[发明专利]一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法

说明书

本发明公开了一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装‑连接协同成形装置与方法，包括真空系统、移动装置、成形线圈、集磁器和电磁成形机；真空系统包括真空室，真空室的两个相对壁面上开设有用于穿设核燃料元件并固定核燃料元件端部的通孔；集磁器设置在真空室内并用于同轴装配在核燃料元件外壁上；成形线圈同轴缠绕装配在集磁器上；移动装置用于驱动集磁器和成形线圈沿着核燃料元件的轴向移动；电磁成形机用于向成形线圈提供不同的放电电压。本发明利用通脉冲强电流的成形线圈瞬间激发的强洛伦兹力驱动成形管件发生高速变形，能够在同一套装置中实现包壳管‑燃料芯体的紧密贴合封装以及包壳管‑端塞连接的功能，实现两种工艺过程的时空集成。

技术领域

本发明涉及金属塑性加工及成形技术领域，具体而言，涉及一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法。

背景技术

高性能核燃料元件是第四代核电技术中的液态金属冷却反应堆发展的亟需，反应堆长时间、高可靠、稳定服役要求其燃料元件具有高传热效率。为避免热量累计造成辐照肿胀，应尽可能减小包壳管与燃料芯体之间的装配间隙，制备出包壳-燃料芯体紧密贴合、包壳壁厚均匀分布的金属复合管件。根据包壳-燃料芯体层间的界面结合性质，燃料单棒紧密贴合技术可分为机械法与冶金法两类。机械紧密贴合法主要包括机械拉拔、滚压、旋压、液压胀形等，工艺相对简单，工序较少，但其形成的机械连接界面难以承载热应力循环，在高温下易产生应力松弛而分层失效。冶金法主要包括离心铸造法、钎焊法、热挤压法、热等静压法、爆炸成形法等，通过外界加热、加压，或添加填充金属，实现复合管件的紧密贴合。以上工艺方法虽然理论上可以提高界面结合强度，但仍存在工艺流程复杂、周期长、设备投资大、制件可重复性低等问题。此外，冶金法中大量热输入极易导致紧密贴合界面处产生脆性金属间化合物和热影响区，使界面力学性能急剧下降。

另外棒型核燃料元件的高性能制造除需要包壳管与芯体的紧密贴合外，还需要在包壳管两端进行其与端塞的可靠焊接，现有焊接方法主要采用MIG焊、TIG焊、激光焊、等离子束焊等熔化焊方法，存在焊缝组织性能调控困难，容易出现高温δ相、Laves相等有害结构，焊缝断裂韧性、疲劳性能下降，且生产效率较低，存在严重设备依赖等问题。因此，亟需发展棒型核燃料元件高效、短流程成形制造新技术。

基于楞次定律电磁(渐进)成形技术由于具有高能量密度、高效率、高柔性、高成形极限、高表面完整性等优势，成为解决棒型核燃料元件成形制造瓶颈问题的极具潜力的技术方案。但是现有管件电磁成形技术多针对小尺寸构件单一成形工序的简单成形或者局部胀形或缩径，多针对塑性成形或焊接成形单一成形过程，且多适用于电导率较高的金属管件，难以成形低电导率材料；同时现有装置也无法实现紧密贴合封装与焊接的时空集成，效率较低，工序复杂，无法提供封装所需的真空环境。因此针对以棒型核燃料元件为代表的大长径比、低电导率CLA16钢管件电磁紧密贴合封装-连接协同成形的技术尚未见报道，对于该类构件成形过程中可能出现的界面碰撞分离、欠成形、竹节状突起、局部减薄超差等缺陷的控制方法也尚缺乏探索。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法，利用通脉冲强电流的成形线圈瞬间激发的强洛伦兹力驱动成形管件发生高速变形，通过集磁器、驱动管和放电能量的精确匹配，从而在棒型核燃料元件两端焊接区实现包壳管与端塞的高速撞击，进而实现界面机械咬合与冶金结合；并在棒型核燃料元件中部封装区实现均匀适当的洛伦兹力，通过成形线圈的轴向进给与多道次放电，逐点逐域累积局部变形，驱动包壳管内壁与燃料芯体外壁形成较大范围的界面精密贴合；能够在同一套装置中实现包壳管-燃料芯体的紧密贴合封装以及包壳管-端塞连接的功能，实现两种工艺过程的时空集成。

本发明通过下述技术方案实现：