RU2550745C2 - Fuel element of nuclear power reactor and method of making same - Google Patents

Fuel element of nuclear power reactor and method of making same Download PDF

Info

Publication number
RU2550745C2
RU2550745C2 RU2013100368/07A RU2013100368A RU2550745C2 RU 2550745 C2 RU2550745 C2 RU 2550745C2 RU 2013100368/07 A RU2013100368/07 A RU 2013100368/07A RU 2013100368 A RU2013100368 A RU 2013100368A RU 2550745 C2 RU2550745 C2 RU 2550745C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ampoule
shell
gas
fuel
cavity
Prior art date
Application number
RU2013100368/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013100368A (en
Inventor
Рафаэль Хайбуллович Жалилов
Александр Антонович Колганов
Анатолий Васильевич Мартыненко
Алексей Станиславович Шадский
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2013100368/07A priority Critical patent/RU2550745C2/en
Publication of RU2013100368A publication Critical patent/RU2013100368A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2550745C2 publication Critical patent/RU2550745C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Butt Welding And Welding Of Specific Article (AREA)
  • Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

FIELD: physics, atomic power.
SUBSTANCE: invention relates to nuclear physics, particularly to gas-filled fuel element structures for experimental, test and research reactors and methods of making same. The fuel element comprises an envelope filled with a gas of a given composition and pressure, a fuel column in the envelope and terminal elements sealed to the envelope by welded joints. Both terminal elements are connected to the envelope by welded joints made by multiple-pass electron-beam welding. At least one of the terminal elements has a cavity with an ampoule inside, the ampoule containing an inert gas of a given composition and pressure. The cavity is linked to the inner volume of the envelope, and the terminal element with the cavity has a thickness comparable with that of the wall of the envelope. The fuel element is made by first forming a cavity in the terminal element and placing an ampoule filled with a gas of a given composition and excess pressure. The ampoule is made of material with a melting point lower than that of the material of the terminal element. The fuel element is sealed by welded joints made by electron-beam welding, and the inner cavity of the envelope is filled with gas by opening the ampoule after sealing using thermal action on the terminal element.
EFFECT: obtaining a fuel element with high-quality, corrosion-resistant and low-stress joints.
3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к конструкциям газозаполненных твэлов для экспериментальных, испытательных и исследовательских реакторов и способам их изготовления.The invention relates to nuclear energy, in particular to the design of gas-filled fuel rods for experimental, test and research reactors and methods for their manufacture.

Известны конструкции газонаполненных твэлов, которые используются в экспериментальных (прототип энергетических), испытательных и исследовательских реакторах, включающие оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, с размещенным в ней топливным сердечником, а также концевые элементы, герметично соединенные с оболочкой сварными швами (Решетников Ф.Г. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1995, кН.2, с.158-159).Known designs of gas-filled fuel rods, which are used in experimental (prototype energy), test and research reactors, including a shell filled with gas of a given composition and pressure with a fuel core placed in it, as well as end elements hermetically connected to the shell by welds (Reshetnikov F .G. Et al. Development, production and operation of fuel elements of power reactors. - M .: Energoatomizdat, 1995, kN.2, p.158-159).

При изготовлении газонаполненных твэлов вначале изготавливают концевые элементы, производят подготовку оболочки с приваркой одного концевого элемента и размещением в ней топливного сердечника, причем заполнение внутреннего объема твэла после его вакуумирования производят в камере с избыточным давлением газа (гелия), а затем выполняется сварка второго концевого элемента с оболочкой (Решетников Ф.Г. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1995, кН.2, с.177-178, патент RU №2355533, МПК G21C 3/10, опубл. 20.05.2009, патент RU №2065213, МПК G21C 21/00, опубл. 10.08.1996 и др.), что сопряжено с избыточным расходом инертного газа, обусловленного объемом камеры.In the manufacture of gas-filled fuel rods, end elements are first produced, the cladding is prepared by welding one end element and placing a fuel core in it, and the internal volume of the fuel rod is filled after evacuation in a chamber with excessive gas pressure (helium), and then the second end element is welded with a shell (Reshetnikov F.G. et al. Development, production and operation of fuel elements of power reactors. - M .: Energoatomizdat, 1995, kN.2, p.177-178, pat nt RU №2355533, IPC G21C 3/10, publ. 20.05.2009, patent RU №2065213, IPC G21C 21/00, publ. 08.10.1996 et al.), which is associated with an excessive flow of inert gas caused by the volume of the chamber.

