СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
PROCESS OF MANUFACTURING OF FUEL ELEMENTS IN NUCLEAR REACTOR

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов) для энергетических ядерных реакторов.
Известно, что цирконий отличается склонностью к разъедающей коррозии, появляющейся в результате истирания металла между соприкасающимися поверхностями даже при отсутствии коррозионной среды (см. Металлургия циркония. Перевод с английского/ Под ред. Г.А.Меерсона и Ю.В.Гагаринского, М., 1959, с.298), поэтому при изготовлении твэлов одной из основных проблем является обеспечение сохранности поверхности оболочки от механических повреждений, поскольку оболочка обеспечивает требуемую механическую прочность конструкции твэла в составе тепловыделяющей сборки (ТВС) в активной зоне ядерного энергетического реактора, а локальная язвенная коррозия поврежденного места твэла может привести к преждевременной разгерметизации оболочки и выходу твэла из строя, что приводит к наиболее опасным последствиям - попаданию ядерного топлива и продуктов деления в контур теплоносителя (см. Ф.Г.Решетников. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1. М., Энергоатомиздат, 1995 г., стр.40).
Известен способ снаряжения и разбраковки тепловыделяющего элемента, включающий использование оболочки с приваренной нижней заглушкой, операции контроля плотности топливных таблеток гамма-абсорбционным методом, снаряжение топливных таблеток в открытый конец оболочки методом вибрации, вакуумную очистку открытого конца снаряженной оболочки от топливной пыли, запрессовку фиксаторов в открытый конец снаряженной оболочки, определение длины столба топливных таблеток в снаряженной оболочке, зазоров единичных и суммарных между топливными таблетками, длины компенсационного пространства, наличия фиксаторов и их длины, наличие сколов, крошки топливных таблеток гамма-абсорбционным методом и отбраковку по вышеперечисленным параметрам, из отбракованных снаряженных топливными таблетками оболочек извлекают фиксаторы, используя при этом съемник в виде штопора, брак по длине столба топливных таблеток в снаряженной оболочке исправляют путем добавки или изъятия топливных таблеток до заданной длины столба топливных таблеток, одновременно с этим исправляют длину компенсационного пространства до заданной, снаряженные оболочки после исправления брака вместе со снаряженными оболочками, отбракованными по фиксаторам, направляют на повторную запрессовку фиксаторов, а расснаряженные оболочки с браком по сколам, единичным зазорам, суммарному зазору между топливными таблетками направляют на расснаряжение, где их укладывают приваренными заглушками в сторону приложения усилий вибрации, через открытый конец оболочки выводят таблетки из оболочки, подвергают сепарации от сколов топливных таблеток, направляют на виброснаряжение, расснаряженную оболочку разворачивают на 180° открытым концом на прием столба топливных таблеток и осуществляют ее виброснаряжение (см. патент РФ №2195718).
