ЗАГЛУШКА ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
FUEL PLUG OF NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к атомной энергетике, преимущественно к конструкции заглушек стержневого тепловыделяющего элемента (твэла) ядерного реактора, предназначенных для контактно-стыковой сварки с оболочкой твэла.
Промышленные способы контактно-стыковой сварки (КСС) заглушек с оболочками стержневых твэлов делятся на две большие группы: со свободным формированием грата и с принудительным формированием грата специальным устройством, для этого предназначенным (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. В 2 кн. Кн. 2 / Ф.Г.Решетников, Ю.К.Бибилашвили, И.С.Головин и др. / Под ред. Ф.Г.Решетникова. - М.: Энергоатомиздат, 1995, с.217-221).
Недостатком способа со свободным формированием грата является невозможность получения сварного соединения, размеры которого не превышали бы диаметр оболочки твэла. Если конец твэла с таким сварным соединением проталкивается через дистанционирующие решетки каркаса при сборке пучка тепловыделяющей сборки, то возникает необходимость введения дополнительной технологической операции по удалению грата.
Способ с принудительным формированием грата специальными устройствами, для этого предназначенными, в свою очередь, делится на два. В первом принудительное формирование грата осуществляется с превышением над наружным диаметром оболочки (см. патент Японии №8122472 от 17.05.1996 г., патент США №5513230 от 30.04.1996 г.). Хотя эти способы и позволяют значительно снизить превышение размеров грата над диаметром оболочки, но сохраняются такие же недостатки, как и у способа со свободным формирование грата: требуется введение дополнительной технологической операции по удалению грата.
Во втором способе с принудительным формированием грата используется специальное устройство, не позволяющее ему выходить за наружный диаметр оболочки, которое направляет весь выдавливаемый в процессе сварки наружный грат вдоль образующей оболочки твэла. Данный способ реализуется при производстве стержневых твэлов реакторов типа РБМК и ВВЭР; при этом используется заглушка специальной конструкции, продольное сечение которой представляет многоступенчатый профиль (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. В 2 кн. Кн. 2 / Ф.Г.Решетников, Ю.К.Бибилашвили, И.С.Головин и др. / Под ред. Ф.Г.Решетникова. - М.: Энергоатомиздат, 1995, с.185-186; 219-221). Недостатком данной заглушки для контактно-стыковой сварки с оболочкой твэла является отсутствие поверхностей плавного сопряжения ступенчатых элементов и поверхностей для равномерного упругого деформирования ячеек дистанционирующих решеток при проталкивании твэла при сборке пучка тепловыделяющей сборки. Заглушка, которая используется в качестве головного элемента твэла, упруго деформирующего ячейки дистанционирующих решеток, при сборке должна иметь либо обтекаемую форму, как, например, по патенту США №5282233, опубл. 25.01.1994 г., но у такой заглушки отсутствует элемент ее прикрепления к нижней решетке тепловыделяющей сборки; либо на период процесса сборки приходится использовать дополнительные деформирующие устройства (см. патент RU №2140674, опубл. 27.10.1999 г., бюл. №30, фиг.8), которые впоследствии удаляются, что снижает производительность автоматической сборочной линии.
Известен твэл, способ изготовления твэлов и устройство для его осуществления (см. патент RU 2082574, опубл. 27.06.1997 г., бюл. №18) (прототип). При реализации этого способа заглушку изготавливают ступенчатой из двух частей: часть, обращенную к оболочке, изготавливают с внешним диаметром D+(0,2-1,4)δ, с высотой (0,5-3)δ, а вторую - с диаметром, равным D±0,2δ, где D - внутренний диаметр оболочки, δ - толщина стенки оболочки. Недостатком данной заглушки для контактно-стыковой сварки с оболочкой твэла является отсутствие поверхностей плавного сопряжения ступенчатых элементов и поверхностей для равномерного деформирования ячеек дистанционирующих решеток при проталкивании твэла при сборке пучка тепловыделяющей сборки.
Известны также заглушки, продольное сечение которых представляет собой многоступенчатый профиль, состоящий из ввариваемой части, располагающейся после сварки внутри оболочки твэла, свариваемой части, которая участвует в формировании сварного соединения заглушки с оболочкой и содержит зону с измененной в результате сварки структурой, переходной части, которая служит для придания концу твэла требуемой формы, исходя из технологических требований, предъявляемых к его сборке, сварке, проталкивании через дистанционирующие решетки каркаса тепловыделяющей сборки, и условий эксплуатации, и хвостовика, посредством которого твэл дистанционируется в нижней решетке тепловыделяющей сборки и фиксируется от продольных перемещений при эксплуатации (см. патент NL №7702531, патент JP №59153195). Кроме этого, в свариваемой части заглушки имеются проточка и фаска, являющиеся технологическими элементами, обеспечивающие тепловой баланс свариваемых кромок и удобство подвода электрода сварочной горелки. Основным недостатком этих заглушек является невозможность их применения для герметизации оболочек твэлов контактно-стыковой сваркой, так как они предназначены для использования при сварке плавлением и совокупность их геометрических размеров не создает форму, необходимую заглушкам под контактно-стыковую сварку.
