本發(fā)明涉及熔鹽堆燃料元件的制備，更具體地涉及一種球環(huán)形燃料元件的芯球定位裝置及其制備方法。

背景技術(shù)：

熔鹽堆是第四代核電六種候選堆型之一，具有無水冷卻、高溫輸出、常壓工作、高能量密度和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適用于缺水、干旱地區(qū)。固態(tài)燃料熔鹽堆是一種新型熔鹽堆的概念設(shè)計，其能充分發(fā)揮傳統(tǒng)包覆顆粒燃料和傳統(tǒng)MSR高溫熔鹽的優(yōu)勢，其堆內(nèi)燃料元件被簡稱為熔鹽堆燃料元件。美國Berkeley提供了一種適用于該固態(tài)燃料熔鹽堆的熔鹽堆燃料元件的概念，如圖1所示，該熔鹽堆燃料元件具有球環(huán)形結(jié)構(gòu)，包括中心球區(qū)10、包覆該中心球區(qū)的燃料區(qū)20和燃料區(qū)20的外殼區(qū)30。但是，目前還沒有文獻(xiàn)報道過這種球環(huán)形燃料元件的制備方法。現(xiàn)有技術(shù)中已知的僅是常規(guī)的球形燃料元件的制備方法，由于球形燃料元件并不具有上述特殊的球環(huán)型結(jié)構(gòu)，其制備方法無法用來制備球環(huán)型燃料元件。而且，現(xiàn)有的球形燃料元件的制備方法無法確保這種球環(huán)形燃料元件的高度同心要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的無法制備球環(huán)形燃料元件的問題，本發(fā)明旨在提供一種球環(huán)形燃料元件的芯球定位裝置及其制備方法。

本發(fā)明所述的球環(huán)形燃料元件的芯球定位裝置，包括試驗臺，其具有桌面；可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置于所述桌面上的工位旋轉(zhuǎn)組件，其具有旋轉(zhuǎn)臺面、用于支撐芯球的芯球支架和用于承載基體粉末的底模，其中，芯球支架和底模分別可拆卸地連接于旋轉(zhuǎn)臺面的頂面上；固定于所述桌面上的芯球校位組件，其具有第一支架、手動滑臺、預(yù)定位懸梁和下按式定位手柄，其中，第一支架通過緊固件固定于桌面上，預(yù)定位懸梁通過手動滑臺連接于第一支架的頂端，下按式定位手柄連接于預(yù)定位懸梁的遠(yuǎn)離第一支架的自由端；固定于所述桌面上的工件夾持組件，其具有第二支架、第一伺服電機(jī)、第一伺服螺桿、第一上下移動組件、空壓機(jī)氣缸和氣動手指，其中，第二支架通過緊固件固定于桌面上，第一伺服電機(jī)固定設(shè)置于第二支架的頂端，第一伺服螺桿與第一伺服電機(jī)相連并且在第一伺服電機(jī)的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，第一上下移動組件與第一伺服螺桿相連并且隨著第一伺服螺桿的旋轉(zhuǎn)可上下移動，空壓機(jī)氣缸連接于第一上下移動組件的頂表面上，而氣動手指設(shè)置于第一上下移動組件的底表面并與空壓機(jī)氣缸相連以在空壓機(jī)氣缸的作用下抓取或釋放芯球；以及固定于所述桌面上的旋轉(zhuǎn)成槽部件，其具有第三支架、第二伺服電機(jī)、第二伺服螺桿、第二上下移動組件、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和可拆卸旋轉(zhuǎn)手柄，其中，第三支架通過緊固件固定于桌面上，第二伺服電機(jī)固定設(shè)置于第三支架的頂端，第二伺服螺桿與第二伺服電機(jī)相連并且在第二伺服電機(jī)的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，第二上下移動組件與第二伺服螺桿相連并且隨著第二伺服螺桿的旋轉(zhuǎn)可上下移動，旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)置于第二上下移動組件的頂表面上，而可拆卸旋轉(zhuǎn)手柄設(shè)置于第二上下移動組件的底表面并與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相連以在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的作用下旋轉(zhuǎn)。

