專利名稱:制造核燃料棒的自動化系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明基本上涉及制造用于核反應(yīng)堆的核燃料棒，更具體地涉及從放射性氣體轉(zhuǎn)化成粉末開始，通過加工粉末構(gòu)成芯塊，然后組裝成燃料棒，這樣的一種制造核燃料棒的獨特自動系統(tǒng)。
常規(guī)的裝入核反應(yīng)堆的燃料元件一般稱為燃料棒，該燃料棒含有裂變性材料，并且被組裝成在核反應(yīng)堆芯中產(chǎn)生足夠促成高速核裂變的中子流的陣列集合，由此而以熱的形式釋放出大量的能量。向這樣的反應(yīng)堆芯中的燃料陣列從下而上地泵入諸如水類的冷卻介質(zhì)，以便汲出一部分熱量用于工業(yè)生產(chǎn)。
通常，一根燃料棒系為一伸長的空心金屬管子并在其內(nèi)裝有核燃料，它們是以圓柱形燃料芯塊疊累起來的，管子的兩端用上端塞和下端塞封閉，端塞為剛體的并在管端施以環(huán)縫焊接，以便嚴密地封住管端。在反應(yīng)堆芯工作期間，燃料棒在堆芯內(nèi)受到高溫高壓的作用，由于熱量的增加而造成管子和芯塊伸長和由于冷卻介質(zhì)的流動造成燃料棒震動，因此，芯塊的尺寸應(yīng)做得很準確，使其在芯塊和管子內(nèi)壁間具有可控的徑向的間隙，以便適應(yīng)由于熱膨脹和燃料脹大而致的芯塊增長。此外，由于芯塊是脆性的并且容易在震動作用下劈裂，所以一般在管內(nèi)上端塞和芯塊堆頂部之間設(shè)置圈簧，以緩沖由于燃料棒的震動而招致的損壞芯塊震動。
燃料棒的制造一般為先將放射性材料做成粉末，再混以所期望的化學(xué)成分，然后將該混合成的粉末先做成塊兒，再碎成顆粒，再拌以潤滑劑，最后壓制此潤滑了的顆粒成芯塊坯。芯塊坯被送至高溫充氫的燒結(jié)爐中燒結(jié)而取得所要求的密度和微結(jié)構(gòu)。在此燒結(jié)的芯塊出爐后，再進行濕磨處理而加工到精確尺寸，并在裝它們到燃料棒管內(nèi)之前進行查視，在放到管中之后，再對燃料棒整體進行幾次不同的檢查。
因為制造燃料棒涉及到裂變性物質(zhì)，所以迄今都是遵守放射性物質(zhì)轉(zhuǎn)換成燃料芯塊所要求的幾何控制的規(guī)章來進行，幾何控制關(guān)系到安全措施，即采取限制被集合的放射性物質(zhì)的數(shù)量使其遠小于裂變所需的臨界量，借此來消除產(chǎn)生連鎖反應(yīng)的可能性。這項安全措施可以下述方法實現(xiàn)，即在所限定的分批配件式操作的各制造階段中對放射性物質(zhì)和燃料棒部件執(zhí)行高度人工處理。
例如，對給定濃度的一份放射性物質(zhì)配料必須在制造過程的一定階段完全進行處理，并且必須先把設(shè)備中所有這一濃度下的殘留物質(zhì)除凈，才能對具有不同濃度的另批配料物質(zhì)進行處理。因此，在每次配料的開始階段，工人一般先用一個單獨的容器從粉末狀配料中盛出一小量放射性物質(zhì)裝到混合器中。待將該物質(zhì)適當?shù)鼗旌?，然后即人工地將此混成的粉末轉(zhuǎn)到制芯塊階段，在此階段即將這一數(shù)量的放射性物質(zhì)加工成芯塊坯。然后將芯塊坯人工地裝到燒結(jié)盤上送到燒結(jié)爐進料端并人工地卸下，穿過爐膛燒結(jié)后人工取出此燒結(jié)的芯塊并送它到濕磨站，然后將磨后的芯塊人工地置于檢查托盤上，經(jīng)過查視后人工地將其插入管子中，該管在使用前已通過各階段的人工處理，并做過查視、清潔和在其兩端附上端塞。
另一規(guī)定的要求是必須保持放射性物質(zhì)從其起初的粉末狀到其最后形成完整燃料棒中的芯塊狀的示蹤能力，其最有效的實現(xiàn)方法是，對放射性物質(zhì)和燃料棒部件在各種制造操作階段執(zhí)行高度人工處理。這不太困難，可在開始時從一已知配料中取一定量的放射性物質(zhì)并將其通過制造操作的連續(xù)階段傳送即能鑒定出所制成的燃料棒含有哪種具體配料中的放射性物質(zhì)。
