一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装

【技术实现步骤摘要】
一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装
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连接协同成形装置与方法


[0001]本专利技术涉及金属塑性加工及成形
，具体而言，涉及一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装
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连接协同成形装置与方法。

技术介绍

[0002]高性能核燃料元件是第四代核电技术中的液态金属冷却反应堆发展的亟需，反应堆长时间、高可靠、稳定服役要求其燃料元件具有高传热效率。为避免热量累计造成辐照肿胀，应尽可能减小包壳管与燃料芯体之间的装配间隙，制备出包壳
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燃料芯体紧密贴合、包壳壁厚均匀分布的金属复合管件。根据包壳
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燃料芯体层间的界面结合性质，燃料单棒紧密贴合技术可分为机械法与冶金法两类。机械紧密贴合法主要包括机械拉拔、滚压、旋压、液压胀形等，工艺相对简单，工序较少，但其形成的机械连接界面难以承载热应力循环，在高温下易产生应力松弛而分层失效。冶金法主要包括离心铸造法、钎焊法、热挤压法、热等静压法、爆炸成形法等，通过外界加热、加压，或添加填充金属，实现复合管件的紧密贴合。以上工艺方法虽然理论上可以提高界面结合强度，但仍存在工艺流程复杂、周期长、设备投资大、制件可重复性低等问题。此外，冶金法中大量热输入极易导致紧密贴合界面处产生脆性金属间化合物和热影响区，使界面力学性能急剧下降。
[0003]另外棒型核燃料元件的高性能制造除需要包壳管与芯体的紧密贴合外，还需要在包壳管两端进行其与端塞的可靠焊接，现有焊接方法主要采用MIG焊、TIG焊、激光焊、等离子束焊等熔化焊方法，存在焊缝组织性能调控困难，容易出现高温δ相、Laves相等有害结构，焊缝断裂韧性、疲劳性能下降，且生产效率较低，存在严重设备依赖等问题。因此，亟需发展棒型核燃料元件高效、短流程成形制造新技术。
[0004]基于楞次定律电磁(渐进)成形技术由于具有高能量密度、高效率、高柔性、高成形极限、高表面完整性等优势，成为解决棒型核燃料元件成形制造瓶颈问题的极具潜力的技术方案。但是现有管件电磁成形技术多针对小尺寸构件单一成形工序的简单成形或者局部胀形或缩径，多针对塑性成形或焊接成形单一成形过程，且多适用于电导率较高的金属管件，难以成形低电导率材料；同时现有装置也无法实现紧密贴合封装与焊接的时空集成，效率较低，工序复杂，无法提供封装所需的真空环境。因此针对以棒型核燃料元件为代表的大长径比、低电导率CLA16钢管件电磁紧密贴合封装
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连接协同成形的技术尚未见报道，对于该类构件成形过程中可能出现的界面碰撞分离、欠成形、竹节状突起、局部减薄超差等缺陷的控制方法也尚缺乏探索。
[0005]有鉴于此，特提出本申请。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术目的在于提供一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装
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连接协同成形装置与方法，利用通脉冲强电流的成形线圈瞬间激发的强洛伦兹力驱
动成形管件发生高速变形，通过集磁器、驱动管和放电能量的精确匹配，从而在棒型核燃料元件两端焊接区实现包壳管与端塞的高速撞击，进而实现界面机械咬合与冶金结合；并在棒型核燃料元件中部封装区实现均匀适当的洛伦兹力，通过成形线圈的轴向进给与多道次放电，逐点逐域累积局部变形，驱动包壳管内壁与燃料芯体外壁形成较大范围的界面精密贴合；能够在同一套装置中实现包壳管
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燃料芯体的紧密贴合封装以及包壳管
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端塞连接的功能，实现两种工艺过程的时空集成。
[0007]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0008]本专利技术提供一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装
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连接协同成形装置，包括真空系统、移动装置、成形线圈、集磁器和电磁成形机；所述真空系统包括真空室，真空室的两个相对壁面上开设有用于穿设核燃料元件并固定核燃料元件端部的通孔，两个通孔之间形成核燃料元件的固定工位；所述集磁器设置在真空室内并用于同轴装配在核燃料元件的外壁上；所述成形线圈同轴缠绕装配在集磁器上；所述移动装置用于驱动集磁器和成形线圈沿着核燃料元件的轴向来回移动；所述电磁成形机用于向成形线圈提供不同的放电电压。
[0009]本专利技术利用通脉冲强电流的成形线圈瞬间激发的强洛伦兹力驱动成形管件发生高速变形，通过集磁器、驱动管和放电能量的精确匹配，从而在棒型核燃料元件两端焊接区实现包壳管与端塞的高速撞击，进而实现界面机械咬合与冶金结合；并在棒型核燃料元件中部封装区实现均匀适当的洛伦兹力，通过成形线圈在核燃料元件的轴向进给与多道次放电，逐点逐域累积局部变形，驱动包壳管内壁与燃料芯体外壁形成较大范围的界面精密贴合；在同一套装置中实现包壳管
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燃料芯体的紧密贴合封装以及包壳管
