Устройство формирования сферического топливного элемента Российский патент 2019 года по МПК G21C21/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к области производства топливного элемента ядерного реактора и, в частности, к устройству формирования сферического топливного элемента.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В данное время сферический топливный элемент, используемый в Высокотемпературном Газоохлаждаемом Реакторе ВТГР (HTR) с кипящим слоем, имеет диаметр 60 мм и содержит в своем составе область с топливом, и область, без топлива. Сферический топливный элемент в целом представляет собой графитовую матрицу, а его наружный слой представляет собой область, не содержащую топлива, толщиной около 5 мм. Базовая структура сферического топливного элемента такова, что графитовая сферическая оболочка, не содержащая топлива, заполнена диспергированным топливом, состоящим из частиц топлива с покрытием и графитовой матрицы.

Способ изготовления сферического топливного элемента включает:

приготовление порошка матричного графита,

создание оболочки на частицах с покрытием,

прессование сферического ядра,

прессование сырой сферы,

обдирку,

карбонизацию и очистку при высокой температуре, причем формирование области, содержащей топливо, и области, не содержащей топлива, для сырой сферы является основной технологией в процессе изготовления сферических элементов.

Способ формирования сферического топливного элемента включает:

смешивание частиц, покрытых оболочкой, с порошком матричного графита, загрузку смеси в резиновый штамп и прессование в сферический сердечник, формовку области, не содержащей топлива, в штампе окончательного прессования, и, наконец,

получение сырого продукта, который немного больше желаемого размера, получаемого при окончательном прессовании.

Однако предшествующий уровень техники не раскрывает того, как, в частности, сформировать сферический топливный элемент, в том числе, как смешивать частицы, покрытые оболочкой, с порошком матричного графита, как прессовать в сферический сердечник и как окончательно формировать сферический топливный элемент.

В заявке на патент Китая CN 201210177503 описана квазиизостатическая прессовальная вакуумная гидравлическая машина, которая используется для прессования сырого продукта для сферического топливного элемента, но не раскрывает другие этапы формирования сферического топливного элемента, включая смешивание частиц с покрытием и порошка матричного графита, а также технологии и устройства, используемые в процессе формования в штампе окончательного прессования области, не содержащей топлива, и т.д. Поэтому очень важно обеспечить устройство формирования сферического топливного элемента, которое способно уменьшить стоимость топливного элемента, имеет компактную конструкцию и удобно в работе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема, подлежащая решению с помощью данного изобретения, заключается в создании устройства формирования сферического топливного элемента, которое имеет компактную конструкцию и удобно в работе.

Для этой цели в данном изобретении предлагается устройство формирования сферического топливного элемента, содержащее: систему формирования области, содержащей топливо, систему формирования области, не содержащей топлива, и систему прессования сырой сферы, соединенные последовательно.

Система формирования области, содержащей топливо, используется для равномерного смешивания матричного порошка для сферического сердечника с частицами ядерного топлива, а затем прессования смешанного матричного порошка для сферического сердечника и частиц ядерного топлива в сферический сердечник.

Система формирования зоны, не содержащей топлива, используется для изготовления сферического топливного элемента из сферических сердечников, покрытых порошком матрицы, не содержащим топлива.

Система прессования сырой сферы используется для прессования сырых сфер в сферические топливные элементы.

Предпочтительно, чтобы система формирования области, содержащей топливо, имела в своем составе устройство с количественной оценкой конвейерной доставки матричного порошка для сферического сердечника, устройство для равномерного распределения частиц ядерного топлива, устройство для точного количественного анализа частиц ядерного топлива, первичное перемешивающее устройство, устройство разгрузки пресс-формы, вторичное перемешивающее устройство и устройство прессования сферического сердечника, соединенные последовательно. Устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для сферического сердечника, устройство для точного количественного анализа частиц ядерного топлива, первичное перемешивающее устройство и устройство разгрузки пресс-формы соединены посредством устройства конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции.

Устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для сферического сердечника передает в требуемом количестве матричный порошок для сферического сердечника к устройству конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции. Устройство для равномерного распределения частиц ядерного топлива и устройство для точного количественного анализа частиц ядерного топлива точно и в требуемом количестве осуществляют конвейерную доставку ядерного топлива к устройству конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции.

Устройство конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции осуществляет конвейерную доставку матричного порошка для сферического сердечника и ядерного топлива к первичному перемешивающему устройству. Первичное перемешивающее устройство равномерно перемешивает матричный порошок для сферического сердечника и ядерное топливо. Устройство конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции транспортирует матричный порошок для сферического сердечника и ядерное топливо, прошедшие через первичное перемешивающее устройство, в устройство разгрузки пресс-формы. Устройство разгрузки пресс-формы заполняет штамп сферического сердечника матричным порошком для сферического сердечника и ядерным топливом, которые равномерно перемешаны. Вторичное перемешивающее устройство перемешивает матричный порошок для сферического сердечника и ядерное топливо в штампе сферического сердечника.