高度人工處理的方法在燃料棒制造中迄今仍在輔助核工業(yè)滿足幾何控制和示蹤能力的規(guī)定要求，并因此而在此工業(yè)領(lǐng)域中完滿地應(yīng)用了數(shù)十年，但同時這種涉及人工處理的情況對提高制造生產(chǎn)率和改進產(chǎn)品質(zhì)量方面勢必會有一定的限制作用。因此就需要開拓一種不同的制造燃料棒的方法，使制造效率和生產(chǎn)率提高，改進產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，以及同時滿足各種規(guī)定的要求。
本發(fā)明為滿足上述需要而對制造核燃料棒設(shè)計出一個獨特的自動化系統(tǒng)。從將放射性氣體轉(zhuǎn)化成粉末開始，通過將該粉末加工成芯塊到完成燃料棒的組裝，本發(fā)明充分匯集了各不同的常規(guī)制造過程步驟本身(其中有些迄今仍沿用分批配料式操作)而制造出連續(xù)或分步的流水式操作。本發(fā)明自動系統(tǒng)設(shè)計成具有年產(chǎn)量為400MTU(公噸鈾)燃料棒，這表現(xiàn)出與目前用的年產(chǎn)量近200MTU的分批配料系統(tǒng)有明顯的前進。
該自動系統(tǒng)對提高生產(chǎn)率和質(zhì)量所做的改進，其主要因素如下。首先是，在轉(zhuǎn)化UF6氣體成為UO2粉末方面利用整體干燥線(IDR-Integrated Dry Route)的方法代換了銨基重鈾酸鹽(ADU-Ammonium Di Urinate)法，這一方法已得到英國核燃料有限公司(British Nuclear Fuels Limited)許可，它能連續(xù)地制出比利用ADU轉(zhuǎn)化法獲得更高燒結(jié)能力、易于加工的粉末，其次，利用了大量混合的方法，有利于改進產(chǎn)品的相容性。這些方法結(jié)合氣力傳輸應(yīng)用可大大降低物質(zhì)處理要求、人身受放射照射和空中無線電干擾電平。第三，利用先進技術(shù)的產(chǎn)品監(jiān)視操作和物質(zhì)處理與過程控制的整體自動化系統(tǒng)減少了對操作人員的依賴并提高了產(chǎn)品質(zhì)量。第四，作業(yè)線人員配備和總系統(tǒng)的操作(由UF6到制成燃料棒)以小組為基礎(chǔ)，有利于進行文明和集體生產(chǎn)并減少了人力支配生產(chǎn)的需要。第五，增強自動生產(chǎn)線以致可精簡實際的在線工作人員。改進了防止放射性散布的密閉性和處理方法，并利用先進的通風(fēng)系統(tǒng)從而使操作人員受放射性污染程度及由于因工作條件限制而損失的時間都降到了最低限度。最后，應(yīng)用自動化數(shù)據(jù)輸入的整體管理信息系統(tǒng)(MIS)的設(shè)施提供了中央信息網(wǎng)，因而便于進行管理監(jiān)視、生產(chǎn)計劃和控制。整體管理信息系統(tǒng)將使配料物質(zhì)的準確性、質(zhì)量控制和產(chǎn)品的示蹤能力方面得到保證，以致同時滿足了用戶的規(guī)程的要求。
因此，本發(fā)明提出一個由數(shù)個完整階段組合成核燃料棒生產(chǎn)的自動化系統(tǒng)。首先是放射性粉末形成和加工階段包括這樣的組合(a)多個爐單元，用于容納氣體形態(tài)的放射性物質(zhì)并將其轉(zhuǎn)化成粉末形態(tài);(b)多個檢料漏斗單元，它分別與每個爐單元有流程聯(lián)系，以從爐單元接受粉末，用于提供樣粉和進行檢驗，并由此分配這些粉末，所以至少有一個檢料漏斗單元從與其相關(guān)的一個爐單元盛裝粉末，而至少有另一個檢料漏斗單元從事分配其中的粉末，借此至少能夠由一個檢料漏斗進行連續(xù)分配;(c)多個與檢料漏斗單元有流程聯(lián)系的混合單元，用于從檢料漏斗單元接受粉末和將此粉末混合成適于加工成核反應(yīng)堆燃料的放射性混合物，混合單元的數(shù)目少于檢料漏斗單元的數(shù)目;以及(d)閥門裝置，用于控制每次有一個混合單元從檢料漏斗單元盛裝粉末，因此當一個混合單元裝粉末時，而有另外混合單元進行分配混合粉末，借此使混合粉末由各混合單元進行連續(xù)分配，以便按序地加工成適于應(yīng)用的核燃料。同樣，多個混合單元還包括另外容有混合粉末的混合單元，這個混合單元在混合單元之一盛裝粉末和另一混合單元正在分配粉末時用作取樣進行分析。