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端塞连接的功能，实现两种工艺过程的时空集成。
[0010]进一步的，还包括驱动管，所述驱动管用于同轴套在核燃料元件外壁上，所述驱动管采用纯铝或铝合金管，能够解决CLA16铁马钢包壳管导电性差、洛伦兹力难以激发的问题，实现低电导率合金的精密成形。
[0011]进一步的，所述集磁器采用整体式集磁器，且集磁器上沿着圆周方向带有多个60
°
间隔的凹槽，以保障包壳管成形过程中周向壁厚数值的均匀性，避免单集磁器间隙造成的局部显著变形与壁厚尺寸超差。
[0012]进一步的，所述移动装置包括设置在真空室内的与核燃料元件固定工位平行设置的滚珠丝杠，滚珠丝杠上滑动安装有移动平台，集磁器安装在所述移动平台上，所述滚珠丝杠设置有多个，且沿着固定工位的圆周方向均匀布置。通过移动平台和滚珠丝杠的设置，能够方便集磁器和成形线圈在核燃料元件轴向方向上快速并稳定的来回移动，从而实现以包壳管中段为中点进行对称间隔放电方式，完成包壳管与燃料芯体之间由中心向两端的逐步紧密贴合。
[0013]进一步的，通孔与核燃料元件的端塞之间设置有密封装置，进一步保证真空室内的真空环境。
[0014]本专利技术还提供一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装
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连接协同成形方法，包括如下步骤：
[0015](1)将核燃料元件与驱动管同轴装配，再将装配体放入真空室中与集磁器和成形线圈装配，真空室内抽真空；
[0016](2)将成形线圈和集磁器移动至核燃料元件包壳管中段，设定电磁成形机的放电参数，以包壳管中段为中心，在两侧采取对称间隔放电方式，进行包壳管与燃料芯体之间由中心向两端的逐步紧密贴合封装；
[0017](3)将成形线圈和集磁器移动至端塞处，重新设定放电参数，采取对称间隔放电和两次脉冲连接方法，进行包壳管与端塞的连接。
[0018]本专利技术的成形方法，利用通脉冲强电流的成形线圈瞬间激发的强洛伦兹力驱动成形管件发生高速变形，通过集磁器、驱动管和放电能量的精确匹配，形成机械咬合
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冶金结合的双重结合界面；包壳管和燃料芯体的封装区采用对称间隔放电的形式进行成形，可确保成形过程不同道次紧密结合效果的一致性与对称性；从而在一次成形过程中，实现包壳管...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装
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连接协同成形装置，其特征在于，包括真空系统、移动装置、成形线圈(2)、集磁器(1)和电磁成形机；所述真空系统包括真空室(6)，真空室(6)的两个相对壁面上开设有用于穿设核燃料元件(5)并固定核燃料元件(5)端部的通孔，两个通孔之间形成核燃料元件(5)的固定工位；所述集磁器(1)设置在真空室内并用于同轴装配在核燃料元件(5)的外壁上；所述成形线圈(2)同轴缠绕装配在集磁器(1)上；所述移动装置用于驱动集磁器(1)和成形线圈(2)沿着核燃料元件(5)的轴向来回移动；所述电磁成形机用于向成形线圈(2)提供不同的放电电压。2.根据权利要求1所述的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装
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连接协同成形装置，其特征在于，还包括驱动管(8)，所述驱动管(8)用于同轴套在核燃料元件(5)外壁上。3.根据权利要求2所述的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装
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连接协同成形装置，其特征在于，所述驱动管(8)采用纯铝或铝合金管。4.根据权利要求1所述的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装
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连接协同成形装置，其特征在于，所述集磁器(1)采用整体式集磁器，且集磁器上沿着圆周方向带有多个60
°
间隔的凹槽。5.根据权利要求1所述的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装
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连接协同成形装置，其特征在于，所述移动装置包括设置在真空室(6)内的与核燃料元件(5)固定工位平行设置的滚珠丝杠(4)，滚珠丝杠(4)上滑动安装有移动平台(3)，集磁器(1)安装在所述移动平台(3)上。6.根据权利要求5所述的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装
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连接协同成形装置，其特征在于，所述滚珠丝杠(4)设置有多个，且沿着固定工位的圆周方向均匀布置。7.根据权利要求1所述的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装
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连接协...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑勇，邱绍宇，魏连峰，刘超红，卓洪，郑云西，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：