Эксплуатационная надежность твэлов во многом определяется качеством выполненных сварных соединений. Известно, что сварное соединение (шов), выполненное многопроходной электронно-лучевой сваркой (ЭЛС), обеспечивает коррозионную и эрозионную стойкость, механическую прочность без нарушения герметичности. Однако выполнение сварных соединений ЭЛС твэлов, заполненных инертным газом, обуславливает необходимость существенного усложнения конструкции твэла из-за необходимости выполнения дополнительных эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1995, кН.2, с.181, с.210, с.213, с.217).The operational reliability of fuel elements is largely determined by the quality of the welded joints. It is known that a welded joint (seam) made by multi-pass electron beam welding (ELS) provides corrosion and erosion resistance, mechanical strength without breaking the seal. However, the implementation of the welded joints of the ELS fuel rods filled with inert gas necessitates a significant complication of the design of the fuel rod due to the need to perform additional operation of the fuel elements of power reactors. - M .: Energoatomizdat, 1995, kN.2, p.181, p.210, p.213, p.217).

Известен способ изготовления газозаполненного твэла, в котором оболочку соединяют со вторым концевым элементом при помощи газодуговой сварки (ГДС). Несмотря на то, что в конструкции твэла присутствуют только два сварных шва, на их поверхности и в зоне термического влияния швов образуется слой, возникающий вследствие взаимодействия металла с атмосферой - кислородом и азотом, ухудшающий коррозионную стойкость соединений (Решетников Ф.Г. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1995, кН.2, с.177, с.192, с.213).A known method of manufacturing a gas-filled fuel rod, in which the shell is connected to the second end element using gas arc welding (GDS). Despite the fact that only two welds are present in the fuel rod structure, a layer is formed on their surface and in the heat affected zone of the joints, which arises as a result of the interaction of the metal with the atmosphere - oxygen and nitrogen, which worsens the corrosion resistance of the joints (Reshetnikov F.G. et al. Development, production and operation of fuel elements of power reactors. - M .: Energoatomizdat, 1995, kN.2, p.177, p.192, p.213).

Наиболее близким известным техническим решением, принятым за прототип, является тепловыделяющий элемент энергетического ядерного реактора, включающий оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, с размещенным в ней топливным сердечником, концевые элементы, герметично соединенные с оболочкой сварными швами (патент RU №2127457, МПК G21C 3/10, опубл. 10.03.1999).The closest known technical solution adopted for the prototype is a fuel element of a nuclear power reactor, including a shell filled with gas of a given composition and pressure, with a fuel core placed in it, end elements hermetically connected to the shell with welds (patent RU No. 2127457, IPC G21C 3/10, publ. 03/10/1999).

Соединение второго концевого элемента с оболочкой (т.е. при окончательной герметизации) твэла, снаряженного топливом и заполненного инертным газом (гелием), выполняется контактно-стыковой сваркой (КСС). Существенным недостатком швов, выполненных КСС, является высокий уровень остаточных послесварочных напряжений, приводящий к коррозии. При этом для каждого твэла применяется два вида сварки: ЭЛС и КСС. Заполнение газом производится в отдельной камере, что сопряжено с его повышенным расходом.The connection of the second end element with the cladding (i.e., at the final sealing) of a fuel element equipped with fuel and filled with inert gas (helium) is performed by flash butt welding (KSS). A significant drawback of the joints made by KSS is a high level of residual post-welding stresses, leading to corrosion. Moreover, for each fuel rod two types of welding are used: ELS and KSS. Gas filling is carried out in a separate chamber, which is associated with its increased consumption.

Изготовление известной конструкции твэла заключается в том, что подготавливают оболочку, размещают в ней топливный сердечник, вакуумируют, заполняют оболочку инертным газом с избыточным давлением и соединяют ее с концевыми элементами при помощи сварных швов. При этом один концевой элемент приваривают при помощи ЭЛС, а после заполнения газом твэла приваривают второй концевой элемент при помощи КСС.The manufacture of a known fuel rod construction consists in preparing a cladding, placing a fuel core in it, evacuating it, filling the cladding with an inert gas with excess pressure and connecting it to the end elements using welds. In this case, one end element is welded using ELS, and after filling the fuel rod with gas, the second end element is welded using KSS.

