Технология изготовления ядерного топлива для реакторов АЭС достаточно
отработана. Ядерное топливо производится на предприятиях,
технологический цикл которых включает все стадии, начиная от
изготовления порошка и таблеток и кончая изготовлением твэлов и ТВС.
Спеченная из порошка UO2 таблетка
должна соответствовать определенным качественным показателям: заданный
химический состав таблеток и содержание в них влаги после спекания, а
также их физические свойства; содержание 235U, плотность,
микропористость, площадь поверхности; геометрические размеры, размеры
зерен и т. д.
Оболочки твэлов в процессе эксплуатации подвергаются воздействию
физических, химических и механических факторов. Оболочка должна быть
прочной и пластичной, обеспечивать длительную и надежную эксплуатацию
твэлов. Это определяет высокие требования, которые предъявляются к
качеству труб для оболочек твэлов в отношении коррозионной стойкости,
размерной стабильности и т. д.
Изготовление твэлов начинают с формирования топливного сердечника, для
чего таблетки, прошедшие всесторонний контроль, размещают столбиками
заданной высоты, равной высоте активной части твэла. Контроль топливного
сердечника является наименее автоматизированной операцией из всего
технологического цикла. Измерение сердечника, регистрацию его веса,
обогащения осуществляет оператор. После приварки к оболочке нижней
заглушки вручную или автоматически загружают топливный сердечник.
Движение таблеток внутрь оболочки осуществляется по специальным желобам,
установленным наклонно.
Операция ручной загрузки таблеток очень трудоемка.
Автоматическая машина для набора таблеток в топливный сердечник
достаточно сложна, она имеет несколько каналов загрузки, которая
производится на наклонном столе с помощью вибраторов. Заполнение твэла
фиксируется светойыми указателями. Количество 235U в твэле должно,
соответствовать спецификации. Поскольку масса таблеток имеет разброс,
общая масса топливного сердечника контролируется на весах.
При ручной загрузке топливного сердечника одновременно заполняются
таблетками несколько оболочек. Загрузка осуществляется через отверстие в
защитной перегородке, разделяющей «активную» и «неактивную» части твэла.
После заполнения оболочек таблетками негерметизированные твэлы нагревают
в вакууме при температуре более 800 °С для удаления влаги и летучих
компонентов, после чего твэлы охлаждают и заполняют инертным газом.
Концевые заглушки твэлов запрессовывают в облочку с помощью пресса.
Заглушка обычно заходит в оболочку приблизительно на длину, равную ее
диаметру. Трубы, используемые для оболочек твэлов, перед приваркой
заглушек повторно контролируют, поскольку любые дефекты потенциально
ослабляют оболочки.
При контроле оболочки выявляют следующие дефекты: метрологические —
отклонения от номинальных размеров, выходящие за пределы допусков;
размерные— искажения геометрии трубы (вмятины от ударов, овальность,
случайное сплющивание и f. д.); металлургические — дефекты, влияющие на
структуру трубы (включения металлические, неметаллические, трещины,
коррозионные пятна). Контроль осуществляется на специальных установках
неразрушающего контроля труб, позволяющих одновременно производить
дефектоскопию и контролировать геометрические размеры. После контроля
трубы производится сварка оболочки с заглушками.
Для выделяющихся при облучении твэлов газообразных продуктов деления и
компенсации температурного удлинения сердечника в торцевой части твэла
(обычно верхней) оставляют свободный объем. Наличие газосборника в
твэлах позволяет несколько ослабить требования, предъявляемые к размеру
топливного сердечрика в продольном направлении, и допуск на длину
сердечника устанавливается равным высоте одной таблетки.
Важной операцией при изготовлении твэлов является создание внутри твэла
давления инертного газа. Твэлы заполняют инертным газом под давлением в
камере для сварки, после чего приваривают верхнюю заглушку. Вводимый в
камеру инертный газ одновременно создает требуемую инертную атмосферу
при сварке.
На заводе фирмы «Бабкок энд Уилкокс» (США) оболочку с приваренной нижней
заглушкой заполняют топливными таблетками, затем приваривают вторую
заглушку. После этого в заглушке твэла лазером просверливают узкое
отверстие диаметром 0,05—0,5 мм; сверление производится в вакуумной
камере. Твэлы с отверстиями загружают в вакуумную камеру для отжига с
целью удаления влаги и других летучих компонентов. Далее из камеры
откачивают воздух, заполняют ее инертным газом и нагревают в течение
определенного времени. После охлаждения твэлы помещают в камеру, которая
заполняется инертным г&зом под давлением, и производят заварку отверстия
в заглушке с использованием лазера.
Загрязнения с готовых твэлов удалят путем простого и электролитиче-ского
травления. Затем прои&родится визуальный контроль и контроль сварных
швов для установления отсутствия на поверхности раковин, заусенцев и
других дефектов, контроль прямолинейности твэлов (искривлений, прогиба)
по прилеганию к проверочной плите, взвешивание твэла с целью определения
количества урана и автоматическая маркировка с указанием обогащения.
Готовые твэлы хранятся или отправляются непосредственно на участок
изготовления ТВС.