其次，制造核燃料棒的自動化系統(tǒng)包括有一道放射性芯塊加工階段，這個階段中包括有多個芯塊加工單元，用于接受適于作核燃料的放射性混合物合成的粉末。芯塊加工單元可控地壓縮粉末成塊兒，然后?；搲K兒，再摻以潤滑劑并最后把此混合物形成一個個的放射性混合物芯塊坯。這些芯塊加工單元組成一條生產(chǎn)芯塊坯的連續(xù)作業(yè)線，即使加工單元之一暫時退出工作仍能連續(xù)生產(chǎn)。
第三，該自動化系統(tǒng)包括有一個芯塊處理階段，該階段包括下列組合(a)多個燒結(jié)爐單元，芯塊坯即從每爐單元的進料端輸入，當它們移動地通過爐內(nèi)時即被燒結(jié)成芯塊，然后再卸出這些完全燒結(jié)成的芯塊;燒結(jié)爐的數(shù)量比芯塊坯加工單元的數(shù)量多，所以即使一個爐暫時退出工作，也仍能連續(xù)燒結(jié)出芯塊;(b)接收從燒結(jié)爐卸下的燒結(jié)芯塊的裝置，為定期對此燒結(jié)芯塊隨機取樣之用。更詳細地說，芯塊處理階段還包括(c)大量的燒結(jié)盤;(d)傳輸該燒結(jié)盤和提供累加儲存用的傳輸裝置;以及(e)將芯塊坯從芯塊加工單元裝到該傳輸裝置上的燒結(jié)盤上的裝置。該傳輸裝置可操作地布置成與多個燒結(jié)爐單元成這樣的關(guān)系，即可載著每個燒結(jié)盤直接進到一個爐的進料端，并移動地通過該爐內(nèi)以在其中燒結(jié)載在其上的芯塊，并且直接從一個爐的完成燒結(jié)的卸料端導(dǎo)出。芯塊處理階段進一步還包括(f)多個芯塊研磨單元，用于將燒結(jié)的芯塊精確地研磨到規(guī)定尺寸;(g)為把傳輸裝置上的盤上的燒結(jié)芯塊單排逐一送到芯塊研磨單元的裝置;(i)一個芯塊存取單元，用于收存被檢查的芯塊;以及(j)傳輸裝置，用于將芯塊單排逐個從研磨單元通過檢驗單元而傳輸?shù)酱嫒卧?br>最后，該燃料棒制造自動化系統(tǒng)包括管子準備、燃料棒加工和檢驗階段，它們包括有(a)準備裝芯塊的燃料棒管子的裝置;
(b)將管子和芯塊組裝成完整燃料棒的裝置;以及(c)檢驗完成的燃料棒的裝置。
對本發(fā)明的較佳實施方案將參照下述附圖舉例說明于后。
圖1為本發(fā)明的制造燃料棒自動化系統(tǒng)主要階段的總體方框圖，并指示出相關(guān)圖表，在相關(guān)圖表中已詳細示出該系統(tǒng)中每一處理階段的過程和設(shè)備;
圖2為制造燃料棒自動化系統(tǒng)中有關(guān)粉末形成和處理以及芯塊加工各階段中各處理步驟的詳細流程圖;
圖3為制造燃料棒自動化系統(tǒng)中有關(guān)芯塊處理階段各處理步驟的詳細流程圖;
圖4為制造燃料棒自動化系統(tǒng)中有關(guān)管子準備階段處理步驟的詳細流程圖;
圖5為制造燃料棒自動化系統(tǒng)中有關(guān)燃料棒加工和檢驗階段各處理步驟的詳細流程圖;
圖6是制造燃料棒自動化系統(tǒng)中有關(guān)粉末形成和處理以及芯塊加工階段所有設(shè)備的簡要縱剖視圖;
圖7為圖6中設(shè)備簡略了支撐結(jié)構(gòu)的頂視平面圖;
圖8為制造燃料棒自動化系統(tǒng)中芯塊處理、管子準備、燃料棒加工和檢驗階段的有關(guān)設(shè)備的簡要頂視平面圖。
在以下描述中對各圖中相同的標號指示相同或相應(yīng)部分，應(yīng)理解為諸如“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上”、“向下”等和類似詞，只是為說起來方便的用語，不能被認作為限制性用語。
現(xiàn)參照圖1如總標號10所示，具體解說本發(fā)明核燃料棒自動制造系統(tǒng)的主要的、連續(xù)和各相互有關(guān)階段的流程。對其中每個階段將參照圖2到圖5的處理步驟和示于圖6到圖8的設(shè)備配置詳細闡述于后。但在對自動化系統(tǒng)10的各階段進行詳細討論之前，先概述一下該自動化系統(tǒng)10。