Снаряжение топливных таблеток в открытый конец оболочки методом вибрации не позволяет с необходимой точностью обеспечивать набор длины столба топливных таблеток, что в результате вызывает необходимость ручной дополнительной операции по исправлению брака по длине столба топливных таблеток с извлечением фиксатора и добавлением или изъятием топливных таблеток до заданной длины столба топливных таблеток, а также приводит к повышению вероятности появления сколов на кромках топливных таблеток и, как следствие, к появлению крошки внутри тепловыделяющего элемента, что также является браковочным признаком для тепловыделяющего элемента и требует дополнительного времени на расснаряжение и последующее повторное снаряжение тепловыделяющего элемента. Поскольку расснаряжение осуществляется также методом вибрации, часть топливных таблеток после этой операции также бракуется по наличию сколов на их кромках. Извлечение фиксатора из отбракованных снаряженных топливными таблетками оболочек при помощи съемника приводит к повреждению фиксатора и к частичной потере им упругих свойств и, как следствие, к невозможности его повторного использования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок, включающий операции изготовления оболочки из сплава циркония с герметизацией одного конца сваркой заглушки к оболочке, снаряжение столба топливных таблеток в открытый конец оболочки с фиксацией фиксатором, герметизации другого конца сваркой заглушки к оболочке под давлением инертного газа под оболочкой с контролем и отбраковкой бракованных тепловыделяющих элементов, жидкостной обработки поверхности тепловыделяющего элемента в горячем водном растворе моющего средства, промывки, электрожидкостной обработки в среде горячей дистиллированной воды, ультразвуковой обработкой в магнитострикционных преобразователях, промывки и сушки, контроля и разбраковки тепловыделяющих элементов по диаметру, кривизне и герметичности, перемещения тепловыделяющих элементов через канал в гамма-сканере и определение в каждом тепловыделяющем элементе веса столба топливных таблеток, обогащения по урану-235, выявления топливных таблеток с нестандартным обогащением, определения длины столба топливных таблеток, длины компенсационного пространства, зазоров в столбе топливных таблеток и наличия фиксаторов в тепловыделяющем элементе, покрытия поверхности тепловыделяющих элементов поливиниловым спиртом и сушки с образованием защитной пленки, предохраняющей от механических повреждений поверхность тепловыделяющего элемента, хранения их перед сборкой в тепловыделяющую сборку либо хранения в собранном виде в тепловыделяющей сборке, сборки ТВС с применением глицериновой смазки, закрепления головки и хвостовика, отмывки тепловыделяющей сборки от глицериновой смазки и защитной пленки горячей дистиллированной водой непосредственно перед упаковкой в герметичный контейнер, сушки и проверки на герметичность, упаковки в герметичный контейнер с фиксацией тепловыделяющей сборки по торцам и боковым поверхностям с использованием элементов фиксации, исключающих осевое и боковое смещение, истирание, язвенную коррозию оболочек тепловыделяющих элементов из циркониевого сплава и образование внутри герметичного контейнера влажной воздушной среды путем размещения внутри герметичного контейнера силикагеля (см. патент РФ №2228550).
В патенте-прототипе на операции снаряжения столба топливных таблеток осуществляют формирование столба топливных таблеток и ввод его методом вибрации в открытый конец оболочки. Формирование столба топливных таблеток на вибростоле не позволяет с необходимой вероятностью и точностью обеспечить длину столба топливных таблеток, что приводит к необходимости корректировки части снаряженных оболочек для обеспечения требуемой длины столба топливных таблеток в соответствии с технологической документацией. Обеспечение движения столба топливных таблеток внутрь оболочки посредством вибрации приводит к возникновению таких дефектов таблеток, как сколы, в том числе и недопустимые, кромок топливных таблеток, изготовленных из спеченного диоксида урана, представляющего собой керамический материал. Величина отколотых частиц, которые попадают между топливными таблетками, может превышать допустимые величины, в результате чего зазор между отдельными топливными таблетками будет также превышать допустимый размер зазора и снаряженная оболочка с такими несоответствиями выводится из технологического потока на исправление - расснаряжение, что приводит к дополнительным затратам на повторное снаряжение.
Другим недостатком является то, что при снаряжении столба топливных таблеток методом вибрации часть оболочки, примыкающая к ее открытому концу, вводится в устройство снаряжения, следствием чего является радиационное загрязнение наружной поверхности оболочки частицами пыли диоксида урана, а поскольку к радиационной чистоте наружной поверхности готового твэла предъявляются высокие требования, появляется необходимость жидкостной обработки поверхности твэла в горячем водном растворе моющего средства и электрожидкостной обработки в среде горячей дистиллированной воды, что приводит к дополнительным затратам электроэнергии, моющего средства и дистиллированной воды, для приготовления которой также расходуется электроэнергия.
Изготовление твэла по патенту-прототипу не предусматривает разделения операций изготовления оболочки из сплава циркония с герметизацией одного конца сваркой заглушки к оболочке с последующими операциями, что приводит к дополнительным затратам, поскольку операции изготовления оболочки из сплава циркония с герметизацией одного конца сваркой заглушки к оболочке являются наименее длительными во всем технологическом цикле изготовления твэлов, что приводит к необходимости иметь накопитель оболочек на этих операциях и периодически, при заполнении накопителя, останавливать выполнение этих операций для синхронизации с последующими операциями технологического цикла изготовления тепловыделяющих элементов.
