CN108638564A - 一种压制球形燃料元件生坯的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核燃料制备技术领域，公开了一种压制球形燃料元件生坯的装置及方法，包括生坯压制单元、液压传动单元、抽真空单元和控制单元，所述生坯压制单元包括液压缸，所述液压缸内部套设有一端开口的弹性内胆，所述弹性内胆的内部叠设有多个弹性软模，且所述弹性软模内部设置有多个球形模腔。本发明提供的一种压制球形燃料元件生坯的装置及方法，通过在弹性内胆的内部叠设有多个弹性软模，且在所述弹性软模内部设置有多个球形模腔，实现了燃料元件球坯一次性压制多个，大大提高了生产效率；该设备结构简单，运行动作简化，结构紧凑，具有操作简单，便于与物料填装线自动化接口，该设备能够兼用于球形燃料元件燃料区球芯的成型。

Description

一种压制球形燃料元件生坯的装置及方法

技术领域

本发明涉及核燃料制备技术领域，尤其涉及一种压制球形燃料元件生坯的装置及方法。

背景技术

我国球床式高温气冷堆所使用的球形燃料元件直径为60mm，整体为石墨基体，外层为厚约5mm左右的无燃料区，内部为球形包覆颗粒(TRISO)弥散在石墨基体的燃料区。但现有的球形燃料元件生坯设备单次只能压制一个元件球坯，一定程度上影响了生产效率和元件生产成本，随着高温堆、熔盐堆等各种堆型的发展，对球形燃料元件制备的生产效率及成本提出了更高的要求，压制环节作为一个关键生产工艺，其生产效率有待大幅提高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种压制球形燃料元件生坯的装置及方法，旨在解决现有技术中的球形燃料元件生坯设备单次只能压制一个元件球坯，元件球坯生产效率低下，生产成本高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压制球形燃料元件生坯的装置，包括生坯压制单元、液压传动单元、抽真空单元和控制单元，所述生坯压制单元均与所述液压传动单元和抽真空单元连接，所述液压传动单元和抽真空单元均与所述控制单元电连接；所述生坯压制单元包括液压缸一端开口的弹性内胆、弹性软模，所述弹性内胆位于所述液压缸内部，所述弹性内胆的内部可容纳弹性软模，且所述弹性软模内部设置有多个球形模腔。

其中，所述弹性内胆和弹性软模由天然橡胶、硅橡胶、聚氨基甲酸酯、丁腈橡胶、聚氯乙烯、聚氯丁烯、聚丁二烯、聚异丁烯或聚异戊二烯中的一种或多种制成。

其中，所述液压缸与所述弹性内胆之间形成一个用以容纳传压介质的第一密封空间。

其中，所述生坯压制单元还包括压力冲头，所述压力冲头的前端呈阶梯状，所述压力冲头前端的细段与所述弹性内胆相套设，用以对所述弹性软模进行挤压。

其中，所述压力冲头前端的阶梯面上设置有环绕所述压力冲头前端的O形密封圈，所述压力冲头与所述弹性内胆之间通过所述O形密封圈形成第二密封空间。

其中，所述抽真空单元包括真空泵、第一真空管路和第二真空管路，所述真空泵分别通过所述第一真空管路和第二真空管路与所述第二密封空间连通，所述第一真空管路穿过所述液压缸与所述第二密封空间连通，所述第二真空管路穿过所述压力冲头与所述第二密封空间连通。