Технической задачей изобретения является повышение надежности работы тепловыделяющего элемента, заглушка которого приварена контактно-стыковой сваркой, при снижение затрат на его производство.
Решение задачи достигается тем, что заглушка тепловыделяющего элемента ядерного реактора, предназначенная для контактно-стыковой сварки с оболочкой тепловыделяющего элемента, продольное сечение которой представляет многоступенчатый профиль, состоящий из ввариваемой части заглушки, располагающейся после сварки внутри оболочки тепловыделяющего элемента, свариваемой части заглушки, которая участвует в формировании сварного соединения заглушки с оболочкой и содержит зону с измененной структурой, переходной части, которая служит для придания концу твэла требуемой формы, исходя из технологических требований, предъявляемых к его сборке, сварке, проталкивании через дистанционирующие решетки каркаса тепловыделяющей сборки, и условий эксплуатации, и хвостовика, посредством которого твэл дистанционируется и фиксируется в нижней решетке тепловыделяющей сборки, согласно изобретению отличается тем, что свариваемая часть заглушки дополнительно содержит элемент формирования грата в виде фаски, выполненной под углом 45° к образующей поверхности заглушки в ее свариваемой части, фаска расположена на расстоянии (4÷6)δ, где δ - толщина стенки оболочки, от поверхности холодного контакта свариваемой части заглушки с торцом оболочки, переходная часть заглушки имеет цилиндрический и конусный элементы, поверхность фаски сопряжена с поверхностью цилиндрического элемента переходной части заглушки, которая через радиус (0,7÷2)δ, в свою очередь, сопряжена с поверхностью конусного элемента переходной части заглушки, угол между образующей поверхности цилиндрического элемента переходной части заглушки и основанием конусного элемента переходной части заглушки с большим диаметром составляет 45°, а расстояние от основания конусного элемента заглушки с меньшим диаметром до поверхности холодного контакта свариваемой части заглушки с торцом оболочки составляет (8÷10)δ.
Наличие элемента формирования грата в виде фаски под углом 45° позволяет обеспечить плотное прилегание наружного грата, выдавленного в процессе сварки, к металлу заглушки без образования закрытых полостей и его расслоения на грат заглушки и грат трубы в виде раскрытой трещины, а соотношение размеров заглушки позволяет обеспечить получение качественного сварного соединения с ограниченным объемом грата, не выходящим за размер диаметра оболочки тепловыделяющего элемента, что позволяет повысить надежность работы твэла и снизить затраты на изготовление его элементов.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фигуре 1 представлено продольное сечение заявляемой заглушки.
На фигуре 2 представлено продольное сечение заглушки-прототипа типичной конструкции без ввариваемой и переходной частей.
На фигуре 3 представлено схематичное изображение холодного контакта заглушки и оболочки твэла.
На фигуре 4 представлен макрошлиф сварного соединения заглушки-прототипа.
На фигуре 5 представлен макрошлиф сварного соединения заявляемой заглушки.
На фигурах 6-10 представлены макрошлифы сварных соединений, подтверждающие оптимальные значения выбранных размеров заявляемой заглушки.
На фигуре 6 представлен макрошлиф заглушки с заявляемыми размерами, но без элемента формирования грата.
На фигуре 7 представлен макрошлиф заглушки с заявляемыми размерами с элементом формирования грата в виде кольцевой проточки.
На фигуре 8 представлен макрошлиф заглушки с заявляемыми размерами с элементом формирования грата в виде фаски под углом меньше 45°.
На фигуре 9 представлен макрошлиф заглушки без элемента формирования грата с размером от основания конусного элемента меньшего диаметра до поверхности холодного контакта свариваемой части заглушки больше оптимального.
На фигуре 10 представлен макрошлиф деформированной заглушки без элемента формирования грата с размером от основания конусного элемента меньшего диаметра до поверхности холодного контакта свариваемой части заглушки меньше оптимального.
На всех макрошлифах (на фиг.4 частично) заглушки представлены без хвостовика.
Заглушка предназначена для герметизации цилиндрических оболочек стержневых твэлов методом контактно-стыковой сварки. Заглушка данного назначения не имеет конструктивных элементов (отверстий), через которые заполняется внутренний объем твэла инертным газом, так как эта технологическая операция при контактно-стыковой сварке производится через зазор между заглушкой и оболочкой до образования холодного контакта между ними на позиции сварки.
