ПРИПОЙ ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ЗАГОТОВОК СТЕРЖНЕЙ СЕРДЕЧНИКОВ КЕРМЕТНЫХ ТВЭЛОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ

Заявляемая группа полезных моделей относится к области ядерной энергетики, в частности, к технологии герметизации заготовок стержней сердечников керметных твэлов ядерных реакторов.
В известных керметных твэлах (см. Патент RU №2313142, МПК G21C 3/64, опубл. 20.12.2007) сердечник набран из топливных стержней керметной композиции, где частицы ядерного топлива равномерно распределены в металлической матрице, например, из циркония. Изготовление таких стержней начинается со сборки заготовки, которая представляет собой трубу, заполненную порошками ядерного топлива и материала матрицы и закрытую с двух сторон заглушками (Патент RU №2305333, МПК G21C 3/10, опубл. 27.08.2007) с кольцевыми канавками для закрепления в них припоя.
Известен припой в виде аморфной ленты, (см. например, Калин Б.А., Федотов В.Т., Севрюков О.Н. и др. «Разработка и применение быстрозакаленных припоев для прецизионной пайки конструктивных элементов атомной техники». Вопросы атомной науки и техники Серия: Материаловедение и новые материалы. Выпуск 1 (64) 2005 г, с. 182-189), размещение которой в канавке заглушки может осуществляться путем намотки ленты с последующим закреплением ее, например, обкаткой роликом (С.В. Лашко, Н.Ф. Лашко, «Пайка металлов», М., «Машиностроение», 1988, с. 17).
Недостатком такого припоя является неравномерность толщины слоя припоя по азимуту заглушки, а также сложность механизации точного объемного дозирования и закрепления припоя в канавке.
Известен также припой для герметизации заготовки стержня топливного сердечника керметного тепловыделяющего элемента ядерного реактора, состоящий из консолидированных органической связкой смеси порошков меди и циркония в массовом соотношении (0,17-0,25):(0,83-0,75) (см. Патент RU №2467412, МПК G21C 3/10, B23K 35/00, опубл. 20.11.2012). Порошок меди выбран фракцией 10-50 мкм из партии с основной фракцией 5-10 мкм, а порошок циркония выбран фракцией 50-100 мкм из партии с основной фракцией 100-140 мкм. Данный припой является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и выбран в качестве прототипа.
Заполнение канавки таким припоем может быть осуществлено вручную с применением шпателя (ракеля) (см., например, [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.youtu.be//2L7UbRuUwa8), что непроизводительно и неприемлемо при промышленном производстве.
Известно также нанесение припойной пасты в технике шприцевания (см, например, [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.elinform.ru/article_52.htm), когда паста под давлением из полости шприца через иголку поступает в канавку. В этой технике, в силу высоких адгезионных свойств пасты, весьма затруднено точное дозирование припоя и его перемещение к месту размещения. Кроме того, обеспечение постоянства характеристик пасты во времени требует термостабилизации соответствующего рабочего места.
Предлагается припой для герметизации заготовки стержня топливного сердечника керметного тепловыделяющего элемента ядерного реактора на основе смеси порошков меди и циркония, который согласно полезной модели выполнен в виде гранул с нанесенным на них покрытием из пластичного органического материала.
Такое решение, в силу сыпучести гранул и пластичности их покрытия, упрощает решение задачи автоматизации производства заглушек как комплектующих изделий при изготовлении керметных твэлов. Действительно, сыпучесть гранул позволяет применять бункеры гравитационной разгрузки и автоматически формировать требуемую объемную дозу, транспортировка гранул к канавкам не связана с преодолением значительных сил адгезионного сцепления с поверхностями направляющих каналов, а закрепление таких гранул в канавке осуществляется приложением сжимающего усилия, консолидирующего гранулы за счет смятия их пластичного покрытия.
Известно устройство подачи порошка, состоящее из бункера гравитационной разгрузки, установленного над тарелкой, и механизма отбора порошка в виде поворотного скребка. При истечении порошка на тарелке формируется доза, объем которой определен расстоянием между тарелкой и выходным отверстием бункера и углом естественного откоса (С.В. Першина, А.В. Калымов, В.Г. Однолько, В.Ф. Першин, «Весовое дозирование зернистых материалов», М., «Машиностроение», 2009, раздел 3.8, с. 103, рис. 3.24). При вращении тарелки этот конус непрерывно разрушается отбором порошка скребком, а само устройство не может быть использовано для закрепления гранулированного припоя в канавке.
Известен дозатор сыпучих материалов, предназначенный для нанесения порошкового припоя на горизонтальные поверхности, содержащий бункеры гравитационной разгрузки и заслонку с возможностью возвратно-поступательного перемещения, которая с определенным временным интервалом открывает и закрывает выпускные отверстия бункеров (Патент RU №2246100, МПК G01F 11/00, G01F 13/00, опубл. 10.02.2005). В этом устройстве порошок доставляется на плоскую поверхность изделия и фиксируется под действием собственного веса, что недостаточно для надежного его закрепления на изделии.
