重水堆燃料元件裂变气体释放和测量系统及工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及核燃料循环技术领域，具体地，涉及重水堆燃料元件裂变气体释放和测量系统及工艺。
【背景技术】
[0002]为缓减我国核电站快速发展带来的铀资源压力、压水堆乏燃料元件处置压力和解决重水堆未来的发展方向，我国开展了压水堆回收铀应用于重水堆燃料元件试验验证，以评价燃料元件的辐照性能，其中裂变气体释放率是评价燃料元件的辐照性能的一个关键技术指标。这是因为裂变产物Kr和Xe从燃料芯块释放到包壳和燃料芯块间的空腔中，一方面会引起燃料芯块的辐照肿胀，导致燃料芯块与包壳的相互作用加剧；另一方面增加了燃料元件的内压，造成燃料元件内压升高和热导率降低，导热能力的降低会造成芯块温度的增加，促进裂变气体从燃料芯块的释放，导致元件内压进一步升高，形成恶性循环，严重时导致燃料元件失效，甚至影响反应堆的安全运行。只有辐照后燃料元件的裂变气体释放率准确测量，才能为新型燃料元件的设计、制造和性能改进提供依据，才能确反应堆的安全运行。重水堆燃料棒气腔很小，近似于实芯棒，几何间隙累积体积较小，约0.5ml，对燃料棒裂变气体释放和测量提出更高的要求。为了准确测量重水堆燃料元件裂变气体释放率，为压水堆燃料元件回收铀用于重水堆燃料元件的设计、制造和性能改进提供依据，开展了重水堆燃料元件裂变气体释放和测量系统的研制。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种完成了重水堆燃料元件裂变气体释放、测量与收集的重水堆燃料元件裂变气体释放和测量系统及工艺。
[0004]本发明解决上述问题所采用的技术方案是:
重水堆燃料元件裂变气体释放和测量系统，包括用于对重水堆燃料元件进行钻孔并将裂变气体完全释放出来的钻孔装置、用于测量所述重水堆燃料元件内部空腔体积的标定机构、用于对钻孔装置释放出来的裂变气体进行加压收集的收集装置、以及用于对钻孔装置、标定机构和收集装置进行抽真空的真空机组，钻孔装置的裂变气体导出管通过管路连接收集装置，钻孔装置与收集装置构成封闭的管路系统，标定机构和真空机组均连通由钻孔装置与收集装置构成的封闭管路系统，从而真空机组能够对由收集装置、钻孔装置和标定机构构成的封闭管路系统进行抽真空。
[0005]还包括电气控制系统，电气控制系统与由钻孔装置、标定机构、收集装置、真空机组构成的管路系统内的阀门和仪表电连接，对钻孔装置、标定机构、收集装置、真空机组及各连接管道上的阀门进行集中控制，并采集、表征钻孔装置、标定机构、收集装置、真空机组、各连接管道上的阀门及各设备上仪表的工作状态或参数。
[0006]钻孔装置包括机架，机架上设置有密封座A，密封座A内设置有用于安装重水堆燃料元件的孔A，所述的密封座A上还设置有用于密封重水堆燃料元件与密封座A的孔A之间间隙的密封件，密封座A连接有气体收集座，气体收集座具有贯穿气体收集座且垂直于孔A的通孔B，气体收集座设置有连通孔B的裂变气体导出管，密封座A上设置有连通孔A和通孔B的一端的孔C，气体收集座通过可轴向伸缩的管件连接密封座B，管件的一端连通通孔B的另一端，密封座B具有贯穿密封座B的轴孔，管件的另一端连通轴孔，孔C、通孔B、管件和轴孔均同轴设置，密封座A与气体收集座之间、气体收集座与管件之间、管件与密封座B之间均为密封连接结构；密封座B上安装有电钻，电钻的电机轴连接有轴，轴可转动地安装于密封座B的轴孔内，轴与轴孔之间设置有密封轴与轴孔之间间隙的动密封结构，轴的下部位于由管件、通孔B和孔C构成的通道内，钻头固定安装于轴的下端，机架上固定安装有驱动电钻沿轴的轴向往复运动的驱动装置。
