重水堆燃料元件裂變氣體釋放和測量系統(tǒng)及工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及核燃料循環(huán)技術領域，具體地，涉及重水堆燃料元件裂變氣體釋放和測量系統(tǒng)及工藝。
【背景技術】
[0002]為緩減我國核電站快速發(fā)展帶來的鈾資源壓力、壓水堆乏燃料元件處置壓力和解決重水堆未來的發(fā)展方向，我國開展了壓水堆回收鈾應用于重水堆燃料元件試驗驗證，以評價燃料元件的輻照性能，其中裂變氣體釋放率是評價燃料元件的輻照性能的一個關鍵技術指標。這是因為裂變產物Kr和Xe從燃料芯塊釋放到包殼和燃料芯塊間的空腔中，一方面會引起燃料芯塊的輻照腫脹，導致燃料芯塊與包殼的相互作用加劇；另一方面增加了燃料元件的內壓，造成燃料元件內壓升高和熱導率降低，導熱能力的降低會造成芯塊溫度的增加，促進裂變氣體從燃料芯塊的釋放，導致元件內壓進一步升高，形成惡性循環(huán)，嚴重時導致燃料元件失效，甚至影響反應堆的安全運行。只有輻照后燃料元件的裂變氣體釋放率準確測量，才能為新型燃料元件的設計、制造和性能改進提供依據(jù)，才能確反應堆的安全運行。重水堆燃料棒氣腔很小，近似于實芯棒，幾何間隙累積體積較小，約0.5ml，對燃料棒裂變氣體釋放和測量提出更高的要求。為了準確測量重水堆燃料元件裂變氣體釋放率，為壓水堆燃料元件回收鈾用于重水堆燃料元件的設計、制造和性能改進提供依據(jù)，開展了重水堆燃料元件裂變氣體釋放和測量系統(tǒng)的研制。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種完成了重水堆燃料元件裂變氣體釋放、測量與收集的重水堆燃料元件裂變氣體釋放和測量系統(tǒng)及工藝。
[0004]本發(fā)明解決上述問題所采用的技術方案是:
重水堆燃料元件裂變氣體釋放和測量系統(tǒng)，包括用于對重水堆燃料元件進行鉆孔并將裂變氣體完全釋放出來的鉆孔裝置、用于測量所述重水堆燃料元件內部空腔體積的標定機構、用于對鉆孔裝置釋放出來的裂變氣體進行加壓收集的收集裝置、以及用于對鉆孔裝置、標定機構和收集裝置進行抽真空的真空機組，鉆孔裝置的裂變氣體導出管通過管路連接收集裝置，鉆孔裝置與收集裝置構成封閉的管路系統(tǒng)，標定機構和真空機組均連通由鉆孔裝置與收集裝置構成的封閉管路系統(tǒng)，從而真空機組能夠對由收集裝置、鉆孔裝置和標定機構構成的封閉管路系統(tǒng)進行抽真空。
[0005]還包括電氣控制系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)與由鉆孔裝置、標定機構、收集裝置、真空機組構成的管路系統(tǒng)內的閥門和儀表電連接，對鉆孔裝置、標定機構、收集裝置、真空機組及各連接管道上的閥門進行集中控制，并采集、表征鉆孔裝置、標定機構、收集裝置、真空機組、各連接管道上的閥門及各設備上儀表的工作狀態(tài)或參數(shù)。
[0006]鉆孔裝置包括機架，機架上設置有密封座A，密封座A內設置有用于安裝重水堆燃料元件的孔A，所述的密封座A上還設置有用于密封重水堆燃料元件與密封座A的孔A之間間隙的密封件，密封座A連接有氣體收集座，氣體收集座具有貫穿氣體收集座且垂直于孔A的通孔B，氣體收集座設置有連通孔B的裂變氣體導出管，密封座A上設置有連通孔A和通孔B的一端的孔C，氣體收集座通過可軸向伸縮的管件連接密封座B，管件的一端連通通孔B的另一端，密封座B具有貫穿密封座B的軸孔，管件的另一端連通軸孔，孔C、通孔B、管件和軸孔均同軸設置，密封座A與氣體收集座之間、氣體收集座與管件之間、管件與密封座B之間均為密封連接結構；密封座B上安裝有電鉆，電鉆的電機軸連接有軸，軸可轉動地安裝于密封座B的軸孔內，軸與軸孔之間設置有密封軸與軸孔之間間隙的動密封結構，軸的下部位于由管件、通孔B和孔C構成的通道內，鉆頭固定安裝于軸的下端，機架上固定安裝有驅動電鉆沿軸的軸向往復運動的驅動裝置。