Устройство прессования сферического сердечника прессует порошок для сферического сердечника и ядерное топливо в штампе сферического сердечника с целью формирования сферического сердечника.

Предпочтительно, чтобы устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для сферического сердечника содержало первый загрузочный бункер для хранения порошка для сферического сердечника, и винтовой питатель на дне загрузочного бункера, при этом количество доставляемого конвейером матричного порошка для сферического сердечника регулируется временем подачи винтового питателя.

Предпочтительно, чтобы устройство для равномерного распределения частиц ядерного топлива содержало вращающийся второй загрузочный бункер для приема ядерного топлива, распределительную трубу, соединенную со вторым загрузочным бункером, и множество цилиндрических контейнеров для приема ядерного топлива, которое распределяется распределительной трубой.

Устройство для точного количественного определения частиц ядерного топлива содержит весы с функцией нижней подвески, дозирующий бункер, подвешенный к нижней части весов, и вибрационный питатель для добавления ядерного топлива в дозирующий бункер, который способен накапливать ядерное топливо.

Нижние части цилиндрических контейнеров снабжены трубами, через которые ядерное топливо из цилиндрических контейнеров, которые вращаются на месте, транспортируется к дозирующему бункеру посредством вращения множества цилиндрических контейнеров. Предпочтительно, чтобы устройство конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции содержало инфракрасный датчик положения, цепь, приводимую в движение двигателем, и множество контейнеров для материалов, смонтированных на цепи. Инфракрасный датчик положения используется для определения того, соответствуют ли положения отверстий во множестве контейнеров для материала положению конвейерного отверстия устройства конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для сферического сердечника, выпускному отверстию дозирующего бункера устройства для точного количественного анализа частиц ядерного топлива, первичного перемешивающего устройства и устройства разгрузки пресс-формы, соответственно.

Предпочтительно, чтобы вторичное перемешивающее устройство содержало опорную пластину для размещения штампа сферического сердечника, который заполнен матричным порошком для сферического сердечника и ядерным топливом, кронштейн и вращающуюся перемешивающую головку, установленную на кронштейне. Перемешивающая головка проходит во внутренней полости штампа сферического сердечника.

При рабочих условиях, перемешивающая головка приводится в движение двигателем для перемешивания матричного порошка для сферического сердечника и ядерного топлива в штампе сферического сердечника. Опорная пластина приводится во вращение двигателем для осуществления вращения, а направление вращения опорной пластины противоположно направлению вращения перемешивающей головки. Предпочтительно, чтобы устройство прессования сферического сердечника содержало наружную муфту, которая может перемещаться вверх и вниз, верхний пуансон, зафиксированный в наружной муфте, и нижний пуансон, который может перемещаться вверх и вниз. Наружный диаметр штампа сферического сердечника является таким же, как внутренний диаметр наружной муфты, а наружный диаметр верхнего пуансона и наружный диаметр нижнего пуансона также соответствуют друг другу. Предпочтительно, чтобы система формирования области, не содержащей топлива, содержала устройство позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника, устройство позиционирования и переноса сферического сердечника, устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, и устройство формирования области, не содержащей топлива, располагались последовательно. Указанное устройство позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника соединено с устройством формирования области, не содержащей топлива, посредством устройства позиционирования и переноса сферического сердечника. Указанное устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, соединено с устройством формирования области, не содержащей топлива. Указанное устройство позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника, а также устройство позиционирования и переноса сферического сердечника переносят указанные сферические сердечники к устройству формирования области, не содержащей топлива. Указанное устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, осуществляет конвейерную доставку порошка матрицы к устройству формирования области, не содержащей топлива. Указанное устройство формирования области, не содержащей топлива, осуществляет покрытие указанных сферических сердечников указанным матричным порошком таким образом, чтобы изготовить указанный сферический топливный элемент.

Предпочтительно, чтобы устройство позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника содержало диск, который можно поворачивать позиционно, при этом множество бобышек для размещения сферических сердечников распределено на диске равномерно.

Указанное устройство позиционирования и переноса сферического сердечника содержит механический захват, а также механический манипулятор для перемещения механического захвата в горизонтальном или вертикальном направлении, при этом диапазон перемещений механического захвата в горизонтальном направлении варьируется от позиции непосредственно над бобышками устройства позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника до позиции, находящейся непосредственно над штампом устройства формирования области, не содержащей топлива.

Предпочтительно, чтобы устройство формирования области, не содержащей топлива, содержало подвижную опорную пластину для размещения штампа, зонда для обнаружения уровня матричного порошка и дугообразного скребка для формирования сферического топливного элемента. Центр дугообразного скребка находится на вертикальной оси штампа.

