CN106782716B - 一种球环形燃料元件的芯球定位装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球环形燃料元件的芯球定位装置，包括试验台；可旋转地设置于桌面上的工位旋转组件，具有旋转台面、用于支撑芯球的芯球支架和用于承载基体粉末的底模；固定于所述桌面上的工件夹持组件，具有第二支架、第一伺服电机、第一伺服螺杆、第一上下移动组件、空压机气缸和气动手指；以及固定于所述桌面上的旋转成槽部件，具有第三支架、第二伺服电机、第二伺服螺杆、第二上下移动组件、旋转电机和可拆卸旋转手柄。本发明还提供一种利用上述的芯球定位装置制备球环形燃料元件的方法。本发明提供的球环型燃料元件的芯球定位装置和制备方法可以在芯球的外表面包覆球壳，使得芯球和球壳形成完整的同心球体并确保球壳与芯球的高度同心。

Description

一种球环形燃料元件的芯球定位装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及熔盐堆燃料元件的制备，更具体地涉及一种球环形燃料元件的芯球定位装置及其制备方法。

背景技术

熔盐堆是第四代核电六种候选堆型之一，具有无水冷却、高温输出、常压工作、高能量密度和热稳定性好等优点，适用于缺水、干旱地区。固态燃料熔盐堆是一种新型熔盐堆的概念设计，其能充分发挥传统包覆颗粒燃料和传统MSR高温熔盐的优势，其堆内燃料元件被简称为熔盐堆燃料元件。美国Berkeley提供了一种适用于该固态燃料熔盐堆的熔盐堆燃料元件的概念，如图1所示，该熔盐堆燃料元件具有球环形结构，包括中心球区10、包覆该中心球区的燃料区20和燃料区20的外壳区30。但是，目前还没有文献报道过这种球环形燃料元件的制备方法。现有技术中已知的仅是常规的球形燃料元件的制备方法，由于球形燃料元件并不具有上述特殊的球环型结构，其制备方法无法用来制备球环型燃料元件。而且，现有的球形燃料元件的制备方法无法确保这种球环形燃料元件的高度同心要求。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的无法制备球环形燃料元件的问题，本发明旨在提供一种球环形燃料元件的芯球定位装置及其制备方法。

本发明所述的球环形燃料元件的芯球定位装置，包括试验台，其具有桌面；可旋转地设置于所述桌面上的工位旋转组件，其具有旋转台面、用于支撑芯球的芯球支架和用于承载基体粉末的底模，其中，芯球支架和底模分别可拆卸地连接于旋转台面的顶面上；固定于所述桌面上的芯球校位组件，其具有第一支架、手动滑台、预定位悬梁和下按式定位手柄，其中，第一支架通过紧固件固定于桌面上，预定位悬梁通过手动滑台连接于第一支架的顶端，下按式定位手柄连接于预定位悬梁的远离第一支架的自由端；固定于所述桌面上的工件夹持组件，其具有第二支架、第一伺服电机、第一伺服螺杆、第一上下移动组件、空压机气缸和气动手指，其中，第二支架通过紧固件固定于桌面上，第一伺服电机固定设置于第二支架的顶端，第一伺服螺杆与第一伺服电机相连并且在第一伺服电机的驱动下旋转，第一上下移动组件与第一伺服螺杆相连并且随着第一伺服螺杆的旋转可上下移动，空压机气缸连接于第一上下移动组件的顶表面上，而气动手指设置于第一上下移动组件的底表面并与空压机气缸相连以在空压机气缸的作用下抓取或释放芯球；以及固定于所述桌面上的旋转成槽部件，其具有第三支架、第二伺服电机、第二伺服螺杆、第二上下移动组件、旋转电机和可拆卸旋转手柄，其中，第三支架通过紧固件固定于桌面上，第二伺服电机固定设置于第三支架的顶端，第二伺服螺杆与第二伺服电机相连并且在第二伺服电机的驱动下旋转，第二上下移动组件与第二伺服螺杆相连并且随着第二伺服螺杆的旋转可上下移动，旋转电机设置于第二上下移动组件的顶表面上，而可拆卸旋转手柄设置于第二上下移动组件的底表面并与旋转电机相连以在旋转电机的作用下旋转。