В материалах описания изобретения к патенту отсутствует информация по автоматизации контрольных операций, способу перемещения оболочек в технологическом потоке, их идентификации при выполнении технологических и контрольных операций и способу хранения перед их сборкой в тепловыделяющую сборку.
Отсутствие автоматизации операций контроля обогащения, контроля длины и сплошности топливного сердечника и контроля герметичности приводит к необходимости вывода тепловыделяющего элемента из технологического потока, что приводит к увеличению времени цикла изготовления тепловыделяющего элемента.
Способ перемещения оболочек и тепловыделяющих элементов имеет значение в связи с тем, что цирконий отличается склонностью к разъедающей коррозии, появляющейся в результате истирания металла между соприкасающимися поверхностями даже при отсутствии коррозионной среды, поэтому способ перемещения оболочек и тепловыделяющих элементов должен, по меньшей мере, исключать взаимное трение и соударение.
Отсутствие идентификации твэла при выполнении операции взвешивания снаряженной топливными таблетками оболочки тепловыделяющего элемента не позволяет с необходимой вероятностью учитывать вес ядерных делящихся материалов в каждом тепловыделяющем элементе, что необходимо для целей учета и контроля ядерных делящихся материалов, имеющих важное значение в атомной отрасли.
Отсутствие идентификации каждого тепловыделяющего элемента при выполнении других технологических и контрольных операций не позволяет гарантированно регистрировать тепловыделяющие элементы с отклонениями качества и с привязкой дефекта к конкретному тепловыделяющему элементу выводить их из технологического потока, оперативно реагировать на отклонения качества путем своевременной разработки и осуществления корректирующих действий для ликвидации условий, приводящих к снижению качества изготовления.
Способ хранения твэлов также имеет значение с точки зрения исключения повреждений поверхности и появления отклонений от геометрической формы и размеров твэла.
Технической задачей изобретения является повышение качества, снижение стоимости изготовления тепловыделяющих элементов.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления тепловыделяющих элементов, включающем применение оболочки тепловыделяющего элемента с приваренной нижней заглушкой, разгрузку оболочек, снаряжение столба топливных таблеток из диоксида урана в открытый конец оболочки, взвешивание снаряженной оболочки, измерение длины компенсационного объема, очистку внутренней полости оболочки от пыли диоксида урана, установку фиксатора во внутреннюю полость снаряженной оболочки, герметизацию открытого конца снаряженной оболочки контактно-стыковой сваркой заглушки к оболочке под давлением инертного газа под оболочкой, контроль тепловыделяющего элемента, включающий контроль обогащения, длины и сплошности сердечника из топливных таблеток, длины компенсационного пространства, наличия фиксатора, контроль герметичности, ультразвуковой контроль сварных швов, контроль по диаметру, длине и непрямолинейности тепловыделяющего элемента, контроль механических повреждений поверхности тепловыделяющего элемента, контроль давления инертного газа под оболочкой и дальнейшие отбраковку тепловыделяющих элементов по результатам контроля, выгрузку и хранение годных тепловыделяющих элементов, согласно изобретению разгрузку оболочек тепловыделяющих элементов осуществляют механизированным способом из межоперационной кассеты, снаряжение столба топливных таблеток в открытый конец оболочки осуществляют с технологической паллеты путем заталкивания предварительно набранного столба топливных таблеток, производят измерение длины столба топливных таблеток непосредственно в процессе снаряжения, контроль обогащения, длины и сплошности столба сердечника из топливных таблеток, длины компенсационного пространства, наличия фиксатора и контроль герметичности тепловыделяющего элемента осуществляют в технологическом потоке, перед каждой из операций - взвешивания снаряженной оболочки тепловыделяющего элемента, контактно-стыковой сварки заглушки к оболочке под давлением инертного газа под оболочкой, контроля обогащения, длины и сплошности топливного сердечника, контроля герметичности, ультразвукового контроля сварных швов, контроля по диаметру, длине, непрямолинейности тепловыделяющего элемента, контроля давления инертного газа под оболочкой тепловыделяющего элемента - осуществляют идентификацию каждого тепловыделяющего элемента с последующей передачей данных в автоматизированную систему управления технологическим процессом и выводом отбракованных по результатам контроля тепловыделяющих элементов из технологического потока, выгрузку годных тепловыделяющих элементов осуществляют в межоперационную кассету механизированным способом, хранение годных тепловыделяющих элементов осуществляют в межоперационной кассете, перемещение тепловыделяющих элементов в технологическом потоке осуществляют пошагово, преимущественно транспортными гребенками.
