RU2417462C2 - Nuclear reactor fuel element - Google Patents
Nuclear reactor fuel element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2417462C2 RU2417462C2 RU2008131150/06A RU2008131150A RU2417462C2 RU 2417462 C2 RU2417462 C2 RU 2417462C2 RU 2008131150/06 A RU2008131150/06 A RU 2008131150/06A RU 2008131150 A RU2008131150 A RU 2008131150A RU 2417462 C2 RU2417462 C2 RU 2417462C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spring
- shell
- plug
- fuel
- diametre
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
- Butt Welding And Welding Of Specific Article (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к атомной энергетике, преимущественно к конструкции внутренних неактивных устройств стержневого тепловыделяющего элемента (твэла) ядерного реактора.The invention relates to nuclear energy, mainly to the design of internal inactive devices of the rod fuel element (fuel element) of a nuclear reactor.
Известен стержневой твэл, состоящий из цилиндрической металлической оболочки, внутри которой размещается ядерное топливо в виде диоксида обогащенного урана, концевых деталей - заглушек, необходимых для герметизации оболочки, фиксирующего элемента, обеспечивающего размещение ядерного топлива в требуемом положении, свободного объема (газосборника), снижающего давление газов на оболочку, возникающее при накоплении газообразных продуктов деления (см. Ф.Г.Решетников, Ю.К.Бибилашвили, И.С.Головин и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1995, с.45-46). Известная конструкция стержневого твэла является одним из первых базовых вариантов для твэлов промышленных реакторов на тепловых нейтронах, рассчитана преимущественно на использование втулочных фиксирующих элементов, имеет усложненную конструкцию герметизирующих узлов и не предназначена для использования при герметизации наиболее прогрессивного способа контактно-стыковой сварки.Known rod fuel rod, consisting of a cylindrical metal shell, inside which is placed nuclear fuel in the form of enriched uranium dioxide, end parts - plugs required for sealing the shell, a fixing element that provides the placement of nuclear fuel in the required position, free volume (gas collector) that reduces pressure gases to the shell arising from the accumulation of gaseous fission products (see F.G. Reshetnikov, Yu.K. Bibilashvili, I.S. Golovin, etc. Development, production and operation fuel elements of power reactors. - M .: Energoatomizdat, 1995, p. 45-46). The known design of a rod fuel rod is one of the first basic options for fuel elements of industrial thermal neutron reactors, designed primarily for the use of sleeve fixing elements, has a sophisticated design of sealing units and is not intended for use in sealing the most advanced contact-butt welding method.
Известны также твэлы, у которых фиксирующие элементы выполнены в виде витых пружин, один конец которых упирается в топливный столб, а противоположный конец фиксируется от перемещения на некотором расстоянии от заглушки за счет сил трения между оболочкой и пружиной, создаваемых распорным усилием группы фиксирующих пружину витков, наружный диаметр которых в свободном состоянии больше внутреннего диаметра оболочки (см. патент США №3310474, 1967 г.).Also known are fuel elements in which the locking elements are made in the form of coil springs, one end of which abuts against the fuel column, and the opposite end is fixed from moving at a certain distance from the plug due to the friction forces between the shell and the spring created by the spacer force of the group of spring-fixing coils, the outer diameter of which in a free state is greater than the inner diameter of the shell (see US patent No. 3310474, 1967).
Недостатком данной конструкции является создание в радиальном направлении локальных дополнительных растягивающих напряжений в сечении оболочки, с которым контактируют фиксирующие витки. При технологической операции размещения фиксирующего элемента внутри оболочки необходимы дополнительные устройства, обеспечивающие предварительное растяжение фиксирующих витков для уменьшения их диаметра до размера, достаточного для прохода по внутреннему сечению оболочки.The disadvantage of this design is the creation in the radial direction of local additional tensile stresses in the cross section of the shell with which the locking coils contact. During the technological operation of placing the fixing element inside the shell, additional devices are required that provide preliminary stretching of the locking coils to reduce their diameter to a size sufficient to pass through the inner section of the shell.
