RU2669578C1

RU2669578C1 - Device for controlling and maintaining uniformity of movement of powdered nuclear fuel when it is filled into device for pressing fuel pellets

Info

Publication number: RU2669578C1
Application number: RU2017139069A
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Черевик; Сергей Олегович Садовников; Андрей Олегович Мантров; Ия Викторовна Новикова; Леонид Евгеньевич Шевченко
Original assignee: Публичное акционерное общество "Машиностроительный завод"
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2018-10-12

Abstract

FIELD: nuclear physics and equipment.SUBSTANCE: invention relates to the nuclear industry and can be used in the manufacture of nuclear fuel pellets. Device for controlling and maintaining the uniformity of the movement of the powdered nuclear fuel when it is filled into the fuel pellet pressing device comprises a hopper connected by a filling tube to a pellet pressing device, a gamma detection unit located in close proximity to the side walls of the filling tube, an industrial computer for recording and processing the measurement results. Pneumatic vibrator is mounted on the wall of the filling pipe to maintain uniform motion of the press powder. Gamma-ray detection unit consists of two detectors located along the filling tube at a distance from each other.EFFECT: invention makes it possible to control and maintain the uniformity of the movement of the press powder of nuclear fuel when it is fed into the pressing of fuel pellets.5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при изготовлении таблеток ядерного топлива.The invention relates to the nuclear industry and can be used in the manufacture of tablets of nuclear fuel.

Известно устройство для контроля насыпной плотности и текучести сыпучих высокорадиоактивных материалов для производства твэлов ядерных реакторов, которое включает мерную воронку с шибером, размещенную в корпусе, весовую платформу, соединенную с компьютером, приемную емкость, размещенную под воронкой на весовой платформе. Установка предназначена для определения плотности порошка для изготовления таблеток ядерного топлива, но она не позволяет контролировать и поддерживать плотность пресспорошка непосредственно в процессе его подачи на установку прессования (RU 2494371, опуб. 27.09.2013).A device for controlling the bulk density and fluidity of bulk highly radioactive materials for the production of nuclear fuel rods, which includes a measuring funnel with a gate, located in the housing, a weighing platform connected to a computer, a receiving tank, placed under the funnel on a weighing platform. The installation is designed to determine the density of the powder for the manufacture of tablets of nuclear fuel, but it does not allow to control and maintain the density of the powder directly in the process of feeding it to the pressing unit (RU 2494371, publ. 09.27.2013).

Процесс производства топливных таблеток заключается в прессовании порошков урана. Пресспорошок под действием силы тяжести засыпается из контейнера по вертикальной трубе в пресс. При свободном движении порошка по трубе периодически возникают ситуации, когда плотность двигающегося порошка по трубе может резко или постепенно уменьшиться. Это связано с различной скоростью движения пресспорошка, которая зависит от влажности пресспорошка, плотности и однородности его частиц. Из-за неравномерности движения порошка используется ручная регулировка устройства дозирования и подачи топлива в пресс-формы при контроле величины усилия и величины хода пуансонов пресса. Однако, если усилие и величина хода пуансонов выходит за рамки необходимых требований, то прессование прерывается и может быть возобновлено только при запуске пресса с восстановленными номинальными параметрами.The production process for fuel pellets involves pressing uranium powders. Under the influence of gravity, the press powder is poured from the container through a vertical pipe into the press. With the free movement of the powder through the pipe, situations arise periodically when the density of the moving powder through the pipe can sharply or gradually decrease. This is due to the different speed of the powder movement, which depends on the moisture content of the powder, the density and uniformity of its particles. Due to the uneven movement of the powder, manual adjustment of the device for dispensing and supplying fuel to the molds is used while controlling the magnitude of the force and the magnitude of the stroke of the press punches. However, if the force and magnitude of the stroke of the punches goes beyond the necessary requirements, then the pressing is interrupted and can only be resumed when the press is started with the restored nominal parameters.

