Изготовление металлических ТВЭЛов. Механическая обработка

Прокатка металлического урана была рассмотрена выше.

Существуют три основных типа соединения оболочки с сердечником:

· простое механическое наложение оболочки на сердечник без диффузионного сцепления;

· применение промежуточного подслоя для получения диффузионного сцепления между оболочкой и сердечником (например, сплавом Al - 12% Si; t_пл. ~580 ^оС);

· образование диффузионного сцепления непосредственно между оболочкой и сердечником.

Вопрос о необходимости плотного диффузионного сцепления урана с оболочкой важен с точки зрения теплопередачи и теплоотдачи от ТВЭла: зазор между ураном и оболочкой в 0,025 мм уже сильно затрудняет теплоотдачу.

Механическое наложение оболочки можно выполнять кабельным прессованием, волочением, гидростатическим или термопневматическим обжатием. В сочетании с промежуточным подслоем эти методы могут обеспечить диффузионное сцепление. Сцепление третьего типа можно получить в результате совместного деформирования оболочки и сердечника, например прессованием, прокаткой или литейным методом.

Из всех методов совместного деформирования оболочек и сердечника наиболее эффективно применение прессования. Так как прессование осуществляется за один проход, проще осуществить контроль производственного процесса.

Достоинства совместного прессования, например, урановых сплавов с цирконием и циркониевыми сплавами:

а) исключена отдельная операция сцепления оболочки с сердечником;

б) отсутствует операция заварки концов, которые получаются монолитными;

в) можно получить более тонкие оболочки по сравнению с другими методами (исключая электролитический);

г) термообработку для улучшения радиационной стабильности топлива можно выполнять на готовом ТВЭле;

д) заготовок под прессование требуется меньше и подготавливать их проще чем отдельно сердечник и оболочку каждого из многих ТВЭлов одинакового размера.

Для совместного прессования должны быть созданы условия ламинарного течения металла. В промышленности применяют плоские матрицы в которые вкладывают конус с углом 60-120^о.

Схема ламинарного истечения оболочки и сердечника:

1 – матрица, 2 – конус, 3 – контейнер, 4 – оболочка, 5 – сердечник

Существуют и другие методы, например горячее прессование, причём температура сердечника и оболочки может быть различной для достижения одинаковой деформируемости различных по составу материалов. В случае нержавеющей стали температура оболочки перед прессованием всегда выше, чем температура сердечника.

Совместная прокатка ТВЭлов. Используют для изготовления пластинчатых ТВЭлов энергетических и исследовательских реакторов. Все операции технологического процесса можно разделить на три группы: а) изготовление деталей заготовки, их очистку и сборку; б) прокатку; в) отделочные операции.

Для улучшения диффузионного сцепления в процессе прокатки перед сборкой все детали очищаются механически или химическими методами. В необходимых случаях заготовку эвакуируют и заваривают для предотвращения появления оксидной плёнки на сердечнике.

Варианты заготовок для совместной прокатки

1 – верхняя пластина, 2 – сердечник, 3 – рамка, 4 – нижняя пластина, 5 – боковая полка, 6 – заглушка, 7 – сборка

Примером такого ТВЭла может быть ТВЭл реактора EBWR, представляющий из себя пластину длиной 1370, шириной 92 и толщиной 6,93 или 5,33 мм. Оболочка из циркалоя-2 толщиной от 0,43 до 0,56 мм по плоским граням, не менее 2,80 мм по боковым кромкам и не менее 30,7 мм по торцам. Сердечник – сплав урана с 5 масс. % Zr и 1,5 масс. % Nb.

Изготовление ТВЭлов литьём. Заливкой топливного материала в оболочку можно получить ТВЭл с диффузионным сцеплением между оболочкой и сердечником. Если после заливки не применять обработку давлением, то этот метод изготовления ТВЭлов даёт существенную экономию в связи с незначительными отходами и минимальными затратами машинного времени.

Литейный способ успешно применяли для получения ТВЭлов двух типов – прямоугольных пластин и круглых прутков. Оболчка из циркониевого сплава. Для получения хорошего сцепления применяли вакуумное литьё и подогрев циркониевой оболочки. Пористость в сердечнике устраняли подогревом отливки так, чтобы обеспечить направленную кристаллизацию снизу вверх.

Дата добавления: 2014-01-07