Устройство формирования сферического топливного элемента, в соответствии с данным раскрытием, выполненное в соответствии с эксплуатацией технологического процесса поточной линии, является компактным по конструкции и удобным в работе. Все соединения устройств целесообразны. Процесс эксплуатации устройства имеет хорошую логическую взаимосвязь и легко поддается автоматизации. С использованием системы формирования области, не содержащей топлива, указанные сырые сферы после окончательного прессования имеют высокую степень сферичности. Поскольку требуется лишь небольшой припуск на финишную отделку, расход порошка матричного графита снижается, а стоимость топливного элемента уменьшается. В дополнение к этому, с использованием устройства для равномерного распределения ядерного топлива и устройства для точного количественного определения частиц ядерного топлива, полученное соотношение ядерного топлива и матричного порошка является точным, поэтому окончательная скорость производства указанных сферических топливных элементов, подготовленных устройством формирования сферического топливного элемента по данному раскрытию, является высокой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На Фиг. 1 проиллюстрирована структурная схема системы формирования области, содержащей топливо, и системы формирования области, не содержащей топлива, по данному изобретению;

На Фиг. 2 проиллюстрирована структурная схема системы формирования области, содержащей топливо, в соответствии с вариантом реализации данного изобретения;

На Фиг. 3 проиллюстрировано вид сечения устройства для равномерного распределения частиц ядерного топлива в соответствии с вариантом реализации данного изобретения;

На Фиг. 4 проиллюстрировано вид сечения устройства конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции в соответствии с вариантом реализации данного изобретения;

На Фиг. 5 проиллюстрирована структурная схема вторичного перемешивающего устройства в соответствии с вариантом реализации данного изобретения;

На Фиг. 6 проиллюстрирован вид сечения устройства прессования сферического сердечника в соответствии с вариантом реализации данного изобретения;

На Фиг. 7 проиллюстрирована структурная схема системы формирования области, не содержащей топлива, в соответствии с вариантом реализации данного изобретения;

На Фиг. 8 проиллюстрирована трехмерная (3-D) структурная схема системы формирования области, не содержащей топлива, в соответствии с вариантом реализации данного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты реализации изобретения по данному изобретению будут подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы.

Как проиллюстрировано на Фиг. 1, устройство формирования сферического топливного элемента, содержит: систему формирования области, не содержащей топлива, и систему прессования сырой сферы, соединенные последовательно. Система формирования области, содержащей топливо, используется для равномерного смешивания матричного порошка для сферического сердечника с частицами ядерного топлива, и, после этого, прессования в сферические сердечники смешанных порошка матрицы для сферического сердечника и частиц ядерного топлива. Система формирования области, не содержащей топливо, используется для изготовления сферического топливного элемента из сферических сердечников, покрытых порошком матрицы, не содержащим топливо. Система прессования сырой сферы используется для прессования сырых сфер в сферические топливные элементы.

В частности, как проиллюстрировано на Фиг. 2, система формирования области, содержащей топливо, имеет в своем составе устройство 1 с количественной оценкой конвейерной доставки матричного порошка для сферического сердечника, устройство 2 для равномерного распределения частиц ядерного топлива, устройство 3 для точного количественного анализа частиц ядерного топлива, первичное перемешивающее устройство 4, устройство 5 разгрузки пресс-формы, вторичное перемешивающее устройство 7 и устройство 8 прессования сферического сердечника, соединенные последовательно. Устройство 1 с количественной оценкой конвейерной доставки матричного порошка для сферического сердечника, устройство 3 для точного количественного анализа частиц ядерного топлива, первичное перемешивающее устройство 4 и устройство 5 разгрузки пресс-формы соединены посредством устройства 6 конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции. Устройство 1 с количественной оценкой конвейерной доставки матричного порошка для сферического сердечника осуществляет конвейерную доставку матричного порошка для сферического сердечника к устройству 6 конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции. Устройство 2 для равномерного распределения частиц ядерного топлива и устройство 3 для точного количественного анализа частиц ядерного топлива точно и в требуемом количестве осуществляют конвейерную доставку ядерного топлива к устройству 6 конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции.

Устройство 6 конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции осуществляет конвейерную доставку матричного порошка для сферического сердечника и ядерное топливо к первичному перемешивающему устройству 4. Первичное перемешивающее устройство 4 равномерно перемешивает матричный порошок для сферического сердечника и ядерное топливо. Устройство 6 конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции осуществляет конвейерное перемещение матричного порошка для сферического сердечника и ядерного топлива, которые прошли через первичное перемешивающее устройство 4, к устройству 5 разгрузки пресс-формы. Устройство 5 разгрузки пресс-формы заполняет штамп 7-0 сферического сердечника матричным порошком для сферического сердечника и ядерным топливом, которые равномерно перемешиваются. Вторичное перемешивающее устройство 7 перемешивает матричный порошок для сферического сердечника и ядерное топливо в штампе сферического сердечника. Устройство 8 прессования сферического сердечника спрессовывает матричный порошок для сферического сердечника и ядерное топливо в указанном штампе сферического сердечника в сферические сердечники.

