СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
METHOD FOR MANUFACTURING OF NUCLEAR REACTOR FUEL ELEMENT

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к технологии изготовления тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерного энергетического реактора.
Одним из требований к конструкции твэлов стержневого типа является наличие под их оболочкой атмосферы заданного состава и давления. Необходимая атмосфера в твэле создается путем вакуумирования и последующего заполнения свободного объема под оболочкой твэла инертным газом - гелием. Величина давления может находиться в пределах от нескольких до двадцати и более атмосфер в зависимости от типа или модификации твэла. Этот параметр относится к основным параметрам, определяющим работоспособность твэла, в связи с чем технология его изготовления должна гарантировать выполнение этого требования. При изготовлении твэлов контроль давления гелия может осуществляется выборочно на отдельных твэлах от технологической партии путем прокола оболочки в специальном устройстве и замера давления соответствующими средствами измерения (см. Ф.Г.Решетников, Ю.К.Бибилашвили, И.С.Головнин. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Москва, Энергоатомиздат, т.2, стр 286. 1995 г.). Недостатком такого решения является использование для контроля годных твэлов, недостаточная точность контроля из-за наличия в устройстве для прокола и измерения давления свободных объемов и отсутствие гарантий утечки гелия после прокола оболочки. К недостаткам этого способа относится также выборочность такого контроля.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ изготовления твэлов, когда наличие гелия под оболочкой твэла гарантируется за счет использования неразрушающего контроля величины давления на специальной установке, размещенной в линии изготовления твэлов по ходу технологического потока вслед за сварочной установкой, осуществляющей герметизацию твэла (см. патент РФ №2140674) - прототип. Известный способ позволяет обеспечивать в твэлах требуемую величину давления без разрушения и повреждения оболочек. Однако он малопроизводителен, имеет достаточно большую погрешность, что нередко требует проведения повторного контроля, в результате увеличивается количество транспортно-технологических операций, отрицательно сказывающихся на качестве твэлов. Кроме этого, данный способ не исключает полностью разрушающий контроль твэлов в спорных случаях или при получении отрицательных значений. Кроме этого, данный способ не обеспечивает оперативность контроля, например, для случая наличия в заполняемой газом оболочке твэла сквозного дефекта, скорость истечения газа из которого такова, что падение давление в твэле за время перемещения его на позицию контроля давления составляет меньшую величину, чем допуск на его величину. В результате не исключаются случаи пропуска твэлов с крупными дефектами в оболочке в годную продукцию.
Технической задачей изобретения является снижение затрат на изготовление твэлов, повышение выхода годной продукции и надежности работы твэлов.
Решение технической задачи обеспечивается тем, что в способе изготовления твэлов, заключающемся в фиксации конца оболочки в оснастке сварочной установки, создании под оболочкой твэла атмосферы заданного состава и давления путем его вакуумирования и заполнения газом повышенного давления с последующей герметизацией контактно-стыковой сваркой и контроле заполнения газом до заданного давления, согласно изобретению контроль заполнения твэла газом до заданного давления осуществляют непосредственно в сварочной установке путем создания между торцами оболочки и заглушки зазора и измерения его величины при постоянном измерением величины давления газа, в том числе и при помощи датчика сварочного усилия сварочной установки, при этом величину зазора измеряют сначала до заполнения твэла газом, а затем после приложения сварочного усилия, с последующим сравнением полученных результатов и выдачей разрешения на сварку, если разница в полученных измерениях соответствует задаваемым значениям, при этом минимальную величину зазора устанавливают равной не менее 0,2 мм, а разницу в полученных измерениях - не более 0,5 мм. Перед приложением сварочного усилия определяют отсутствие электрического контакта между изолированными друг от друга частями сварочной установки, а в процессе заполнения твэла газом контролируют величину падения давления газа в задаваемый промежуток времени, для чего свободный объем сварочной установки, соединенный с внутреннем объемом твэла, на этот задаваемый промежуток времени отключают от газоподводящей магистрали.
Представленная совокупность признаков является новой, неизвестной из уровня техники и обеспечивает решение поставленной задачи.
Постоянное измерение давления газа в сварочной установке при наличии гарантированного зазора между торцами оболочки твэла и заглушки обеспечивает заполнение твэла газом до заданного давления. Если величина зазора менее 0,2 мм, то наблюдается дроссельный эффект, увеличивающий время наполнения твэла до требуемого давления, что может привести к изготовлению твэла с давлением ниже установленных норм. Максимальная величина зазора критична только с точки зрения возможностей сварочной установки и на величину давления газа влияния не оказывает. Дополнительным фактором контроля наличия давления газа в сварочном устройстве является показание датчика сварочного усилия, на который давление газа воздействует со стороны, противоположной направлению действия сварочного усилия, что повышает гарантии по изготовлению твэла с требуемыми характеристиками.