所述芯球校位组件、工件夹持组件和旋转成槽部件围绕着工位旋转组件分别固定于试验台的桌面上。

旋转台面为圆形平台，其底部通过轴承设置于桌面上并围绕着穿过圆心的垂直中心轴可旋转。

旋转台面具有围绕着圆心等间距分布的四个工位，芯球支架和底模分别位于其中一个工位上。

该预定位悬梁的自由端具有定位通孔，定位通孔内设置有弹簧，下按式定位手柄插入该弹簧内并穿过该定位通孔向下伸出。

该气动手指的内侧贴附有一橡胶垫层。

本发明还提供一种利用上述的芯球定位装置制备球环形燃料元件的方法，包括步骤：S1，将芯球支架和底模分别固定于旋转台面上，将芯球放置于芯球支架上，向底模内填充基体粉末；转动旋转台面，使得芯球支架上的芯球位于下按式定位手柄的正下方并进行校位，以确保芯球处于竖直向上的状态；S2，转动旋转台面，使得芯球支架位于气动手指的正下方，底模位于旋转手柄的正下方；驱动第一伺服电机使得第一上下移动组件向下移动，驱动空压机气缸使得气动手指抓取芯球，然后驱动第一伺服电机使得第一上下移动组件向上移动，其过程确保芯球始终处于竖直向上的状态；驱动第二伺服电机使得第二上下移动组件向下移动；驱动旋转电机使得旋转手柄在底模内旋转成槽，然后驱动第二伺服电机使得第二上下移动组件向上移动；S3，转动旋转台面，使得底模位于气动手指的正下方；驱动第一伺服电机使得第一上下移动组件向下移动，驱动空压机气缸使得气动手指释放芯球，从而将芯球放置于底模内由基体粉末形成的槽内，然后驱动第一伺服电机使得第一上下移动组件向上移动，其过程确保位于底模内的槽内的芯球始终处于竖直向上的状态；S4，在底模的上方加盖中模形成底模与中模的组合体，向组合体内填充基体粉末，并加盖顶模，该组合体和顶模一起形成完整模具，进行压制处理以在芯球的外表面包覆形成外壳区，从而形成球环型燃料元件。

在所述步骤S1之前通过调整手动滑台确定下按式定位手柄的底端与芯球支架的中心在同一竖直线上。

所述步骤S1包括根据芯球的尺寸制作芯球支架。

包括对所述基体粉末的质量进行精确称量。

本发明提供了一种球环型燃料元件的芯球定位装置和方法，可以在芯球的外表面包覆球壳，使得芯球和球壳形成完整的同心球体，并确保球壳与芯球的高度同心。经测试，所获得的球环型燃料元件的芯球与球壳的同心度优于0.5mm。具有精度高、安全可靠、可拓展性强的优点。本发明不仅适用于实验环境也可以应用于工程生产，具有较高的应用价值。另外，本发明通过控制工位旋转组件2、芯球校位组件3和注入基体石墨粉的质量和体积，即可以实现芯球在三维空间的精确定位。本发明结构简单，精度高、安全可靠，运行与维护成本低，可拓展性强，能够满足高温气堆球环型燃料元件的制备要求，还适用于熔盐堆的低密度三层同心结构的球环型燃料元件的制备要求。

附图说明

图1是球环型燃料元件的结构示意图；

图2是根据本发明的球环形燃料元件的芯球定位装置的立体示意图；

图3是图2的芯球校位组件的立体示意图；

图4是图2的工件夹持组件的立体示意图；

图5是图2的旋转成槽部件的立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

图2是根据本发明的球环形燃料元件的芯球定位装置的立体示意图，其包括试验台1、工位旋转组件2、芯球校位组件3、工件夹持组件4和旋转成槽部件5。其中，工位旋转组件2平行于试验台1的桌面11设置，其可围绕着垂直中心轴旋转。芯球校位组件3、工件夹持组件4和旋转成槽部件5围绕着工位旋转组件2分别固定于试验台1的桌面11上。

工位旋转组件2包括旋转台面21、芯球支架22和底模23。其中，旋转台面21在本实施例中示出为圆形平台，其底部通过轴承设置于桌面11上并可在电机的驱动下围绕着穿过圆心的垂直中心轴旋转。芯球支架22和底模23(图中示出为两个)分别可拆卸地连接于旋转台面21的顶面上。在本实施例中，该旋转台面21具有围绕着圆心等间距分布的四个工位，芯球支架22在图2中示出于位于第一工位上，第一底模23示出为位于第二工位上，第三工位示出为空白，第二底模23示出为位于第四工位上。应该理解，该第三工位上可以固定第二芯球支架22。优选地，该旋转台面21与驱动电机通过工位旋转部件连接，该工位旋转部件采用大扭矩低惯量伺服电机控制，满足旋转台面21的任何角度的旋转要求。所述工位旋转部件的角度误差要低于0.5^o，旋转速度低于1.5r/min。