При этом предпочтительно, чтобы устройство 1 с количественной оценкой конвейерной доставки матричного порошка для сферического сердечника, содержало первый загрузочный бункер для хранения

порошка для сферического сердечника, а также винтовой питатель на дне загрузочного бункера, при этом количество доставляемого конвейером порошка для сферического сердечника регулируется продолжительностью подачи винтового питателя. Как проиллюстрировано на Фиг. 3, устройство 2 для равномерного распределения частиц ядерного топлива содержит вращающийся второй загрузочный бункер 2-1 для приема ядерного топлива, распределительную трубу 2-2, соединенную со вторым загрузочным бункером 2-1, и множество цилиндрических контейнеров 2-3 для приема ядерного топлива, распределенного с помощью распределительной трубы.

Указанное множество цилиндрических контейнеров 2-3 вращается, как единое целое. Предпочтительно, чтобы указанное множество цилиндрических контейнеров 2-3 представляло собой число 50, и располагалось на распределительной пластине. Множество цилиндрических контейнеров 2-3 вращаются за счет вращения распределительной пластины. Как проиллюстрировано на Фиг. 4, устройство 3 для точного количественного анализа частиц ядерного топлива содержит весы 3-1 с функцией нижней подвески, дозирующий бункер 3-2, подвешенный к нижней части весов, и вибрационный питатель 3-3 для добавления ядерного топлива в дозирующий бункер, который способен накапливать ядерное топливо. Днища цилиндрических контейнеров 2-3 снабжены трубами, через которые ядерное топливо в цилиндрических контейнерах 2-3, вращающихся на месте, транспортируется к дозирующему бункеру 3-2 посредством множества вращающихся цилиндрических контейнеров 2-3.

При этом предпочтительно, чтобы, как проиллюстрировано на Фиг. 4, устройство 6 конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции, содержало инфракрасный датчик положения, цепь, приводимую в движение двигателем, и множество смонтированных на цепи контейнеров 6-2 для материалов;

при этом инфракрасный датчик положения используется для определения соответствия положения отверстий во множестве контейнеров 6-2 для материала положению конвейерного отверстия 6-1 устройства конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для сферического сердечника, выпускному отверстию дозирующего бункера 3-2 устройства 3 для точного количественного анализа частиц ядерного топлива, первичного перемешивающего устройства 4 и устройства 5 разгрузки пресс-формы, соответственно. Посредством двигателя, приводящего в движение цепь, множество контейнеров 6-2 для материала посредством конвейерной доставки на цепи подаются первичному перемешивающему устройству 4 через конвейерное отверстие 6-1 устройства 1 с количественной оценкой конвейерной доставки матричного порошка для сферического сердечника и выпускное отверстие дозирующего бункера 3-2 устройства 3 для точного количественного анализа частиц ядерного топлива, и после первичного перемешивающего устройства смешанный материал посредством конвейерной доставки подается устройству 5 разгрузки пресс-формы.

При этом предпочтительно, чтобы, как проиллюстрировано на Фиг. 5, вторичное перемешивающее устройство 7 содержало опорную пластину 7-1 для размещения штампа 7-0 сферического сердечника, который заполнен матричным порошком для сферического сердечника и ядерным топливом, кронштейн 7-3 и вращающуюся помешивающую головку 7-2, установленную на кронштейне; причем перемешивающая головка 7-2 проходит во внутренней полости штампа сферического сердечника; при этом при рабочих условиях, перемешивающая головка 7-2 приводится в движение двигателем для перемешивания матричного порошка для сферического сердечника и ядерного топлива в штампе сферического сердечника; причем опорная пластина 7-1 способна вращаться и приводится во вращение двигателем, а направление вращения опорной пластины 7-1 противоположно направлению вращения перемешивающей головки 7-2.

При этом предпочтительно, чтобы, как проиллюстрировано на Фиг. 6, устройство 8 прессования сферического сердечника содержало наружную муфту 8-1, которая может перемещаться вверх и вниз, верхний пуансон 8-2, зафиксированный в наружной муфте 8-1, и нижний пуансон 8-3, который может перемещаться вверх и вниз; Наружный диаметр штампа сферического сердечника является таким же, как внутренний диаметр наружной муфты 8-1, а наружный диаметр верхнего пуансона 8-2 и наружный диаметр нижнего пуансона 8-3 также соответствуют друг другу. Наружная муфта 8-1 может перемещаться вверх и вниз посредством цилиндра, причем длина хода не превышает 300 мм, более низкий пуансон 8-3 может перемещаться вверх и вниз посредством гидравлического давления, при этом давление на пуансоне может быть 40-120 кПа.