Известен также твэл, у которого фиксирующий элемент выполнен в виде витой пружины из нержавеющей стали, опорные витки которой опираются на топливный столб и внутренний торец верхней (по ходу движения теплоносителя снизу вверх) заглушки (см. патент США №3022240, 1962 г.). Недостатком данной конструкции является прямой контакт нержавеющей стали с заглушкой из циркониевого сплава. При сварке заглушки с оболочкой за счет тепопроводности происходит нагрев места контакта опорного витка и внутреннего торца заглушки, что может спровоцировать процесс контактного плавления с образованием относительно легкоплавкой эвтектики, а также интерметаллических соединений (см. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.:Т.1 / Под общ. ред. Н.П.Лякишева, - М.: Машиностроение, 1996, стр.586-590). Образование эвтектики в месте контакта опорного витка и торца заглушки является нежелательным явлением, налагающим определенные ограничения при выборе способов сварки для герметизации, так как большое влияние будут оказывать параметры режима теплового состояния оболочки и заглушки. Однако в процессе герметизации (сварки) может иметь место еще одно явление уже катастрофического характера. В результате отсутствия центрирующих элементов на торце заглушки в процессе предварительного сжатия пружины может произойти осевое смещение опорного витка вплоть до контакта его наружного диаметра с внутренней поверхностью оболочки. При последующем нагреве в процессе герметизации также возможно контактное плавление, но уже не на торце относительно массивной заглушки, а на тонкостенной оболочке с перспективой быстрой разгерметизации твэла при эксплуатации.A fuel rod is also known, in which the fixing element is made in the form of a twisted stainless steel spring, the support turns of which are supported by the fuel column and the inner end of the top (in the direction of the coolant from the bottom up) plugs (see US patent No. 3022240, 1962). The disadvantage of this design is the direct contact of stainless steel with a plug made of zirconium alloy. When welding a plug with a shell due to heat conduction, the contact point of the support turn and the inner end of the plug are heated, which can provoke the contact melting process with the formation of a relatively low-melting eutectic, as well as intermetallic compounds (see State diagrams of double metal systems: Reference: 3 t. : T.1 / Under the general editorship of N.P. Lyakishev, - M.: Mechanical Engineering, 1996, pp. 566-590). The formation of a eutectic at the contact point between the support turn and the end face of the plug is an undesirable phenomenon that imposes certain restrictions on the choice of welding methods for sealing, since the parameters of the thermal state of the shell and the plug will have a great influence. However, in the process of sealing (welding), another phenomenon of a catastrophic nature may take place. As a result of the absence of centering elements on the end face of the plug during axial compression of the spring, an axial displacement of the support coil can occur up to the contact of its outer diameter with the inner surface of the shell. With subsequent heating in the sealing process, contact melting is also possible, but not at the end of a relatively massive plug, but on a thin-walled shell with the prospect of rapid depressurization of the fuel rod during operation.
Известен твэл, у которого фиксирующий элемент выполнен с упором во внутренний торец заглушки. На торце заглушки имеется выступающий центрирующий элемент, состоящий из конической и нескольких цилиндрических частей. Конический участок выполняет роль ловителя опорного витка пружины при сборке твэла, по цилиндрической части виток центрируется. Цилиндрическая часть выполнена ступенчатой, из ступеней разного диаметров. Ступень большего, чем диаметр центрирующего элемента, диаметра служит для опоры витка пружины, ступень с диаметром меньшим, чем диаметр центрирующего элемента, создает перемычку теплового сопротивления для ограничения потока тепла, поступающего от сварного шва на опорный торец заглушки, что препятствует развитию процесса контактного нагрева и плавления. Длина внутренней части заглушки, располагающейся внутри оболочки после герметизации, также является своего рода термосопротивлением, кроме того, за ее счет опорный виток отодвигается в глубь оболочки от сварного шва (см. патент Японии JP 2004069366А, Мкл. 7 G21C 3/16 от 04.03.2004 г.). Недостатком данной заглушки являются ее относительно большие размеры, что приводит к увеличению безвозвратных потерь циркония. Кроме этого, в результате усложненной конструкции заглушка имеет более сложную и, соответственно, дорогостоящую технологию изготовления.Known fuel rod, in which the locking element is made with focus on the inner end of the plug. At the end of the plug there is a protruding centering element consisting of a conical and several cylindrical parts. The conical section acts as a catcher of the support coil of the spring during the assembly of the fuel rod; the coil is centered along the cylindrical part. The cylindrical part is made stepwise from steps of different diameters. A step larger than the diameter of the centering element, diameter serves to support the coil of the spring, a step with a diameter smaller than the diameter of the centering element creates a thermal resistance jumper to limit the heat flow coming from the weld to the end face of the plug, which prevents the development of contact heating and melting. The length of the inner part of the plug, located inside the shell after sealing, is also a kind of thermal resistance, in addition, due to it, the support coil is moved into the interior of the shell from the weld (see Japan Patent JP 2004069366A, Mcl. 7
Известен твэл, у которого заглушка нижняя, к которой поджат топливный столб, выполнена в виде стаканчика, между дном которого и топливным столбом установлен деформируемый элемент (см. патент РФ № 2188467, Мкл. 7 G21C 3/18, опубликован 2002.08.27). Недостатком данной конструкции является наличие глубокой внутренней полости в заглушке, которая располагается под герметизирующим сварным швом. Сварное соединение, выполненное контактно-стыковой сваркой, невозможно проконтролировать на сплошность ультразвуком, так как используемый способ серийного контроля предусматривает сплошную заглушку в контролируемой зоне (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. В 2 кн. Кн.2 / Ф.Г.Решетников, Ю.К.Бибилашвили, И.С.Головин и др. / Под ред. Ф.Г.Решетникова. - М.: Энергоатомиздат, 1995, с.275-276). Если заглушка приваривается после снаряжения (что характерно для верхней заглушки, к которой может быть применено это решение) с уже размещенной пружиной, применение других видов неразрушающих методов контроля также будет затруднено.A fuel rod is known in which the lower plug, to which the fuel column is drawn, is made in the form of a cup, a deformable element is installed between the bottom of which and the fuel column (see RF patent No. 2188467, Ml. 7 G21C 3/18, published 2002.08.27). The disadvantage of this design is the presence of a deep inner cavity in the plug, which is located under the sealing weld. A flash butt welding cannot be checked for continuity by ultrasound, since the used serial control method involves a continuous plug in the controlled area (see Development, production and operation of fuel elements of power reactors. In 2 book Kn.2 / F. G.Reshetnikov, Yu.K. Bibilashvili, I.S. Golovin et al. / Under the editorship of F.G. Reshetnikov. - M.: Energoatomizdat, 1995, p. 275-276). If the plug is welded after the equipment (which is typical for the top plug, to which this solution can be applied) with the spring already placed, the use of other types of non-destructive testing methods will also be difficult.