图3是图2的芯球校位组件的立体示意图，该芯球校位组件3包括第一支架31、手动滑台32、预定位悬梁33和下按式定位手柄34。其中，第一支架31通过紧固件固定于试验台1的桌面11上。预定位悬梁33通过手动滑台32连接于第一支架31的顶端，通过该手动滑台32的移动，下按式定位手柄34可以在第一支架31的顶表面所限定的水平面内前后左右自由移动。下按式定位手柄34连接于预定位悬梁33的远离第一支架31的自由端。在本实施例中，该预定位悬梁33具有定位通孔，定位通孔内容置有弹簧，下按式定位手柄34插入该弹簧内并穿过该定位通孔向下伸出，其中，该弹簧的设置可以使得下按式定位手柄34能够在每次下按操作后进行复位。在本实施例中，该下按式定位手柄34带有限位销钉，以控制下按式定位手柄每次下压的距离满足不同尺寸的要求。应该理解，该芯球校位组件还配备有芯球就位判定传感器，用于判定芯球支架22上的芯球是否就位，并向控制系统发送检测结果信号。优选地，该芯球就位判定传感器为采用反射型光电传感器。

图4是图2的工件夹持组件的立体示意图，该工件夹持组件4包括第二支架41、第一伺服电机42、第一伺服螺杆43、第一上下移动组件44、空压机气缸45和气动手指46。其中，第二支架41通过紧固件固定于试验台1的桌面11上。第一伺服电机42固定设置于第二支架41的顶端，第一伺服螺杆43与第一伺服电机42相连并且在第一伺服电机42的驱动下旋转。第一上下移动组件44与第一伺服螺杆43相连并且随着第一伺服螺杆43的旋转可上下移动。空压机气缸45连接于第一上下移动组件44的顶表面上，而气动手指46设置于第一上下移动组件44的底表面并与空压机气缸45相连以在空压机气缸45的作用下抓取或释放芯球。其中，该空压机气缸45配有流量调节阀，通过该调节阀可以调节压缩空气的压力，从而可以调节气动手指46对芯球的作用力，以满足易碎芯球的夹取动作的要求。优选地，气动手指46的内侧贴附有一橡胶垫层，从而利用该橡胶垫层来保护夹取过程中的芯球。气动手指46还配有减速马达，使得在夹取过程中能够缓慢施加作用力，防止破坏芯球。

图5是图2的旋转成槽部件的立体示意图，该旋转成槽部件5包括第三支架51、第二伺服电机52、第二伺服螺杆53、第二上下移动组件54、旋转电机55和可拆卸旋转手柄56。其中，第三支架51通过紧固件固定于试验台1的桌面11上。第二伺服电机52固定设置于第三支架51的顶端，第二伺服螺杆53与第二伺服电机52相连并且在第二伺服电机52的驱动下旋转。第二上下移动组件54与第二伺服螺杆53相连并且随着第二伺服螺杆53的旋转可上下移动。旋转电机55设置于第二上下移动组件54的顶表面上，而可拆卸旋转手柄56设置于第二上下移动组件54的底表面并与旋转电机55相连以在旋转电机55的作用下旋转。应该理解，该旋转成槽部件5还配备有基体粉末就位判定传感器，用于判定底模23内的基体粉末是否就位以及基体粉末的数量是否满足要求，并向控制系统发送检测结果信号。优选地，该基体粉末就位判定传感器为采用反射型光电传感器。该旋转电机55采用超低速小型AC交流电动机，避免基体粉末被转出底模23。优选地，所述超低速小型AC交流电动机转速为60/72r/min(50/60Hz)。可拆卸旋转手柄56可根据芯球加工要求进行更换。

结合图2-图5，以下详述根据本发明的球环形燃料元件的制备方法，包括步骤：

S1，将芯球支架22固定于旋转台面21的第一工位，第一底模23放置于第二工位上，并将芯球(预压制球形燃料，对应于图1中的由中心球区10和燃料区20形成的环形芯球)放置于位于第一工位上的芯球支架22上，向第一底模23内填充基体粉末(例如基体石墨粉)，转动旋转台面21，使得芯球支架22上的芯球位于下按式定位手柄34的正下方，其中，可以通过手动调节手动滑台32来移动预定位悬梁33和下按式定位手柄34的位置，以消除不同芯球支架引入的误差。由于芯球通常呈现为椭球形，在该椭球形的最高点处设置有凹坑，对下按式定位手柄34施加竖直向下的作用力使得下按式定位手柄34与凹坑配合，从而确保芯球处于竖直向上的状态。