[0007]使用時，將重水堆燃料元件插入密封座A的孔A，通過密封件密封重水堆燃料元件，開啟真空系統(tǒng)，對系統(tǒng)抽真空，當系統(tǒng)真空度達到技術要求時，開啟電鉆電源，啟動電鉆，驅動裝置驅動電鉆，電鉆的電機軸通過軸帶動鉆頭旋轉，高速旋轉的鉆頭隨電鉆軸向運動到重水堆燃料元件包殼表面，并鉆穿重水堆燃料元件包殼，裂變氣體開始釋放，當鉆頭達到一定深度，驅動裝置限制鉆頭移動，關閉電鉆電源，驅動裝置軸向撤出電鉆，鉆頭離開重水堆燃料元件，裂變氣體完全釋放出來，進入氣體收集座的通孔B進行收集，鉆孔完成。動態(tài)密封結構實現(xiàn)鉆孔過程中的動密封。
[0008]該鉆孔裝置能夠在強放環(huán)境中將重水堆燃料元件的包殼刺穿，針對空腔體積小、類似實芯棒的重水堆燃料元件，實現(xiàn)定點和定位刺孔。
[0009]所述的機架上還安裝有將密封座A的孔A內安裝的重水堆燃料元件從孔A內頂出的卸料裝置。當鉆孔完成后，燃料元件無法取出時，可以使用卸料裝置將燃料元件推出密封座A。
[0010]所述的驅動裝置為驅動氣缸A，驅動氣缸A沿與軸的軸線平行的方向設置，電鉆與驅動氣缸A的活塞桿固定連接。
[0011 ] 所述的孔A為貫穿密封座A的通孔，重水堆燃料元件從孔A的一端安裝于密封座A內，所述的卸料裝置包括驅動氣缸B和推桿，驅動氣缸B沿平行于孔A軸線的方向設置，驅動氣缸B的活塞桿固定連接推桿，推桿位于密封座A的孔A內，并位于與重水堆燃料元件插入側相對的一側。使用驅動氣缸B推動推桿，將重水堆燃料元件推出密封座A的孔A。
[0012]所述的密封座B為磁流體密封座，所述的軸為配合安裝于磁流體密封座內的磁流體密封軸，磁流體密封軸與磁流體密封座間為密封軸與軸孔之間間隙的磁流體密封結構。磁流體密封軸采用金屬軟管密封，實現(xiàn)鉆孔過程中的動態(tài)密封。在強放射性熱室環(huán)境中首次采用磁流體密封技術，實現(xiàn)了刺孔過程中的動態(tài)密封。
[0013]所述的密封件為密封重水堆燃料元件與密封座A的孔A之間間隙的密封圈。密封圈設置于孔A與重水堆燃料元件之間，并通過形變密封重水堆燃料元件與密封座A的孔A之間的間隙。
[0014]所述的密封圈采用0型密封圈，將重水堆燃料元件插入密封座A的孔A后，密封圈密封重水堆燃料元件。在強放射性熱室環(huán)境中，采用重水堆燃料元件局部密封，實現(xiàn)了對重水堆燃料元件的靜態(tài)密封。所述的密封座A上還設置有用于將密封圈進行擠壓實現(xiàn)密封的旋轉手柄。從而，通過旋轉手柄擠壓密封圈密封重水堆燃料元件。
[0015]所述的機架具有用于支撐重水堆燃料元件的水平支架。
[0016]所述的可軸向伸縮的管件為波紋管。
[0017]所述的氣體收集座設置有連通孔B的裂變氣體導出管，并將裂變氣體導出管連接系統(tǒng)管道。通過裂變氣體導出管將進入氣體收集座的通孔B的裂變氣體導出鉆孔裝置，并且，裂變氣體經裂變氣體導出管進入系統(tǒng)管道。
[0018]所述的標定機構包括多個對比密封件、以及連通裂變裂變氣體導出管的標準容器和壓力測量裝置，標準容器為體積已知的容器，對比密封件用于依次密封安裝于鉆孔裝置內，對比密封件密封安裝于鉆孔裝置用于密封安裝重水堆燃料元件的安裝孔內，標準容器連通裂變氣體導出管的管道上設置有閥。
[0019]不同的對比密封件被密封于鉆孔裝置內的體積不同，不同對比密封件被密封于鉆孔裝置內的體積的體積差可通過測量獲得。不同對比密封件被密封于鉆孔裝置內的體積的體積差的范圍覆蓋預估重水堆燃料元件內部空腔體積。
[0020]所述的壓力測量裝置為薄膜真空計。優(yōu)選的，所述的薄膜真空計由粗真空和低真空兩個測量范圍的真空計組成，兩個范圍疊加為0~1 X 105Pa。
[0021]所述的真空機組為機械栗和分子栗，分子栗為主栗，前級栗為機械栗，先以機械栗進行預抽壓，然后再使用分子栗進行深度抽壓，直至真空腔體達到所需的氣壓為止。所述的閥為蝶閥。