Этот способ также имеет недостатки. При приварке второго концевого элемента при помощи КСС (окончательная герметизация) качество сварного соединения снижается, поскольку в составе атмосферы под оболочкой и в зоне сварного шва присутствует азот и кислород, что приводит к снижению коррозионной устойчивости, механической прочности сварного шва и в итоге надежности работы твэла. (Решетников Ф.Г. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1995, кН.2, с.183). Как уже упоминалось, при изготовлении известного твэла имеет место повышенный расход газа.This method also has disadvantages. When welding the second end element using KSS (final sealing), the quality of the welded joint decreases, since nitrogen and oxygen are present in the atmosphere under the shell and in the zone of the weld, which reduces the corrosion resistance, mechanical strength of the weld and, as a result, the reliability of the fuel rod . (Reshetnikov F.G. et al. Development, production and operation of fuel elements of power reactors. - M .: Energoatomizdat, 1995, kN.2, p.183). As already mentioned, in the manufacture of the known fuel rod there is an increased gas consumption.

Решаемая задача - повышение надежности работы твэла и упрощение его изготовления за счет обеспечения возможности соединения оболочки с двумя концевыми элементами при помощи двух швов, выполненных многопроходной ЭЛС.The task at hand is to increase the reliability of the fuel rod and simplify its manufacture by providing the ability to connect the shell with two end elements using two seams made by multi-pass ELS.

Решаемая задача и технический результат достигаются за счет того, что в конструкции твэла, включающей оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, с размещенным в ней топливным сердечником, концевые элементы, герметично соединенные с оболочкой сварными швами, согласно изобретению оба концевых элемента соединены с оболочкой при помощи сварных швов, выполненных электронно-лучевой сваркой, по крайней мере, в одном из концевых элементов, выполнена полость с размещенной внутри ампулой с инертным газом заданного состава и давления, при этом полость соединена с внутренним объемом оболочки, а концевой элемент с полостью выполнен толщиной, соизмеримой с толщиной стенки оболочки.The problem to be solved and the technical result are achieved due to the fact that in the design of a fuel rod including a shell filled with gas of a given composition and pressure with a fuel core placed in it, end elements hermetically connected to the shell by welds, according to the invention, both end elements are connected to the shell using welds made by electron-beam welding in at least one of the end elements, a cavity is made with an inert gas ampoule of a given composition inside and pressed iia, while the cavity is connected to the inner volume of the shell, and the end element with the cavity is made of a thickness commensurate with the wall thickness of the shell.

Указанная задача и технический результат достигаются также тем, что в способе изготовления тепловыделяющего элемента, включающем подготовку оболочки с размещением в ней топливного сердечника, изготовление концевых элементов, вакуумирование, заполнение оболочки инертным газом с избыточным давлением, герметизацию оболочки при помощи сварных швов, согласно изобретению, по крайней мере, в одном из концевых элементов предварительно формируют полость, соединенную с внутренним объемом оболочки, в которую помещают ампулу, заполненную газом заданного состава с избыточным давлением, выполненную из материала с температурой плавления ниже температуры плавления материала концевого элемента, а заполнение внутренней полости оболочки газом производят путем вскрытия ампулы после герметизации.The specified task and the technical result are also achieved by the fact that in the method of manufacturing a fuel element, including preparing the shell with the placement of the fuel core, the manufacture of end elements, evacuation, filling the shell with inert gas with excess pressure, sealing the shell using welds, according to the invention, at least in one of the end elements, a cavity is preliminarily formed, connected to the internal volume of the shell, into which an ampoule filled with gas is placed a predetermined composition with excess pressure, made of a material with a melting point below the melting temperature of the material of the end element, and filling the inner cavity of the shell with gas is performed by opening the ampoule after sealing.

Вскрытие ампулы можно произвести путем теплового воздействия на концевой элемент с ампулой.Opening the ampoule can be done by thermal exposure to the end element with the ampoule.

Сущность данного технического решения иллюстрируется чертежами.The essence of this technical solution is illustrated by drawings.

На фиг.1 приведена схема конструкции твэла.Figure 1 shows the design diagram of a fuel rod.

На фиг.2 приведена схема вакуумирования внутреннего объема оболочки и сварки в камере для ЭЛС.Figure 2 shows a diagram of the evacuation of the inner volume of the shell and welding in the chamber for ELS.