其中，所述液压传动单元包括液压机和液压管路，所述液压机通过所述液压管路与所述第一密封空间连通。

其中，弹性软模可以为单层，也可以为多层叠放，每层都设有多个球形模腔。

本发明还提供了一种压制球形燃料元件生坯的方法，包括以下步骤：

S1：将核燃料颗粒和基体粉混合后装入所述弹性软模的球形模腔内，并搅拌均匀；

S2：将所述弹性软模放置在所述弹性内胆内，并通过所述传压介质加压，压制出球芯；

S3：将步骤S2中的所述弹性软模通过造型，将所述球芯包裹在无燃料区的所述基体粉中；

S4：将步骤S3中的所述弹性软模放置在所述弹性内胆内，先通过所述抽真空单元抽真空，然后通过所述传压介质加压，压制出生坯。

其中，所述步骤S2中压制球芯的压力范围为0.5MPa至5MPa。

其中，所述步骤S4中抽真空的真空度范围为-0.06MPa至0.1MPa；所述步骤S4中压制球坯的压力范围为180MPa至350MPa。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明提供的一种压制球形燃料元件生坯的装置及方法，通过在弹性内胆的内部叠设有多个弹性软模，且在所述弹性软模内部设置有多个球形模腔，实现了燃料元件球坯一次性压制多个；如果软模可以叠加2层，每层3个模腔，则一次性压制6个球坯，如果叠加3层，每层6个模腔，则一次可以压制18个球，以此类推，大大提高了生产效率；该设备结构简单，运行动作简化，结构紧凑，具有操作简单，便于与物料填装线自动化接口，该设备能够兼用于球形燃料元件燃料区球芯的成型。

附图说明

图1为本发明实施例的压制球形燃料元件生坯的装置的一种结构示意图；

图2为本发明实施例的压制球形燃料元件生坯的装置的另一种结构示意图；

其中，1-液压缸；2-传压介质；3-弹性内胆；4-弹性软模；5-球形模腔；6-压力冲头；7-O形密封圈；8-真空泵；9-第一阀体；10-第一真空管路；11-第二真空管路；12-液压机；13-第二阀体；14-液压管路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；除非另有说明，“缺口状”的含义为除截面平齐外的形状。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1至图2所示，本发明提供了一种压制球形燃料元件生坯的装置，包括生坯成型单元、液压传动单元、抽真空单元和控制单元，生坯成型单元均与液压传动单元和抽真空单元连接，液压传动单元和抽真空单元均与控制单元电连接；生坯成型单元包括液压缸1，一端开口的弹性内胆3，弹性软模4，所述弹性内胆3的内部可容纳弹性软模4，且弹性软模4内部设置有多个球形模腔5，具体地，所述弹性软模4为多层叠放，每层设有多个球形模腔5，多个球形模腔5以模具轴心线为圆心放射性均布。

本发明提供的一种压制球形燃料元件生坯的装置及方法，与现有技术相比，通过在弹性内胆的内部叠设有多个弹性软模，且在所述弹性软模内部设置有多个球形模腔，实现了燃料元件球坯一次性压制多个；如果软模可以叠加2层，每层3个模腔，则一次性压制6个球坯。如果叠加三层，每层6个模腔，则一次可以压制18个球，大大提高了生产效率；该设备结构简单，运行动作简化，结构紧凑，具有操作简单，便于与物料填装线自动化接口，该设备能够兼用于球形燃料元件燃料区球芯的成型。

进一步的，弹性内胆3和弹性软模4由天然橡胶、硅橡胶、聚氨基甲酸酯、丁腈橡胶、聚氯乙烯、聚氯丁烯、聚丁二烯、聚异丁烯或聚异戊二烯中的一种或多种材料制成。

需要说明的是，弹性内胆3和弹性软模4之间保持1mm至10mm的间隙。

进一步的，液压缸1与弹性内胆3之间形成一个用以容纳传压介质2的第一密封空间。本实施例中，传压介质2为液体介质。

进一步的，生坯压制单元还包括压力冲头6，压力冲头6的前端呈阶梯状，压力冲头6前端的细段与弹性内胆3相套设，用以对弹性软模4进行挤压。

进一步的，压力冲头6前端的阶梯面上设置有环绕压力冲头6前端的O形密封圈7，压力冲头6与弹性内胆3之间通过O形密封圈7形成第二密封空间。压力冲头6可以从下往上升封堵弹性内胆3口，下降至一定高度以便取放模具。

进一步的，抽真空单元包括真空泵8、第一真空管路10和第二真空管路11，真空泵8分别通过第一真空管路10和第二真空管路11均与第二密封空间连通，第一真空管路10穿过液压缸1与第二密封空间连通，第二真空管路11穿过压力冲头6与第二密封空间连通。