在圖1的自動化系統(tǒng)10中，作為第一階段的方框12內(nèi)寫有題目“粉末形成和處理”，在這一階段下，把一種合適的放射性氣體-例如UF6(六氟化鈾)轉(zhuǎn)化成粉末形式的另一種放射性物質(zhì)-例如UO2(二氧化鈾)，然后將其混合成為適于加工成芯塊的混合物。下一步，在圖1的自動化系統(tǒng)10的第二階段方框14內(nèi)寫有“芯塊加工”字樣，在這一階段，把被混合的粉末形成芯塊坯。在加工之后，該芯塊坯被燒結(jié)、取樣、研磨、檢驗和儲存，所有這些步驟都在加熱條件下在圖1的方框16“芯塊處理”階段中進行。在芯塊被加工和處理的同時，另外，核燃料棒的其它主要部分，裝入芯塊用的空心管子在進行準備，如圖1的方框18所示，稱為“管子準備”的即代表這一工序。最后，圖1中方框20標題為“燃料棒加工和檢驗”，在這階段完成對準備的管子、儲存的芯塊的裝配和對裝配好的燃料棒進行檢驗。
粉末形成和處理現(xiàn)在結(jié)合圖2、6和7說明在制造燃料棒自動化系統(tǒng)10的第一和第二階段中，粉末形成和處理階段12以及芯塊加工階段14所涉及的過程和設(shè)備。在本節(jié)中將敘述合適的粉末狀放射性復(fù)合物的形成和處理，形成芯塊過程留在下節(jié)敘述。
首先，從自動化系統(tǒng)10中階段12開始粉末形成和處理，也即從圖2的△框22開始，含有原料UF6氣的圓柱體根據(jù)需要而從儲倉中取出并裝到蒸發(fā)單元中之一-例如圖6和7中所示的一個蒸發(fā)器內(nèi)，為了在方框26階段蒸發(fā)UF6氣體，把圓柱體在蒸發(fā)器24中用噴撒的循環(huán)熱水加熱到約180°F，然后將得到的UF6蒸氣在壓力作用下從蒸發(fā)器24中的圓柱體內(nèi)通過一雙路氣流管線28供到一對爐單元-例如回轉(zhuǎn)爐30。在本較佳實施例中，如圖7所繪的一對蒸發(fā)器24連接成與爐30的每一個彼此流體相通，故能提供足夠大的容量，以保證同時連續(xù)供給各爐蒸氣，即在一個蒸發(fā)器中有一個圓柱體內(nèi)已耗盡時則可換到新的圓柱體繼續(xù)供蒸氣。
爐30完成如圖2中方框32所述的IDR過程，將UF6氣體轉(zhuǎn)化成UO2粉末，首先是在爐的進料端使氣體與過熱蒸汽相作用，然后將其中間產(chǎn)品在爐的成品端與對流來的蒸汽和氫氣流相作用。UO2因其重力作用向下從爐30的成品端流到暫存?zhèn)}-由多個檢料漏斗單元36形成，此即圖2中△框34的過程。
連續(xù)地從爐30的下端收納UO2的檢料漏斗36，其每個的尺寸保證滿足對UO2的幾何控制，進入到檢料漏斗單元36的粉末被一個定時比例取樣器接連地取樣并分析其含氟化物和濕度的合格程度，此即圖2中方框38所述的工作。在圖7中所見的一對檢料漏斗單元36是與每個爐30流體相通的，因此，至少一對檢料漏斗單元中之一可接受從其對應(yīng)的爐來的UO2，同時當另外檢料漏斗單元正被取樣時，至少有一個檢料漏斗分配輸出它的粉末。由于這樣的配置，即能實現(xiàn)連續(xù)的運行程序，即當在一個單元在線取樣時，至少有另一個檢料漏斗單元36連續(xù)進行分配粉末。
合格的粉末從至少一個檢料漏斗單元36經(jīng)過一條氣力傳輸線40而被傳輸?shù)蕉鄠€混合單元中，例如圖6和圖7所示的大型混合器42即是。發(fā)現(xiàn)由于氟化物和/或濕度所造成的不合格粉末則通過安全幾何傳輸容器(未示出)而傳送到一個粉末再處理站(未示出)，進行再處理以降低氟化物和/或濕水份的含量，然后對再處理后的符合規(guī)定的粉末再返送到混合器42。
本實施例中的每個大型混合器42具有5000kg容量，并能產(chǎn)生符合產(chǎn)品規(guī)范的均勻混合，這一點由圖2中方框44進行的化學(xué)分析來確認。每個錐形混合器42(較好的是用3個)具有一個回轉(zhuǎn)的內(nèi)螺旋，用以保證完全混合，如圖2的方框46所述，采用較大的混合器42可以減少所需的單個混合的次數(shù)，并且將各次混合之間的差異降低到最低限度。再者，由于采用大容量的混合器42，可完全容下來自爐中同一濃度的一批全部粉末，并且在不同濃度的另批粉末需送入混合器之前，有的混合器可暫不使用。
在每個混合器42上裝有傳輸線換向閥48，它在一個混合器中的混合粉末進行如圖2中方框52所述的檢驗時動作而導(dǎo)使粉末經(jīng)過旋風(fēng)接受器50而流到另一混合器中，以及將由其余混合器混合的粉末立即分配到芯塊加工操作中，連續(xù)地流下以不中斷芯塊加工流程。同樣如圖2中54，56方框所述的經(jīng)過污屑和凈屑處理的粉末在由方框58做過有效的濕度檢驗后，即可傳送到混合器42進行混合處理。