Измерение величины зазора в сварочной установке до начала подачи газа и после включения сварочного усилия, когда этот зазор выбирается, позволяет определить точность позиционирования торца трубы в сварочной оснастке, что предотвращает появление некачественных сварных соединений, являющихся причиной уменьшения давления газа под оболочкой в дальнейшем. Обычно точность позиционирования торца оболочки не определяется. Вместе с тем отклонение этого параметра от значения, задаваемого при настройке, может привести к появлению некачественных сварных соединений. Увеличение разброса значений этого параметра до 0,5 мм, например, за счет сдвига конца оболочки под действием сварочного усилия, свидетельствует о нарушении условий сварки, что может отразиться на качестве сварного соединения и на качестве твэла в целом.
В качестве дополнительного контроля, обеспечивающего наличие газа требуемого давления под оболочкой, может служить контроль за отсутствием электрического контакта между торцами трубы и заглушки, например, из-за несанкционированного прижатия их друг к другу. Параллельно этот контроль позволяет определить также отсутствие в системе токоподвода паразитных цепей, которые могут отрицательно повлиять на качество сварки.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена схема, иллюстрирующая реализацию способа.
На фиг.2. представлена схема взаимного расположения торцов оболочки и заглушки при создании под оболочкой требуемой атмосферы.
На фиг.3 приведены результаты графической визуализации контроля величины зазора (L).
Предложенный способ осуществляется следующим образом.
Промаркированная соответствующим номером оболочка 1 фиксируется в сварочной оснастке 2 за счет сжатия ее конца в радиальном направлении усилием (F) сварочной установки 3 по упору в торец заглушки 4, ранее установленной в электроде 5, находящемся в ползуне 6, на котором установлен датчик 7, фиксирующий перемещение этих устройств и заглушки 4. Ползун 6 связан с приводом сварочного усилия 8 через датчик сварочного усилия, установленный между ними (не показан). Управление электродом 5 осуществляется посредством штока 9, соединенного с отдельным исполнительным механизмом 10. Требуемое положение торца оболочки настраивается при подготовке сварочной установки к работе при зафиксированной электродом 5 заглушке. Свободный замкнутый объем сварочной установки герметизируется соответствующими механизмами (не показаны). Таким образом, после установки оболочки в оснастке 2 торец ее контактирует с торцом заглушки 4, перекрывая ей свободный проход внутрь оболочки. С целью образования такого прохода заглушка 4 вместе с электродом 5 и ползуном 6 смещается от торца оболочки вдоль оси на величину (L) (фиг.2). Для беспрепятственного создания в твэле атмосферы заданного состава и давления достаточной является величина смещения заглушки в пределах 0,2 мм. Однако из опыта работы известно, что в процессе вакуумирования снаряженного топливом твэла имеет место вынос из-под оболочки мелкодисперсной керамической пыли двуокиси урана, попадание которой на свариваемые поверхности оболочки и заглушки нежелательно. В связи с этим целесообразно величину зазора между торцами оболочки и заглушки выбирать, по крайней мере, равной 1 мм. Величина смещения электрода, а соответственно, и заглушки фиксируется датчиком 7 и системой управления сварочной установки и запоминается в памяти системы контроля параметров (не показано). После этого производится откачка воздуха из свободного объема сварочной установки и твэла. Через задаваемый промежуток времени, определяемый опытным путем для каждого типа твэла и сварочной установки, после получения необходимого разрежения в сварочную установку подается газ требуемого давления. Величина этого давления настраивается на заданный диапазон заранее при помощи редуцирующих и измерительных устройств 11, установленных в газоподводящей линии. Предельные значения указанного диапазона меньше предельных значений требуемого давления под оболочкой твэла на величину погрешности измерительных устройств, использующихся для контроля. В течение всего времени заполнения твэла газом, которое может составлять от полутора до нескольких секунд в зависимости от конструкции твэла, величина давления непрерывно измеряется в сварочной установке датчиком 12. При необходимости проверяется отсутствие контакта между оболочкой и заглушкой, для чего ползун 6 и оснастка 2 подключаются на короткий промежуток времени в электрическую цепь источника сварочного тока, в котором генерируется ограниченный по мощности импульс. Отсутствие тока в этой цепи свидетельствует об отсутствии контакта «труба-заглушка». Однако использование такого контроля целесообразно, когда центр тяжести заглушки смещен в сторону ее хвостовика, расположенного в электроде 5, а в качестве