Устройство для закрепления в канавке заглушки припоя на основе смеси порошков меди и циркония, выполненного в виде гранул с нанесенным на них покрытием из пластичного органического материала, позволяет существенно упростить решение задачи автоматизации процесса за счет отсутствия необходимости регулирования доз, облегчения транспортировки припоя по каналам доставки и его закрепления в канавках приложением незначительного сжимающего усилия, что, как следствие, обеспечивает повышение надежности герметизации заготовки стержня.
Решение этой задачи достигается за счет того, что устройство для закрепления гранулированного припоя в кольцевой канавке заглушки керметного стержня, выполнено в виде жестко скрепленных между собой верхней и нижней круглых пластин с центральными отверстиями для установки заглушки, в нижней пластине под углом 120° друг к другу выполнены углубления прямоугольного сечения, ориентированные по радиусу пластины, шириной в  раз большей радиуса центрального отверстия и глубиной не более осевого размера канавки, в каналах, образованных указанными углублениями и поверхностью верхней пластины, установлены шиберы, снабженные приводами синхронного возвратно-поступательного перемещения, торцы шиберов, обращенные к центральным отверстиям, выполнены с возможностью охвата цилиндрической поверхности заглушки, а в верхней пластине над каналами установлены бункеры гравитационной разгрузки.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение надежности герметизации заготовок стержня керметного твэла ядерного реактора методом пайки за счет обеспечения возможности автоматического объемного дозирования, транспортировки и надежного удержания припоя в кольцевых проточках заглушек.
На фиг. 1 показан в масштабе 1:1 главный вид предлагаемого устройства, на фиг. 2 - вид сверху, на фиг. 3 - сечение нижней пластины в зоне углубления.
Устройство для закрепления припоя выполнено в виде двух круглых пластин верхней 1 и нижней 2 с центральными отверстиями 3, предназначенными для установки заглушки. В пластине 1 выполнены прямоугольные в сечении углубления 4, которые совместно с поверхностью верхней пластины 2 образуют три канала, ориентированных под 120° друг к другу. Стенки каналов являются направляющими поверхностями для шиберов 5, снабженных приводами 6 синхронного возвратно-поступательного перемещения. Ширина углублений выбрана в  раз больше радиуса центральных отверстий пластин 1 и 2, а глубина не превосходит размер канавки вдоль оси заглушки. Торцы шиберов, обращенные к отверстиям, выполнены по форме, охватывающей цилиндрическую поверхность заглушки. Пластины скреплены винтами 7, а в пластине 2 над каналами выполнены отверстия, в которых укреплены бункеры гравитационной разгрузки 8.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Бункеры заполняются гранулами припоя, заглушка устанавливается в центральных отверстиях пластин корпуса. На фиг. 4 показано положение шиберов, закрывающее отверстия верхней пластины и препятствующее поступлению гранулированного сыпучего припоя из бункеров. При смещении шиберов от центра пластин (фиг. 5) отверстия открываются, и припой поступает в канал, образуя конус, который запирает отверстие при достижении им высоты, равной глубине канала. Таким образом формируется доза фиксированного объема, определенная диаметром выпускного отверстия бункера, глубиной канала и углом естественного откоса гранул припоя. При перемещении шиберов к центру пластин отверстия верхней пластины перекрываются и три одинаковые дозы транспортируются по пазам к канавке заглушки и усилием, создаваемыми приводами шиберов, закрепляются в ней как консолидированная масса (фиг. 6). При возвратном движении шиберов заглушка с заполненной припоем канавкой удаляется из устройства, поступает следующая заглушка и цикл повторяется.
В качестве сведений, подтверждающих возможность реализации заявляемых технических решений, приведем следующие данные.
Заявляемый припой выполнен из смеси порошков циркония и меди в массовом соотношении (0,17-0,25):(0,83-0,75), причем порошок меди выбран фракцией 10-50 мкм из партии с основной фракцией 5-10 мкм, а порошок циркония выбран фракцией 50-100 мкм из партии с основной фракцией 100-140 мкм (Патент RU №2467412, МПК G21C 3/10, B23K 35/00, опубл. 20.11.2012). Порошок медно-циркониевого припоя смешивали со связующим, в качестве которого использовали раствор парафина и воска в трихлорэтилене. После удаления трихлорэтилена припой приобретал свойство сыпучести вследствие образования на поверхности гранул покрытия из органического материала толщиной 1-3 мкм.
Припой засыпался в бункеры предлагаемого устройства при положении шиберов, закрывающих выпускные отверстия бункеров. При перемещении шиберов от центра пластин припой через выпускные отверстия поступал на нижнюю пластину 1, где формировался усеченный конус припоя высотой 2 мм, причем горизонтального разбегания гранул не наблюдалось. Полученные таким образом три равные объемные дозы припоя шиберами перемещались к установленной в отверстии пластин заглушке и давлением приводов шиберов уплотнялись в канавке заглушки. Давление в диапазоне 10-15 кгс/мм достаточно для надежного удержания припоя в канавке, что подтверждается его целостностью при бросании заглушки на твердое половое покрытие с высоты 1 м. Хранение заглушек с нанесенным в канавки припоем в нормальных условиях в течение месяца (как комплектующих изделий) не приводит к нарушению целостности консолидированного в канавках припоя.