В частности, как проиллюстрировано на Фиг. 7, система формирования области, не содержащей топлива, содержит устройство 9 позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника, устройство 12 позиционирования и переноса сферического сердечника, устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива; при этом устройство 9 позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника и устройство 12 позиционирования и переноса сферического сердечника используются для переноса сферических сердечников к устройству формирования области, не содержащей топлива; при этом устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, используется для конвейерной доставки матричного порошка устройству формирования области, не содержащей топлива; причем устройство формирования области, не содержащей топлива, используется способом нанесения покрытия на сферические сердечники с использованием матричного порошка для производства сферических топливных элементов. При этом, предпочтительно, чтобы, как проиллюстрировано на Фиг. 8, устройство 9 позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника содержало в себе диск 9-1, который можно поворачивать позиционно, при этом множество бобышек 9-2 для размещения сферических сердечников распределено равномерно на диске 9-1; при этом, предпочтительно, чтобы бобышки 9-2 для размещения сферических сердечников были равномерно распределены на диске 9-1, причем указанный диск 9-1 можно поворачивать позиционно посредством привода цилиндра. Указанное устройство 12 позиционирования и переноса сферического сердечника содержит механический захват 12-1, а также механический манипулятор 12-2 для перемещения механического захвата 12-1 в горизонтальном или вертикальном направлении; при этом механический захват 12-1 можно перемещать до положения непосредственно над бобышками 9-2 устройства 9 позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника, и непосредственно над штампом устройства формирования области, не содержащей топлива, в горизонтальном направлении. Предпочтительно, чтобы устройство формирования области, не содержащей топлива, содержало нижнюю полусферу устройства 11 формирования области, не содержащей топлива, и верхнюю полусферу устройства 14 формирования области, не содержащей топлива. Указанное устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, содержит нижнюю полусферу устройства 10 конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, и верхнюю полусферу устройства 13 конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива. Конец механического захвата 12-1 перемещается в горизонтальном направлении вдоль механического манипулятора 12-2 непосредственно к месту, на которое устройство 9 позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника устанавливает сферический сердечник, другой же конец находится непосредственно над штампом верхней полусферы устройства 14 формирования области, не содержащей топлива. Указанное устройство может выполнять такие действия, как захват, подъем, горизонтальное перемещение, опускание, установка сферических сердечников и т.д.

При этом предпочтительно, чтобы устройство формирования области, не содержащей топлива, содержало подвижную опорную пластину 11-1 для размещения штампа, зонд для идентификации уровня матричного порошка и дугообразный скребок 11-3 для формирования сферического топливного элемента; причем центр дугообразного скребка 11-3 находится на вертикальной оси штампа. Предпочтительно, чтобы нижняя полусфера устройства 11 формирования области, не содержащей топлива, содержала поворотную опорную пластину 11-1 для размещения нижней половины штампа окончательного прессования, кронштейн 11-2, который приводится в действие посредством цилиндра и может перемещаться вверх и вниз, а дугообразный скребок 11-3 крепится вертикально под кронштейном, при этом опорная пластина 11-1 приводится в движение двигателем для осуществления вращения. Пара зондов, применяемых для идентификации уровня матричного порошка, устанавливается под подвижным кронштейном 11-2, при этом, при достижении матричным порошком указанных зондов, указанное устройство 10 конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, останавливает работу в нижней полусфере, причем цилиндр давит на подвижный кронштейн для того, чтобы переместить его вверх. Предпочтительно, чтобы указанная верхняя полусфера устройства 13 конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, могла содержать опорную пластину 13-1 для размещения верхней половины штампа окончательного прессования, пару зондов 13-2, применяемых для идентификации уровня матричного порошка, при этом опорная пластина 13-1 приводится в движение двигателем для осуществления вращения, а зонды находятся около отверстия для загрузки порошка штампа окончательного прессования, при этом, в случае достижения зондов матричным порошком, устройство 13 конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, останавливает работу в верхней полусфере. Предпочтительно, чтобы верхняя и нижняя полусферы устройства формирования области, не содержащей топлива, могли быть расположены на опорных пластинах 4, равномерно распределенных на поворотной плите, при этом опорные пластины 4 могут быть, соответственно, использованы для формирования области, содержащей топливо, в нижней половине штампа, размещения сферического сердечника и накрытия верхней половиной штампа, формирования области, не содержащей топлива, в верхней половине штампа, а также замены штампов.

Сырые сферы, которые имеют диаметр немного больше желаемого размера, прессуются под давлением не меньшем, чем 300 МПа посредством штампа окончательного прессования после системы формирования, не содержащей топлива, и окончательно, посредством системы прессования сырой сферы, при этом система прессования сырой сферы может быть реализована квазиизостатической прессовальной вакуумной гидравлической машиной.

