CN1820327A - 用于核燃料包壳管外表面的密封装置 - Google Patents

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A·范德盖恩斯特
J·埃朗
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Abstract

本发明涉及一种在两种介质和燃料包壳管(1)外表面之间的密封装置(10),其特征在于该装置具有三个状态:收缩状态,用于使所述燃料包壳管(1)不接触地沿轴向插入并通过所述密封装置;环绕所述燃料包壳管密封的静态密封状态,所述燃料包壳管保持静止;环绕所述燃料包壳管密封的动态密封状态,所述燃料包壳管沿轴向和/或旋转移动。

Description

用于核燃料包壳管外表面的密封装置
技术领域
本发明涉及一种在两种介质和核燃料包壳管外表面之间的密封装置。
背景技术
所述装置目前用于使燃料包壳管穿透到污染室中的穿透处的密封,该污染室可维持在负压下以防止污染物传播到处理室或外界环境中。因此,燃料包壳管不与污染室接合的部分保持没有污染物,从而避免了接下来所需的净化处理的麻烦。为了避免污染物释放到外界环境中,必须在任何时候都确保密封性。
所述装置还用于使燃料包壳管穿透到处理室中的穿透处的密封。该处理室必须具有和维持用于处理操作的指定气压。由于假定该处理室没有被污染,因此只在处理运行的过程中要求所述室的密封。但是,如果处理室必须在两个连续的处理操作之间保持密封,或者如果该处理操作发生在污染的环境中,则和污染室一样,必须在任何时候都确保处理室的密封性。
核燃料棒的制造(尤其是混合氧化物(MOX)燃料棒的制造)包含下述几个操作。大多数这些包含核材料处理的操作通常在密封室中进行,以便使外界环境和操作者免受核材料中含有的α、β、γ射线的影响。
用于制造核燃料棒的指示操作顺序如下:
-插入通常装备有第一端塞的燃料包壳管;
-将燃料包壳管穿透到含有核材料的密封室中;
-将核材料(芯块)装载到燃料包壳管中;
-装载燃料压缩弹簧或其它插入件;
-用惰性气体替换包壳管内部气体(即空气或氮气)(有时在芯块装载之前);
-净化开口端包壳管区域;
-插入第二(顶部)端塞;
-将该第二端塞焊接到该包壳管上;
-可能的燃料棒加压;
-净化和控制燃料包壳管已插入所述密封室中的部分。
为了避免净化和控制整个燃料包壳管长度,只将最小可能部分插入到污染介质或密封室中。这要求在燃料包壳管穿透到污染室中的穿透处具有密封装置。该密封装置必须使得燃料包壳管可以轴向移动以便给所有必要的制造步骤(芯块装载、弹簧插入、气体排出和重新填充、第二端塞的焊接)提供燃料包壳管的前部。所述最后一个操作还要求燃料包壳管旋转以便通过在焊接电极前面提供焊珠来进行环缝焊接。
上述操作顺序假定燃料包壳管已经装备有第一焊接端塞。类似的密封装置也可以用于例如将该第一端塞焊接到燃料包壳管上。实际上,将所述第一端塞焊接到燃料包壳管上的操作必须在受控的气压下进行以确保必要的焊接质量。为了避免使用包含整个燃料包壳管长度的非常大的焊接室,只将燃料包壳管的底端插入到处理室中,同时使用一个临时塞在燃料包壳管的另一端闭合燃料包壳管的内部容积。该过程要求在燃料包壳管穿透到处理室中的穿透处具有密封装置。该密封装置必须允许燃料包壳管旋转以便进行环缝焊接,通常还必须允许燃料包壳管轴向移动以便将燃料包壳管的端部放在合适的位置。
发明前例
燃料包壳管相对于密封室的密封通常是通过一个基于工业中广泛使用的密封件(例如O型环、方形环等)的系统来实现的。这些密封件通常由弹性体材料制成。
美国专利US-4748798提出通过提供包括可变形的环形部件的装置来确保燃料包壳管和密封室的密封连接,该环形部件膨胀以便密封地装到燃料包壳管上。
如其所述,即采用可变形的环形部件,使其膨胀以便密封地装到燃料包壳管上,该密封装置具有几个缺点。
可变形的环形部件的内径必须比燃料包壳管的外径稍微大些以使得可以不接触地引入密封装置。必须真正考虑到所述燃料包壳管的尺寸公差以及用于克服燃料包壳管中心线相对于可变形的环形部件的中心线的可能的不对齐的一些裕度。