При резком возникновении неравномерного движения пресспорошка требуется оперативная аварийная остановка оборудования. Однако, при постепенном (медленном) уменьшении подачи пресспорошка данный процесс является неконтролируемым. Медленное уменьшение плотности оказывает влияние на «сырые» таблетки, так как процесс реагирования автоматики на усилие и ход пуансонов является инерционным. При этом количество таких таблеток может составлять всего несколько штук в общей массе. При выборочном контроле обнаружить такие таблетки достаточно сложно, следовательно, существует вероятность выпуска их в годную продукцию, что является неприемлемым.In the event of a sharp occurrence of uneven movement of the powder, an emergency emergency stop of the equipment is required. However, with a gradual (slow) decrease in the supply of fresh powder, this process is uncontrolled. A slow decrease in density has an effect on “raw” tablets, since the process of automatic response to force and the stroke of the punches is inertial. In this case, the number of such tablets can be only a few pieces in the total mass. With selective control, it is rather difficult to detect such tablets, therefore, there is a likelihood of releasing them into suitable products, which is unacceptable.

Известно устройство для вибрационного уплотнения порошков. Устройство включает стол с лотком и приемным коробом для контрастирующего порошка. Подготовленные к заполнению внутренних полостей контрастирующим порошком отливки устанавливают в посадочные гнезда съемной кассеты, вручную поворачивают до упора поворотную плиту и краном управления включают пневмоцилиндры, прижимающие плиту с резиновой прокладкой к отливке. Щели совмещаются с засыпными щелями отливок. Тумблер включает ударный механизм. Устройство предназначено для уплотнения контрастирующего порошка в отливках со сложной конфигурацией, с глубокими и узкими полостями за счет более эффективного использования виброударного воздействия. Данное устройство не может использоваться для уплотнения порошка ядерного топлива в процессе его засыпки на пресс, так как имеет сложную конструкцию (RU 2048265, опуб. 20.11.1995).A device for vibratory compaction of powders is known. The device includes a table with a tray and a receiving box for contrasting powder. The castings prepared for filling the internal cavities with contrasting powder are installed in the landing slots of the removable cartridge, the rotary plate is manually turned to the stop and the control valve includes pneumatic cylinders pressing the plate with the rubber gasket to the casting. Slots are combined with filling slots of castings. The toggle switch includes a percussion mechanism. The device is designed to seal the contrasting powder in castings with a complex configuration, with deep and narrow cavities due to more efficient use of vibration impact. This device cannot be used for compaction of nuclear fuel powder in the process of filling it with a press, as it has a complex structure (RU 2048265, publ. 20.11.1995).

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство непрерывного контроля плотности пресспорошка ядерного топлива при его засыпке в устройство прессования топливных таблеток (RU 2572241, опуб. 10.01.2016), содержащее бункер с пресспорошком, который соединен вертикальной засыпной трубой с устройством прессования таблеток. Вблизи устройства прессования с противоположных сторон трубы установлены источник гамма-излучения, и блок детектирования, который соединен с блоком регистрации, включающим преобразователь сигнала и электронный графический регистратор, последовательно соединенные линиями связи. Контроль плотности пресспорошка ядерного топлива на входе в устройство прессования позволяет вовремя отслеживать снижение качества его текучести (снижение плотности) и останавливать прессование с целью недопущения производства топливных таблеток с неправильной геометрией и пониженной плотностью. Но данное устройство не позволяет оперативно устранять неравномерное движение пресспорошка в процессе его подачи в пресс.The closest analogue of the invention is a device for continuously monitoring the density of a powder of nuclear fuel pre-powder when it is filled into a fuel tablet pressing device (RU 2572241, publ. 10.01.2016), containing a hopper with fresh powder, which is connected by a vertical filling tube to the tablet pressing device. A gamma radiation source and a detection unit, which is connected to a recording unit including a signal converter and an electronic graphic recorder, connected in series by communication lines, are installed on the opposite sides of the pipe near the pressing device. Density control of the nuclear fuel pre-powder at the entrance to the pressing device allows you to track the decrease in its fluidity quality (decrease in density) and stop pressing in order to prevent the production of fuel pellets with the wrong geometry and low density. But this device does not allow to quickly eliminate the uneven movement of the powder powder in the process of feeding it to the press.

