СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ ЗАГОТОВОК КЕРМЕТНЫХ 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).

При прессовании заготовок керметных стержней может быть применен способ, 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, осуществляют горячее изостатическое прессование и выпрессовывают контейнер из пресс-формы (Авторское свидетельство СССР №445526 от 15.11.1972, опубл. 05.10.74, бюл. №37).

Недостатком этого способа является уменьшение ресурса работы прессового оборудования, что обусловлено необходимостью приложения значительных усилий на выталкивание контейнера из пресс-формы.

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 и выпрессовки контейнера из пресс-формы.

Известен также способ прессования заготовок керметных стержней, заключающийся в том, что заготовки размещают поверх стеклянных брикетов из силиката натрия 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 и выпрессовывают контейнер из прессформы (патент РФ №2388081 от 04.05.2008, опубл. 27.04.2010).

Недостатком этого способа, как и предыдущего, является уменьшение ресурса работы прессового оборудования, что обусловлено необходимостью приложения значительных усилий на выталкивание контейнера из пресс-формы

С предлагаемым способом этот способ совпадает по операциям размещения заготовок в стальном цилиндрическом контейнере, выполненном в виде стакана, поверх стеклянных брикетов, нагреве контейнера до погружения заготовок в расплавленное стекло, переносе контейнера в пресс-форму, изостатическом прессовании заготовок и выпрессовки контейнера из пресс-формы.

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

3. Раскрытие изобретения

Решаемая задача - повышение ресурса работы прессового оборудования за счет уменьшения износа пресс-формы пресса.

Предлагается способ прессования заготовок керметных стержней, который решает указанную задачу, заключающийся в том, что заготовки размещают поверх стеклянных брикетов из силиката натрия 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 стекла при перемещении пуансона пресса и выпрессовывают контейнер из пресс-формы. В предлагаемом способе согласно изобретению применяют контейнер, изготовленный из стали с содержанием углерода (0,1-0,35) мас.%, нагрев контейнера до температуры 900°С осуществляют за время (10-15) мин и за такое же время поднимают температуру до 1000°C, а после окончания прессования снимают давление со стекла и перед выпрессовкой делают минутную выдержку при снятом давлении.

При подъеме температуры контейнера с 900°С до 1000°C за указанное время на его поверхности образуется слой окалины толщиной (400-500) мкм, теплопроводность которой существенно меньше теплопроводности материала контейнера. За счет этого к моменту окончания прессования перепад температуры между пресс-формой и контейнером составляет величину около 80°C. При снятии давления прессования контейнер разгружается от давления стекла на его стенки и у стенки контейнера в течение минуты происходит отверждение стекла с ростом толщины слоя от долей миллиметра до (1,5-2) мм. В результате снижается величина теплового потока из контейнера в пресс-форму, что ведет к уменьшению температуры контейнера примерно на 40°C и, как следствие, к возникновению радиальных напряжений, сжимающих контейнер.

Таким образом, обеспечивается уменьшение усилия выпрессовки контейнера и, как следствие, повышение ресурса работы прессового оборудования за счет уменьшения износа пресс-формы пресса.

4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

В стальной контейнер - стакан, с внутренним диаметром 46 мм, изготовленный из стали Ст.20, загружались стеклянный брикет из силиката натрия и блок из семи заготовок керметных стержней. В районе днища контейнера на его внутренней поверхности выполнялась кольцевая проточка для облегчения отделения днища при операциях выпрессовки. Стакан вместе с брикетом и заготовками нагревали в печи в течение 15 минут до 900°C. После погружения блока в стекло в течение 15 минут поднимали температуру до 1000°C, переносили контейнер в нагретую до 450°C пресс-форму пресса и подвергался прессованию при нагрузке 120 тонн и машинном времени 30 с. После окончания прессования снимали давление со стекла, делали минутную выдержку при снятом давлении и выпрессовывали контейнер из пресс-формы усилием в 10 тонн. В случае выпрессовки контейнера по способу-прототипу это усилие составляет (80-100)% от усилия прессования.

Изобретение относится к способам прессования заготовок керметных стержней тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Заготовки, заплавленные силикатом натрия в цилиндрическом контейнере, выполненном из стали с содержанием углерода (0,1-0,35) мас.%, после образования на поверхности контейнера слоя окалины подвергаются изостатическому прессованию. Выпрессовку контейнера осуществляют после минутной выдержки контейнера в пресс-форме при снятом давлении. Технический результат - значительное уменьшение усилия выпрессовки и, как следствие, повышение ресурса работы прессового оборудования за счет уменьшения износа пресс-формы.

Способ прессования заготовок керметных стержней, заключающийся в том, что заготовки размещают поверх брикетов из силиката натрия 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 стекла при перемещении пуансона пресса и выпрессовывают контейнер из пресс-формы, отличающийся тем, что контейнер изготавливают из стали с содержанием углерода (0,1-0,35) мас.%, нагрев контейнера до температуры 900°C осуществляют за время (10-15) мин и за такое же время поднимают температуру от 900°C до 1000-1050°C, а после окончания прессования снимают давление со стекла и перед выпрессовкой делают выдержку в течение 1-2 мин при снятом давлении.