Профиль продольного сечения заглушки показан на фиг.1. Он состоит из ввариваемой части (1), свариваемой части (2), переходной части (3) и хвостовика (4) заглушки.
Ввариваемая часть (1) после сварки располагается внутри оболочки твэла. Конструкция ввариваемой части может быть самая различная. В зависимости от ее функционального назначения она может исполнять роль опоры топливного столба или внутренних неактивных устройств твэла, или использоваться в качестве технологического элемента при сборке оболочки с заглушкой, или выполнять другое назначение, или отсутствовать вообще.
Свариваемая часть (2) является неотъемлемой частью заглушки. Может располагаться как внутри, так и снаружи оболочки твэла. Основной признак свариваемой части - наличие в ней после сварки зоны с измененной структурой основного материала. Конструкция свариваемой части зависит от способа сварки, которым герметизируется оболочка твэла. У заглушки-прототипа для контактно-стыковой сварки свариваемая часть образуется тремя поверхностями (фиг.2). Плоская поверхность (5) образует прямой угол с цилиндрической поверхностью (6), непосредственно за которой располагается цилиндрическая поверхность (7) меньшего диаметра. Диаметры поверхностей (6) и (7) больше внутреннего, но меньше наружного диаметра оболочки. Перепад диаметров этих поверхностей образует сварочный рельеф, облегчающий ведение процесса сварки. Ширина и диаметр поверхности (6) и диаметр поверхности (7) у заглушки-прототипа являются определяющими для формирования качественного сварного соединения.
У заявляемой заглушки свариваемая часть дополнительно снабжена элементом формирования грата (8) (фиг.1) в виде фаски под углом 45° к образующей поверхности заглушки, расположенной на расстоянии (4÷6)δ от плоскости холодного контакта свариваемой части с торцом оболочки, где δ - толщина оболочки тепловыделяющего элемента. Значение этого размера и угла фаски элемента формирования грата, равное 45°, установлено экспериментально. Макрошлиф сварного соединения оболочки и заглушки с заявляемыми размерами показан на фиг.5. Элемент формирования грата при оптимальных размерах способствует образованию грата, плотно прилегающего к металлу заглушки без расслоений, козырьков и образования полостей. При размере угла больше оптимального или при отсутствии элемента формирования грата, когда поверхность (7) (фиг.1) под углом 90° переходит в поверхность (9), заполнение гратом канавки, образующейся между торцом оболочки и торцом цилиндра, образованного поверхностью (9), происходит не полностью (см. фиг.7). Формируются полости как сообщающиеся с окружающей средой, так и замкнутые, что также ухудшает эксплуатационные характеристики твэла. Аналогичная ситуация возникает при выполнении элемента формирования грата в виде кольцевой проточки, образующей в продольном сечении прямоугольную ступеньку (фиг.8). При угле фаски элемента формирования грата меньше оптимального (фиг.9) также происходит увеличение размеров свариваемой части и массы заглушки. Образующийся козырек будет способствовать накоплению загрязнений и снижению эксплуатационных характеристик твэла.
Использование в качестве элементов формирования грата различных криволинейных поверхностей приводит к удорожанию процесса изготовления заглушек.
Переходная часть (3) (фиг.1) располагается снаружи оболочки твэла. Она состоит из цилиндрического (9), конического (10) элементов и различного вида сопрягающих поверхностей. В заявляемой конструкции заглушки сопряжение поверхностей цилиндрического (9) и конического (10) элементов производится по экспериментально установленному радиусу R, равному (0,7÷2)δ. При радиусе больше оптимального происходит сокращение протяженности образующих поверхностей (9) и (10). Это ухудшает условия подвода сварочного тока и расположения заглушки в цанговом устройстве (12) (фиг.3) сварочной установки. При радиусе меньше оптимального увеличивается усилие проталкивания твэла через ячейки дистанционирующих решеток каркаса, ухудшаются условия сборки пучка тепловыделяющей сборки. Через поверхности переходной части также осуществляется сопряжение от свариваемой части заглушки к хвостовику заглушки. В конструкции заглушки-прототипа переходная часть отсутствует - непосредственно со свариваемой частью сопрягается хвостовик. Форма поверхностей переходной части определяется особенностями технологии сборки и сварки заглушки с оболочкой твэла, технологическим процессом сборки твэлов в пучок тепловыделяющей сборки, конструктивными и эксплуатационными особенностями нижнего опорного узла тепловыделяющей сборки. Для контактно-стыковой сварки конструкция переходной части имеет существенное значение, так как через ее поверхности подводится сварочный ток и передается сварочное усилие. Цанговое устройство (12) сварочной установки может охватывать переходную часть полностью или частично (фиг.3). Сварочный ток и сварочное усилие предаются цанговым устройством через коническую поверхность (10). Экспериментально установлено оптимальное значение угла между основанием большего диаметра и образующей