[0007]使用时，将重水堆燃料元件插入密封座A的孔A，通过密封件密封重水堆燃料元件，开启真空系统，对系统抽真空，当系统真空度达到技术要求时，开启电钻电源，启动电钻，驱动装置驱动电钻，电钻的电机轴通过轴带动钻头旋转，高速旋转的钻头随电钻轴向运动到重水堆燃料元件包壳表面，并钻穿重水堆燃料元件包壳，裂变气体开始释放，当钻头达到一定深度，驱动装置限制钻头移动，关闭电钻电源，驱动装置轴向撤出电钻，钻头离开重水堆燃料元件，裂变气体完全释放出来，进入气体收集座的通孔B进行收集，钻孔完成。动态密封结构实现钻孔过程中的动密封。
[0008]该钻孔装置能够在强放环境中将重水堆燃料元件的包壳刺穿，针对空腔体积小、类似实芯棒的重水堆燃料元件，实现定点和定位刺孔。
[0009]所述的机架上还安装有将密封座A的孔A内安装的重水堆燃料元件从孔A内顶出的卸料装置。当钻孔完成后，燃料元件无法取出时，可以使用卸料装置将燃料元件推出密封座A。
[0010]所述的驱动装置为驱动气缸A，驱动气缸A沿与轴的轴线平行的方向设置，电钻与驱动气缸A的活塞杆固定连接。
[0011 ] 所述的孔A为贯穿密封座A的通孔，重水堆燃料元件从孔A的一端安装于密封座A内，所述的卸料装置包括驱动气缸B和推杆，驱动气缸B沿平行于孔A轴线的方向设置，驱动气缸B的活塞杆固定连接推杆，推杆位于密封座A的孔A内，并位于与重水堆燃料元件插入侧相对的一侧。使用驱动气缸B推动推杆，将重水堆燃料元件推出密封座A的孔A。
[0012]所述的密封座B为磁流体密封座，所述的轴为配合安装于磁流体密封座内的磁流体密封轴，磁流体密封轴与磁流体密封座间为密封轴与轴孔之间间隙的磁流体密封结构。磁流体密封轴采用金属软管密封，实现钻孔过程中的动态密封。在强放射性热室环境中首次采用磁流体密封技术，实现了刺孔过程中的动态密封。
[0013]所述的密封件为密封重水堆燃料元件与密封座A的孔A之间间隙的密封圈。密封圈设置于孔A与重水堆燃料元件之间，并通过形变密封重水堆燃料元件与密封座A的孔A之间的间隙。
[0014]所述的密封圈采用0型密封圈，将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。在强放射性热室环境中，采用重水堆燃料元件局部密封，实现了对重水堆燃料元件的静态密封。所述的密封座A上还设置有用于将密封圈进行挤压实现密封的旋转手柄。从而，通过旋转手柄挤压密封圈密封重水堆燃料元件。
[0015]所述的机架具有用于支撑重水堆燃料元件的水平支架。
[0016]所述的可轴向伸缩的管件为波纹管。
[0017]所述的气体收集座设置有连通孔B的裂变气体导出管，并将裂变气体导出管连接系统管道。通过裂变气体导出管将进入气体收集座的通孔B的裂变气体导出钻孔装置，并且，裂变气体经裂变气体导出管进入系统管道。
[0018]所述的标定机构包括多个对比密封件、以及连通裂变裂变气体导出管的标准容器和压力测量装置，标准容器为体积已知的容器，对比密封件用于依次密封安装于钻孔装置内，对比密封件密封安装于钻孔装置用于密封安装重水堆燃料元件的安装孔内，标准容器连通裂变气体导出管的管道上设置有阀。
[0019]不同的对比密封件被密封于钻孔装置内的体积不同，不同对比密封件被密封于钻孔装置内的体积的体积差可通过测量获得。不同对比密封件被密封于钻孔装置内的体积的体积差的范围覆盖预估重水堆燃料元件内部空腔体积。
[0020]所述的压力测量装置为薄膜真空计。优选的，所述的薄膜真空计由粗真空和低真空两个测量范围的真空计组成，两个范围叠加为0~1 X 105Pa。
[0021]所述的真空机组为机械栗和分子栗，分子栗为主栗，前级栗为机械栗，先以机械栗进行预抽压，然后再使用分子栗进行深度抽压，直至真空腔体达到所需的气压为止。所述的阀为蝶阀。