Для исключения контактного плавления между опорным витком пружины и внутренним торцом заглушки размещаются дополнительные элементы из материала, не образующего эвтектики либо интерметаллических соединений с материалом заглушки (см. патент США № 3963566, Мкл. 2 G21C 3/16 от 15.06.1976 г.). Недостатком данной конструкции является наличие дополнительной детали в конструкции твэла и соответственно усложнение технологии его производства.To eliminate contact melting between the supporting coil of the spring and the inner end of the plug are placed additional elements of material that does not form a eutectic or intermetallic compounds with the material of the plug (see US patent No. 3963566, Ml. 2 G21C 3/16 from 06/15/1976). The disadvantage of this design is the presence of additional details in the design of the fuel rod and, accordingly, the complexity of its production technology.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому решению - прототипом является тепловыделяющий элемент по патенту США № 3378458, опубликован 16.04.1968 г. Тепловыделяющий элемент содержит оболочку, заглушки, герметизирующие концы оболочки, топливный столб, компенсирующий объем и пружину, расположенную между топливным столбом и смежной заглушкой, опорный виток которой отогнут на 90° и контактирует с заглушкой в центре торца (наиболее холодная зона при герметизации сваркой). Кроме этого опорный виток имеет поверхностное покрытие материалом, у которого температура образования эвтектики с материалом заглушки значительно выше температуры в зоне его контакта с заглушкой. В этом патенте также указывается на возможность использования в конструкции пружины фасонного конца с переменным диаметром витков.The closest in technical essence and the achieved effect to the claimed solution - the prototype is a fuel element according to US patent No. 3378458, published 04/16/1968, the fuel element contains a shell, plugs, sealing ends of the shell, a fuel column, compensating volume and a spring located between the fuel a pillar and an adjacent plug, the support turn of which is bent 90 ° and is in contact with the plug in the center of the end (the coldest zone when sealing by welding). In addition, the support coil has a surface coating with a material at which the temperature of the formation of the eutectic with the plug material is significantly higher than the temperature in the zone of its contact with the plug. This patent also indicates the possibility of using a shaped end with a variable diameter of coils in the spring design.
Основной недостаток этой конструкции - при выполнении технологических операций происходит отгибание опорного витка и смещение точки контакта в более горячую зону. Для борьбы с этим недостатком используется дополнительное покрытие, что усложняет технологический процесс.The main drawback of this design is that during technological operations, the support turn is bent and the contact point is shifted to a hotter zone. To combat this drawback, an additional coating is used, which complicates the process.
