Горизонтальная толкательная установка спекания таблеток уран-плутониевого топлива Российский патент 2023 года по МПК G21C3/62 

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к технологическому нестандартизированному оборудованию линии изготовления таблеток уран-плутониевого топлива (СНУП и МОКС-топлива) и может быть использована в составе комплекса автоматизированного и роботизированного производства (ПЭК), обеспечивающего изготовление ТВС стартовой загрузки реакторов БН-1200 и БР-1200.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Процесс изготовления таблеток ядерного топлива заключается в формировании порошков уран-плутониевых оксидов или нитридов в сырые таблетки, которые затем спекаются до необходимой плотности. К спеченным таблеткам предъявляются довольно жесткие требования по плотности, микроструктуре, термической стабильности и другим параметрам, которые обеспечиваются соответствующими технологическими процессами на специальном технологическом оборудовании, преимущественно в виде газонаполненных многокамерных печей резистивного нагрева.

Известна установка спекания таблеток СНУП-топлива, включающая толкательную печь спекания и цепочку герметичных боксов, в которых размещено оборудование для взвешивания продукта, смены газовой среды, перемещения лодочек с таблетками, очистки газов и выполнения других технологических операций.

(В. Смирнов, «Наш коллектив способен решать большие и сложные задачи» https://www.atomic-energy.ru/interviews/2019/12/13/100034)

Известен способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов (RU 2256245 С2, опубл. 10.07.2005, бюл. 32), реализованный с помощью тоннельной печи спекания таблеток, оборудованной секциями нагревания, спекания в восстановительной среде водорода и охлаждения с помощью продвижения лодочек с прессованными "сырыми" таблетками через секции печи путем постепенной подготовки таблеток для последующей термообработки. Для этого секцию нагревания для удаления связующих компонентов (стеарата цинка) образуют из трех изолированных тепловыми барьерами зон с температурой постепенного нагрева таблеток, дополнительно образуют секцию предварительного нагрева с окончательным удалением связующего из двух изолированных тепловыми барьерами зон с более высокой температурой нагрева таблеток, секцию спекания таблеток образуют из трех высокотемпературных изолированных тепловыми барьерами зон с температурой, обеспечивающей спекания таблеток, а в последней зоне охлаждают таблетки посредством падения температуры.

Известное техническое решение печи спекания по изобретению RU 2256245 С2 можно принять за наиболее близкий аналог (прототип) по наибольшему количеству одинаковых с заявляемым изобретением существенных признаков.

Основной недостаток известной печи обусловлен применяемой технологией изготовления таблеток и заключается в следующем. Несмотря на постепенный нагрев таблеток с целью однозначного удаления связующего, спекание таблеток зачастую начинается задолго до достижения максимальной температуры. При этом в первую очередь происходит спекание и уплотнение поверхностных слоев таблетки. Уплотненный спеченный поверхностный слой таблетки затрудняет выход газообразных продуктов, в основном СО₂, в том числе углерода, содержащегося в стеарате цинка и углерода, введенного со связующим в оксид урана, что и приводит к растрескиванию или распуханию таблеток.

Во избежание этого необходимо процесс нагрева производить очень медленно, в течение 4-5 часов, выдерживать таблетки в высокотемпературной зоне до 6 часов, а продолжительность полного удаления цинка до остаточного доводить до 14 часов. При этом весь цикл производства таблеток от загрузки в печь до выгрузки из печи займет 30-35 часов, что удлиняет технологических процесс, а в целом снижает его производительность.

Сократить процесс изготовления таблеток можно, использовав другую технологию. Для этого нужно удаление связующего осуществлять в отдельной печи, а спекать таблетки в другой печи, осуществляя процесс удаления связующего и процесс спекания перемещением лодочек с таблетками по направляющим общего муфеля, расположенного в центре печей.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является создание новой горизонтальной толкательной установки для высокотемпературных термических процессов термообработки и спекания подготовленного полуфабриката уран-плутониевого ядерного топлива, обеспечивающей двухстадийный процесс термической обработки в температурных зонах с различными газовыми средами.

Техническим результатом является повышение качества спеченных топливных таблеток.

Поставленная задача может быть реализована, а ее технический результат может быть достигнут посредством конкретного технического решения изобретения, заключающегося в том, что:

- горизонтальная толкательная установка спекания таблеток уран-плутониевого топлива, содержит совместно расположенные в горизонтальной плоскости печи резистивного нагрева удаления связки и спекания таблеток, разделенные газовым барьером;

- печи включают модули загрузки и выгрузки транспортных контейнеров с лодочками, загруженными топливными таблетками, проходные муфели, расположенные по центру внутреннего пространства обеих печей и холодильник;

- муфели печей удаления связки и спекания установлены соосно друг другу и сочленены в единое целое, а транспортные контейнеры лодочек выполнены в виде поддона на роликах, перемещаемых по муфелям и установленных между кронштейнами в отверстиях овальной формы с гарантированным зазором;

- поддон и кронштейны связаны между собой крепежными элементами, например, винтами, с возможностью образования гарантированного зазора между днищем и лодочкой.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного изобретения в сравнении с ее аналогами свидетельствует, что из известного уровня техники на дату подачи заявки не известно и не следует явным образом для «среднего специалиста» в данной области техники устройство того же назначения, что и заявленное изобретение, в котором бы применялась вся совокупность приведенных в независимом пункте формулы и раскрытых в описании существенных признаков.

При этом предложенная совокупность существенных признаков не является очевидной и обеспечивает возникновение у заявленного изобретения новых свойств, позволяющих реализовать поставленную задачу, что означает ее соответствие критерию «новизна».