На фиг.3 приведена схема варианта изготовления газонаполненной ампулы.Figure 3 shows a diagram of a manufacturing option for a gas-filled ampoule.

На фиг.4 (а,б,в,г) представлены имитатор твэла с ампулой в концевом элементе и результаты вскрытия ампулы.Figure 4 (a, b, c, d) presents a fuel rod simulator with an ampoule in the end element and the results of opening the ampoule.

Тепловыделяющий элемент (фиг.1) состоит из оболочки 1, в которой размещен топливный сердечник 2. Оболочка 1 соединена с концевыми элементами 3 и 4 при помощи швов, выполненных многопроходной ЭЛС. В концевом элементе 3 выполнена полость 5, в которую помещена газонаполненная ампула 6, зафиксированная от осевого смещения резьбовой пробкой 7 с отверстием. Топливный сердечник 2 зафиксирован винтовой пружиной 8. Напротив ампулы 6 расположен нагреватель 9.The fuel element (figure 1) consists of a shell 1 in which the fuel core 2 is placed. The shell 1 is connected to the end elements 3 and 4 by means of seams made of multi-pass ELS. In the end element 3, a cavity 5 is made, in which a gas-filled ampoule 6 is placed, fixed from axial displacement by a threaded plug 7 with an opening. The fuel core 2 is fixed by a coil spring 8. A heater 9 is located opposite the ampoule 6.

Изготовление твэла осуществляют следующим образом. Вначале подготавливают оболочку 1 и размещают в ней топливный сердечник 2. Изготавливают концевые элементы 3, 4 и, по крайней мере, в одном из них формируют полость 5, в которую помещают ампулу 6, заполненную газом заданного состава и давления. Резьбовой пробкой 7 с отверстием фиксируют ее от осевого смещения. В концевой элемент устанавливают пружину 8. Затем в вакуумируемую камеру для ЭЛС 10 (фиг.2) помещают: оболочку 1 с топливным сердечником 2, концевой элемент 3 с размещенной в полости 5 ампулой, пробкой и пружиной, второй концевой элемент 4. Концевые элементы 3 и 4 первоначально устанавливаются с зазором к оболочке твэла. Герметизацию отвакуумированного твэла производят многопроходной ЭЛС концевых элементов с оболочкой одновременно или последовательно (фиг.2, поз.11 - головка электронно-лучевой установки), после чего тепловым воздействием на легкоплавкую оболочку ампулы производят ее вскрытие и находящийся в ней газ заполняет внутреннюю полость оболочки до заданного значения давления. Возможно производить тепловое воздействие на ампулу электронным лучом непосредственно в камере (фиг.2), направив его на концевой элемент с ампулой, либо непосредственно перед операцией проверки на герметичность.The manufacture of a fuel rod is as follows. First, the shell 1 is prepared and the fuel core 2 is placed in it. The end elements 3, 4 are made and a cavity 5 is formed in at least one of them, into which the ampoule 6 is filled, filled with gas of a given composition and pressure. A screw plug 7 with a hole fixes it from axial displacement. A spring 8 is installed in the end element. Then, in the evacuated chamber for ELS 10 (Fig. 2), a shell 1 with a fuel core 2, an end element 3 with an ampoule, a tube and a spring placed in the cavity 5 are placed, a second end element 4. End elements 3 and 4 are initially installed with clearance to the cladding of the fuel rod. The evacuated fuel rod is sealed with a multi-pass ELS of the end elements with the shell simultaneously or sequentially (Fig. 2, item 11 - the head of the electron-beam installation), after which the ampoule is opened by thermal exposure to the fusible shell and the gas inside it fills the internal cavity of the shell to set pressure value. It is possible to produce a thermal effect on the ampoule with an electron beam directly in the chamber (Fig. 2), directing it to the end element with the ampoule, or immediately before the leak test.