Другим отличием является то, что идентификацию тепловыделяющего элемента осуществляют путем автоматического считывания штрихкода, нанесенного на оболочку.
Снаряжение столба топливных таблеток в открытый конец оболочки, осуществляемое с технологической паллеты способом заталкивания предварительно набранных столбов топливных таблеток из диоксида урана, позволяет исключить такие повреждения топливных таблеток, как сколы кромок, допустимая величина которых оговаривается в технической документации и является браковочным признаком, появление крошки от сколов, которая, попадая между таблетками внутри оболочки, может привести к появлению недопустимых зазоров в столбе топливных таблеток, что также является браковочным признаком.
Измерение длины столба снаряжаемых топливных таблеток непосредственно в процессе снаряжения позволяет формировать длину столба топливных таблеток с необходимой точностью и избежать ручной корректировки длины столба, необходимой в случае формирования столба топливных таблеток и ввода его методом вибрации в открытый конец оболочки.
Выполнение операций контроля обогащения, длины и сплошности топливного сердечника и контроля герметичности осуществляют в автоматическом режиме, что позволяет исключить ручные операции по перемещению тепловыделяющего элемента вне технологического потока для выполнения этих операций, а проводить эти операции в технологическом потоке и таким образом уменьшить время изготовления тепловыделяющего элемента.
Идентификация на операции взвешивания каждой снаряженной топливными таблетками оболочки тепловыделяющего элемента с последующей передачей данных в автоматизированную систему управления технологическим процессом позволяет соотносить номер твэла с количеством ядерного делящегося материала, находящегося в нем, и таким образом обеспечить необходимое качество учета и контроля ядерных делящихся материалов, а также с необходимой точностью определить в дальнейшем общий вес ядерного делящегося материала в тепловыделяющей сборке, данные о котором необходимы для расчета оптимальных параметров работы ядерного энергетического реактора.
Идентификация каждого тепловыделяющего элемента на операциях контактно-стыковой сварки заглушки к оболочке под давлением инертного газа под оболочкой, контроля обогащения, длины и сплошности топливного сердечника, контроля герметичности, ультразвукового контроля сварных швов, контроля по диаметру, длине, непрямолинейности тепловыделяющего элемента, контроля давления инертного газа под оболочкой тепловыделяющего элемента и последующая передача данных в автоматизированную систему управления технологическим процессом дает возможность гарантированно регистрировать тепловыделяющие элементы с отклонениями качества и относить дефект определенного вида к конкретному тепловыделяющему элементу, выводить их из технологического потока, оперативно реагировать на отклонения качества путем своевременной разработки и осуществления корректирующих действий для ликвидации условий, приводящих к возникновению дефектов при изготовлении и снижению качества тепловыделяющих элементов.
Выгрузка годных тепловыделяющих элементов осуществляется механизированным способом в межоперационную кассету, что позволяет исключить повреждения поверхности оболочек и появление дефектов, связанных с отклонением от геометрической формы и размеров оболочки выше допустимых.
Хранение годных тепловыделяющих элементов в той же межоперационной кассете исключает дополнительные перегрузки тепловыделяющих элементов и таким образом позволяет исключить повреждения поверхности и появления отклонений от геометрической формы и размеров, тепловыделяющих элементов связанных с их перегрузкой.