芯塊加工由混合器42混合成的粉末經(jīng)氣力傳輸線60傳送到芯塊加工單元62(兩個較好)，在這里開始進行自動化系統(tǒng)10的階段14，也即其中的第二步-芯塊加工。整個的芯塊坯加工程序系完全自動化控制和操作，單元62的做芯塊坯的設(shè)備為立式布置，故能借重力傳送材料，并且減小了占用的地面。該設(shè)備為封閉型且易于接受通風(fēng)控制以防止向空中擴散無線電干擾粒子。
如圖2的方框64所述，從工作于分配狀態(tài)的混合器42放出的混合的UO2粉末經(jīng)過傳輸線60而被送到每個芯塊加工單元62的一個粉末壓縮器66(見圖6)。在壓縮器66中，粉末被緩壓成小圓片或塊，它們可下流到每個加工單元62中緊接66之下的粒化器68中，?；?8的入口與壓縮器66的卸料口緊密相接，所以這兩部分設(shè)備是同時工作的。如圖2的方框70所述，該料塊在粒化器68中被顆?；深愃朴趦龈煽Х人频膹?fù)合物，接著在圖2的方框72中，根據(jù)一定的比例將其與一定合適的例如硬脂酸鋅類的潤滑劑混合，并被滾動而產(chǎn)生提高了流下去的能力的壓力進料。(硬脂酸鋅在芯塊下一步受壓時用作緩沖潤滑)。最后，在圖2的方框74所形成的顆粒和潤滑的混合物被一個在每個加工單元62的最低平面上的芯塊壓力機76壓成芯塊坯。芯塊一般被壓成5/8吋長、3/8吋直徑的圓柱體，并具有60%理論密度，這等于10.3g/cm3。
通常，芯塊加工單元62只運行在其整個系統(tǒng)出力的一半的速率即足能連續(xù)地對位于其后面流程的處理設(shè)備供應(yīng)所需的芯塊坯，因此若此加工單元62中之一遭到暫時退出運行，則另一個即能以運行在接近其全出力而彌補其所致的減少，并提供給自動化系統(tǒng)10的下一步芯塊處理階段16所需的全部芯塊坯。
芯塊處理在自動化系統(tǒng)10的階段16，也即在這第三步“芯塊處理”的開始時，空盤78早已排成一行在此前行著，當盤80裝上了由芯塊壓縮器76卸下的芯塊坯，它即被傳輸帶82帶走，如圖6和圖7所示，傳輸帶82與芯塊加工單元62相遇，如圖8所見到的，傳輸帶82的大部分被布置成送盤到或離開多個燒結(jié)爐88及其它處理設(shè)備的相應(yīng)的進料端84或卸成品端86。除傳輸這些盤子以外，傳輸帶82還在存儲空盤和滿載盤過程中提供服務(wù)。
在加工單元62的卸料處，芯塊坯被輕輕地按規(guī)則的序列而裝在鉬燒結(jié)盤78、80內(nèi)，并被傳輸帶82運送到支線90，在這里經(jīng)由一臺往復(fù)式車子92運送每個裝上坯的盤80到各爐88的進料端。在一個燒結(jié)爐88的進料端84處，當有一個裝著芯塊坯的盤80來到時即被每爐中用作行梁的設(shè)備載經(jīng)該爐，然后成為裝著燒結(jié)后芯塊的盤94呈現(xiàn)出來。
如圖3的方框96所述，芯塊在每爐88內(nèi)，在氫氣中約1750℃下燒結(jié)到理論密度的95%即達到所要求的密度和濕度。對盤的運行和爐的操作皆由機械方法完成，并且由單獨的控制站與整個系統(tǒng)一起進行監(jiān)視和控制。應(yīng)用多個燒結(jié)爐88使容量得以擴大，所以甚至在有一個爐暫時退出運行時，燒結(jié)芯塊的連續(xù)作業(yè)仍能滿足其余的處理設(shè)備的工作需要。
在裝著燒結(jié)芯塊的盤94走出爐88的卸料端后，它們由傳輸帶82自動地傳送到檢樣站97，在這里對每盤內(nèi)的燒結(jié)芯塊隨機取其代表塊進行取樣并檢驗其密度，如圖3的方框98所述。低密度芯塊由傳輸帶82的支線(未示出)送到爐88再燒結(jié);過高密度的芯塊則送去凈削處理，如圖2的方框56所述。對芯塊樣品例行的其它測試和檢驗有如圖3中方框100和102所述，某些項目須在芯塊被最后批準以前進行數(shù)日，所以，尚未批準的燒結(jié)芯塊先進到芯塊處理階段16的下一步，并在此后在裝配成燃料棒之前將它們存儲在等待批準之處。
把尚未批準的燒結(jié)芯塊的盤94傳送到一對卸料單元104之一(見圖8)，盤在此處卸料，并且芯塊被單向排成一行地送到一對研磨單元106之一中。芯塊被以干磨方式進行無心研磨，如圖3中方框108所述，利用金剛砂輪磨出合格的光潔表面及合適的直徑。在研磨中除掉的材料由污屑收集系統(tǒng)收集，并如圖3中方框110所述，將再生切屑收集起來，然后送回作凈屑再生處理，如圖2的方框56所述。