如果密封件内径不够大,则具有尖的外形的燃料包壳管的边缘可能损坏密封件的内表面随后产生早期泄漏。泄漏可能导致非均匀的燃料产品或污染操作者或环境或两者。频繁地更换密封件导致产量损失、费用以及污染物释放的危险。即使尖的燃料包壳管边缘与可变形的环形部件材料的接触是圆滑的且足以避免密封件的明显损坏,该接触也可能导致焊珠被弹性体颗粒污染。这些颗粒会使进一步进行所述燃料包壳管珠缘与所述端塞(第一或第二端塞)的焊接时形成缺陷(通常是不允许的孔隙)。
如果使密封件内径足够大以避免上述缺点,则该可变形的环形部件的工作和接下来的密封就会存在问题。实际上,该密封件的密封柱形区域受到外压。与受到内压的隔膜的变形(该隔膜的变形是轴对称的且是由隔膜材料的应变而产生的)相反,受到外压的隔膜的变形会导致不可预见的变形型式(参见图1),该变形是由于在外压P下隔膜8的折叠而不是环绕包壳管1的轴对称收缩产生的。因此,在密封件和燃料包壳管之间的接触并不完全沿着整个圆周且可能发生泄漏。这些泄漏导致和上述相同的结果。
可以采用特殊的预防措施来密封燃料包壳管的制造间隙,以及可以采取措施来加强燃料包壳管和密封件中心线的对齐。这样,可以希望在使密封件足够大以便在引入燃料包壳管的过程中避免不需要的接触但是又足够小以便当从外部膨胀时确保在密封件和燃料包壳管之间的密封接触之间找到折中方案。但是,这种优选不能持续很长时间。有规律地经历压力增加和随后的压力释放的密封件实际上具有压缩形变现象,该现象导致材料的蠕变和随后的尺寸改变。
在另一方面,申请人已经采用可膨胀的密封件,该密封件的柱形部分具有相当短的轴向长度,该柱形部分被两个端缘或加强板限制。较短的柱形长度用于避免不希望的该区域的变形,该区域的变形会妨碍燃料包壳管正确穿过未膨胀的密封件。由于该柱形部分的刚度,只有当在密封件上施加足够的压力时才会实现密封。当该密封件受到轴向或圆周移动时,则沿着整个密封件长度延伸的接触和明显的压力的组合导致发生一种粘滑的现象。该现象损坏了所述连接的密封性。
因为在燃料包壳管移动的过程中可能发生粘滑的现象,上述专利US-4748798所附的附图中所示的可变形的环形部件(该部件相对于其总长具有相当长的接触长度)也不适用于燃料包壳管的轴向移动。所述现象会损坏密封。为了克服这些缺陷,专利US-A-4748798的所述密封件的发明人通过避免需要燃料包壳管相对于密封装置的相对轴向移动而避免了粘滑的现象的危险。由于增加了辅助的波纹管的系统,该移动则不是必须的;该可变形的环形部件随着燃料包壳管本身的移动而移动。该解决方案是有效的,但是需要昂贵的、对疲劳敏感的和占空间的辅助部件。在该发明中没有考虑燃料包壳管的圆周运动。
发明内容
本发明所述的装置的目的是克服上述缺陷。
在两种介质和燃料包壳管的外表面之间的该密封装置具有三个功能状态:
-收缩状态,用于使所述燃料包壳管不接触地沿轴向插入并通过所述密封装置;
-环绕所述燃料包壳管密封的静态密封状态,所述燃料包壳管保持静止;
-环绕所述燃料包壳管密封的动态密封状态,所述燃料包壳管沿轴向和/或旋转移动。
根据本发明,所述密封装置还包括:
-本体,该本体被在入口孔和出口孔之间的槽道穿过;
-弹性体管状隔膜,该隔膜沿着在所述入口孔和出口孔之间的槽道延伸,该隔膜具有两个作为所述本体的密封附件的端部,隔膜内径在自由(不变形)状态下比所述燃料包壳管的外径稍微小些;
-密封腔室,该密封腔室位于所述本体和所述弹性体隔膜之间,且布置成使得该弹性体隔膜可以沿径向方向向内变形到所述腔室中和向外变形抵靠该燃料包壳管,气体和真空供给系统设置成与所述腔室连通以便使该隔膜膨胀或收缩。
因此,本发明的装置是基于成形为环绕燃料包壳管的可变形隔膜的变形来密封,该装置用于使燃料包壳管穿透到密封室中的穿透处密封从而在确保密封同时允许旋转和轴向运动。所述隔膜的主要特征在于:
-轴对称形状,其内径从入口开始减小,在中平面达到最小值,接着一直增加到出口。在自由状态,该较小的直径比燃料包壳管的外径稍微小些以便密封;
-连续的主轮廓(没有变形点)和相当大的长度直径比,以便增加当压力变化时变更与燃料包壳管接触的面积的灵敏性;