Данные недостатки отсутствуют в устройстве контроля и поддержания равномерности движения пресспорошка ядерного топлива при его засыпке в устройство прессования топливных таблеток.These shortcomings are absent in the device for monitoring and maintaining uniformity of movement of the nuclear fuel powder powder when it is filled into the fuel pellet pressing device.

Задачей изобретения является создание высокоэффективного устройства, поддерживающего равномерное движение пресспорошка при его засыпке в устройство прессования топливных таблеток.The objective of the invention is to provide a highly efficient device that maintains uniform movement of the pressurized powder when it is filled into the pressing device for fuel pellets.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении контроля и поддержания равномерности движения пресспорошка ядерного топлива при его подаче на прессование топливных таблеток и в обеспечении, таким образом, необходимого качества получаемых таблеток ядерного топлива.The technical result of the invention is to provide control and maintain uniformity of movement of the nuclear fuel pre-powder when it is fed to the compression of fuel pellets and thus ensuring the required quality of the obtained nuclear fuel pellets.

Технический результат достигается устройством контроля и поддержания равномерности движения пресспорошка ядерного топлива при его засыпке в устройство прессования топливных таблеток, содержащее бункер, соединенный засыпной трубой с устройством прессования таблеток, блок детектирования гамма-излучения, расположенный в непосредственной близости с боковыми стенками засыпной трубы, промышленный компьютер для регистрации и обработки результатов измерений. На стенке засыпной трубы установлен пневматический вибратор для поддержания равномерности движения пресспорошка, а блок детектирования гамма-излучения состоит из двух детекторов, расположенных вдоль засыпной трубы на расстоянии друг от Друга.The technical result is achieved by a device for monitoring and maintaining the uniformity of movement of the nuclear fuel powder by filling it into a fuel pellet pressing device, comprising a hopper connected by a filling tube to a tablet pressing device, a gamma radiation detecting unit located in close proximity to the side walls of the filling tube, an industrial computer for registration and processing of measurement results. A pneumatic vibrator is installed on the wall of the filling pipe to maintain uniformity of the powder movement, and the gamma radiation detection unit consists of two detectors located along the filling pipe at a distance from each other.

В качестве источника гамма-излучения используются пресспорошки ядерного топлива. Измерения происходят в диапазоне энергий гамма-излучения от 0 до 500 кэВ.As a source of gamma radiation, nuclear fuel pre-powders are used. Measurements take place in the gamma-ray energy range from 0 to 500 keV.

На фиг. 1 изображена схема предложенного устройства.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed device.

На фиг. 2 изображен сигнал рассогласования детекторов 2 и 3.In FIG. 2 shows the error signal of detectors 2 and 3.

На фиг. 3 изображена функции распределения характеристического излучения ядерного топлива во времени с иллюстрацией неравномерности движения пресспорошка во время технологического процесса прессования таблеток.In FIG. Figure 3 shows the distribution function of the characteristic radiation of nuclear fuel over time with an illustration of the uneven movement of the powder powder during the tablet compression process.

На Фиг. 4 изображен результат работы предложенного устройства.In FIG. 4 shows the result of the proposed device.

