СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ СТЕРЖНЕЙ С ЦИРКОНИЕВОЙ ОБОЛОЧКОЙ
METHOD TO MANUFACTURE FUEL RODS WITH ZIRCONIUM SHELL

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности, к технологии изготовления тепловыделяющих элементов (твэлов) с керметными топливными стержнями.
2. Уровень техники
Одним из направлений в ядерной энергетике является использование твэлов, в которых тепловыделяющие сердечники набраны из керметных топливных стержней с циркониевой оболочкой (см., например, Федик И.И., Гаврилин С.С., Денискин В.П. и др. «Новое поколение твэлов на основе микротоплива для ВВЭР», «Атомная энергия», Москва, 2004, т.96, вып.4, с.280; Гаврилин С.С., Денискин В.П., Федик И.И., «Керметный тепловыделяющий элемент водоводяного ядерного реактора». Патент РФ №2313142 от 28.03.2006, опубл. 20.12.2007, бюл. №35).
В качестве заготовки при изготовлении таких керметных стержней используется циркониевая трубка, заполненная порошками ядерного топлива и материала матрицы 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 высокотемпературной дегазации заготовки и герметизации ее пайкой производится обжатие заготовки давлением инертного газа (Гаврилин С.С., Денискин В.П., Кочнов В.Ю., Федик И.И., «Способ изготовления керметного стержня топливного сердечника тепловыделяющего элемента ядерного реактора», Патент РФ №2371789 от 04.05.2008, опубл. 27.10.2009, бюл. №30).
Изготовление топливных стержней из таких заготовок может осуществляться различными способами.
Известен способ изготовления топливных стержней, 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, выдерживают заготовку под давлением необходимое время, выгружают заготовку из контейнера и производят механическую обработку заготовки до получения номинальных размеров стержня (см., например, Самойлов А.Г., Волков B.C., Солонин М.Н., "Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов", Энергоатомиздат, М., 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, выдержке заготовки под давлением необходимое время, выгрузке заготовки из контейнера и механической обработке.
Известен также способ изготовления топливных стержней, 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 прессформу пресса и прикладывают усилие прессования повышением давления рабочей среды при перемещении пуансона пресса, выгружают заготовку из контейнера, освобождают ее от рабочей среды и производят механическую обработку заготовки до получения номинальных размеров стержня (см., например, В.И.Уральский, B.C.Плахотин и др., "Деформация металлов жидкостью высокого давления", "Металлургия", М., 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 стержней.
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 прессформу пресса,
- прикладывают усилие прессования повышением давления рабочей среды при перемещении пуансона пресса,
- выгружают заготовку из контейнера,
- освобождают заготовку от рабочей среды,
- производят механическую обработку заготовки до получения номинальных размеров стержня.
Известен также способ изготовления топливных стержней, 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 прессформу пресса, нагревают контейнер в прессформе до температуры прессования и прикладывают усилие прессования повышением давления рабочей среды при перемещении пуансона пресса, выгружают заготовку из контейнера, освобождают заготовку от рабочей среды и производят механическую обработку заготовки до получения номинальных размеров стержня (см., например, Karl M., Vincent С., 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 стержней. 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 прессформу пресса,
- нагревают контейнер с заготовкой и рабочей средой до температуры прессования,
- прикладывают усилие прессования повышением давления рабочей среды при перемещении пуансона пресса,
- выгружают заготовку из контейнера,
- освобождают заготовку от рабочей среды,
- производят механическую обработку заготовки до получения номинальных размеров стержня.
Известен также способ изготовления топливных стержней, заключающийся в том, что заготовку размещают в контейнере, на дно контейнера помещают рабочую среду, выполненную в виде брикетов стекла, заготовку устанавливают поверх брикета, контейнер с заготовкой и рабочей средой нагревают в проходной печи вне пресса до погружения заготовки в рабочую среду, переносят контейнер в прессформу пресса, прикладывают усилие прессования повышением давления рабочей среды при перемещении пуансона пресса, выгружают заготовку из контейнера, освобождают заготовку от рабочей среды и производят механическую обработку заготовки до получения номинальных размеров стержня (Гаврилин С.С., Денискин В.П., Стафеева Н.В., Федик И.И. «Способ горячего изостатического прессования заготовки стержня топливного сердечника керметного твэла ядерного реактора». Патент РФ №2388081 от 04.05.2008, опубл. 27.04.2010).