Отогнутый опорный виток имеет в идеальном случае контакт только с центром внутреннего торца заглушки. Между наружным диаметров витков пружины и внутренним диаметром оболочки имеется зазор, для фасонной части - значительный. В случае отсутствия центрирующих элементов на торце заглушки возможно смещение опорного витка от центра заглушки в пределах зазора с образованием контакта с внутренней поверхностью оболочки. При герметизации твэлов одним из способов сварки плавлением это явление не имеет существенного значения. Заглушка предварительно, в холодном состоянии, запрессовывается перед сваркой, и ее внутренний торец при запрессовке отодвигает опорный виток от будущей зоны нагрева. При контактно-стыковой сварке, например, по патенту RU 2082574, Мкл. 6 В23К 11/02, G21C 3/00, опубл. 26.06.97, бюл. № 18 (см. фиг.1) наружный диаметр заглушки (5) превышает внутренний диаметр оболочки (1) на (0,2-1,4)δ, где δ - толщина стенки оболочки, поэтому заглушка запрессовывается с образованием неразъемного, герметичного сварного соединения в предварительно нагретом состоянии в предварительно нагретый же участок оболочки. Сварочный ток для нагрева оболочки и заглушки включается после обеспечения предварительного плотного контакта между торцом оболочки и торцом заглушки. Перемещение (запрессовка и сварка) заглушки в оболочку начнется лишь при достижении нагрева зон свариваемых деталей, достаточного для пластической деформации металла заглушки и оболочки. При таких условиях сварки и возможном смещении опорного витка до контакта с внутренней поверхностью оболочки точка контакта может оказаться в зоне, нагретой до пластического состояния. Например, по патенту RU 2082574 (Мкл. 6 В23К 11/02, G21C 3/00, опубл. 26.06.97, бюл. №18) такая зона (для создания качественного сварного соединения) определяется в (2-5)δ, хотя она может быть больше, так как размер наборной части токоподвода (7, фиг.1), которым определяется вся зона нагрева, выполнен в пределах (2,5-6)δ. При номинальном внутреннем диаметре оболочки твэла ВВЭР1000 - 7,72 мм, радиус опорного витка пружины, с учетом зазора между наружным диаметром витков пружины и внутренним диаметром оболочки, может быть 3,6 мм, с таким радиусом точка контакта витка с оболочкой будет располагаться примерно на таком же расстоянии от внутреннего торца заглушки. При толщине оболочки твэла до 0,73 мм зона нагрева может составлять 3,65-4,38 мм от плоскости торца оболочки без учета теплопроводности материала. Запрессовка (величина заглубления) заглушки в оболочку под действием сварочного усилия составляет также (2-5)δ. Металл этой зоны оболочки участвует в формировании сварного соединения, то есть нагревается и пластически деформируется. Следовательно, имеется возможность нагрева наружной поверхности опорного витка пружины (3, фиг.1). Контакт наружной поверхности витка с внутренней поверхностью оболочки, который образовался в результате отсутствия центровки, становится более плотным в результате пластической деформации, вызванной нагревом слоев металла оболочки, расположенных со стороны внутренней поверхности. Создаются условия для схватывания металла фиксатора с металлом оболочки (температура образования эвтектики Zr-Fe - 934°С). При перемещении заглушки происходит разрушение места схватывания и механическое повреждение внутренней поверхности оболочки (задир со смещением металла) и наружной поверхности контактирующего витка.The bent support turn is ideally in contact only with the center of the inner end of the plug. Between the outer diameters of the coil of the spring and the inner diameter of the shell there is a gap for the shaped part - significant. In the absence of centering elements at the end face of the plug, it is possible to shift the support coil from the center of the plug within the gap with the formation of contact with the inner surface of the shell. When sealing fuel rods with one of the fusion welding methods, this phenomenon is not significant. The plug is pre-pressed in the cold state before welding, and its inner end, when pressed, moves the support coil away from the future heating zone. In flash butt welding, for example, according to patent RU 2082574, Mcl. 6 B23K 11/02,
Горячий, нагретый до пластического состояния металл внутренних слоев оболочки может просто сдвигаться опорным витком пружины в результате нарушения центровки и без схватывания, что также снижает ресурс работы оболочки.The hot metal of the inner layers of the shell heated to a plastic state can simply be shifted by the support coil of the spring as a result of misalignment and without setting, which also reduces the life of the shell.
Технической задачей изобретения является повышение надежности работы тепловыделяющего элемента при снижении затрат на его производство.An object of the invention is to increase the reliability of the fuel element while reducing the cost of its production.
Решение задачи достигается тем, что тепловыделяющий элемент ядерного реактора, состоящий из цилиндрической металлической оболочки, внутри которой размещено ядерное топливо в виде столба таблеток из диоксида обогащенного урана, фиксирующего элемента, обеспечивающего заданное положение столба таблеток, выполненного в виде витой пружины, состоящей из цилиндрической рабочей и фасонной частей, нижней и верхней, по ходу движения теплоносителя в активной зоне реактора, заглушек, герметизирующих оболочку с открытых концов в результате контактно-стыковой сварки, витки рабочей части пружины имеют одинаковый диаметр, а ее опорный виток упирается в топливный столб, витки фасонной части пружины имеют переменный диаметр, а ее опорный виток опирается на внутренний торец верхней заглушки, имеющей элементы центрирования опорного витка, согласно изобретению опорный виток фасонной части пружины со стороны верхней заглушки имеет наружный диаметр, меньший диаметра зоны с измененной структурой металла, образующейся в результате нагрева при герметизации оболочки на внутреннем торце заглушки, длина фасонной части пружины в предварительно сжатом состоянии, когда внутренний торец заглушки, контактирующий с опорным витком, упирается в торец оболочки перед началом герметизации, больше величины зоны с измененной структурой, образующейся по длине стенки оболочки в результате герметизации, а центрирующий элемент на торце верхней заглушки выполнен в виде конического выступа с диаметром основания, меньшим диаметра зоны с измененной структурой на величину диаметра проволоки, из которой навивается пружина.The solution to the problem is achieved by the fact that the fuel element of a nuclear reactor, consisting of a cylindrical metal shell, inside of which there is nuclear fuel in the form of a column of tablets made of enriched uranium dioxide, a fixing element that provides a given position of the column of tablets made in the form of a coil spring, consisting of a cylindrical working and fittings, lower and upper, in the direction of the coolant in the reactor core, plugs, sealing the shell from the open ends as a result of cont butt welding, the coils of the working part of the spring have the same diameter, and its support coil abuts against the fuel column, the coils of the shaped part of the spring have a variable diameter, and its support coil rests on the inner end of the upper plug having centering elements of the support coil, according to the invention, support the coil of the shaped part of the spring from the side of the upper plug has an outer diameter smaller than the diameter of the zone with a changed metal structure resulting from heating during sealing of the shell at the inner end plugs, the length of the shaped part of the spring in a precompressed state, when the inner end of the plug in contact with the support turn abuts against the end of the shell before starting sealing, more than the size of the zone with a changed structure formed along the length of the shell wall as a result of sealing, and the centering element at the end the upper plug is made in the form of a conical protrusion with a diameter of the base smaller than the diameter of the zone with a changed structure by the diameter of the wire from which the spring is wound.