Устройство контроля и поддержания равномерности движения пресспорошка ядерного топлива при его засыпке в устройство прессования топливных таблеток содержит бункер 9 с пресспорошком, который через засыпную трубу 10 соединен с установкой прессования 8. Блок детектирования гамма-излучения включает два сцинтилляционных детектора 2 и 3 на основе кристаллов (например, NaI(Tl)), расположенные вдоль засыпной трубы на расстоянии друг от друга перед прессом и соединенные с блоком регистрации, управления и обработки результатов измерения 7, включающим компьютер со спектрометром (например, SBS-77), коммутационными кабелями управления 12 и линиями обратной связи 4 и 5. Пневматический вибратор 1 предназначен для устранения неравномерного движения порошка в процессе его засыпки в пресс и управляется через пневматический клапан 11, подключенный к линии подачи сжатого воздуха 6. Детектор 3 предназначен для первичной регистрации гамма-излучения, исходящего от установившегося столба пресспорошка ядерного топлива, Детектор 2 предназначен для вторичной регистрации и выработки сигнала обратной связи при возникновении рассогласования. Спектрометр (например, SBS-77) предназначен для обработки спектрометрической информации зарегистрированного гамма-излучения. Данный спектрометр установлен в промышленный компьютер, предназначенный для анализа и расчета полученной информации о движении пресспорошка в технологическом узле засыпки, а также для управления процессом засыпки с выводом трендов, иллюстрирующих ход протекания процесса на монитор блока управления и обработки результатов измерения 7.The device for monitoring and maintaining the uniformity of movement of the nuclear fuel pre-powder when it is filled into the fuel pellet pressing device comprises a hopper 9 with fresh powder, which is connected through the filling pipe 10 to the pressing unit 8. The gamma radiation detection unit includes two crystal-based scintillation detectors ( for example, NaI (Tl)) located along the filling pipe at a distance from each other in front of the press and connected to the unit for recording, controlling and processing measurement results 7, including a computer with a spectrometer (for example, SBS-77), switching control cables 12 and feedback lines 4 and 5. The pneumatic vibrator 1 is designed to eliminate uneven movement of the powder during its filling into the press and is controlled through a pneumatic valve 11 connected to the compressed feed line air 6. Detector 3 is designed for primary registration of gamma radiation emanating from an established column of a presow powder of nuclear fuel, Detector 2 is intended for secondary registration and generation of a feedback signal in the event of a mismatch. A spectrometer (for example, SBS-77) is designed to process spectrometric information of registered gamma radiation. This spectrometer is installed in an industrial computer designed to analyze and calculate the information obtained on the movement of fresh powder in the technological filling unit, as well as to control the filling process with the conclusion of trends illustrating the process flowing to the control unit monitor and processing the measurement results 7.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

1. Пресспорошок поступает из бункера 9 в устройство прессования таблеток 8 по вертикальной засыпной трубе 10. Детекторами типа БДЭГ на основе кристаллов NaI(Tl) 2 и 3 авто-эмиссионным методом осуществляют измерение собственного гамма-излучения пресспорошка урана. Детектор 3 обладает опережающей оценкой уровня сигнала относительно детектора 2. Детектор 3 обеспечивает обратную связь как результат работы пневматического вибратора 1 в виде зарегистрированной распределенной последовательности электрических импульсов, сигналы от детектора 2 по линиям связи 4 подаются на промышленный компьютер 7 и сравниваются с сигналами обратной связи детектора 3. При рассогласовании сигналов между детекторами 2 и 3 промышленный компьютер через линии управления 6 включает вибратор 1, устраняющий возникшую неравномерность в плотности движущегося столба пресспорошка и рассогласование между детекторами 2 и 3, после чего вибратор 1 прекращает работу. Пневматический вибратор 1 представляет собой приспособление произвольной формы, корпус которого выполнен из высокопрочного металла (например, из специального алюминия), закрепленное на стенке засыпной трубы с помощью затяжных хомутов, осуществляющую автоматическую утряску с уплотнением пресспорошка до тех пор, пока существует сигнал обратной связи при рассогласовании показаний детекторов. Вибратор оборудован стальным кольцом, внутри которого помещен стальной шарик. Вибрация создается за счет центробежной силы, действующей на шарик под воздействием сжатого воздуха. Принцип действия устройства при оценке неравномерности движущегося порошка заключается в регистрации рассогласования собственного потока γ-квантов измеряемой пробы порошка ядерного топлива в разные моменты времени при последовательном расположении детекторов 2 и 3 на технологическом узле засыпки установки прессования 8, прошедшего через ограниченные коллиматорами (входные отверстия блоков защиты) участков контролируемой вертикальной засыпной трубы 10 для управления вибратором 1.1. Press powder comes from hopper 9 to the tablet pressing device 8 through a vertical charge tube 10. BDEG detectors based on NaI (Tl) crystals 2 and 3 use the auto-emission method to measure their own gamma radiation from uranium powder. The detector 3 has a leading estimate of the signal level relative to the detector 2. The detector 3 provides feedback as a result of the pneumatic vibrator 1 in the form of a registered distributed sequence of electrical pulses, the signals from the detector 2 via communication lines 4 are supplied to the industrial computer 7 and compared with the feedback signals of the detector 3. When the signals are mismatched between the detectors 2 and 3, the industrial computer through the control line 6 turns on the vibrator 1, eliminating the uneven the density in the moving column of the pre-powder and the mismatch between the detectors 2 and 3, after which the vibrator 1 stops working. Pneumatic vibrator 1 is a device of arbitrary shape, the body of which is made of high-strength metal (for example, special aluminum), mounted on the wall of the charge pipe using long clamps, which performs automatic shaking with compaction of the powder powder until there is a feedback signal when there is a mismatch detector readings. The vibrator is equipped with a steel ring, inside of which a steel ball is placed. Vibration is created by centrifugal force acting on the ball under the influence of compressed air. The principle of the device’s operation when assessing the non-uniformity of a moving powder is to register the mismatch of the γ-ray flux of the measured sample of the nuclear fuel powder at different time points with the sequential location of the detectors 2 and 3 on the technological unit of the filling unit of the pressing unit 8, which passed through limited collimators (input openings of the protection units ) sections of the controlled vertical charge pipe 10 to control the vibrator 1.