В целом конструкция заявленного изобретения технологична в изготовлении, поэтому ее производство не представляет технических трудностей, что свидетельствует о соответствии изобретения также и критерию «промышленная применимость».

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 показан общий вид установки спекания;

На фиг. 2 показан модуль загрузки;

На фиг. 3 показан общий вид печи удаления связки;

На фиг. 4 показана печь удаления связки в разрезе;

На фиг. 5 показана печь спекания в разрезе;

На фиг. 6 показан транспортный контейнер с лодочкой.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее со ссылками на сопроводительные рисунки описан предпочтительный вариант реализации предполагаемого изобретения.

Как видно из фиг. 1 предлагаемое изобретение горизонтальной толкательной установки спекания таблеток уран-плутониевого топлива включает в себя модуль загрузки 1, печь удаления связки 2 (здесь и далее термин «удаление связки» эквивалентен термину «удаление связующего») газовый барьер 3, печь спекания таблеток 4, холодильник 5, модуль выгрузки 6.

На фиг. 2 показан модуль загрузки 1. Модуль включает камеру загрузки 9, камеру 10 подачи в муфель печи удаления связки 2, линейные приводы перемещения 11, манипулятора 12 и выходного шлюза 13 с фланцем и быстроразъемными зажимами для соединения с муфелем печи удаления связки. Линейные приводы 11 и манипулятор 12 имеют фланцы, позволяющие в конечном положении перекрывать пространство между камерами 9, 10 и выходным патрубком, герметизируя внутренние полости друг от друга.

На фиг. 3 показан общий вид печи удаления связки 2. Печь включает камеру нагрева 14, с крышкой 15 и муфелем 20. На крышке 15 на фланцевых патрубках установлены нагреватели 17, зафиксированные зажимами 16. Нагреватели 17 через токовводы 18 подключаются к электрической сети. Термоэлектрические преобразователи 19 служат для измерения температуры в печи и управления нагревателями 17. Муфель 20 служит для транспортировки контейнера 21 с лодочкой, загруженной таблетками.

На фиг. 4 показана печь удаления связки 2 из спекаемого продукта в разрезе. Печь снабжена теплоизоляцией 23 из высокотемпературных плит, с перегородкой 24, образующей две тепловые зоны: предварительного нагрева и зона нагрева и выдержки до температуры удаления связки. Муфель 20 имеет патрубок 22 для удаления продуктов связки.

На фиг. 5 показана печь спекания 4 в разрезе. Секция включает корпус 32 с теплоизоляцией 30 и системой водяного охлаждения 31, изолированной с двух сторон крышками 26. Крышки 26 крепятся к корпусу быстросъемными зажимами 33. Внутри корпуса 32 находится проходной муфель 25 с вытяжным патрубком 29, по которому удаляются газы продукта переработки. Печь спекания 4 содержит нагреватели 27, прифланцованные к корпусу 32. Токовводы 28 нагревателей 27 подключены к системе водяного охлаждения 31.

На фиг. 6 показан транспортный контейнер 21 с лодочкой 35. Транспортный контейнер 21 включает поддон 36, установленный на кронштейнах 37 и прикрепленный к ним винтами 41. Между кронштейнами 37 установлены ролики 40, позволяющие транспортному контейнеру 21 перемещаться по муфелям 20 и 25 печей удаления связки 2 и спекания 4. Кронштейны 37 имеют отверстия 38 и выступы 39. Выступы 39 и ролики 40 повторяют частично форму муфелей 20 и 25 в которых они перемещаются. Отверстия 38 в кронштейнах 37 выполнены овальными с гарантированным зазором по отношению к осям роликов 40.

Транспортный контейнер 21 с лодочкой 35 из внешнего транспортного коридора попадает в загрузочное устройство, в котором при помощи линейных приводов 11 и манипулятора 12 попадает в муфель 20 печи удаления связки 2, а далее через газовый барьер 3 в печь спекания и через холодильник 5 на выход в модуль выгрузки 6.

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к технологическому оборудованию линии изготовления таблеток уран-плутониевого топлива. Горизонтальная толкательная установка спекания таблеток уран-плутониевого топлива содержит совместно расположенные в горизонтальной плоскости печи резистивного нагрева удаления связки и спекания таблеток, разделенные газовым барьером, включающие модули загрузки и выгрузки транспортных контейнеров с лодочками, загруженными топливными таблетками, проходные муфели, расположенные по центру внутреннего пространства обеих печей, и холодильник. Муфели печей удаления связки и спекания установлены соосно друг другу и сочленены в единое целое, а транспортные контейнеры лодочек выполнены в виде поддона на роликах, перемещаемых по муфелям и установленных между кронштейнами в отверстиях овальной формы с гарантированным зазором. Изобретение позволяет повысить качество спеченных топливных таблеток. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Горизонтальная толкательная установка спекания таблеток уран-плутониевого топлива, содержащая совместно расположенные в горизонтальной плоскости печи резистивного нагрева удаления связки и спекания таблеток, разделенные газовым барьером, включающие модули загрузки и выгрузки транспортных контейнеров с лодочками, загруженными топливными таблетками, проходные муфели, расположенные по центру внутреннего пространства обеих печей, и холодильник, отличающаяся тем, что муфели печей удаления связки и спекания установлены соосно друг другу и сочленены в единое целое, а транспортные контейнеры лодочек выполнены в виде поддона на роликах, перемещаемых по муфелям и установленных между кронштейнами в отверстиях овальной формы с гарантированным зазором.

2. Горизонтальная толкательная установка спекания по п. 1, отличающаяся тем, что поддон и кронштейны связаны между собой крепежными элементами, например винтами, с возможностью образования гарантированного зазора между днищем и лодочкой.