Таким образом, конструкция твэла является двухшовной, а сварные соединения могут выполняться одним видом сварки. Это упрощает изготовление твэлов. Выполнение швов (соединений) многопроходной ЭЛС повышает надежность твэлов. Вакуумирование в камере (фиг.2) оболочки с топливным сердечником при наличии зазора между концевыми элементами 3 и 4 и оболочкой 1 твэла улучшает условия вакуумирования, что в конечном итоге влияет на качество атмосферы под оболочкой.Thus, the design of the fuel rod is two-seam, and welded joints can be performed by one type of welding. This simplifies the manufacture of fuel rods. The implementation of the seams (joints) of multi-pass ELS increases the reliability of the fuel rods. The vacuum in the chamber (figure 2) of the shell with the fuel core in the presence of a gap between the end elements 3 and 4 and the cladding 1 of the fuel rod improves the vacuum conditions, which ultimately affects the quality of the atmosphere under the cladding.

Оболочку газонаполненной ампулы выполняют из легкоплавкого или легко вскрываемого материала. Изготовление газонаполненной ампулы возможно, например, из трубчатой заготовки, соединенной с газовым постом (фиг.3). Трубчатая заготовка 12 пережимается роликами 13, что обеспечивает диффузионную сварку ампулы 6, при этом ампульный объем 14 остается под требуемым давлением Р, которое обеспечивается газовым постом. Такое изготовление ампулы и всего твэла позволяет экономить инертный газ, что особенно важно при использовании дорогостоящих инертных газов. По сравнению с прототипом отсутствуют операции наполнения газом камеры, сброса газа из сварочной камеры при КСС.The shell of a gas-filled ampoule is made of fusible or easily opened material. The manufacture of a gas-filled ampoule is possible, for example, from a tubular billet connected to a gas station (Fig. 3). The tubular billet 12 is clamped by the rollers 13, which ensures diffusion welding of the ampoule 6, while the ampoule volume 14 remains at the required pressure P, which is provided by the gas station. Such manufacture of the ampoule and the entire fuel rod allows to save inert gas, which is especially important when using expensive inert gases. Compared with the prototype, there are no operations of filling the chamber with gas, discharging gas from the welding chamber at KSS.

Такое выполнение газонаполненных твэлов целесообразно для экспериментальных твэлов с невысоким внутренним давлением газа в диапазоне от 1 до 2 кг/см2. Использование данного технического решения позволяет применить один вид сварки - ЭЛС, что позволяет ускорить и упростить изготовление твэлов (особенно маломерных в диапазоне длин от 0,5 м до 2 м), уменьшить расход газа, улучшить условия вакуумирования внутреннего объема твэла.This embodiment of gas-filled fuel elements is advisable for experimental fuel elements with a low internal gas pressure in the range from 1 to 2 kg / cm 2 . Using this technical solution allows you to apply one type of welding - ELS, which allows you to speed up and simplify the manufacture of fuel rods (especially small in the length range from 0.5 m to 2 m), reduce gas consumption, improve the vacuum conditions of the internal volume of the fuel rod.