所述芯球校位組件、工件夾持組件和旋轉(zhuǎn)成槽部件圍繞著工位旋轉(zhuǎn)組件分別固定于試驗臺的桌面上。

旋轉(zhuǎn)臺面為圓形平臺，其底部通過軸承設(shè)置于桌面上并圍繞著穿過圓心的垂直中心軸可旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)臺面具有圍繞著圓心等間距分布的四個工位，芯球支架和底模分別位于其中一個工位上。

該預(yù)定位懸梁的自由端具有定位通孔，定位通孔內(nèi)設(shè)置有彈簧，下按式定位手柄插入該彈簧內(nèi)并穿過該定位通孔向下伸出。

該氣動手指的內(nèi)側(cè)貼附有一橡膠墊層。

本發(fā)明還提供一種利用上述的芯球定位裝置制備球環(huán)形燃料元件的方法，包括步驟：S1，將芯球支架和底模分別固定于旋轉(zhuǎn)臺面上，將芯球放置于芯球支架上，向底模內(nèi)填充基體粉末；轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺面，使得芯球支架上的芯球位于下按式定位手柄的正下方并進(jìn)行校位，以確保芯球處于豎直向上的狀態(tài)；S2，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺面，使得芯球支架位于氣動手指的正下方，底模位于旋轉(zhuǎn)手柄的正下方；驅(qū)動第一伺服電機(jī)使得第一上下移動組件向下移動，驅(qū)動空壓機(jī)氣缸使得氣動手指抓取芯球，然后驅(qū)動第一伺服電機(jī)使得第一上下移動組件向上移動，其過程確保芯球始終處于豎直向上的狀態(tài)；驅(qū)動第二伺服電機(jī)使得第二上下移動組件向下移動；驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)使得旋轉(zhuǎn)手柄在底模內(nèi)旋轉(zhuǎn)成槽，然后驅(qū)動第二伺服電機(jī)使得第二上下移動組件向上移動；S3，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺面，使得底模位于氣動手指的正下方；驅(qū)動第一伺服電機(jī)使得第一上下移動組件向下移動，驅(qū)動空壓機(jī)氣缸使得氣動手指釋放芯球，從而將芯球放置于底模內(nèi)由基體粉末形成的槽內(nèi)，然后驅(qū)動第一伺服電機(jī)使得第一上下移動組件向上移動，其過程確保位于底模內(nèi)的槽內(nèi)的芯球始終處于豎直向上的狀態(tài)；S4，在底模的上方加蓋中模形成底模與中模的組合體，向組合體內(nèi)填充基體粉末，并加蓋頂模，該組合體和頂模一起形成完整模具，進(jìn)行壓制處理以在芯球的外表面包覆形成外殼區(qū)，從而形成球環(huán)型燃料元件。

在所述步驟S1之前通過調(diào)整手動滑臺確定下按式定位手柄的底端與芯球支架的中心在同一豎直線上。

所述步驟S1包括根據(jù)芯球的尺寸制作芯球支架。

包括對所述基體粉末的質(zhì)量進(jìn)行精確稱量。

本發(fā)明提供了一種球環(huán)型燃料元件的芯球定位裝置和方法，可以在芯球的外表面包覆球殼，使得芯球和球殼形成完整的同心球體，并確保球殼與芯球的高度同心。經(jīng)測試，所獲得的球環(huán)型燃料元件的芯球與球殼的同心度優(yōu)于0.5mm。具有精度高、安全可靠、可拓展性強(qiáng)的優(yōu)點。本發(fā)明不僅適用于實驗環(huán)境也可以應(yīng)用于工程生產(chǎn)，具有較高的應(yīng)用價值。另外，本發(fā)明通過控制工位旋轉(zhuǎn)組件2、芯球校位組件3和注入基體石墨粉的質(zhì)量和體積，即可以實現(xiàn)芯球在三維空間的精確定位。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，精度高、安全可靠，運(yùn)行與維護(hù)成本低，可拓展性強(qiáng)，能夠滿足高溫氣堆球環(huán)型燃料元件的制備要求，還適用于熔鹽堆的低密度三層同心結(jié)構(gòu)的球環(huán)型燃料元件的制備要求。