поверхности конуса (10) = 45°. При значении угла больше оптимального ухудшается центрирование заглушки в цанговом устройстве. Несимметрично увеличивается нагрузка на цилиндрическую часть (13) лепестков цангового устройства, что приводит к возникновению прижогов на поверхности (9). Возрастает усилие проталкивания твэла через пружинящие ячейки дистанционирующих решеток каркаса при сборке пучка тепловыделяющей сборки из-за ухудшения центрирующих свойств конической поверхности переходной части. При значении угла меньше оптимального увеличиваются габаритные размеры и масса заглушки. При приложении сварочного усилия увеличивается расклинивающее действие на лепестки цангового устройства, что может также приводить к нарушению контакта лепестков с поверхностью (9). Экспериментально установлено оптимальное расстояние между поверхностью холодного контакта (5) свариваемой части (2) и основанием меньшего диаметра усеченного конуса (поверхность 10) переходной части (3) (8÷10)δ. Отступление от оптимального значения этого размера даже при наличии элемента формирования грата в виде фаски под углом 45° приводит не только к нарушению процесса формирования грата, но и вызывает затруднения в получении качественного сварного соединения. Макрошлиф сварного соединения без элемента формирования грата, где размер превышает оптимальный, показан на фиг.9. При увеличении массы заглушки резко сокращаются размеры зоны с измененной структурой. При формировании грата над поверхностью (7) (фиг.1) образуется козырек из грата трубы (более горячей) (фиг.9), под которым будут скапливаться загрязнения, присутствующие в теплоносителе, и развиваться неконтролируемые процессы взаимодействия с окружающей средой. При расстоянии между поверхностью холодного контакта (5) свариваемой части (2) и основанием меньшего диаметра усеченного конуса меньше оптимального уменьшается масса заглушки, при пропускании сварочного тока наступает преждевременное теплонасыщение заглушки, перегрев и недопустимая деформация поверхностей переходной части в результате приложения сварочного усилия (см. фиг.10).
Процесс сварки оболочки твэла с заявляемой заглушкой реализуется следующим образом.
После ряда операций, связанных с загрузкой заглушки в цанговое устройство (12) (фиг.3) и оболочки твэла (14) в цанговое устройство (15), предназначенное для подвода сварочного тока к оболочке и формирования грата в процессе сварки, поверхность (5) (фиг.1) заглушки при приложении сварочного усилия вводится в соприкосновение с торцом оболочки (14) (фиг.3), образуя холодный контакт свариваемых деталей. К цанговым устройствам (12) и (15), последовательно входящим во вторичный контур сварочной установки, прикладывается напряжение, через контактирующие поверхности свариваемых деталей начинает протекать сварочный ток, происходит разогрев определенных участков заглушки и оболочки. Под действием сварочного усилия (P) начинается деформация нагретых участков, и происходит вдавливание заглушки (16) в оболочку (14). При этом грат выдавливается из стыка в полость (A) цангового устройства (15), диаметр которой не превышает наружного диаметра оболочки, и направляется вдоль оси твэла по образующей поверхности (7) заглушки. Ее наружные слои также частично деформируются и переходят в грат. У заглушки-прототипа продольное перемещение гарта ничем не ограничивается и прекращается с завершением процесса осадки до заданной величины. Из-за отсутствия переходной части в заглушке-прототипе сварной узел твэла состоит из оболочки, переходящей в хвостовик заглушки по деформированной поверхности (11) (фиг.2), через которую осуществляется токоподвод и которая расположена под прямым углом к оси твэла. В результате сварки на эту поверхность «нависает» также грат сварного соединения. Проталкивание такого сварного узла через пружинящие ячейки дистанционирующей решетки при сборке пучка тепловыделяющей сборки требует наличия специального устройства.
При сварке заявляемой заглушки (16) (фиг.3) в результате ее вдавливания в оболочку (14) грат заполняет полость (A), так как заглушка в результате перемещения уже прошла большую часть расстояния (s), грат начинает выходить наружу, имея на своем пути фаску элемента формирования грата (8) (фиг.1). Выходящий грат, встречая дополнительное сопротивление наклонной поверхности фаски внутренними слоями, образованными из металла заглушки, плотно прилегает к ней, направляясь под углом 45° вверх (см. фиг.5). Наружные слои грата, которые состоят из металла оболочки, под воздействием направленного движения внутренних слоев испытывают также дополнительное сопротивление своему движению, направляются тоже вверх, сохраняя плотный контакт с внутренними слоями. Этим обеспечивается отсутствие расслоения между внутренними и наружными слоями грата. При прохождении цанговым устройством (12) (фиг.3) расстояния (s) процесс осадки останавливается. Сварочный ток может шунтироваться коротким замыканием цанговых устройств либо принудительно отключаться в заданный момент осадки. На этом процесс герметизации оболочки твэла заканчивается.