-施加的压力条件有三方面:部分真空用于使隔膜朝着支承件收缩,从而形成燃料包壳管无接触穿透的空间,压力用于确保与燃料包壳管接触的密封;中等压力用于形成减小的接触面积,以使得燃料包壳管进一步的轴向和/或旋转运动;而采用更高的压力确保更大的接触面积和更有效的密封。
-隔膜安装在支承件上,隔膜通过两个布置在垂直于隔膜轴线的平面中的端部凸缘来固定到该支承件上。
附图说明
本发明的其它细节和特定特征通过所附的权利要求和对附图的描述会变得很明显,所述附图附在本发明的说明书后并通过本发明的各实施例的非限定性实例的方式来描述。
图1以截面方式表示了现有技术的密封隔膜环绕包壳管挤压的变形型式;
图2表示了普通的燃料棒;
图3示意性地表示了密封装置和燃料包壳管的总体构造;
-图3a表示用于处理室时的情况;
-图3b表示用于污染室时的情况,其中通过结合阀和所述密封装置来提供气塞;
-图3c表示燃料包壳管完全接合到密封装置内而没有接合到阀中的情形;
-图3d表示燃料包壳管完全贯穿气塞(密封装置和阀)接合的情形;
图4和图6示意性地表示当密封所述处理室时,在不同操作条件下的密封装置的隔膜;
-图4a(细部表示在图6a中)表示了通过部分真空收缩的隔膜;
-图4b(细部表示在图6a中)表示了通过中等压力膨胀的隔膜,该隔膜与燃料包壳管接触;
-图4c(细部表示在图6a中)表示通过更高压力膨胀的隔膜,该隔膜更有效地与燃料包壳管接触;
图5示意性地表示具有两个成对的密封装置的构造。
在不同的附图中,相同的参考标号表示相同的或类似的元件。
具体实施方式
图2表示已装满燃料芯块且设有第一插塞3和第二插塞4从而形成燃料棒的燃料包壳管1。图2还表示了上述的两个其它插入件,即垫块(blanket pellet)和压缩弹簧。
图3a表示用于处理室时的情况,即只有当燃料包壳管1接合在该室7中时该室7才必须密封。通过使隔膜8与燃料包壳管1接触来确保密封。图3a(细部表示在图6a中)表示通过经由气体系统14形成的部分真空而收缩的隔膜8。当没有燃料包壳管1时不可能在该室7中保持指定的气压。
图3b表示用于污染室时或必须在两个连续的处理操作之间保持密封的处理室时的情形,即室7必须在任何时间都密封而不仅是当要处理的燃料包壳管1接合时才密封。在该情况下,通过组合阀9和所述密封装置10得到密封。图3b(细部表示在图6a中)表示隔膜8通过部分真空而收缩。如图所示,当燃料包壳管1没有接合到密封装置10内时关闭阀9。
图3c表示当燃料包壳管1接合到密封装置10内且给隔膜8施加合适的压力来确保室的密封时的情形。图3c(细部表示在图6b中)表示通过适中的压力膨胀的隔膜8。接着,可以打开阀9以使得燃料包壳管1进一步轴向运动到室中。如果燃料包壳管1的大气(通常是空气)对于进一步处理是不合要求的,则在打开阀9之前可以利用包括在阀9和密封装置10之间的空间的密封来排出所述气体。燃料包壳管1的排气处理可以通过一个或几个冲洗操作来加强。该阀9必须是球阀型或类似的能够使得燃料包壳管1直接通过的类型。
图3d表示燃料包壳管1的端部贯穿密封装置10和阀9接合时的情形。图3d(细部表示在图6c中)表示通过更高压力膨胀的隔膜8。阀9打开以便使得燃料包壳管1可以位于室7中的任何所需位置。
如图3至6所示,隔膜8本身是通过模制来获得的以便得到所需的形状。通过隔膜的模制来得到隔膜8的两个凸缘11,11’,该凸缘用于连接隔膜和支承件12。隔膜的两个凸缘11,11’可以具有不同的尺寸以便有助于隔膜插入到其金属支承件12中。
图4a(细部表示在图6a中)表示了用于处理室的情况下通过部分真空收缩隔膜8。该情形用于使得燃料包壳管1能够接合到密封装置10中。该隔膜8收缩以便维持不与接合的燃料包壳管接触。
图4b(细部表示在图6b中)表示了用于处理室的情况下通过中等压力膨胀的隔膜8。在该情况下,其密封表面施加到燃料包壳管1上,这样仍然可以有进一步的移动(旋转或平移)。该施加的压力使得密封紧密,但是在燃料包壳管1上操作的力足够小以避免妨碍燃料包壳管的移动。
图4c(细部表示在图6c中)表示了用于处理室的情况下通过更高压力膨胀的隔膜8。在该情况下,所施加的压力使得密封紧密,且在燃料包壳管上操作的力足以阻止燃料包壳管的任何移动。