В этом способе заготовка находится длительное время в воздушном потоке проходной печи, в результате чего циркониевая поверхность заготовки претерпевает различные физико-химические превращения, имеющие следствием повышенную адгезию стекла, препятствующую самопроизвольному удалению стекла с цилиндрической поверхности заготовки. Это явление определяет основной недостаток последнего способа - большая вероятность наличия на поверхности заготовки прочно связанных с ней стеклянных осколков, что вызывает искажение формы заготовки при механической обработке. Полное освобождение поверхности заготовки от остатков рабочей среды достигается автоклавированием заготовки и растворением стекла в воде при высокой температуре. Эта операция существенно усложняет технологию и снижает производительность производства стержней.
С предлагаемым способом этот способ совпадает по следующим существенным признакам:
- в цилиндрический контейнер загружают рабочую среду в виде стеклянных брикетов,
- устанавливают блок заготовок стержней поверх стеклянных брикетов,
- нагревают контейнер в проходной печи до температуры расплавления стекла и погружения в него блока заготовок,
- переносят контейнер в прессформу пресса,
- подвергают блок заготовок изостатическому прессованию,
- выгружают заготовки из контейнера,
- освобождают заготовки от рабочей среды,
- производят механическую обработку заготовок до получения номинальных размеров стержней.
Последний способ изготовления топливных стержней по совокупности существенных признаков наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.
3. Сущность изобретения
Предлагается способ изготовления топливных стержней с циркониевой оболочкой, заключающийся в том, что в цилиндрический контейнер загружают стеклянные брикеты, устанавливают блок заготовок стержней поверх стеклянных брикетов, нагревают контейнер в проходной печи до температуры расплавления стекла брикетов и погружения в нее блока заготовок, переносят контейнер в пресс-форму пресса, подвергают блок заготовок изостатическому прессованию, выгружают прессовку из контейнера, производят разблокировку заготовок и размерную механическую обработку заготовок до получения номинальных размеров стержней.
В отличие от прототипа после установки блока заготовок в контейнер его закрывают колпаком, который снимают перед переносом контейнера в прессформу.
Такое отличие обеспечивает уменьшение адгезии рабочей среды к поверхности заготовок и самопроизвольное освобождение поверхностей заготовок от стекла, что имеет следствием увеличение выхода годных стержней при дальнейшей механической обработке заготовок.
В развитие заявляемого способа предлагается на поверхность брикетов помещать более легкоплавкий по сравнению со стеклом брикетов слой стекла, например, в виде пудры. Такой слой, расплавляясь, предотвращает выброс жидкого стекла брикетов в колпак при начале погружения заготовок в рабочую среду, что обеспечивает съемность колпака при выходе контейнера из проходной печи.
4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Блок из семи заготовок топливных стержней с циркониевой оболочкой размещался в стальном контейнере с внутренним диаметром 46 мм поверх брикетов стекла их силиката натрия весом 320 г.Контейнер закрывался сверху колпаком из нержавеющей стали и помещался в проходную печь, где разогревался в течение 30 мин до температуры 1000°С. После погружения блока заготовок в рабочую среду на выходе из проходной печи колпак снимался, контейнер с блоком заготовок переносился в прессформу пресса и подвергался горячему изостатическому прессованию при нагрузке 120 тонн и машинном времени 30 с. Прессовка выгружалась из контейнера и после разблокировки заготовок освобождалась от стекла, причем стекло осыпалось самопроизвольно, а цилиндрическая поверхность заготовок имела черный цвет, что, в частности, свидетельствует о достехиометрическом составе оксидной пленки циркония. Таким образом, поверхности заготовок, поступающих на механическую размерную обработку, свободны от стеклянных включений, обеспечивают однородный съем материала и, следовательно, увеличивается выход годных стержней.