然后，研磨成的芯塊以單排送到一對檢驗站112之一，在這里在線地進行直徑和表面的檢驗，如圖3的方框114所述，是用適當?shù)脑O(shè)備配合研磨單元106的運行進行的。同樣如圖3的方框116、118所述，對芯塊還進行尺寸校驗和濕度分析。不合格的芯塊被儲存起來并且或是送到如圖2方框56所述的污屑處理中，或是送到如圖2方框54所述的凈屑處理中，這要看附在芯塊上的具體雜物和/或缺陷而定。
將合格的芯塊一排排地裝到清潔的芯塊托盤上，該托盤被托盤傳輸設(shè)備120送到自動存取系統(tǒng)122(見圖8)，并被存放到一定的存儲位置上，如圖3的方框124所述。芯塊停在系統(tǒng)122中，該系統(tǒng)暫存著早先取樣的質(zhì)量控制核準的芯塊直到需要裝到燃料棒的管中為止。該系統(tǒng)122的儲存面積設(shè)計成能容納3～4天所需的芯塊數(shù)量。這樣大的容量可滿足兩天等待芯塊樣品實驗室結(jié)果的同時保證芯塊與管子的連續(xù)裝配。再有，托盤被送在存取系統(tǒng)122中，送入、取出或在其中的操作是定向并可控的，即該系統(tǒng)按照維持追蹤能力的需要而具有追蹤個個托盤或成組托盤的能力。
管子準備燃料棒制造自動化系統(tǒng)10的其余兩階段是管子準備階段18以及燃料棒加工和檢驗階段20，這兩階段串聯(lián)直通布置，這兩階段與上述頭三個階段同時進行。利用這樣的作法，在處理的核燃料芯塊完成時，即時地插入到早已準備好的管子中，從而構(gòu)成制造燃料棒的連續(xù)裝配線。本節(jié)將敘述與燃料棒的管子準備相關(guān)的各步驟，至于裝配和檢驗燃料棒的工作將留在最末節(jié)交待。
現(xiàn)參照圖4和圖8，從△框126為開始管子準備階段。從儲倉中取出管子并送到分檢系統(tǒng)128(見圖8)，管子分檢系統(tǒng)128是一臺同步傳輸帶，它負責(zé)傳送本階段中各種準備和檢驗工作所用的管子。在系統(tǒng)128中，應(yīng)用了多路分檢單元，它帶有分開各單元的轉(zhuǎn)運和饋送設(shè)備，應(yīng)用這些轉(zhuǎn)換和運送設(shè)備使系統(tǒng)有條件間歇運行，從而提高了系統(tǒng)利用率。
首先，由自動圖象識別器(未示出)讀取每管的序號，識別器鑒定標號無誤并將管子的所有信息送到跟蹤系統(tǒng)中。然后，管子被分檢系統(tǒng)128分送到圖8中所示的檢查站130，這即圖4的方框132所述的檢查管子內(nèi)部是否干凈。如果管子不潔，則發(fā)出警報，管子將不分發(fā)。管子從站130走到清潔站134，如圖4的方框136所述，在這里有一個凈管器與管子端部嚙合(圖中未示出)，夾住它并轉(zhuǎn)動地以清潔劑擦拭該管端，清除的介質(zhì)即被棄到收集罐中，同時該清潔器頭即退回并準備下一循環(huán)。
現(xiàn)在準備將管子送到管塞站138(見圖8)安插端塞，在被送到站138后，管子被一個夾具夾住，如圖4方框140所述將一個塞堵壓入端內(nèi)，然后將此堵塞的管子先送到焊接站142插到一個焊接腔中，然后如圖4的方框144所述在管與塞接觸的周圈進行縫焊，焊后的管子被送到轉(zhuǎn)送設(shè)備(未示出)中。
在焊接站142和下流檢驗操作之間管子被積累形成在分檢系統(tǒng)128的兩道分檢傳輸帶間的中斷，然后從轉(zhuǎn)換設(shè)備送到焊接物理性能檢查站146(見圖8)，如圖4方框148所述進行管子焊道的直徑和表面斑污檢查。進行焊接物理檢查后，每根管子被傳送到秤重站150進行秤重，如圖4方框152所述。最后，對管子的焊接在站154(圖8)進行超聲波檢查，如圖4方框156所述。若焊接合格，則管子被下傳到管子傳輸帶(未示出)上，從這里將作軸向地轉(zhuǎn)換，以準備好裝入燃料芯塊的操作。
對管底端焊不合格的管子則從流程中排除到修理站(未示出)，如圖4方框158所述，在這里除掉管子端塞，然后重新循環(huán)作如上述管子準備操作。