В частном случае реализации изобретения для устранения нелинейности в рабочей характеристике пружины витки фасонной части фиксирующего элемента выполнены в поджатом состоянии.In the particular case of implementing the invention, in order to eliminate non-linearity in the operating characteristic of the spring, the turns of the shaped part of the fixing element are made in a pressed state.
Использование в верхней заглушке центрирующего элемента в виде конического углубления на внутреннем торце с основанием, равным 0,75-0,9 внутреннего диаметра торца заглушки, и глубиной 0,1-0,2 протяженности зоны сплошности сварного соединения заглушки с оболочкой, получаемой при герметизации контактно-стыковой сваркой, позволяет с достаточной точностью центрировать опорный виток фасонной части, обеспечить достоверный неразрушающий контроль зоны сплошности сварного соединения и снизить безвозвратные потери циркония.The use of a centering element in the top plug in the form of a conical recess on the inner end with a base equal to 0.75-0.9 of the inner diameter of the end face of the plug and a depth of 0.1-0.2 of the length of the continuity zone of the welded joint of the plug with the shell obtained by sealing by flash-butt welding, it is possible to center the support turn of the fittings with sufficient accuracy, to provide reliable non-destructive testing of the continuity zone of the welded joint and to reduce irretrievable losses of zirconium.
Учет количественных результатов нагрева оболочки и заглушки твэла при герметизации способом контактно-стыковой сварки, реализованный в геометрии пружины и заглушки, позволяет исключить высокотемпературный контакт разнородных материалов в нагретом состоянии, предотвратить образование интерметаллидных фаз, повысить надежность работы твэла и снизить затраты на изготовление элементов, обеспечивающих эти свойства.Taking into account the quantitative results of heating the cladding and plugs of a fuel rod during sealing by flash butt welding, implemented in the geometry of the springs and plugs, it is possible to exclude high-temperature contact of dissimilar materials in the heated state, prevent the formation of intermetallic phases, increase the reliability of the fuel rod and reduce the cost of manufacturing elements that provide these properties.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами.The proposed technical solution is illustrated by graphic materials.
На фиг.1 представлена схема герметизации известного твэла известным способом контактно-стыковой сварки, иллюстрирующая недостатки конструкции твэла.Figure 1 presents a diagram of the sealing of a known fuel rod by a known method of contact-butt welding, illustrating the design flaws of a fuel rod.
На фиг.2 представлена конструкция заявляемого твэла.Figure 2 presents the design of the claimed fuel rod.
На фиг.3 представлено размещение фиксирующего элемента при свободном состоянии витков в снаряженном топливом твэле перед перемещением на позицию герметизации контактно-стыковой сваркой.Figure 3 shows the placement of the locking element with the free state of the turns in the fuel element equipped with fuel before moving to the sealing position by flash-butt welding.
На фиг.4 представлена схема начального периода герметизации заявляемого твэла (с предварительно поджатыми витками фиксирующего элемента и упором торца заглушки в торец оболочки) известным способом контактно-стыковой сварки, иллюстрирующая преимущества конструкции заявляемого твэла.Figure 4 presents a diagram of the initial sealing period of the claimed fuel rod (with pre-clamped turns of the locking element and the focus of the end face of the plug in the end face of the shell) in a known contact-butt welding method, illustrating the design advantages of the claimed fuel element.
На фиг.5 представлен макрошлиф поверхности внутреннего торца верхней заглушки после герметизации с использованием контактно-стыковой сварки с выделенной зоной неизмененной структуры металла заглушки (D).Figure 5 presents a macro section of the surface of the inner end of the upper plug after sealing using flash butt welding with a dedicated zone of unchanged metal structure of the plug (D).
На фиг.6 представлена рентгенограмма верхней части твэла после герметизации с использованием контактно-стыковой сварки, иллюстрирующая смещение опорного витка фасонной части пружины при отсутствии центрирующих элементов на внутреннем торце заглушки.Figure 6 presents the x-ray of the upper part of the fuel element after sealing using contact-butt welding, illustrating the displacement of the support coil of the shaped part of the spring in the absence of centering elements on the inner end of the plug.
