней.

Для решения данной задачи предлагается способ изготовления топливных стержней, включающий изготовление заготовок стержней, горячее изостатическое прессование заготовок путем их размещения поверх стеклянных брикетов в контейнере, заплавления заготовок стеклом, помещения контейнера в пресс-форму пресса с последующим приложением давления, освобождение стеклянной прессовки с заготовками стержней от контейнера, скалывание стекла с заготовок и проведение размерной механической обработки заготовок до получения номинальных размеров стержней, в котором согласно изобретению после прессования контейнер с заготовками охлаждают на воздухе в течение 2-3 мин, а стеклянную прессовку освобождают от контейнера при помощи холодного пресса со скоростью 0,3-0,5 мм/с.

В отличие от известного способа контейнер после выгрузки из пресс-формы охлаждают на воздухе в течение 2-3 минут и освобождают стеклянную прессовку с заготовками от контейнера на холодном прессе со скоростью 0,3-0,5 мм/с.

После выгрузки контейнера из пресс-формы и в процессе охлаждения контейнера на воздухе происходит отверждение на глубину 2-3 мм цилиндрического слоя стекла у внутренней поверхности контейнера. При выдавливании прессовки на холодном прессе холодным пуансоном создается и растет отвержденная стеклянная пробка, образующая единое целое с цилиндрическим (утвержденным слоем. При перемещении холодного пуансона отвержденная часть стеклянной прессовки двигается также как единое целое, причем заготовки при этом свободны от деформирующих воздействий, поскольку находятся в жидкой фазе. Таким образом, выдавливание стеклянной прессовки из контейнера происходит без механического его разрушения, что способствует решению задачи автоматизации производства.

4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

В стальной контейнер-стакан с внутренним диаметром 46 мм загружался стеклянный брикет из силиката натрия и блок из семи заготовок керметных стержней. В районе днища стакана на его внутренней поверхности выполнялась кольцевая проточка для облегчения отделения днища при операциях выпрессовки. Стакан вместе с брикетом и заготовками нагревали в печи до температуры 1000°С в течение 30 мин. После погружения блока в стекло стакан переносился в нагретую до 450°С пресс-форму пресса и подвергался прессованию при нагрузке 120 тонн и машинном времени 30 с.После выгрузки из пресс-формы стакан охлаждался в течение 3 минут. Выдавливание стеклянной прессовки из стакана осуществляли сверху вниз холодным пуансоном диаметром 20 мм со скоростью 0,5 мм/с. Выдавленные прессовки имели цилиндрическую форму. Освобожденные от стекла заготовки не носили следов деформаций, отличных от характерных для изостатического прессования, что обеспечило изготовление из них стержней с номинальными размерами и допусками.

Изобретение относится к технологиям изготовления топливных стержней, предназначенных для снаряжения сердечников керметных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Заготовки стержней помещают в цилиндрический контейнер, заплавляют стеклом и переносят контейнер в пресс-форму пресса, где осуществляют горячее изостатическое прессование. После выгрузки контейнера из пресс-формы его охлаждают на воздухе в течение 2-3 минут и выдавливают стеклянную прессовку из контейнера на холодном прессе со скоростью 0,3-0,5 мм/с. Размерную механическую обработку заготовок до получения номинальных размеров стержней проводят после скалывания стекла. Технический результат - исключение операции механической обдирки прессовки от материала контейнера, повышение уровня автоматизации производства.

Способ изготовления топливных стержней, включающий изготовление заготовок стержней, горячее изостатическое прессование заготовок путем их размещения поверх стеклянных брикетов в контейнере, заплавления заготовок стеклом, помещения контейнера в пресс-форму пресса с последующим приложением давления, освобождение стеклянной прессовки с заготовками стержней от контейнера, скалывание стекла с заготовок и проведение размерной механической обработки заготовок до получения номинальных размеров стержней, отличающийся тем, что после прессования контейнер с заготовками охлаждают на воздухе в течение 2-3 мин, а стеклянную прессовку освобождают от контейнера при помощи холодного пресса со скоростью 0,3-0,5 мм/с.