燃料棒加工和檢驗最后，在這自動化系統(tǒng)10的第五階段20-燃料棒加工和檢驗中，將上階段18中準備好的燃料棒管子和在存取系統(tǒng)122中存放的芯塊取在一起。先把UO2燃料芯塊裝到管內(nèi)，然后安上一個彈簧，再蓋上一個上端塞并將其環(huán)縫焊接，做完后，管子即被氣密地封住。這些是主要的組裝步驟。隨后要進行多重檢驗工作，不過有些檢查是分插在各裝配步驟之間進行的。在管子分檢系統(tǒng)160中有一個同步傳輸器負責(zé)把管子轉(zhuǎn)運到各種加工和檢驗操作中，系統(tǒng)160中的轉(zhuǎn)換設(shè)備則負責(zé)進行分組操作，管子是在加工和檢驗階段的各種間歇期間形成各分檢傳輸帶中斷時所累積起來的。
首先，把準備好的燃料管從軸向傳輸帶送到燃料棒加工分檢系統(tǒng)1160的累積傳輸帶上，多根管子(如25根)被聚在一起送到裝芯塊臺162(見圖8)，如圖5方框164所述，在這里由驅(qū)動著的一臺振動裝料器把核準的芯塊裝入管內(nèi)。芯塊是載在托盤上自動地從存取系統(tǒng)122傳送到裝芯塊臺，然后芯塊被從托盤上掠到裝芯塊臺上從而振動地饋入到管內(nèi)。
管子裝入芯塊之后即被稱為燃料棒，然后輸送到分檢系統(tǒng)160的轉(zhuǎn)換站再到燃料棒分檢傳輸器，同時記錄上每根管號并成排地儲存以便檢取。
隨在裝好芯塊之后進到的第一個站即為充實計站166(見圖8)，如圖5的方框168所述，在這里測量棒的充實度，然后根據(jù)測得的充實度再增添或撤出一些芯塊。在充實度調(diào)節(jié)之后，芯棒進到站170秤重，如圖5方框172所述，然后在站174進行如圖5方框176所述的清潔棒頂端，這一點與完成棒底端的清潔操作方式相同。此后，按照圖5方框180所述在站178將壓緊彈簧嵌到每根棒內(nèi)，隨后即在棒頂壓入端塞并壓緊該彈簧，這是在圖8的加塞站182處進行的，如圖5方框184所述。
通過在環(huán)縫焊接站186進行圖5方框188所述的將頂塞與棒接觸的周圈焊接，即完成燃料棒的加工，然后在站190在棒的塞端進行氦氣密封焊接，如圖5的方框192所述。
在環(huán)縫焊接操作之前，燃料棒被累積到中斷同步操作，即把這批棒作為第二組，再在下一次完成燃料棒加工之后而在檢驗開始之前，棒再累積到中斷同步操作而把它們作為第三組，然后，將這些棒送到分檢系統(tǒng)160的分檢傳輸器帶到第一個站194(圖8)進行如圖5方框196所述的焊接物理檢查。對焊道主要是檢查焊區(qū)內(nèi)的直徑和斑污情況。接下去，分別在站198和200(見圖8)進行方框202和204所述的超聲波和X線照射檢查，再在站206進行圖5方框208所述的平直度和長度檢查，在站210按圖5方框212所述進行管表面的擦傷和斑污檢查。
在表面檢查過后，燃料棒即被傳輸?shù)椒謾z系統(tǒng)160的轉(zhuǎn)換傳輸帶，在這里它們被轉(zhuǎn)送到伽馬(gamma)線掃描站214，如圖5方框216所述對棒進行自動掃描檢查其內(nèi)部件、芯塊層連續(xù)性、濃縮鑒定和充填的長度，將這些檢查結(jié)果輸入到檢索系統(tǒng)。經(jīng)過在站218進行了圖5方框220所述的氦檢漏試驗后，將合格的燃料棒送到方框222所述的儲倉。
任何一次檢查操作未通過的燃料棒被傳送到如圖5方框224所述的同一處理區(qū)，在這里進行修理，之后即返回到棒加工工序，或被送到廢棄燃料棒的地方，如圖5方框226所述。
從前面的描述可見，自動化系統(tǒng)10能以專門的、連續(xù)的操作流程，及以在系統(tǒng)的關(guān)鍵階段所提供的超大能力而獲得高速生產(chǎn)，它將程序操作、質(zhì)量監(jiān)控及改進的設(shè)備流水完整地統(tǒng)在一起，因而保證能縮短制造的周期。同樣，它還提高了專用于核物質(zhì)的防事故外殼的特性，并由于增進了通風(fēng)而使空中干擾材料量減至最小，此外并降低了職業(yè)幅射水平，這不僅在程序操作期間，即使在維修期間也同樣獲得益處。
權(quán)利要求