进一步的，真空泵8与串联的第一真空管路10、第二真空管路11之间还设置有第一阀体9，第一阀体9、真空泵8在控制单元的控制下以实现开闭、启停。优选的，第一阀体9为比例流量阀，可以根据需要调节抽气速率和弹性内胆3内的气压。

进一步的，液压传动单元包括液压机12和液压管路14，液压机12通过液压管路14与第一密封空间连通。优选的，液压机12与液压管路14之间还设置有第二阀体13。

本发明提供的压制球形燃料元件生坯的装置运行时，首先将物料填充至弹性软模4内腔中，并两层叠加放置在弹性内胆3内，压力冲头6上行封堵内胆口后，开启抽真空单元，抽去粉体物料内的空气，最后开启液压传动单元，通过传压介质2将压力从各个方向均匀传递给弹性内胆3和弹性软模4，进而对粉体施压成球坯。

需要说明的是，图1和图2中的压制球形燃料元件生坯的装置结构大体相同，两者的区别为弹性内胆3的开口方向不同，图1中弹性内胆3的开口向下，图2中弹性内胆3的开口向上。

本发明还提供了一种压制球形燃料元件生坯的方法，包括以下步骤：S1：将核燃料颗粒和基体粉混合后装入弹性软模4的球形模腔5内，并搅拌均匀；S2：将弹性软模4放置在弹性内胆3内，并通过传压介质2加压，压制出球芯；S3：将步骤S2中的弹性软模4通过造型，将球芯包裹在无燃料区的基体粉中；S4：将步骤S3中的弹性软模4放置在弹性内胆3内，先通过抽真空单元抽真空，然后通过传压介质2加压，压制出生坯。本实施例中，弹性软模4的层数为2层，每层球形模腔5的数量为6个。

具体的，步骤S2中压制球芯的压力范围为0.5MPa至5MPa。本实施例中，压制球芯的压力为2MPa。

具体的，步骤S4中抽真空的真空度范围为-0.06MPa至0.1MPa；步骤S4中压制球坯的压力范围为180MPa至350MPa。本实施例中，抽真空的真空度为-0.08MPa，压制球坯的压力为250MPa。

具体压制过程如下：1、将定量的核燃料颗粒和基体粉混合后分别装入具有6个球形模腔5的球芯专用弹性软模4内，并搅拌均匀；2、将2层弹性软模4叠放在弹性内胆3内，压力冲头6上行封堵内胆口，并开启液压传动单元，通过传压介质2加压至2MPa，压制出12个球芯；3、在终压弹性软模中通过造型，将球芯包裹在无燃料区基体粉中；4、将具有6个模腔的终压弹性软模叠放2层放置在弹性内胆3内，先抽真空到-0.08MPa，然后开启液压传动系统，通过传压介质2加压至250MPa，保压5秒钟后泄压，一次性得到12个球形燃料元件生坯。

具体的，分别采用准等静压方法和本发明提供的方法压制基体石墨球坯若干，经过炭化、车削、纯化，得到基体石墨球。分别测试落球强度、垂直和平行于压制方向的压碎强度、热膨胀各向异性，结果如下：

表1.落球强度对比表(落球高度5m，单位：次)

实验条件	测试数据	技术要求
			准等静压	＞100	＞50
本发明	＞100	＞50

表2.压碎强度对比表(单位：KN)

表3.热膨胀各向异性对比(单位：K-1)

从结果可以看出，关键的指标相比，两种方法都能满足技术要求。而两者相比，本发明的压碎强度在平行和垂直于压力方向的比值更小、热膨胀系数两方向比值更小，说明在热力学各向差异上，本发明所制备的基体石墨球表现出更好的各向同性，良好的各向同性，有利于燃料元件在堆内的安全运行。另外，与准等静压压制方法相比，该方法从模具周边和一个断面进行压力传递，基本为等静压压制，所以可以改善元件产品的各向同性，提高了元件质量及在堆内运行的安全性