Пример осуществленияImplementation example

Для твэла с внутренним объемом 1,5 см3 при давлении гелия 1,2 кг/см2 использовалась ампула с объемом 0,37 см3 и внутренним давлением гелия 5 кг/см2. Для изготовления ампулы использовалась трубчатая, тщательно очищенная заготовка из свинца марки С0. Внутренний диаметр заготовки 4 мм, толщина стенки 0,8 мм. Один конец заготовки присоединялся к газовому посту, который обеспечивал требуемое давление гелия 5 кг/см2, другой конец подвергался холодной отпайке (диффузионной сварке) сдавливанием роликами 13 (фиг.3). Ролики 13 (или трубчатая заготовка) перемещались на размер ампулы (для объема 0,37 см3 длина составит 30 мм), после сдавливания заготовки роликами 13 получали готовую ампулу с давлением в полости 15-5 кг/см2. Ампула подвергалась проверке на утечку гелия посредством течеискателя. Ампула вставлялась в предусмотренную в концевом элементе (заглушке) 3 (фиг.1) полость, затем ставили резьбовую пробку 7 с отверстием, обеспечивающим соединение с внутренней полостью оболочки 1, и поджимающую пружину 8. Толщина стенки заглушки, выполненной из нержавеющей стали, в зоне размещения ампулы составляла 0,8 мм. Далее заглушку 3 в сборе, оболочку 1 с топливным сердечником 2 и заглушку 4 размещали соосно в вакуумируемой камере 10, как показано на фиг.2. Вакуумировали камеру до уровня остаточного давления 10-5 мм рт.ст. Заглушки (концевые элементы) 3 и 4 досылали до упора в торцы оболочки 1, которые устанавливали напротив головок 11 ЭЛС. Герметизацию твэла производили многопроходными сварными швами при вращении изделия. При этом формирование сварных швов может производиться как одновременно, так и последовательно в одной камере. Вскрытие газонаполненной ампулы производили посредством нагрева через стенку концевого элемента 3, толщина которого составляла 0,6 мм в зоне расположения ампулы, нагревателем 9 (фиг.1). При достижении на стенке оболочки температуры (450-500)°C ампула вскрывается и гелий заполняет весь объем твэла через отверстие в пробке 7. Величина давления в твэле P1 пропорциональна давлению в ампуле Р, объемам твэла V1 и ампулы V (Р×V=Р1×V1) и составляет (при Р=5 кг/см2, V=0,37 см3, V,=1,5 см3) величину 1,2 кг/см2.For a fuel element with an internal volume of 1.5 cm 3 at a helium pressure of 1.2 kg / cm 2 , an ampoule with a volume of 0.37 cm 3 and an internal helium pressure of 5 kg / cm 2 was used . For the manufacture of the ampoule, a tubular, carefully cleaned blank of grade C0 lead was used. The inner diameter of the workpiece is 4 mm, the wall thickness is 0.8 mm. One end of the billet was connected to a gas station, which provided the required helium pressure of 5 kg / cm 2 , the other end was cold-worked (diffusion welding) by compression by rollers 13 (Fig. 3). The rollers 13 (or tubular workpiece) were moved to the size of the ampoule (for a volume of 0.37 cm 3 the length would be 30 mm), after squeezing the workpiece by the rollers 13, a finished ampoule with a cavity pressure of 15-5 kg / cm 2 was obtained. The ampoule was tested for helium leakage through a leak detector. The ampoule was inserted into the cavity provided in the end element (plug) 3 (Fig. 1), then a threaded plug 7 was installed with an opening providing connection to the internal cavity of the shell 1 and a compression spring 8. The wall thickness of the plug made of stainless steel in the zone The placement of the ampoule was 0.8 mm. Next, the plug 3 assembly, the shell 1 with the fuel core 2 and the plug 4 were placed coaxially in the evacuated chamber 10, as shown in figure 2. The chamber was evacuated to a residual pressure of 10 −5 mm Hg. Plugs (end elements) 3 and 4 were sent to the end at the ends of the shell 1, which were installed opposite the heads 11 ELS. The fuel rod was sealed with multi-pass welds during rotation of the product. In this case, the formation of welds can be performed both simultaneously and sequentially in one chamber. The opening of the gas-filled ampoule was carried out by heating through the wall of the end element 3, the thickness of which was 0.6 mm in the zone of the ampoule, by the heater 9 (Fig. 1). When the temperature on the wall of the cladding reaches (450-500) ° C, the ampoule opens and helium fills the entire volume of the fuel rod through the hole in the plug 7. The pressure in the fuel element P 1 is proportional to the pressure in the ampoule P, the volumes of the fuel rod V 1 and the ampoule V (P × V = P 1 × V 1 ) and is (at P = 5 kg / cm 2 , V = 0.37 cm 3, V, = 1.5 cm 3 ) a value of 1.2 kg / cm 2 .

Предложенное техническое решение испытано на имитаторе твэла (фиг.4а) с концевым элементом 3, в котором размещалась ампула 5 (фиг.4б - рентгеновский снимок имитатора фиг.4а). Внутренняя полость имитатора откачивалась до давления 10-3 мм рт.ст. Наружная поверхность концевого элемента 3, толщина стенки которого составляла 0,6 мм, нагревалась до температуры 500°C. Ампула вскрылась, что подтвердилось рентгеновским снимком (фиг.4в), а внутренний объем наполнился газом до давления 1,2 кг/см2, что было определено по показанию манометра. На фиг.4г представлена фотография ампулы, извлеченной после испытаний, на которой видно вскрытие и подплавление свинцовой оболочки ампулы.The proposed technical solution was tested on a fuel rod simulator (Fig. 4a) with an end element 3 in which an ampoule 5 was placed (Fig. 4b is an x-ray of the simulator of Fig. 4a). The internal cavity of the simulator was pumped out to a pressure of 10 -3 mm Hg. The outer surface of the end element 3, the wall thickness of which was 0.6 mm, was heated to a temperature of 500 ° C. The ampoule was opened, which was confirmed by x-ray (pigv), and the internal volume was filled with gas to a pressure of 1.2 kg / cm 2 , which was determined by the pressure gauge. On Figg presents a photograph of the ampoule, extracted after testing, which shows the opening and melting of the lead shell of the ampoule.