На фиг.7 представлена рентгенограмма верхней части твэла после герметизации с использованием контактно-стыковой сварки, иллюстрирующая смещение опорного витка фасонной части пружины с поджатыми витками при отсутствии центрирующих элементов на внутреннем торце заглушки.Figure 7 presents the x-ray of the upper part of the fuel element after sealing using contact-butt welding, illustrating the displacement of the support coil of the shaped part of the spring with preloaded turns in the absence of centering elements on the inner end of the plug.
На фиг.8 представлена рентгенограмма заявляемого твэла после герметизации с использованием контактно-стыковой сварки.On Fig presents a x-ray of the inventive fuel rod after sealing using flash butt welding.
На фиг.9 представлена рентгенограмма заявляемого твэла с поджатыми витками фасонной части с центрирующим элементом на внутреннем торце заглушки в виде конического углубления.Figure 9 presents the x-ray of the inventive fuel rod with tightened turns of the shaped part with a centering element on the inner end of the plug in the form of a conical recess.
На фиг.10 представлен вариант центрирующего элемента на внутреннем торце заглушки в виде конического углубления.Figure 10 shows a variant of the centering element at the inner end of the plug in the form of a conical recess.
Тепловыделяющий элемент ядерного реактора (фиг.2) состоит из оболочки 1, в которой размещены таблетки 2 топливного столба. Твэл герметизирован контактно-стыковой сваркой с оболочкой заглушек нижней 4 и верхней 5. Между топливным столбом и верхней заглушкой расположен фиксирующий элемент 3, выполненный в виде витой пружины, имеющей цилиндрическую рабочую и фасонную части. Опорный виток рабочей части опирается на торец верхней таблетки 2 топливного столба. Опорный виток фасонной части опирается на внутренний торец верхней заглушки 5 и зафиксирован от осевого смещения центрирующим элементом (а). Зоны (b) и (с) (в продольном сечении) соответствуют зонам с измененной в результате сварки структурой металла в заглушке и оболочке соответственно.The fuel element of the nuclear reactor (figure 2) consists of a shell 1, in which are placed the
Данное устройство работает следующим образом.This device operates as follows.
Оболочка 1 с приваренной нижней заглушкой 4 снаряжается таблетками 2 топливного столба. В компенсационный объем оболочки, не заполненный таблетками, устанавливается в свободном состоянии фиксирующий элемент 3, выполненный в виде витой пружины. Часть пружины в свободном состоянии выступает за пределы оболочки 1 (см. фиг.3). Величина вылета зависит от рабочей характеристики пружины. В таком состоянии твэл подается транспортным модулем автоматической линии, например, такой, как заявлена по патенту РФ № 2070740, на позицию сварки сварочных установок, например, как заявленные по авторским свидетельствам СССР № 941070 или № 1490829, патенту РФ № 2245769, либо иных, предназначенных для герметизации твэлов способом контактно-стыковой сварки. Подающее устройство сварочных установок подает оболочку 1 открытым концом, из которого выступает фиксирующий элемент 3, в сварочную камеру, которая изолирует на период герметизации конец оболочки 1 от окружающей среды. В зависимости от конструкции сварочной установки заглушка 5 может подаваться в неразъемную сварочную камеру проталкиванием открытым концом оболочки 1 (выступающей частью фиксирующего элемента) через специальное отверстие либо специализированным устройством при наличии разъемной камеры. С момента начала подачи оболочки 1 и заглушки 5 в сварочную камеру их взаимное расположение не может ни контролироваться, ни корректироваться сварщиком-оператором. При отсутствии центрирующих элементов (а) на торце заглушки 5 в этот момент может произойти взаимное смещение опорного витка пружины и заглушки, которой потом зафиксируется при упоре заглушки в торец оболочки. Смещение опорного витка может произойти в результате потери устойчивости при сжатии значительно выступающей за оболочку части фиксирующего элемента. При наличии центрирующего элемента потеря устойчивости не имеет большого значения, так как смещения опорного витка не происходит, а прогиб пружины ликвидируется при дальнейшем сжатии и размещении выступающих витков внутри оболочки.The shell 1 with a welded bottom plug 4 is equipped with