Процессы формообразования сферического топливного элемента и прессования сырых сфер с использованием устройства для формирования сферического топливного элемента, описанного выше, заключаются в следующем:

S1: партию графита в качестве матричного порошка для сферического сердечника и матричного порошка для области, не содержащей топлива, загружают в первый бункер устройства с количественной оценкой конвейерной доставки матричного порошка для сферического сердечника и устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, соответственно;

S2: в случае нахождения контейнера для материалов на устройстве конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции непосредственно под винтовым питателем, некоторое количество порошка матричного графита добавляют внутрь контейнера для материалов автоматически;

S3: 98% массы частиц ядерного топлива, содержащей 250 г U, ссыпают во второй загрузочный бункер устройства для равномерного распределения частиц ядерного топлива, разделяют на 50 равных частей и помещают в цилиндрические контейнеры; оставшиеся 2% частиц ядерного топлива добавляют в вибрационный питатель, при этом частицы ядерного топлива в цилиндрических контейнерах поступают в подвешенный к нижней части весов дозирующий бункер посредством вращающихся цилиндрических контейнеров, при этом для точной регулировки требуемое количество добавляется посредством вибрационного питателя;

S4: в то время как контейнер для материалов на цепи устройства конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции направляется для того, чтобы быть герметично расположенным под дозирующим бункером, частицы ядерного топлива в дозирующем бункере добавляются в контейнер для материалов, который уже содержит квалифицированное количество порошка матричного графита;

S5: цепь устройства конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции осуществляет конвейерную доставку контейнера для материалов, содержащего частицы ядерного топлива и порошок матричного графита, к рабочему месту первичного перемешивающего устройства, которое равномерно перемешивает частицы ядерного топлива и порошок матричного графита;

S6: цепь устройства конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции также осуществляет конвейерную доставку перемешанных частиц ядерного топлива и порошка матричного графита к устройству разгрузки пресс-формы, которое заполняет штамп сферического сердечника перемешанными частицами ядерного топлива и порошком матричного графита;

S7: штамп сферического сердечника, заполненный материалом, помещают на вторичное перемешивающее устройство для перемешивания;

S8: штамп сферического сердечника, заполненный материалом, помещают на устройство прессования сферического сердечника для прессования в сферические сердечники, а спрессованные сферические сердечники располагают на бобышках устройства позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника;

S9: активизируется устройство формирования области, не содержащей топлива, и поворотная плита поворачивает его на 90°, и приводит в движение опорные пластины на поворотной плите таким образом, что нижняя половина штампа на опорной пластине перемещается к следующей рабочей станции, при этом квалифицированное количество порошка матричного графита подается к нижней половине штампа посредством нижней полусферы устройства конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива;

S10: активизируется устройство позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника, и механический манипулятор управляет механическим захватом с тем, чтобы укладывать еще не спрессованные сферические сердечники в нижнюю половину штампа, содержащего порошок матричного графита, так что сферический сердечник оказывается в середине полости штампа;

S11: нижняя половина штампа накрывается верхней половиной штампа, поворотная плита устройства формирования области, не содержащей топлива, начинает поворот еще на 90° таким образом, что штамп перемещается к следующей рабочей станции, при этом верхняя полусфера устройства конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, вводит квалифицированное количество порошка матричного графита в полость штампа.

S12: после этого штамп отделяется от поворотной плиты устройства формирования области, не содержащей топлива, и помещается в квазиизостатическую прессовальную вакуумную гидравлическую машину для прессования в сырые сферы.

Устройство формирования сферического топливного элемента, в соответствии с данным изобретением, размещенное в соответствии с эксплуатацией технологического процесса поточной линии, является компактным по конструкции и удобным в работе. Все соединения устройств целесообразны. Процесс эксплуатации устройства имеет хорошую логическую взаимосвязь и легко поддается автоматизации. С использованием системы формирования области, не содержащей топлива, указанные сырые сферы после окончательного прессования имеют высокую степень сферичности. Требуется лишь небольшой припуск на финишную отделку, при этом расход порошка матричного графита уменьшается, а стоимость топливного элемента снижается.

В дополнение, с использованием устройства для равномерного распределения ядерного топлива и устройства для точного количественного определения частиц ядерного топлива, полученное соотношение ядерного топлива и матричного порошка является точным, поэтому окончательная скорость производства указанных сферических топливных элементов, подготовленных устройством формирования сферического топливного элемента по данному изобретению, является высокой.