1.制造核燃料棒的一個自動化系統(tǒng)，其特征為，a)放射性粉末形成和處理階段包括有(ⅰ)多個蒸發(fā)單元，用于提供氣體形成的放射性物質(zhì)，(ⅱ)多個爐單元，它們與所述的蒸發(fā)單元流體相通，以便從所述的蒸發(fā)單元接受所述的氣體，并把所述的放射性物質(zhì)從氣體形態(tài)轉(zhuǎn)化為粉末狀態(tài)；所述的多個爐單元的數(shù)量比所述的多個蒸發(fā)單元的數(shù)量少；所述的多個爐單元中的每一對所述的蒸發(fā)單元連接，(ⅲ)多個檢料漏斗單元，它們與所述的爐單元流體相通，以便從所述的爐單元接收所述的粉末，容存所述的粉末以備取樣、檢驗、及由此將粉末分配出去；所述的多個檢料漏斗單元的數(shù)量比所述的多個爐單元的數(shù)量多；一對所述的檢料漏斗單元與所述的爐單元之一連接成這樣當至少所述的檢料漏斗單元對中之一正在從相應(yīng)的一個爐單元裝料時，至少所述的檢料漏斗單元對的另一正在從中分送粉末，而與此同時還有另外所述的檢料漏斗單元對之一正在進行取樣，借此以便在進行在線取所述粉末樣品的同時，能由至少一個所述的檢料漏斗單元連續(xù)地分送粉末；每個所述的檢料漏斗單元所具的規(guī)定容積小于該放射性物質(zhì)的幾何控制容積，(ⅳ)多個混合單元，它們與所述的檢料漏斗單元流體相通，以便從所述的檢料漏斗單元接收所述的粉末，以及用于混合所述的粉末成為適于作核反應(yīng)堆燃料用的放射性復(fù)合物；所述的混合單元的數(shù)量比所述的檢料漏斗單元少，比所述的多個爐單元的數(shù)量多；每個所述的混合單元所具的容量超過該放射性物質(zhì)的幾何控制，以及(ⅴ)閥門裝置，用于使多個混合單元每次一個地從所述的檢料漏斗單元充裝粉末，以便造成當一個所述的混合單元充裝粉末時，另一個所述的混合單元正在取樣分析，而還有另一個所述的混合單元正在分送粉末，借此以使所述的混合單元連續(xù)地進行分送粉末；b)一個芯塊加工階段包括(ⅰ)多個芯塊加工單元，它們與所述的混合單元流體相通，用于從在任意指定時間內(nèi)進行分送混合粉末的一個所述混合單元接收所述的混合粉末，所述的芯塊加工單元可操作到將所述粉末壓成塊，然后將所述塊顆?；?，再將所述粉?；旌弦詽櫥瑒?，最后將所述混合物做成一個個具有所述的放射性成份的芯塊坯;所述的加工單元的數(shù)量比所述的混合單元數(shù)量少，但具有連續(xù)提供所述芯塊坯的能力;c)一個芯塊處理階段包括(ⅰ)大量燒結(jié)盤，(ⅱ)為傳輸所述的燒結(jié)盤和提供累積存儲的裝置，由此而有(ⅲ)為將芯塊坯從所述的芯塊加工單元裝到所述傳輸裝置上的該燒結(jié)盤上的裝置，(ⅳ)多個燒結(jié)爐與所述的傳輸裝置被配置成每個所述的裝載芯塊的盤直接被送到所述的一個爐的進料端，為燒結(jié)載在其中的芯塊而在所述的一個爐中行進，并且在完成燒結(jié)處直接從所述的一個爐的卸料端引出;所述的燒結(jié)爐的數(shù)量比所述的芯塊坯加工單元數(shù)量多，(ⅴ)接收所述裝載芯塊盤的裝置，以便在從所述的燒結(jié)爐卸出后從中取出至少一個所述的燒結(jié)芯塊樣品，(ⅵ)多個芯塊研磨單元，以將所述的燒結(jié)芯塊精確的磨成具有預(yù)定尺寸，(ⅶ)把所述傳輸裝置上的盤上卸下的該燒結(jié)芯塊單排逐個送到所述的芯塊研磨單元的裝置，(ⅷ)多個檢驗單元，以便檢驗所述的研磨的芯塊，(ⅸ)一個芯塊存取單元，用于接收所述的檢驗過的芯塊并將之儲存，以及(ⅹ)為傳輸所述芯塊從所述的研磨單元通過檢驗單元以單排逐個地到所述的存取單元的裝置;d)一個管子準備階段包括(ⅰ)為接收所述的存儲芯塊而準備好燃料棒用的管子的裝置;以及e)一個燃料棒加工和檢驗階段包括(ⅰ)為組裝所述的管子和芯塊成為完整燃料棒的裝置，和(ⅱ)為檢驗所述的完整燃料棒的裝置。
專利摘要
制造燃料棒的自動化系統(tǒng)包括一個放射性粉末加工和處理階段，一個芯塊加工階段，一個芯塊處理階段，一個管子準備階段以及一個燃料加工和檢驗階段。從轉(zhuǎn)化放射性氣體為粉末，通過加工粉末成芯塊，到燃料棒組裝完成，所有這些階段都為連續(xù)操作方式，該系統(tǒng)在粉末處理和芯塊加工方面被設(shè)計成具有極大的臨界容量，并且具有極方便的連續(xù)和按步的操作方式。
文檔編號G21C21/00GK86101285SQ86101285
公開日1986年9月10日 申請日期1986年2月18日
發(fā)明者弗朗西斯·塞利爾, 羅伯特·索馬斯·格拉爾蒂, 溫迪爾·利·約翰森, 戴維德·馬丁·巴特森, 約翰·克勞德·利姆普特, 克里斯托?！臁て妗の?申請人:西屋電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan