Результат интеллектуальной деятельности: ЗАГОТОВКА СТЕРЖНЯ ТОПЛИВНОГО СЕРДЕЧНИКА КЕРМЕТНОГО ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к конструкции заготовки, используемой при прессовании стержней топливных сердечников керметных тепловыделяющих элементов (твэл) ядерных реакторов различного назначения.

2. Уровень техники

Одним из направлений в ядерной энергетике является использование твэлов, в которых керметные тепловыделяющие сердечники набраны из стержней (см., например, Федик И.И., Гаврилин С.С. и др. Новое поколение твэлов на основе микротоплива для ВВЭР. - М.: Атомная энергия, 2004, т.96, вып.4, с.280).

Для изготовления такого стержня может использоваться заготовка, выполненная в виде трубы из циркониевого сплава (см., например, Солонин М.И., Бибилашвили Ю.К. и др. Цирконий-ниобиевые сплавы для оболочек твэлов и ТВС энергетических реакторов и установок типа ВВЭР и РБМК. Избранные труды ВНИИНМ. ФГУП ВНИИНМ, Москва, т.1, с.65-69), заполненной засыпкой порошков ядерного топлива и материала матрицы и закрытой с торцов двумя цилиндрическими заглушками (см., например, Самойлов А.Г., Волков B.C., Солонин М.И. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1996, с.217).

Такая конструкция заготовки предполагает герметизацию полости трубы, заполненной засыпкой порошков ядерного топлива и материала матрицы, с помощью сварки плавлением заглушек с трубой при нормальной температуре (см., например, Самойлов А.Г., Волков B.C., Солонин М.И. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1996, с.216). Поскольку перед герметизацией заготовки должна быть проведена дегазация засыпки порошков путем выдержки в вакууме при высокой температуре, то возникает необходимость применения специализированного технологического оборудования и оснастки, обеспечивающих охлаждение заготовок, их шлюзование и перемещение на позицию сварки и проведение самой сварки.

Недостатком применения заготовки является высокая стоимость изготовления стержня, которая может быть снижена за счет уменьшения количества дорогостоящего технологического оборудования и оснастки.

С предлагаемым техническим решением это устройство совпадает по следующим существенным признакам:

- труба, изготовленная из циркониевого сплава;

- засыпка порошков ядерного топлива и материала матрицы;

- две цилиндрические заглушки.

Известна также заготовка, состоящая из трубы, изготовленной из циркониевого сплава, засыпки порошков ядерного топлива и материала матрицы и двух цилиндрических заглушек с кольцевыми проточками для локализации избытка припоя, уложенного на краях соединения в виде пасты (см., например, Самойлов А.Г., Волков B.C., Солонин М.И. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1996, с.231-232). Такая конструкция предполагает проведение операции дегазации засыпки до укладки припоя, поскольку он перекрывает путь выхода газов. Укладка припоя при этом должна осуществляться в вакууме при пониженной относительно режима дегазации температуре.

Недостатком применения заготовки является то, что реализация рассмотренных операций требует значительного межоперационного времени и использования специализированного технологического оборудования. Эти два фактора определяют производительность и стоимость изготовления стержней.

С предлагаемым решением это устройство совпадает по следующим существенным признакам:

- труба, изготовленная из циркониевого сплава,

- засыпка порошков ядерного топлива и материала матрицы,

- две цилиндрические заглушки,

- кольцевые проточки на заглушках для локализации избытка припоя,

- припой, уложенный в виде пасты.

По совокупности существенных признаков последнее устройство наиболее близко к предлагаемому устройству и выбрано в качестве прототипа.

3. Сущность изобретения

Предлагаемая заготовка стержня топливного сердечника керметного тепловыделяющего элемента ядерного реактора состоит из трубы, изготовленной из циркониевого сплава, засыпки порошков ядерного топлива и материала матрицы, двух цилиндрических заглушек с кольцевыми проточками для локализации избытка припоя, уложенного в виде пасты, причем заглушки установлены в трубе с гарантированным зазором, на цилиндрической поверхности каждой заглушки выполнены две кольцевые проточки на расстоянии 5-7 мм друг от друга, а внешние относительно засыпки проточки заполнены пастой.