Завершающий этап подачи оболочки 1 и заглушки 5, который является исходным состояние для начала процесса герметизации, показан на фиг.4. Оболочка 1 твэла зафиксирована от смещения специальным токоподводом 8 и дополнительным зажимным устройством (на фиг.4 не показаны). После ряда операций, связанных с заполнением твэла гелием, к заглушке 5 прикладывается сварочное усилие (Р), и между торцом заглушки и торцом оболочки создается плотный контакт. После создания контакта через заглушку и оболочку пропускается импульс сварочного тока. Создается зона нагрева (s). За счет использования в токоподводе 8 наборных пластин 7 зона нагрева оболочки имеет аномально большую протяженность, что является основным характерным признаком контактно-стыковой сварки твэлов. Однако витки фасонной части фиксирующего элемента с нагретыми участками оболочки не контактируют. В тепловой контакт вступает опорный виток фасонной части с внутренним торцом заглушки 5. На фиг.5 представлена макроструктура металла торца заглушки, возникшая в результате нагрева при герметизации, выделена зона (D) с неизмененной структурой. Ее диаметр зависит от диаметра твэла и режимов сварки - амплитуды и длительности сварочного тока. В соответствии с диаграммой состояния циркониевых сплавов, из которых изготавливаются твэлы, в равновесном состоянии температура их рекристаллизации составляет 580-610°С (см. Займовский А.С., Никулина А.В., Решетников Н.Г. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике - М.: Энергоатомиздат, 1994, с.194-195). Учитывая высокие степени перегрева и переохлаждения, возникающие при высоких сварочных скоростях нагрева и охлаждения (время прохождения сварочного тока в одном из частных случаев - 20 мс, время полного цикла сварки 49 с), граница зоны с неизмененной структурой может быть отодвинута на 50-100°С. Однако это значительно ниже температуры образования эвтектики Zr-Fe, которая составляет 934°С. Следовательно, граница между зонами с измененной и неизмененной структурой на торце заглушки может служить критерием отсутствия контактного плавления и образования интерметаллических соединений при контакте материалов фиксирующего элемента и заглушки в процессе нагрева при герметизации способом контактно-стыковой сварки.The final stage of the supply of the shell 1 and the
На фиг.6 и 7 представлены рентгенограммы твэлов, для герметизации которых использовались заглушки без центрирующих элементов. В выборке на фиг.6 только у твэла справа, в выборке на фиг.7 только у двух твэлов справа можно считать расположение опорного витка допустимым, хотя не исключено его смещение из плоскости рентгенограммы.In Fig.6 and 7 presents the x-ray of the fuel rods, for sealing which were used plugs without centering elements. In the sample in Fig. 6 only for the fuel rod on the right, in the sample in Fig. 7 only for two fuel elements on the right, the location of the support turn can be considered acceptable, although its displacement from the X-ray plane is not excluded.
На фиг.8 и 9 представлены рентгенограммы твэлов, для герметизации которых использовались заглушки с центрирующими элементами. На фиг.8 использован центрирующий элемент в виде конического выступа. На фиг.9 центрирующий элемент выполнен в виде конического углубления в торце заглушки, конструкция которого показана на фиг.10. В данных выборках у всех твэлов отсутствует смещение опорного витка.On Fig and 9 presents the x-ray of the fuel rods, for sealing which were used plugs with centering elements. 8, a centering element in the form of a conical protrusion is used. In Fig.9, the centering element is made in the form of a conical recess in the end face of the plug, the design of which is shown in Fig.10. In these samples, all fuel rods do not have a reference coil offset.
Выбор размеров центрирующего устройства в виде конического углубления связан с особенностями сварного соединения, получаемого при герметизации твэла контактно-стыковой сваркой. При значении диаметра конуса более 0,75-0,9 внутреннего диаметра оболочки нарушается стабильность «холодного» плоскостного контакта торца трубы и торца заглушки, так как коническая поверхность попадает в зону пластической деформации при приложении сварочного усилия. При диаметре, меньшем 0,75-0,9 внутреннего диаметра оболочки, ухудшаются возможности центрирования опорного витка с больших отклонений.The choice of dimensions of the centering device in the form of a conical recess is associated with the features of the welded joint obtained by sealing the fuel rod by flash butt welding. When the diameter of the cone is more than 0.75-0.9, the inner diameter of the shell violates the stability of the “cold” planar contact of the pipe end and the end face of the plug, since the conical surface enters the plastic deformation zone when a welding force is applied. When the diameter is less than 0.75-0.9 of the inner diameter of the shell, the ability to center the support coil with large deviations is deteriorated.
