СПОСОБ ГОРЯЧЕГО ИЗОСТАТИЧЕСКОГО ПРЕССОВАНИЯ ЗАГОТОВКИ СТЕРЖНЯ ТОПЛИВНОГО СЕРДЕЧНИКА КЕРМЕТНОГО ТВЭЛА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
METHOD FOR HOT ISOSTATIC PRESSING CERMET ROD OF NUCLEAR REACTOR FUEL ELEMENT

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности, к способам изготовления керметных стержней топливных сердечников тепловыделяющих элементов (твэл) 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, М.: Атомная энергия, 2004, т.96, вып.4, с.280), причем стержни капсулируются в оболочку из циркониевого сплава (см., например, Солонин М.И., Бибилашвили Ю.К. и др. Цирконий-ниобиевые сплавы для оболочек твэлов и ТВС энергетических реакторов и установок типа ВВЭР и РБМК, Избранные труды ВНИИНМ, М.: ФГУП ВНИИНМ, т.1, с.65-69).
В качестве заготовки при изготовлении таких керметных стержней используется циркониевая трубка, заполненная порошком ядерного топлива и закрытая с двух сторон заглушками (см., например, Гаврилин С.С., Денискин В.П., Леонов А.В., Федик И.И. Заготовка стержня топливного сердечника керметного тепловыделяющего элемента ядерного реактора, Патент РФ № 2305333 от 15.03.2006, опубл. 27.08.2007, бюл. № 24). После капсулирования топлива в циркониевую оболочку производится обжатие заготовки и уплотнение топлива путем изостатического прессования (см., например, Гаврилин С.С., Пермяков Л.Н., Черников А.С. Композиционный материал для топливных сердечников дисперсионных твэлов, Патент РФ № 2139581 от 23.06.98, опубл. 10.10.99, бюл. № 28; Гаврилин С.С., Денискин В.П., Леонов А.В., Федик И.И. Способ изготовления керметного стержня топливного сердечника тепловыделяющего элемента ядерного реактора, Патент РФ № 2305334 от 15.03.2006, опубл. 27.08.2007, бюл. № 24).
Изостатическая передача давления при прессовании объектов указанного вида может осуществляться различными способами. Известен способ горячего изостатического прессования заготовки стержня топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора, в котором заготовку размещают в контейнере, подают в контейнер газовую рабочую среду, посредством которой передается давление на заготовку, нагревают контейнер и рабочую среду до температуры прессования и выдерживают заготовку под давлением необходимое время (см., например, Самойлов А.Г., Волков B.C., Солонин М.Н. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов", М.: Энергоатомиздат, 1996, с.220). Для прессования указанной заготовки при температуре около 1000°С требуется давление газа не менее 100 МПа при времени прессования 1-1,5 часа. Обеспечение такого давления газа при высокой температуре и при значительных объемах выпуска продукции решается созданием сложного производственного оборудования, требует больших временных затрат и жесткой регламентации работы обслуживающего персонала с точки зрения выполнения правил техники безопасности.
С предлагаемым способом этот способ совпадает по операции размещения заготовки в контейнере, подаче в контейнер рабочей среды для передачи давления на заготовку, нагреве контейнера и рабочей среды до температуры прессования и выдержке заготовки под давлением необходимое время.
Известен также способ горячего изостатического прессования заготовки стержня топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора, в котором заготовку нагревают до температуры прессования, размещают заготовку в контейнере, зазоры между заготовкой и стенками контейнера заполняют предварительно расплавленной рабочей средой, в качестве которой используют стекло, устанавливают контейнер в пресс-форму пресса и прикладывают усилие прессования повышением давления рабочей среды при перемещении пуансона пресса (см., например, В.И. Уральский, В.С. Плахотин и др. Деформация металлов жидкостью высокого давления, М.: Металлургия, 1976, с.390).
Поскольку расплавленное стекло имеет высокую вязкость, то в этом способе велика вероятность образования в расплаве газовых пузырей, что влечет неравномерность прикладываемого давления по поверхности прессуемой заготовки и ее искривление. В результате снижается выход годных заготовок.
С предлагаемым способом этот способ совпадает по следующим существенным признакам:
- заготовку нагревают до температуры прессования вне пресса,
- размещают заготовку в контейнере,
- заполняют рабочей средой, в качестве которой используют стекло, зазоры между заготовкой и стенками контейнера,
- устанавливают контейнер в пресс-форму пресса,
- прикладывают усилие прессования повышением давления рабочей среды при перемещении пуансона пресса.