От прототипа это устройство отличается тем, что заглушки установлены в трубе с гарантированным зазором, на цилиндрической поверхности каждой заглушки выполнены две кольцевые проточки на расстоянии 5-7 мм друг от друга, а внешние относительно засыпки проточки заполнены пастой.

Такое отличие обеспечивает повышение производительности при производстве стержней и уменьшает затраты на технологическое оборудование и оснастку вследствие возможности совмещения технологических позиций дегазации и герметизации и осуществления герметизации повышением температуры непосредственно по завершении операции дегазации.

В уточнение этой конструкции предлагается заготовка, в которой заглушки выполнены из циркониевого сплава, а паста содержит смесь порошков меди и циркония в массовом соотношении (0,17-0,25):(0,83-0,75).

Операция дегазации материалов в такой заготовке, включая разложение и удаление связующего материала пасты, завершается при максимальной температуре 800-850°С с выходом газов через гарантированный зазор между трубой и заглушками, а герметизация проводится повышением температуры до 1000°С. При этой температуре твердые компоненты пасты преобразуются в жидкую фазу эвтектического состава, которая под действием капиллярных сил и хорошей смачиваемости поверхностей вытягивается в зазор между трубой и заглушкой, что и обеспечивает герметизацию.

Также в уточнение конструкции заготовки предлагается выполнение заглушек из стали и применение пасты, содержащей смесь порошков меди, циркония и железа в массовом соотношении (0,11-0,13):(0,78-0,74):(0,11-0,13). Возможность применения в такой конструкции стальных заглушек вместо циркониевых дает значительный экономический эффект (стоимость циркония на порядок выше стоимости стали).

4. Перечень фигур чертежей

Фиг.1. - чертеж заготовки стержня топливного сердечника:

1 - труба из циркониевого сплава;

2 - засыпка порошков ядерного топлива и материала матрицы;

3 - заглушки;

4 - проточки для локализации избытка припоя;

5 - проточки, заполненные припоем в виде пасты.

Фиг.2 - фотография шлифа паяного соединения:

1 - заглушка;

2 - труба;

3 - проточка, первоначально заполненная пастой;

4 - проточка для локализации избытка припоя;

5 - зона паяного соединения.

5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Возможность осуществления изобретения проиллюстрируем конкретным примером. На фиг.1 приведен чертеж заготовки, состоящей из циркониевой трубы 1, засыпки порошков ядерного топлива и материала матрицы 2, двух цилиндрических заглушек из циркония 3. На заглушках выполнены кольцевые проточки 4 для локализации избытка припоя и кольцевые проточки 5, заполненные припоем в виде пасты на поливинилацетатной связке, содержащей смесь порошков меди и циркония в массовом соотношении 0,22:0,78. Фиксация заглушек в трубе осуществляется, например, с помощью пуклевок в зонах проточек 4 (на чертеже не показаны). Для обеспечения гарантированного зазора между трубой и заглушками величиной, например, 100 мкм заглушки выполняют по номинальному диаметру на 200 мкм меньше номинального внутреннего диаметра трубы, причем допуск на диаметр заглушки выбирают неположительный, а на внутренний диаметр трубы - неотрицательный.

На фиг.2 приведена фотография шлифа паяного соединения заглушки 1 с трубой 2. Из проточки 3, первоначально заполненной пастой, при температуре пайки жидкая фаза эвтектического состава 22 мас.% Cu - 78 мас.% Zr вытянулась в зазор между трубой и заглушкой и остановилась в проточке 4, где избыток припоя локализовался. Зона паяного соединения 5 в результате взаимной диффузии меди и циркония преобразуется в структуру без переходных границ, что определяет качественную герметизацию.