Выбор глубины конического углубления (0,1-0,2 протяженности сварного соединения) определяется особенностями ультразвукового контроля (УЗК) сплошности. Поскольку начало зоны сварного соединения, выполненного контактно-стыковой сваркой вдоль оболочки, практически совпадает с плоскостью торца заглушки, то любое углубление в торце определяется прибором ультразвукового контроля как непровар с соответствующим уменьшением протяженности зоны сварного соединения. Из соображений надежности эксплуатации твэла протяженность зоны сварного соединения не должна быть меньше 2δ (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. В 2 кн. Кн.2 /Ф.Г.Решетников, Ю.К.Бибилашвили, И.С.Головин и др. / Под ред. Ф.Г.Решетникова. - М.: Энергоатомиздат, 1995, с.219). Увеличивая технологически протяженность зоны сварного соединения на 20-30%, что легко достигается на современном сварочном оборудовании, можно компенсировать отклонения в показаниях прибора ультразвукового контроля, учитывающего углубление на торце заглушки. Фактическое превышение протяженности зоны сварного соединения идет в запас прочности. Увеличение углубления более 0,1-0,2 протяженности сварного соединения вызовет значительную корректировку режимов сварки для технологической компенсации уменьшения зоны протяженности сварного соединения, что, в свою очередь, может привести к перегреву оболочки и потере ее коррозионной стойкости.The choice of the depth of the conical recess (0.1-0.2 of the length of the welded joint) is determined by the features of ultrasonic control (ultrasonic testing) of continuity. Since the beginning of the zone of the welded joint performed by flash butt welding along the shell practically coincides with the plane of the end face of the plug, any depression in the end face is determined by the ultrasonic testing device as lack of penetration with a corresponding decrease in the length of the zone of the welded joint. For reasons of reliability of fuel rod operation, the length of the welded joint zone should not be less than 2δ (see Design, production and operation of fuel elements of power reactors. In 2 books Kn.2 / F.G. Reshetnikov, Yu.K. Bibilashvili, I.S. Golovin et al. / Edited by F.G. Reshetnikov. - M.: Energoatomizdat, 1995, p. 219). By increasing technologically the length of the welded joint zone by 20-30%, which is easily achieved with modern welding equipment, it is possible to compensate for deviations in the readings of the ultrasonic testing device, taking into account the recess at the end face of the plug. The actual excess of the length of the weld zone is a margin of safety. An increase in the depth of more than 0.1-0.2 of the length of the welded joint will cause a significant adjustment of the welding conditions for technological compensation of the reduction in the zone of the length of the welded joint, which, in turn, can lead to overheating of the shell and loss of its corrosion resistance.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008131150/06A RU2417462C2 (en) | 2008-07-28 | 2008-07-28 | Nuclear reactor fuel element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008131150/06A RU2417462C2 (en) | 2008-07-28 | 2008-07-28 | Nuclear reactor fuel element |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008131150A RU2008131150A (en) | 2010-02-10 |
RU2417462C2 true RU2417462C2 (en) | 2011-04-27 |
Family
ID=42123289
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008131150/06A RU2417462C2 (en) | 2008-07-28 | 2008-07-28 | Nuclear reactor fuel element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2417462C2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109961864A (en) * | 2017-12-22 | 2019-07-02 | 中核核电运行管理有限公司 | Heavy water reactor fuel handling white-out station potentiometer protective device |
-
2008
- 2008-07-28 RU RU2008131150/06A patent/RU2417462C2/en not_active Application Discontinuation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008131150A (en) | 2010-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8891724B2 (en) | Dual-cooled nuclear fuel rod having annular plugs and method of manufacturing the same | |
CN205004050U (en) | Experiment FMS material irradiation container for fast reactor | |
RU2417462C2 (en) | Nuclear reactor fuel element | |
RU2458768C1 (en) | Method of making thin-wall axially-symmetric welded structure with thick-wall mounted elements | |
CN105161149A (en) | FMS material irradiation container for experimental fast reactor | |
NO139287B (en) | PROCEDURE FOR REMOVAL OF MINERAL SALTS FROM MILK OR MILK PRODUCTS | |
US20130272483A1 (en) | Lower end plug with temperature reduction device and nuclear reactor fuel rod including same | |
EP4141889A1 (en) | Fuel rod of a water-cooled water-moderated nuclear reactor | |
RU2449870C1 (en) | Method of producing steel complex axially symmetric welded structure operated under pressure | |
RU2408941C1 (en) | Fuel element of nuclear reactor | |
Guimbal et al. | Status of the MeLoDIE experiment, an advanced device for online biaxial study of the irradiation creep of LWR cladding | |
US6697448B1 (en) | Neutronic fuel element fabrication | |
RU2821984C1 (en) | Diffusion welding of dissimilar materials | |
NO115015B (en) | ||
EP2455646A2 (en) | Joint structure | |
Stuckert et al. | Influence of the temperature history on secondary hydriding and mechanical properties of zircaloy-4 claddings: An analysis of the QUENCH-LOCA bundle tests | |
RU99585U1 (en) | DEVICE FOR CONNECTING PIPES OF HETEROGENEOUS METALS | |
Malakhov et al. | Study of the Features of Obtaining Bimetallic Pipes and Rods by Explosion Welding with Subsequent Hot Deformation | |
Fastabend | ZIRCALOY-2 TO CARBON STEEL EXPANDED JOINT N-REACTOR PROCESS TUBE FITTING | |
Morgan | 2016 Accomplishments. Tritium aging studies on stainless steel. Forging process effects on the fracture toughness properties of tritium-precharged stainless steel | |
RU2305333C1 (en) | Rod billet for nuclear-reactor ceramic fuel core | |
Mills | MAGNETIC-FORCE WELDING OF SAP MATERIALS | |
Williams et al. | IMPROVEMENTS IN OR RELATING TO PRESSURE WELDING OF METALS | |
Brons | A PORTABLE, REMOTE CONTROLLED, AUTOMATIC TUBE WELDER | |
Wootton | IMPROVEMENTS IN CONTAINMENT VESSELS |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FA92 | Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted) |
Effective date: 20091228 |
|
FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20100910 |