S2，顺时针转动旋转台面21约90度，使得芯球支架22位于气动手指46的正下方，位于第二工位上的第一底模23位于旋转手柄56的正下方。驱动第一伺服电机42使得第一上下移动组件44向下移动；驱动空压机气缸45使得气动手指46抓取芯球；然后驱动第一伺服电机42使得第一上下移动组件44向上移动，其过程确保芯球始终处于竖直向上的状态。同时，驱动第二伺服电机52使得第二上下移动组件54向下移动；驱动旋转电机55使得旋转手柄56在第一底模23内旋转成槽，该槽适配于椭球形的芯球；然后驱动第二伺服电机52使得第二上下移动组件54向上移动。

S3，逆时针转动旋转台面21约90度，使得位于第二工位上的第一底模23位于气动手指46的正下方。驱动第一伺服电机42使得第一上下移动组件44向下移动；驱动空压机气缸45使得气动手指46释放芯球，从而将芯球放置于第一底模23内由基体粉末形成的槽内；然后驱动第一伺服电机42使得第一上下移动组件44向上移动，其过程确保位于第一底模23内的槽内的芯球始终处于竖直向上的状态。

S4，在第一底模23的上方加盖中模形成底模与中模的组合体，向组合体内填充基体粉末，并加盖顶模，该组合体和顶模一起形成完整模具，进行压制处理以在芯球的外表面包覆形成外壳区30，从而形成球环型燃料元件。应该理解，本发明的制备方法通过对压制工艺的压制次数等的选择，不仅可以适用于三层球环型燃料元件，还可以用于多层球环型燃料元件的制备。

显然，通过工件夹持组件4的第一伺服电机42和第一伺服螺杆43，以及旋转成槽部件5的第二伺服电机52和第二伺服螺杆53的设置，来确保芯球夹持的高精度、芯球释放位置的高精度以及基体粉末的槽深度的高精度要求，从而最终确保芯球与由基体粉末形成的包覆该中心球区的燃料区20的高同心度。其中，可拆卸旋转手柄56的定位精度可达0.01mm。

实际上，上述方法首先根据芯球的结构和尺寸等参数，首先选定合适的芯球支架22，并对下按式定位手柄34的初始位置进行校订。具体来说，是通过调整芯球校位组件中的手动滑台32在水平面内的空间位置，先确定下按式定位手柄34的底端与芯球支架22的中心在同一竖直线上。这一操作是保障芯球定位精度的前提。

上述制备方法中虽然仅描述了一个芯球支架22和一个底模23的设置，应该理解，为了提高工作效率，旋转台面21上可设有有两个芯球支架22和两个底模23，其原理和过程与上类似，在此不再赘述。

以制备直径为3cm的球环型燃料元件为例：将环形芯球置于芯球支架22上(中心球区10质量约为18.4g，环形燃料区质量约7.3g，其中石墨基体约5.4g，穿衣颗粒约1.9g)，向第一底模23内注入石墨基体粉的质量约0.7～1.3g(优选为0.9～1.3g)，完成旋转成槽，并将芯球置于第一底模23中。加盖顶模形成模具，注入石墨基体粉的质量约3.8～4.4g(优选为3.8～4.2g)后进行压制得到球环型燃料元件。

综上所述，本发明提供了一种球环型燃料元件的芯球定位装置和方法，可以在芯球的外表面包覆球壳，使得芯球和球壳形成完整的同心球体，并确保球壳与芯球的高度同心。经测试，所获得的球环型燃料元件的芯球与球壳的同心度优于0.5mm。具有精度高、安全可靠、可拓展性强的优点。本发明不仅适用于实验环境也可以应用于工程生产，具有较高的应用价值。另外，本发明通过控制工位旋转组件2、芯球校位组件3和注入基体石墨粉的质量和体积，即可以实现芯球在三维空间的精确定位。本发明结构简单，精度高、安全可靠，运行与维护成本低，可拓展性强，能够满足高温气堆球环型燃料元件的制备要求，还适用于熔盐堆的低密度三层同心结构的球环型燃料元件的制备要求。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种球环形燃料元件的芯球定位装置，包括：