фиксатора, удерживающего топливный столб от смещения, используют устройства, не выступающие за пределы компенсационного объема твэла. Кроме этого, в системе управления при необходимости может быть предусмотрен контроль положения электрода 5 по его крайним значениям. При достижении требуемого значения давления магистраль, по которой подводится газ к сварочной установке, перекрывается автоматическим клапаном, тем самым отсекается подпитка свободных объемов сварочного устройства и твэла газом. В течение задаваемого промежутка времени оценивается наличие и величина утечки газа из замкнутого объема, образованного свободным объемом сварочной установки и свободным объемом твэла. Если величина изменения давления не превышает задаваемого значения, то это является разрешающим фактором на выполнение сварки. Одновременно с этим наличие давления газа в сварочной установке может также оцениваться по датчику контроля сварочного усилия, на который это давление воздействует через ползун 6 со стороны, противоположной направлению действия сварочного усилия. После достижения требуемого давления в твэле и стабилизации его в сварочной установке приводом сварочного усилия торец заглушки прижимается к торцу оболочки, затем с нарастанием сварочного усилия (Р) в стыке до установленного значения измеряется обратный ход ползуна 6, и соответственно, электрода 5 и заглушки 4. Первоначально полученная величина перемещения заглушки (S) сравнивается с перемещением, полученным во второй раз, а вычислительным устройством системы контроля параметров рассчитывается разница этих значений. Если эта разница не превышает установленных границ, то подается команда на включение сварочного тока и заглушка вваривается в стенку оболочки. Одновременно также по датчику 7 контролируется общий ход механизмов привода сварочного усилия и заглушки с фиксированием полученных результатов в цифровом графическом виде и электронной памяти устройства контроля параметров (фиг.3). Таким образом, величина давления газа, необходимая в твэле, гарантируется за счет организации и проведения технологического контроля параметров в процессе герметизации твэла. Одновременно может фиксироваться и выдаваться информация о стабильности параметра выставления торца трубы в сварочной оснастке.
2
Примером конкретного выполнения предложенного решения является технология изготовления твэлов ВВЭР-1000, имеющих под оболочкой давление гелия от 18,5 до 22,5 кг/см.
2
Конструктивно твэл представляет собой трубчатую оболочку из сплава циркония. С одного конца предварительно к оболочке приваривается заглушка, после чего в нее загружаются топливные таблетки, имеющие осевое отверстие порядка 1-2 мм. Затем в твэл помещается фиксатор, и в таком положении твэл торцом подается в сварочную установку, в электроде которой, представляющем цанговый зажим, установлена и зажата в крайнем правом положении заглушка. Оболочка торцом упирается в заглушку и фиксируется сварочной оснасткой в положении, которое заранее определено при подготовке установки к работе. Обычно установка настраивается таким образом, что торец оболочки располагается от среза торца сварочной оснастки на расстоянии 0,8-1,5 мм. После этого свободный объем сварочной установки, в котором находится конец твэла, герметизируется соответствующими устройствами. Электрод с заглушкой, в зависимости от используемой сварочной установки, смещается от торца на расстояние не менее 1 мм. Величина хода фиксируется датчиком 7 и запоминается контролирующим устройством. Начинается вакуумирование внутреннего объема твэла. Если время вакуумирования до требуемого значения разрежения не превышает заданного значения, сварочная установка отключается от вакуумной магистрали и подключается к магистрали, заполненной газом (гелием) до давления порядка 19-21 кг/см, которое контролируется соответствующими датчиками. Величина давления в сварочной установке определяется по датчику 10, погрешность измерения которого не больше погрешности измерения датчиков, установленных в сети. При достижении заданного значения давления и выдержки в течение 1-3 с включается привод сварочного усилия, заглушка прижимается к торцу оболочки. Через 1-3 с измеряется величина хода электрода и вычисляется положение торца оболочки. Если положение торца оболочки осталось в пределах погрешности измерения датчика 7, которая составляет сотые доли миллиметра, то выдается команда на включение сварочного тока, и заглушка приваривается к оболочке. Величина зазора между торцами оболочки и заглушки, давление гелия в сварочной установке перед сваркой фиксируются средствами контроля и в дальнейшем предоставляются в отчете по результатам сварки партии твэлов. При отклонении контролируемых параметров от заданных процесс прекращается. Установка останавливается с выдачей информации о причинах остановки.