[0022]所述的對比密封件包括圓柱型主體和設置于圓柱型主體端面上的凸臺，通過在不同對比密封件的圓柱型主體端面上設置不同體積的凸臺，實現(xiàn)不同的對比密封件被密封于鉆孔裝置內的體積不同。同時采用圓柱型主體也使得對比密封件與重水堆燃料元件的形狀相當，便于密封構件能夠同時實現(xiàn)對重水堆燃料元件及對比密封件的密封，優(yōu)選的圓柱型主體的外徑與重水堆燃料元件的外徑相等。
[0023]優(yōu)選的所述的圓柱型主體的兩端均設置有凸臺，并且位于圓柱型主體兩端的凸臺的體積不同。這就使得，將對比密封件的兩端分別插入空腔內時，其兩端被密封于鉆孔裝置內的體積不同，也就使得一個對比密封件能夠用作積差一定的兩個體對比密封件，從而便于操作。優(yōu)選的，所述的凸臺為圓柱型凸臺，通過調整凸臺的直徑和軸向長度實現(xiàn)對凸臺體積的調節(jié)，也就實現(xiàn)了對比密封件被密封于鉆孔裝置內的體積大小的調節(jié)。
[0024]測量工藝包括標定、測量和修正。測量系統(tǒng)采用高精度的壓力測量裝置；多個對比密封件用于標定系統(tǒng)測量修正系數(shù)；標準容器采用與系統(tǒng)管道體積對應規(guī)格制成的密封件，用于標定與測量系統(tǒng)管道體積；閥用于隔離標準容器與測量系統(tǒng)，閥選用高真空的蝶閥，開啟和關閉引起的系統(tǒng)管道體積的變化不得影響測量準確度要求。本技術工藝流程為首先依次將具有不同體積差的對比密封件插入空腔并進行密封，測量不同負壓條件下的體積差測量值，制作修正系數(shù)的標定曲線；其次，采用同樣的測量方法測量待測重水堆燃料元件未鉆孔前與鉆孔后的體積差，即待測重水堆燃料元件內部空腔體積；最后，根據(jù)測量參數(shù)和標定曲線對測量結果進行修正。
[0025]所述的收集裝置包括U型水銀計、取樣瓶、收集瓶、水銀瓶和緩沖瓶，收集瓶具有密閉的收集腔，水銀瓶具有密閉的水銀腔，水銀腔內盛裝有水銀，收集瓶分別連接有管路A、管路B、管路C、管路D、管路E和管路F，收集腔的底部通過管路A連接U型水銀計的開口端A，U型水銀計的另一開口端B連通大氣，收集腔通過管路B連接鉆孔裝置的裂變氣導出管，收集腔通過管路C連接水銀腔的底端，收集腔的頂部通過管路D連接U型水銀計的開口端A，收集腔通過管路E連接緩沖瓶，收集腔通過管路F連接取樣瓶，管路E還通過管路Η連接水銀腔的頂部，管路Ε靠近收集腔的部分上設置有閥Α，管路F上設置有閥Β，所述的緩沖瓶通過管路G連接大氣或真空機組。
[0026]該收集裝置解決了在不改變裂變氣體成份比的基礎上，實現(xiàn)微量裂變氣體的收集、測量、轉運和分析技術要求。
[0027]取樣瓶用于存放待分析的氣體樣品；收集腔是臨時存放從系統(tǒng)管道出來的裂變氣體；水銀腔用于存放水銀，一般體積大于收集腔；單開口 U型真空計用測量取樣瓶中的氣體壓力；閥Β是用于保證收集系統(tǒng)初抽真空時和事故狀態(tài)時水銀的安全，防止進入系統(tǒng)其它空間。
[0028]優(yōu)選的，管路G連接三通管的一端，該三通管的另外兩端分別通過管路連接大氣和抽真空裝置，且三通管連接大氣和抽真空裝置的管路上均設置有針閥，利用針閥對真空系統(tǒng)的氣體流量進行微量和連續(xù)調節(jié)，配置了大容積的緩沖瓶，保證液位上下平穩(wěn)移動，使收集操作安全可控，實現(xiàn)微量流量調節(jié)技術。調節(jié)針閥和緩沖瓶是減小真空系統(tǒng)和放氣氣體流量，保證操作的安全性和平穩(wěn)性。
[0029]優(yōu)選的，管路Α、管路Β和管路C連接于收集瓶的底部，管路Α和管路B與收集瓶的連接部為與收集瓶底相平行的水平管，從而利于水銀腔內的水銀從收集瓶底部進入收集瓶，并且進入的水銀能盡快密封管路B和管路C，管路D、管路E和管路F連接于收集瓶的頂部，利于氣體的收集或排放，U型水銀計的開口端A連接三通管的一端，該三通管的另外兩端分別通過管路連接管路A和管路D。
[0030]采用單開口