图5表示具有两个成对的密封装置10的构造。在这两个装置和燃料包壳管1之间形成的空间13本身是用于气体注入来阻止从所述室7产生的任何可能的泄漏,或者真空收集从所述室7产生的任何可能的泄漏。
在该情况下,可以连接在两个装置10之间的空间13以便当出现系统的任何泄漏时来分析大气或进行控制。另一方面,也可以使施加给两个装置10之间的空间13的压力大于室7内的压力以便密封。如果内密封失效,该压力会引起朝向室7的向内流而不是向外泄漏。
空间13可以用于收集任何可能的泄漏并分析其特性来代替上述气体注射。
下面给出用于密封燃料包壳管1的外表面的装置10的一些非限定性特征:
-隔膜8由弹性体材料制成;
-该装置也可以用于确保任何具有燃料包壳管的室的密封,即使燃料包壳管没有装满或将要装满核燃料材料;
-该装置也可以用于确保任何具有燃料棒(即装满核材料且装备有两个端塞3和4的燃料包壳管)的室的密封。该情况对于燃料棒的进一步处理(例如加压、再加工、维修或要求和处理室密封连接的任何其它处理)是有用的。
如附图所示,在燃料包壳管1的引入过程中,隔膜8受到部分真空并由此朝着支承件12收缩。在该情形下给燃料包壳管1提供空间以使得燃料包壳管1可以不接触地引入密封装置。
一旦引入燃料包壳管1,使隔膜8收缩的部分真空由根据密封装置10的操作条件所选择的压力来代替。
如果在静态条件(燃料包壳管不移动)下采用该连接,则接下来可以施加相当大的压力。在该条件下,在隔膜8和燃料包壳管1之间的接触表面最大,这增加了密封的紧密性。由于隔膜8的标称内径在自由状态下比燃料包壳管1的外径稍微小些,则既没有接触表面的收缩也没有随着相关泄漏而发生折叠的危险。只有使密封件施加到燃料包壳管1上的力,而不是密封件内径受到该压力的影响。
如果当燃料包壳管1旋转移动或轴向移动时采用密封装置10,则减小施加的压力以允许所需的移动。稍微减小在隔膜8和燃料包壳管1之间的接触表面但是总能够确保密封性。
在轴向移动或圆周移动的过程中,降低压力从而相应减小由隔膜8作用在燃料包壳管1上的力。由于隔膜8非常厚和结实,可以避免粘滑的现象。
必须理解本发明并不限于上述实施例,在不脱离本发明的范围的情况下可以对其进行修改。
申请人在其MOX制造车间使用过该种密封装置10,特别是具有如下装置:其中隔膜8由肖氏硬度为60°的模制硅树脂橡胶制成且受到如下的操作条件:
-部分真空:约-500mbar
-中等压力:从200至400mbar
-更高压力:从800至1200mbar
隔膜内径的强制制造公差是使得隔膜在自由状态下的内径等于所述燃料包壳管的直径减去0.3至0.6mm,同时当隔膜受到部分真空时的收缩量约为1mm。

Claims (4)

1.一种在两种介质和燃料包壳管(1)的外表面之间的密封装置(10),其特征在于该装置具有三个状态:
-收缩状态,用于使所述燃料包壳管(1)不接触地沿轴向插入并通过所述密封装置;
-环绕所述燃料包壳管密封的静态密封状态,所述燃料包壳管保持静止;
-环绕所述燃料包壳管密封的动态密封状态,所述燃料包壳管沿轴向和/或旋转移动。
2.根据权利要求1所述的密封装置,还包括:
-本体(12),该本体被在入口孔和出口孔之间的槽道穿过;
-弹性体管状隔膜(8),该隔膜沿着在所述入口孔和出口孔之间的所述槽道延伸,该隔膜(8)具有两个作为与所述本体(12)连接的密封连接件的端部分,隔膜内径在自由状态下比所述燃料包壳管(1)的外径稍微小些;以及
-密封腔室,该密封腔室位于所述本体(12)和所述弹性体隔膜(8)之间,且布置成使得该弹性体隔膜可以沿径向方向向内变形到所述腔室中和向外变形抵靠该燃料包壳管(1),设置气体供给系统(14)使该隔膜(8)膨胀或收缩。
3.根据权利要求2所述的密封装置,其特征在于:确定所述弹性体管状隔膜(8)的尺寸使得所述隔膜在自由状态下与所述燃料包壳管(1)密封滑动接触,以便燃料包壳管轴向移动和/或旋转运动。
4.根据权利要求2或3所述的密封装置,其特征在于:所述弹性体管状部件(8)具有轴向内部分,该内部分在自由状态下从一端减小到中平面并朝着第二端增加。
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