Только в некоторых случаях не требуется специальной герметизации концов твэлов: при совместном выдавливании заготовки в готовый твэл и «рамочной» технологии изготовления дисперсионных пластинчатых твэлов; в том и другом случае осуществляется незначительная последующая доводка поверхности до требуемых размеров готовых твэлов; во всех остальных случаях требуется тщательная герметизация концов твэла, которая в основном достигается сваркой. При использовании метода совместного выдавливания и «рамочной» технологии также не всегда обеспечивается надежная герметичность соединения; в таких случаях конкретно решается вопрос о герметизации концов твэла.
Наиболее распространенным методом герметизации твэлов является дуговая сварка в защитной среде с использованием как нерасходуемого, так и расходуемого электродов.
При любых методах сварки необходимо тщательно очищать свариваемые поверхности, избегать загрязнения шва газами и материалом топлива, в противном случае будет некачественная сварка и ухудшатся коррозионные и прочностные свойства шва.
Наиболее надежным методом герметизации твэлов, особенно с оболочками из циркониевых сплавов, является метод аргонодуговой сварки с вольфрамовым нерасходуемым электродом в среде тщательно очищенных инертных газов (гелий или аргон).
Трудность при сварке циркония состоит в предотвращении загрязнения его азотом и кислородом, сильно снижающими пластичность и коррозионную стойкость сварных соединений. Дуговую сварку циркония в среде гелия или аргона производят с использованием нерасходуемого вольфрамового электрода при силе тока примерно такой, как при сварке нержавеющих сталей,
Сварку циркония в аргоне производят с большой осторожностью, чтобы не ухудшить свойств шва и околошовной зоны оболочки твэла. Обычно процесс сварки ведут в гелии, а аргон применяют для начального заполнения сварочной камеры: в камере создают высокий вакуум, затем камеру заполняют аргоном высокой степени чистоты и сразу пускают гелий, не содержащий водорода и кислорода; сварку производят в резиновых перчатках. Возникают большие трудности при поддержании необходимой чистоты инертного газа в процессе сварочных работ ввиду загрязнения газа парами воды, оседающими на стенках камеры. Чистота обычного сварочного газа составляет ~ 99,99%.
Для оболочек из циркониевых сплавов рекомендуются следующие условия герметизирующей сварки: тщательная подготовка и очистка свариваемых поверхностей материалов, подготовка сварочной камеры и заполнение ее очищенным от паров воды и других примесей газом (гелием или аргоном), сила тока 35—45 А в зависимости от толщины свариваемых деталей, скорость потока гелия 0,3—2 м3/с, скорость вращения дуги по периферии 6,5—9 мм/с.
Сварка электронным пучком (электронно-лучевая) имеет значительные преимущества по сравнению с электродуговой сваркой в защитной среде. Электронным пучком можно сваривать материалы различной толщины, подбирая соответствующий режим фокусировки пучка и напряжение для требуемого качества провара. Загрязнение сварного шва в высоком вакууме исключается. Другим преимуществом сварки электронным пучком являются хорошее перемешивание расплавленного материала, что приводит к созданию более однородной структуры в расплавленной зоне, и полное отсутствие газовых раковин и включений посторонних примесей. Шов на оболочке из циркалоя-2, полученный сваркой электронным пучком, по коррозионной стойкости не уступает основному металлу. Высокая степень регулирования в сочетании с другими упомянутыми выше преимуществами делает этот метод экономичным.
При сварке электронным пучком в результате соударения электронов с атомами, испаряющимися с поверхности свариваемого металла или сплава, образуются ионы, что может привести к электрическому разряду. Число образующихся ионов зависит от свариваемого материала, площади поперечного сечения электронного пучка и количества материала, испаряющегося в 1 с с единицы площади поверхности при температуре плавления (табл. 6.1).