Таким образом, из-за отсутствия потерь инертного газа его расход на производство одного твэла минимальный. Введение вскрываемой газонаполненной ампулы в конструкцию твэла позволило получить двухшовную конструкцию твэла с двумя сварными швами, выполненными многопроходной ЭЛС. Данный вид сварки позволяет получать более качественные, коррозионностойкие, менее напряженные сварные швы, что повышает надежность твэла. Также использование ЭЛС для обоих герметизирующих сварных соединений упрощает процесс герметизации твэла, повышает производительность, уменьшает количество требуемого оборудования для герметизации (сварки). Вакуумирование оболочки с топливным сердечником при свободном доступе к обоим торцам оболочки улучшает условия вакуумирования внутреннего объема твэла, а затем после герметизации и вскрытия ампулы позволяет улучшить состав атмосферы под оболочкой, что также влияет на надежность твэла. По сравнению с прототипом изобретение позволяет отказаться от изготовления, а потом и заплавления «лыски» на одном из концевых элементов. Изготовление газонаполненной ампулы, в свою очередь, не требует сложного, дорогостоящего оборудования.Thus, due to the absence of inert gas losses, its consumption for the production of one fuel element is minimal. The introduction of a gas-filled ampoule being opened into the fuel element construction made it possible to obtain a two-seam fuel element design with two welds made of multi-pass ELS. This type of welding allows to obtain better, corrosion-resistant, less stressed welds, which increases the reliability of the fuel rod. Also, the use of ELS for both sealing welded joints simplifies the fuel rod sealing process, increases productivity, and reduces the amount of equipment required for sealing (welding). Evacuation of the shell with the fuel core with free access to both ends of the shell improves the vacuum conditions of the internal volume of the fuel rod, and then, after sealing and opening the ampoule, it improves the composition of the atmosphere under the shell, which also affects the reliability of the fuel rod. Compared with the prototype, the invention allows to abandon the manufacture, and then the fusion of the "flat" on one of the end elements. The manufacture of a gas-filled ampoule, in turn, does not require complicated, expensive equipment.

Claims (3)

1. Тепловыделяющий элемент энергетического ядерного реактора, включающий оболочку, заполненную газом заданного состава и давления, с размещенным в ней топливным сердечником, концевые элементы, герметично соединенные с оболочкой сварными швами, отличающийся тем, что оба концевых элемента соединены с оболочкой при помощи сварных швов, выполненных электронно-лучевой сваркой, по крайней мере, в одном из концевых элементов выполнена полость с размещенной внутри ампулой с инертным газом заданного состава и давления, при этом полость соединена с внутренним объемом оболочки, а концевой элемент с полостью выполнен толщиной, соизмеримой с толщиной стенки оболочки.1. The fuel element of an energy nuclear reactor, including a shell filled with gas of a given composition and pressure, with a fuel core placed therein, end elements hermetically connected to the shell by welds, characterized in that both end elements are connected to the shell by welds, made by electron beam welding, in at least one of the end elements a cavity is made with an inert gas ampoule placed inside of a given composition and pressure, while the cavity is connected and with the internal volume of the shell, and the end element with the cavity is made of a thickness commensurate with the thickness of the shell wall. 2. Способ изготовления тепловыделяющего элемента, включающий подготовку оболочки с размещением в ней топливного сердечника, изготовление концевых элементов, вакуумирование, заполнение оболочки инертным газом с избыточным давлением, герметизацию оболочки при помощи сварных швов, отличающийся тем, что, по крайней мере, в одном из концевых элементов предварительно формируют полость, соединенную с внутренним объемом оболочки, в которую помещают ампулу, заполненную газом заданного состава и с избыточным давлением, выполненную из материала с температурой плавления ниже температуры плавления материала концевого элемента, а заполнение внутренней полости оболочки газом производят путем вскрытия ампулы после герметизации оболочки.2. A method of manufacturing a fuel element, including the preparation of the shell with the placement of the fuel core, the manufacture of end elements, evacuation, filling the shell with inert gas with overpressure, sealing the shell using welds, characterized in that in at least one of end elements pre-form a cavity connected to the internal volume of the shell, into which is placed an ampoule filled with gas of a given composition and with excess pressure made of material with a melting point below the melting temperature of the material of the end element, and filling the inner cavity of the shell with gas is done by opening the ampoule after sealing the shell. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что вскрытие ампулы производят путем теплового воздействия на концевой элемент с ампулой. 3. The method according to claim 2, characterized in that the opening of the ampoule is performed by thermal exposure to the end element with the ampoule.
RU2013100368/07A 2013-01-09 2013-01-09 Fuel element of nuclear power reactor and method of making same RU2550745C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013100368/07A RU2550745C2 (en) 2013-01-09 2013-01-09 Fuel element of nuclear power reactor and method of making same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013100368/07A RU2550745C2 (en) 2013-01-09 2013-01-09 Fuel element of nuclear power reactor and method of making same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013100368A RU2013100368A (en) 2014-07-20
RU2550745C2 true RU2550745C2 (en) 2015-05-10