本发明所公开的球坯成型设备，除了用于球形燃料元件生坯，还可以用于陶瓷球坯、金属球坯的成型；同时橡胶模内腔形状可以根据需要，用于生产精密复杂形状的制品。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (11)

1.一种压制球形燃料元件生坯的装置，其特征在于，包括生坯成型单元、液压传动单元、抽真空单元和控制单元，所述生坯成型单元均与所述液压传动单元和抽真空单元连接，所述液压传动单元和抽真空单元均与所述控制单元电连接；所述生坯成型单元包括液压缸(1)、一端开口的弹性内胆(3)、弹性软模(4)，所述弹性内胆(3)位于所述液压缸(1)内部，所述弹性内胆(3)的内部用于容纳弹性软模(4)，且所述弹性软模(4)内部设置有多个球形模腔(5)。

2.根据权利要求1所述的压制球形燃料元件生坯的装置，其特征在于，所述弹性内胆(3)和弹性软模(4)由天然橡胶、硅橡胶、聚氨基甲酸酯、丁腈橡胶、聚氯乙烯、聚氯丁烯、聚丁二烯、聚异丁烯或聚异戊二烯中的一种或多种制成。

3.根据权利要求1所述的压制球形燃料元件生坯的装置，其特征在于，所述液压缸(1)与所述弹性内胆(3)之间形成一个用以容纳传压介质(2)的第一密封空间。

4.根据权利要求3所述的压制球形燃料元件生坯的装置，其特征在于，所述生坯压制单元还包括压力冲头(6)，所述压力冲头(6)的前端呈阶梯状，所述压力冲头(6)前端的细段与所述弹性内胆(3)相套设，用以对所述弹性软模(4)进行挤压。

5.根据权利要求4所述的压制球形燃料元件生坯的装置，其特征在于，所述压力冲头(6)前端的阶梯面上设置有环绕所述压力冲头(6)前端的O形密封圈(7)，所述压力冲头(6)与所述弹性内胆(3)之间通过所述O形密封圈(7)形成第二密封空间。

6.根据权利要求5所述的压制球形燃料元件生坯的装置，其特征在于，所述抽真空单元包括真空泵(8)、第一真空管路(10)和第二真空管路(11)，所述真空泵(8)分别通过所述第一真空管路(10)和第二真空管路(11)与所述第二密封空间连通，所述第一真空管路(10)穿过所述液压缸(1)与所述第二密封空间连通，所述第二真空管路(11)穿过所述压力冲头(6)与所述第二密封空间连通。

7.根据权利要求3所述的压制球形燃料元件生坯的装置，其特征在于，所述液压传动单元包括液压机(12)和液压管路(14)，所述液压机(12)通过所述液压管路(14)与所述第一密封空间连通。

8.根据权利要求1所述的压制球形燃料元件生坯的装置，其特征在于，所述弹性软模(4)为多层叠放，每层设有多个球形模腔。

9.一种利用如权利要求1-8任一项所述的压制球形燃料元件生坯的装置进行生坯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将核燃料颗粒和基体粉混合后装入弹性软模(4)的球形模腔(5)内，并搅拌均匀；

S2：将所述弹性软模(4)放置在弹性内胆(3)内，并通过传压介质(2)加压，压制出球芯；

S3：将步骤S2中的所述弹性软模(4)通过造型，将所述球芯包裹在无燃料区的所述基体粉中；

S4：将步骤S3中的所述弹性软模(4)放置在所述弹性内胆(3)内，先通过所述抽真空单元抽真空，然后通过传压介质(2)加压，压制出生坯。

10.根据权利要求9所述的压制球形燃料元件生坯的方法，其特征在于，所述步骤S2中压制球芯的压力范围为0.5MPa至5MPa。

11.根据权利要求9所述的压制球形燃料元件生坯的方法，其特征在于，所述步骤S4中抽真空的真空度范围为-0.06MPa至-0.1MPa；所述步骤S4中压制球坯的压力范围为180MPa至350MPa。