Таблица 6.1. Скорость образования ионов в зависимости от количества испаряющегося металла
Ионизация легко испаряющихся металлов приводит к быстрому образованию электрического разряда и появлению вольтовой дуги между электродами, например при сварке магния, поэтому такие металлы сваривают импульсным пучком. Если скорость прохождения изделия через электронный пучок соответствует частоте прерывания пучка, место сварки будет состоять из ряда перекрывающих друг друга сварных точек, пятен (соединение внахлестку). Схема электронно-лучевой установки для одновременной герметизации 20 твэлов без нарушения вакуума показана на рис. 6.1.
Ультразвуковой метод герметизации концов твэла применяют для сварки титана, циркония, тантала, молибдена и других элементов. Соединенные детали помещают между зажимами установки, при небольшом нажатии которых в течение 1—3 с производится сварка ультразвуком, подаваемым через волновод к верхнему зажиму (рис. 6.2). Сварка ультразвуком дает прочный шов без деформации соединяемых деталей. Преимущество этого метода состоит в том, что материал почти не нагревается, таким образом, снимается проблема загрязнения металлических соединений и термообработки твэлов.
Рис. 6.2. Схема установки для ультразвуковой сварки по контуру:
1 — волновод; 2 — сменный полый зажим; 3 — сменный прижимный зажим; 4 — прижимная опора; 5 — свариваемое изделие
На рис. 6.3 показаны некоторые часто встречающиеся типы заглушек и метод их сварки с оболочкой твэла. Эта простая, на первый взгляд, операция в действительности требует очень тщательного выполнения; чтобы получить качественную герметизацию твэла, первое и важное требование — соблюдение чистоты свариваемых деталей, особенно для твэлов с оболочкой из циркония вследствие его большой реакционной способности.
Рис. 6.1. Схема установки для герметизации твэлов электронно-лучевым способом:
1 — двигатель с регулируемой скоростью для вращения твэла; 2 — регулятор высоты загрузки твэла; 3 — к вакуумной системе; 4 — твэл, приготовленный к заварке концов; 5 — катод с фокусирующей системой; 6 — загрузочное и разгрузочное отверстия; 7 — окно; 8 — вакуумный сосуд; 9 — контроль вакуума; 10 — вращающаяся револьверная головка, удерживающая завариваемые твэлы
Рис. 6.3. Герметизация твэла с использованием различных концевых заглушек: а — образование закрытой усадочной пористости на конце топливного стержня из-за неравномерного охлаждения после приварки концевой (массивной) пробки; б — улучшенные методы герметизации концов трубок с учетом тепла, выделяемого при сварке и в процессе охлаждения, а также с учетом других факторов, отрицательно влияющих на плотность герметизации трубок
Герметизация стержневых твэлов с массивными заглушками и тонкостенными оболочками представляет значительные трудности (рис. 6.3, а), так как при сварке возникают напряжения из-за неравномерного охлаждения. В массивной заглушке на стыке с концом оболочки при сварке образуется ванночка расплавленного металла, имеющая значительную глубину, в результате из-за перепада температур при охлаждении возникнут усадочная пористость и большие термические напряжения (направления напряжений указаны стрелками, рис. 6.3), а при эксплуатации в реакторе в этих местах могут образоваться трещины. Для ликвидации подобных дефектов были проведены исследовательские сварочные работы по созданию конструкции герметизирующего узла и уточнению режимов сварки. Была испытана заглушка с бортиком (рис. 6.3,6) и улучшенной поверхностью, но полностью ликвидировать дефект не удалось. Испытания заглушки, имеющей форму колпачка с толщиной стенки такой же, как и у стенки оболочки (рис. 6.3,6), дали хорошие результаты: дефект был ликвидирован полностью. В настоящее время усиленно разрабатывают другие методы герметизации твэлов: магнитно-импульсная, контактно-роликовая и контактно-стыковая сварка, сварка трением, сварка в высоком вакууме под давлением, сварка взрывом.