Family

ID=51214934

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013100368/07A RU2550745C2 (en) 2013-01-09 2013-01-09 Fuel element of nuclear power reactor and method of making same

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2550745C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS54125385A (en) * 1978-03-24 1979-09-28 Toshiba Corp Nuclear fuel rod
JPS54152780A (en) * 1978-05-24 1979-12-01 Toshiba Corp Tug-gas enclosing device of nuclear fuel rod
US4659544A (en) * 1983-06-30 1987-04-21 Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan Unitary structure of tag gas capsule and end cap of nuclear fuel cladding tube
RU2127457C1 (en) * 1997-06-04 1999-03-10 Акционерное Общество Открытого Типа "Новосибирский завод Химконцентратов" Fuel element of nuclear power reactor and its sealing process

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS54125385A (en) * 1978-03-24 1979-09-28 Toshiba Corp Nuclear fuel rod
JPS54152780A (en) * 1978-05-24 1979-12-01 Toshiba Corp Tug-gas enclosing device of nuclear fuel rod
US4659544A (en) * 1983-06-30 1987-04-21 Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan Unitary structure of tag gas capsule and end cap of nuclear fuel cladding tube
RU2127457C1 (en) * 1997-06-04 1999-03-10 Акционерное Общество Открытого Типа "Новосибирский завод Химконцентратов" Fuel element of nuclear power reactor and its sealing process

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013100368A (en) 2014-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5158740A (en) Fuel rod end plug welding method
US20160199914A1 (en) Object production
NO750406L (en)
CN105499762A (en) Welding process capable of avoiding P92 steel weld metal micro cracks
GB2519411A (en) Object production
US3474518A (en) Strip welding electrode and a method for making the same
KR101007848B1 (en) Dual Cooled Fuel with a Ring-Shaped Plug And Manufacturing Method of the Same
CN105397250A (en) Automatic welding method for ring section of high temperature gas cooled nuclear reactor core vessel
RU2550745C2 (en) Fuel element of nuclear power reactor and method of making same
US3683148A (en) Fabrication of nuclear fuel assemblies and resultant product
CN104789749B (en) Method for heat treatment of welded joint in tube panel
JP3372354B2 (en) A system to control the shape of the welding point for TIG welding of small diameter pressurized holes
CN113953628B (en) Helium-filled hole-blocking welding method for aluminum alloy cladding target piece
CN114083102B (en) Fuel target and welding method thereof
CN1053804C (en) Metallic evacuated double-walled vessel and production method therefor
US3392438A (en) Method of closing ends of protective tubes for nuclear reactor fuel elements
US20170206984A1 (en) End cap for nuclear fuel rod having an angled recess and welding thereof
RU2603355C1 (en) Sealing method of nuclear reactor fuel elements with high-chromium steel shell
JP3423682B2 (en) Thin-walled cylinder internal pressure sealing method and internal pressure sealed test piece
RU2449870C1 (en) Method of producing steel complex axially symmetric welded structure operated under pressure
CN111537619B (en) TOFD detection simulation test block for circumferential weld of steam drum seal head
RU2513036C1 (en) Method to manufacture gas-filled fuel element
RU2201626C2 (en) Method for manufacturing nuclear reactor fuel element
RU2201628C2 (en) Method for manufacturing nuclear reactor fuel element
RU2415741C1 (en) Method of producing high-strength stamped-welded heads