Пошаговое перемещение тепловыделяющих элементов между операциями в технологическом потоке путем параллельного перекладывания с помощью транспортных гребенок позволяет минимизировать риск возникновения таких видов брака как потертости, приводящие в дальнейшем к возникновению разъедающей коррозии, царапины, являющиеся концентраторами напряжений и снижающие прочность оболочки тепловыделяющего элемента и искривление тепловыделяющего элемента.
Автоматическое считывание штрихкода, нанесенного на оболочку тепловыделяющего элемента, позволяет исключить человеческий фактор при идентификации тепловыделяющих элементов.
Способ изготовления тепловыделяющих элементов осуществляют следующим образом.
Оболочки с приваренной нижней заглушкой разгружают из межоперационной кассеты. Затем в открытый конец оболочки снаряжают путем заталкивания топливные таблетки, которые заранее уложены упорядоченным образом и в необходимом для одного топливного столба количестве на технологической паллете, осуществляют в процессе заталкивания топливных таблеток непрерывное измерение длины топливного столба в автоматическом режиме.
После снаряжения в открытый конец оболочки вводят полый стержень, соединенный с вакуумной системой через противопылевой аэрозольный фильтр, и очищают внутреннюю полость оболочки, свободную от таблеток (компенсационное пространство) длиной 150…200 миллиметров от открытого конца оболочки, от пыли диоксида урана, образовавшейся после операции снаряжения. Измеряют длину компенсационного пространства путем ввода в открытый конец оболочки стержня с индикатором длины и устанавливают во внутреннюю полость снаряженной оболочки фиксатор столба топливных таблеток.
На следующей операции оболочку герметизируют контактно-стыковой сваркой заглушки к открытому концу оболочки под давлением гелия под оболочкой. Далее производят контроль загерметизированной оболочки (в дальнейшем - тепловыделяющего элемента). Не выводя тепловыделяющий элемент из технологического потока, на одной комплексной установке производят контроль обогащения по урану-235, выявляя топливные таблетки с нестандартным обогащением, длины и сплошности столба топливных таблеток, длины компенсационного пространства, наличия фиксатора.
На следующей операции так же, не выводя тепловыделяющий элемент из технологического потока, осуществляют контроль герметичности тепловыделяющего элемента на проход в горячей камере и по количеству регистрируемого гелия в камере делают вывод о годности тепловыделяющего элемента. Тепловыделяющие элементы ненадлежащего качества регистрируют как брак и выводят из технологического потока.
Ультразвуковым методом осуществляют контроль сварных швов и по результатам контроля отбраковывают тепловыделяющие элементы ненадлежащего качества, которые выводят из технологического потока.
Осуществляют контроль по диаметру, длине, непрямолинейности тепловыделяющего элемента, выявляют на его поверхности механические повреждения, контролируют давление гелия под оболочкой и по результатам контроля отбраковывают тепловыделяющие элементы ненадлежащего качества, которые выводят из технологического потока.
Осуществляют идентификацию каждого тепловыделяющего элемента автоматическим считыванием штрихкода, нанесенного на оболочку на операциях контактно-стыковой сварки заглушки к оболочке, контроля обогащения, длины и сплошности топливного сердечника, контроля герметичности, ультразвукового контроля сварных швов, контроля по диаметру, длине, непрямолинейности, контроля давления инертного газа под оболочкой тепловыделяющего элемента, передают данные в автоматизированную систему управления технологическим процессом, где регистрируют номера тепловыделяющих элементов.
Годные тепловыделяющие элементы передают на операцию выгрузки, а для тепловыделяющих элементов ненадлежащего качества каждый вид выявленного дефекта относят к конкретному тепловыделяющему элементу, и они выводятся из технологического потока.
На операции выгрузки тепловыделяющие элементы механизированным способом перемещают на полки межоперационной кассеты, в которой их хранят до момента передачи на следующую стадию технологического процесса.