В процессе контроля и управления насыпной плотностью пресспорошка в технологическом узле засыпки 10 при возникновении рассогласования детекторов 2 и 3 промышленный компьютер 7 выдает управляющий сигнал на пневматический клапан 11 для подачи сжатого воздуха на вибратор 1, при этом, вибратор 1 устраняет возникшее рассогласование, используя сигналы обратной связи детекторов 2 и 3. При отсутствии сигнала рассогласования промышленный компьютер 7 отключает пневматический клапан 11, прерывая подачу сжатого воздуха на вибратор 1. Ход протекания процесса отображается на экране монитора компьютера 7.In the process of monitoring and controlling the bulk density of the pre-powder in the technological unit of the filling 10, when the mismatch of the detectors 2 and 3 occurs, the industrial computer 7 provides a control signal to the pneumatic valve 11 for supplying compressed air to the vibrator 1, while the vibrator 1 eliminates the inconsistency using the feedback signals the connection of the detectors 2 and 3. In the absence of a mismatch signal, the industrial computer 7 turns off the pneumatic valve 11, interrupting the supply of compressed air to the vibrator 1. The flow ECCA is displayed on the computer screen 7.

Устройство позволяет с высокой эффективностью автоматически поддерживать равномерность движения пресспорошка в технологическом узле засыпки установки прессования, визуализируя ход протекания процесса.The device allows with high efficiency to automatically maintain uniformity of the movement of the pre-powder in the technological unit of the filling of the pressing unit, visualizing the course of the process.

Claims

1. A device for monitoring and maintaining the uniformity of movement of the press powder of nuclear fuel when it is filled into a fuel pellet pressing device, comprising a hopper connected by a filling tube to a tablet pressing device, a gamma radiation detecting unit located in close proximity to the side walls of the filling tube, industrial a computer for recording and processing measurement results, characterized in that a pneumatic vibrator is installed on the wall of the charge tube to maintain uniformity movement of the press powder, and the gamma radiation detection unit consists of two detectors located along the charge tube at a distance from each other.

2. The device according to claim 1, characterized in that the detectors of intrinsic gamma radiation of the uranium press powder are separated by the height of the charge pipe for analyzing the movement of the press powder at different times and generate a feedback signal.

3. The device according to p. 1, characterized in that the pneumatic vibrator is a device of arbitrary shape, the body of which is made of high-strength metal, mounted on the wall of the charge pipe with the help of long clamps, which performs automatic shaking with compaction of the press powder until There is a feedback signal when the readings of the detectors are inconsistent.

4. The device according to p. 1, characterized in that the pneumatic vibrator is equipped with a steel ring, inside of which is placed a steel ball moving inside the ring under the influence of compressed air.

5. The device according to p. 1, characterized in that the computer contains a spectrometer that processes and compares the obtained spectra with the transmission of control signals to a pneumatic vibrator.