Известен также способ горячего изостатического прессования заготовки стержня топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора, в котором заготовку размещают в контейнере, заполняют промежутки между заготовкой и стенками контейнера рабочей средой в твердом состоянии, в качестве которой используют измельченное стекло, проводят дегазацию контейнера с заготовкой и рабочей средой в вакууме, устанавливают контейнер в пресс-форму пресса, нагревают контейнер в пресс-форме до температуры прессования и прикладывают усилие прессования повышением давления рабочей среды при перемещении пуансона пресса (см., например, Karl М., Vincent C., Microstructurally toughened metal matrix composite article and method of making same, US Pat. № 4885212, Dec.5, 1989).
Недостатком такого способа, как и предыдущего является высокая вероятность образования в расплаве стекла закрытых полостей, устранение которых затруднено вследствие высокой вязкости расплава. Такие полости, непредсказуемо объединяясь друг с другом, приводят к неравномерности распределения давления прессования по поверхности заготовки и, следовательно, к ее искривлению. В результате снижается выход годных заготовок. Кроме того, поскольку при расплавлении измельченного стекла происходит его значительная усадка, то для реализации этого способа требуется контейнер увеличенных размеров, что, в свою очередь, влечет увеличение энергетических затрат на разогрев пресса.
С предлагаемым способом этот способ совпадает по следующим существенным признакам:
- размещают заготовку в контейнере,
- в контейнер помещают рабочую среду, в качестве которой используют стекло в твердом состоянии,
- устанавливают контейнер в пресс-форму пресса,
- нагревают контейнер с заготовкой и рабочей средой до температуры прессования,
- прикладывают усилие прессования повышением давления рабочей среды при перемещении пуансона пресса.
Последний способ горячего изостатического прессования заготовки стержня топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора по совокупности существенных признаков наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.
3. Сущность изобретения
Предлагается способ горячего гидропрессования заготовки стержня топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора, заключающийся в том, что заготовку размещают в контейнере, в контейнер помещают рабочую среду, выполненную в виде брикета стекла, помещают брикет на дно контейнера, нагревают контейнер с заготовкой и рабочей средой до погружения заготовки в рабочую среду, устанавливают контейнер в пресс-форму пресса и прикладывают усилие прессования повышением давления рабочей среды при перемещении пуансона пресса. В отличие от прототипа, в предлагаемом способе рабочую среду выполняют в виде брикета, помещают ее на дно контейнера, заготовку устанавливают поверх брикета, контейнер с заготовкой и рабочей средой нагревают вне пресс-формы пресса до погружения заготовки в рабочую среду.
В силу указанного отличия погружение заготовки происходит под собственным весом в однородную рабочую среду, что значительно уменьшает вероятность образования пустот и, следовательно, передача давления на прессуемую заготовку становится более, по сравнению с прототипом, равномерной. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение выхода годной продукции.
4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Прессованию по предлагаемому способу был подвергнут блок из семи заготовок стержней топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора. Каждая заготовка представляла собой циркониевую трубу диаметром 9,1 мм, длиной 60 мм и толщиной стенки 0,7 мм. Труба заполнялась топливными сферами из диоксида урана диаметром 500 мкм и закрывалась с двух сторон заглушками. Как материал матрицы на топливные сферы наносилось покрытием толщиной 35 мкм из циркониевого сплава. Блок заготовок размещался в стальном контейнере с внутренним диаметром 46 мм поверх брикета массой 320 г из силиката натрия, выбранного в качестве рабочей среды. Контейнер вместе с блоком заготовок и брикетом рабочей среды нагревался в отдельной печи до температуры 1000°С в течение 30 мин. После погружения блока заготовок в стекло контейнер переносился в пресс-форму гидравлического пресса и блок заготовок подвергался прессованию при нагрузке 120 тонн и машинном времени 30 с. Отклонение формы спрессованных заготовок от цилиндрической не превосходило 100 мкм, что гарантированно позволяет уменьшить диаметр стержня при дальнейшей механической обработке (бесцентровом шлифовании) до требуемой величины 7,6 мм без вскрытия и разрушения топливных частиц.