Хотя варианты реализации данного изобретения были описаны вместе с сопроводительными графическими материалами, специалистами в данной области техники могут быть внесены различные изменения и вариации, не отходя от духа и объема данного изобретения, и такие изменения и вариации входят в границы объема и содержания, определенные прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к устройству формирования сферического топливного элемента. Устройство включает систему формирования области, содержащей топливо, систему формирования области, не содержащей топлива, и систему прессования сырой сферы, соединенные последовательно. Система формирования области, содержащей топливо, используется для равномерного смешивания порошка субстрата для сферического сердечника с частицами ядерного топлива и последующего прессования смеси в сферические сердечники. Система формирования зоны, не содержащей топливо, используется для изготовления сферических топливных элементов из сферических сердечников, покрытых порошком субстрата, не содержащим топлива. Система прессования сырой сферы используется для прессования сырых сфер в сферические топливные элементы. Техническим результатом является компактность конструкции, возможность автоматизации процесса эксплуатации, повышение степени сферичности сферических заготовок, а также повышение скорости производства продукции. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство формирования сферического топливного элемента, содержащее:

систему формирования области, содержащей топливо, систему формирования области, не содержащей топлива, и систему прессования сырой сферы, которые соединены последовательно, при этом

система формирования области, содержащей топливо, используется для равномерного смешивания матричного порошка для сферического сердечника с частицами ядерного топлива и последующего прессования смешанного матричного порошка для сферического сердечника и частиц ядерного топлива в сферические сердечники;

система формирования зоны, не содержащей топлива, используется для изготовления сферического топливного элемента из сферических сердечников, покрытых матричным порошком, не содержащим топлива;

система прессования сырой сферы используется для прессования сырых сфер в сферические топливные элементы.

2. Устройство формирования сферического топливного элемента по п. 1, отличающееся тем, что система формирования области, содержащей топливо, содержит:

устройство (1) с количественной оценкой конвейерной доставки матричного порошка для сферического сердечника;

устройство (2) для равномерного распределения частиц ядерного топлива;

устройство (3) для точного количественного анализа частиц ядерного топлива;

первичное перемешивающее устройство (4);

устройство (5) разгрузки пресс-формы, вторичное перемешивающее устройство (7) и устройство прессования сферического сердечника (8), соединенные последовательно;

причем устройство (1) с количественной оценкой конвейерной доставки матричного порошка для сферического сердечника, устройство (3) для точного количественного анализа частиц ядерного топлива, первичное перемешивающее устройство (4) и устройство (5) разгрузки пресс-формы соединены посредством устройства (6) конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции;

при этом устройство (1) с количественной оценкой конвейерной доставки матричного порошка для сферического сердечника точно и в требуемом количестве осуществляет конвейерную доставку матричного порошка для сферического сердечника устройству (6) конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции;

а устройство (2) для равномерного распределения частиц ядерного топлива и устройство (3) для точного количественного анализа частиц ядерного топлива точно и в требуемом количестве осуществляет конвейерную доставку ядерного топлива устройству (6) конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции;

и устройство (6) конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции осуществляет конвейерную доставку матричного порошка для сферического сердечника и ядерного топлива первичному перемешивающему устройству (4);

а первичное перемешивающее устройство (4) равномерно перемешивает матричный порошок для сферического сердечника и ядерное топливо;

причем устройство (6) конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции передает матричный порошок для сферического сердечника и ядерное топливо, прошедшие через первичное перемешивающее устройство (4) в устройство (5) разгрузки пресс-формы;

устройство (5) разгрузки пресс-формы заполняет штамп (7-0) сферического сердечника матричным порошком для сферического сердечника и ядерным топливом, которые равномерно перемешаны;

вторичное перемешивающее устройство (7) перемешивает матричный порошок для сферического сердечника и ядерное топливо в штампе (7-0) сферического сердечника;

устройство (8) прессования сферического сердечника прессует порошок для сферического сердечника и ядерное топливо в сферический сердечник в штампе сферического сердечника.

3. Устройство формирования сферического топливного элемента по п. 2, отличающееся тем, что устройство (1) с количественной оценкой конвейерной доставки матричного порошка для сферического сердечника содержит первый загрузочный бункер для хранения порошка для сферического сердечника и винтовой питатель на дне загрузочного бункера, при этом количество доставляемого конвейером матричного порошка для сферического сердечника регулируется временем подачи винтового питателя.

4. Устройство формирования сферического топливного элемента по п. 2, отличающееся тем, что устройство (2) для равномерного распределения частиц ядерного топлива содержит вращающийся второй загрузочный бункер (2-1) для приема ядерного топлива, распределительную трубу (2-2), соединенную со вторым загрузочным бункером (2-1), и множество цилиндрических контейнеров (2-3) для приема ядерного топлива, которое распределено распределительной трубой (2-2);

устройство (3) для точного количественного анализа частиц ядерного топлива содержит весы (3-1) с функцией нижней подвески, дозирующий бункер (3-2), подвешенный к низу весов (3-1), и вибрационный питатель (3-3) для добавления ядерного топлива в дозирующий бункер (3-2) и способный накапливать ядерное топливо;

при этом днища цилиндрических контейнеров (2-3) снабжены трубами, через которые ядерное топливо в цилиндрических контейнерах (2-3), вращающихся на месте, транспортируется в дозирующий бункер (3-2) посредством вращающегося множества цилиндрических контейнеров (2-3).