试验台，其具有桌面；

可旋转地设置于所述桌面上的工位旋转组件，其具有旋转台面、用于支撑芯球的芯球支架和用于承载基体粉末的底模，

其特征在于，芯球支架和底模分别可拆卸地连接于旋转台面的顶面上；

固定于所述桌面上的芯球校位组件，其具有第一支架、手动滑台、预定位悬梁和下按式定位手柄，其中，第一支架通过紧固件固定于桌面上，预定位悬梁通过手动滑台连接于第一支架的顶端，下按式定位手柄连接于预定位悬梁的远离第一支架的自由端；

固定于所述桌面上的工件夹持组件，其具有第二支架、第一伺服电机、第一伺服螺杆、第一上下移动组件、空压机气缸和气动手指，其中，第二支架通过紧固件固定于桌面上，第一伺服电机固定设置于第二支架的顶端，第一伺服螺杆与第一伺服电机相连并且在第一伺服电机的驱动下旋转，第一上下移动组件与第一伺服螺杆相连并且随着第一伺服螺杆的旋转可上下移动，空压机气缸连接于第一上下移动组件的顶表面上，而气动手指设置于第一上下移动组件的底表面并与空压机气缸相连以在空压机气缸的作用下抓取或释放芯球；以及

固定于所述桌面上的旋转成槽部件，其具有第三支架、第二伺服电机、第二伺服螺杆、第二上下移动组件、旋转电机和可拆卸旋转手柄，其中，第三支架通过紧固件固定于桌面上，第二伺服电机固定设置于第三支架的顶端，第二伺服螺杆与第二伺服电机相连并且在第二伺服电机的驱动下旋转，第二上下移动组件与第二伺服螺杆相连并且随着第二伺服螺杆的旋转可上下移动，旋转电机设置于第二上下移动组件的顶表面上，而可拆卸旋转手柄设置于第二上下移动组件的底表面并与旋转电机相连以在旋转电机的作用下旋转。

2.根据权利要求1所述的芯球定位装置，其特征在于，所述芯球校位组件、工件夹持组件和旋转成槽部件围绕着工位旋转组件分别固定于试验台的桌面上。

3.根据权利要求1所述的芯球定位装置，其特征在于，旋转台面为圆形平台，其底部通过轴承设置于桌面上并围绕着穿过圆心的垂直中心轴旋转。

4.根据权利要求3所述的芯球定位装置，其特征在于，旋转台面具有围绕着圆心等间距分布的四个工位，芯球支架和底模分别位于其中一个工位上。

5.根据权利要求1所述的芯球定位装置，其特征在于，该预定位悬梁的自由端具有定位通孔，定位通孔内设置有弹簧，下按式定位手柄插入该弹簧内并穿过该定位通孔向下伸出。

6.根据权利要求1所述的芯球定位装置，其特征在于，该气动手指的内侧贴附有一橡胶垫层。

7.一种利用权利要求1-6中任一项所述的芯球定位装置制备球环形燃料元件的方法，其特征在于，包括步骤：

S1，将芯球支架和底模分别固定于旋转台面上，将芯球放置于芯球支架上，向底模内填充基体粉末；转动旋转台面，使得芯球支架上的芯球位于下按式定位手柄的正下方并进行校位，以确保芯球处于竖直向上的状态；

S2，转动旋转台面，使得芯球支架位于气动手指的正下方，底模位于旋转手柄的正下方；驱动第一伺服电机使得第一上下移动组件向下移动，驱动空压机气缸使得气动手指抓取芯球，然后驱动第一伺服电机使得第一上下移动组件向上移动，其过程确保芯球始终处于竖直向上的状态；驱动第二伺服电机使得第二上下移动组件向下移动；驱动旋转电机使得旋转手柄在底模内旋转成槽，然后驱动第二伺服电机使得第二上下移动组件向上移动；

S3，转动旋转台面，使得底模位于气动手指的正下方；驱动第一伺服电机使得第一上下移动组件向下移动，驱动空压机气缸使得气动手指释放芯球，从而将芯球放置于底模内由基体粉末形成的槽内，然后驱动第一伺服电机使得第一上下移动组件向上移动，其过程确保位于底模内的槽内的芯球始终处于竖直向上的状态；

S4，在底模的上方加盖中模形成底模与中模的组合体，向组合体内填充基体粉末，并加盖顶模，该组合体和顶模一起形成完整模具，进行压制处理以在芯球的外表面包覆形成外壳区，从而形成球环形燃料元件。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1之前通过调整手动滑台确定下按式定位手柄的底端与芯球支架的中心在同一竖直线上。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括根据芯球的尺寸制作芯球支架。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包括对所述基体粉末的质量进行精确称量。