[0022]所述的对比密封件包括圆柱型主体和设置于圆柱型主体端面上的凸台，通过在不同对比密封件的圆柱型主体端面上设置不同体积的凸台，实现不同的对比密封件被密封于钻孔装置内的体积不同。同时采用圆柱型主体也使得对比密封件与重水堆燃料元件的形状相当，便于密封构件能够同时实现对重水堆燃料元件及对比密封件的密封，优选的圆柱型主体的外径与重水堆燃料元件的外径相等。
[0023]优选的所述的圆柱型主体的两端均设置有凸台，并且位于圆柱型主体两端的凸台的体积不同。这就使得，将对比密封件的两端分别插入空腔内时，其两端被密封于钻孔装置内的体积不同，也就使得一个对比密封件能够用作积差一定的两个体对比密封件，从而便于操作。优选的，所述的凸台为圆柱型凸台，通过调整凸台的直径和轴向长度实现对凸台体积的调节，也就实现了对比密封件被密封于钻孔装置内的体积大小的调节。
[0024]测量工艺包括标定、测量和修正。测量系统采用高精度的压力测量装置；多个对比密封件用于标定系统测量修正系数；标准容器采用与系统管道体积对应规格制成的密封件，用于标定与测量系统管道体积；阀用于隔离标准容器与测量系统，阀选用高真空的蝶阀，开启和关闭引起的系统管道体积的变化不得影响测量准确度要求。本技术工艺流程为首先依次将具有不同体积差的对比密封件插入空腔并进行密封，测量不同负压条件下的体积差测量值，制作修正系数的标定曲线；其次，采用同样的测量方法测量待测重水堆燃料元件未钻孔前与钻孔后的体积差，即待测重水堆燃料元件内部空腔体积；最后，根据测量参数和标定曲线对测量结果进行修正。
[0025]所述的收集装置包括U型水银计、取样瓶、收集瓶、水银瓶和缓冲瓶，收集瓶具有密闭的收集腔，水银瓶具有密闭的水银腔，水银腔内盛装有水银，收集瓶分别连接有管路A、管路B、管路C、管路D、管路E和管路F，收集腔的底部通过管路A连接U型水银计的开口端A，U型水银计的另一开口端B连通大气，收集腔通过管路B连接钻孔装置的裂变气导出管，收集腔通过管路C连接水银腔的底端，收集腔的顶部通过管路D连接U型水银计的开口端A，收集腔通过管路E连接缓冲瓶，收集腔通过管路F连接取样瓶，管路E还通过管路Η连接水银腔的顶部，管路Ε靠近收集腔的部分上设置有阀Α，管路F上设置有阀Β，所述的缓冲瓶通过管路G连接大气或真空机组。
[0026]该收集装置解决了在不改变裂变气体成份比的基础上，实现微量裂变气体的收集、测量、转运和分析技术要求。
[0027]取样瓶用于存放待分析的气体样品；收集腔是临时存放从系统管道出来的裂变气体；水银腔用于存放水银，一般体积大于收集腔；单开口 U型真空计用测量取样瓶中的气体压力；阀Β是用于保证收集系统初抽真空时和事故状态时水银的安全，防止进入系统其它空间。
[0028]优选的，管路G连接三通管的一端，该三通管的另外两端分别通过管路连接大气和抽真空装置，且三通管连接大气和抽真空装置的管路上均设置有针阀，利用针阀对真空系统的气体流量进行微量和连续调节，配置了大容积的缓冲瓶，保证液位上下平稳移动，使收集操作安全可控，实现微量流量调节技术。调节针阀和缓冲瓶是减小真空系统和放气气体流量，保证操作的安全性和平稳性。
[0029]优选的，管路Α、管路Β和管路C连接于收集瓶的底部，管路Α和管路B与收集瓶的连接部为与收集瓶底相平行的水平管，从而利于水银腔内的水银从收集瓶底部进入收集瓶，并且进入的水银能尽快密封管路B和管路C，管路D、管路E和管路F连接于收集瓶的顶部，利于气体的收集或排放，U型水银计的开口端A连接三通管的一端，该三通管的另外两端分别通过管路连接管路A和管路D。
[0030]采用单开口