5. Устройство формирования сферического топливного элемента по п. 2, отличающееся тем, что устройство (6) конвейерной доставки контейнера для материалов рабочей станции содержит инфракрасный датчик положения, цепь, приводимую в движение двигателем, и множество контейнеров (6-2) для материалов, смонтированных на цепи;

при этом инфракрасный датчик положения используется для определения соответствия положения отверстий во множестве контейнеров (6-2) для материала конвейерному отверстию (6-1) устройства (1) конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для сферического сердечника положению выпускного отверстия дозирующего бункера (3-2) устройства (3) для точного количественного анализа частиц ядерного топлива, первичного перемешивающего устройства (4) и устройства (5) разгрузки пресс-формы, соответственно.

6. Устройство формирования сферического топливного элемента по п. 2, отличающееся тем, что вторичное перемешивающее устройство (7) содержит опорную пластину (7-1) для размещения штампа (7-0) сферического сердечника, который заполнен матричным порошком для сферического сердечника и ядерным топливом, кронштейн (7-3) и вращающуюся перемешивающую головку (7-2), установленную на кронштейне;

при этом перемешивающая головка (7-2) проходит во внутренней полости штампа (7-0) сферического сердечника;

причем при рабочих условиях, перемешивающая головка (7-2) приводится в движение двигателем для перемешивания матричного порошка для сферического сердечника и ядерного топлива в штампе (7-0) сферического сердечника;

а опорная пластина (7-1) выполнена с возможностью вращения и приведения во вращение двигателем, причем направление вращения опорной пластины (7-1) противоположно направлению вращения перемешивающей головки (7-2).

7. Устройство формирования сферического топливного элемента по п. 2, отличающееся тем, что устройство (8) прессования сферического сердечника содержит наружную муфту (8-1), которая может перемещаться вверх и вниз, верхний пуансон (8-2), зафиксированный в наружной муфте (8-1), и нижний пуансон (8-3), который может перемещаться вверх и вниз;

при этом наружный диаметр штампа (7-0) сферического сердечника является таким же, как внутренний диаметр наружной втулки (8-1), а наружный диаметр верхнего пуансона (8-2) и наружный диаметр нижнего пуансона (8-3) также соответствуют друг другу.

8. Устройство формирования сферического топливного элемента по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что система формирования области, не содержащей топлива, содержит устройство (9) позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника, устройство (12) позиционирования и переноса сферического сердечника, устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, и устройство формирования области, не содержащей топлива, расположенные последовательно;

причем устройство (9) позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника соединено с устройством формирования области, не содержащей топлива, посредством устройства (12) позиционирования и переноса сферического сердечника;

устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, соединено с устройством формирования области, не содержащей топлива;

при этом устройство (9) позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника и устройство (12) позиционирования и переноса сферического сердечника используются для переноса сферических сердечников к устройству формирования области, не содержащей топлива;

устройство конвейерной доставки с количественной оценкой матричного порошка для области, не содержащей топлива, осуществляет конвейерную доставку матричного порошка устройству формирования области, не содержащей топлива; устройство формирования области, не содержащей топлива, выполнено с возможностью осуществления покрытия указанных сферических сердечников указанным матричным порошком таким образом, чтобы изготовить указанный сферический топливный элемент.

9. Устройство формирования сферического топливного элемента по п. 8, отличающееся тем, что устройство (9) позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника содержит диск (9-1), который можно поворачивать позиционно, при этом множество бобышек (9-2) для размещения сферических сердечников распределено равномерно на диске (9-1);

устройство (12) позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника содержит механический захват (12-1), а также механический манипулятор (12-2) для перемещения механического захвата (12-1) в горизонтальном или вертикальном направлении;

причем диапазон перемещений механического захвата (12-1) в горизонтальном направлении варьируется от позиции непосредственно над бобышками (9-2) устройства (9) позиционирования и конвейерной доставки сферического сердечника до позиции непосредственно над штампом устройства формирования области, не содержащей топлива.

10. Устройство формирования сферического топливного элемента по п. 8, отличающееся тем, что устройство формирования области, не содержащей топлива, содержит подвижную опорную пластину для размещения штампа, зонд, предназначенный для идентификации уровня матричного порошка, и дугообразный скребок, используемый для формирования сферического топливного элемента; при этом центр дугообразного скребка находится на вертикальной оси штампа.