附圖說明

圖1是球環(huán)型燃料元件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的球環(huán)形燃料元件的芯球定位裝置的立體示意圖；

圖3是圖2的芯球校位組件的立體示意圖；

圖4是圖2的工件夾持組件的立體示意圖；

圖5是圖2的旋轉(zhuǎn)成槽部件的立體示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，給出本發(fā)明的較佳實施例，并予以詳細(xì)描述。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的球環(huán)形燃料元件的芯球定位裝置的立體示意圖，其包括試驗臺1、工位旋轉(zhuǎn)組件2、芯球校位組件3、工件夾持組件4和旋轉(zhuǎn)成槽部件5。其中，工位旋轉(zhuǎn)組件2平行于試驗臺1的桌面11設(shè)置，其可圍繞著垂直中心軸旋轉(zhuǎn)。芯球校位組件3、工件夾持組件4和旋轉(zhuǎn)成槽部件5圍繞著工位旋轉(zhuǎn)組件2分別固定于試驗臺1的桌面11上。

工位旋轉(zhuǎn)組件2包括旋轉(zhuǎn)臺面21、芯球支架22和底模23。其中，旋轉(zhuǎn)臺面21在本實施例中示出為圓形平臺，其底部通過軸承設(shè)置于桌面11上并可在電機(jī)的驅(qū)動下圍繞著穿過圓心的垂直中心軸旋轉(zhuǎn)。芯球支架22和底模23(圖中示出為兩個)分別可拆卸地連接于旋轉(zhuǎn)臺面21的頂面上。在本實施例中，該旋轉(zhuǎn)臺面21具有圍繞著圓心等間距分布的四個工位，芯球支架22在圖2中示出于位于第一工位上，第一底模23示出為位于第二工位上，第三工位示出為空白，第二底模23示出為位于第四工位上。應(yīng)該理解，該第三工位上可以固定第二芯球支架22。優(yōu)選地，該旋轉(zhuǎn)臺面21與驅(qū)動電機(jī)通過工位旋轉(zhuǎn)部件連接，該工位旋轉(zhuǎn)部件采用大扭矩低慣量伺服電機(jī)控制，滿足旋轉(zhuǎn)臺面21的任何角度的旋轉(zhuǎn)要求。所述工位旋轉(zhuǎn)部件的角度誤差要低于0.5^o，旋轉(zhuǎn)速度低于1.5r/min。

圖3是圖2的芯球校位組件的立體示意圖，該芯球校位組件3包括第一支架31、手動滑臺32、預(yù)定位懸梁33和下按式定位手柄34。其中，第一支架31通過緊固件固定于試驗臺1的桌面11上。預(yù)定位懸梁33通過手動滑臺32連接于第一支架31的頂端，通過該手動滑臺32的移動，下按式定位手柄34可以在第一支架31的頂表面所限定的水平面內(nèi)前后左右自由移動。下按式定位手柄34連接于預(yù)定位懸梁33的遠(yuǎn)離第一支架31的自由端。在本實施例中，該預(yù)定位懸梁33具有定位通孔，定位通孔內(nèi)容置有彈簧，下按式定位手柄34插入該彈簧內(nèi)并穿過該定位通孔向下伸出，其中，該彈簧的設(shè)置可以使得下按式定位手柄34能夠在每次下按操作后進(jìn)行復(fù)位。在本實施例中，該下按式定位手柄34帶有限位銷釘，以控制下按式定位手柄每次下壓的距離滿足不同尺寸的要求。應(yīng)該理解，該芯球校位組件還配備有芯球就位判定傳感器，用于判定芯球支架22上的芯球是否就位，并向控制系統(tǒng)發(fā)送檢測結(jié)果信號。優(yōu)選地，該芯球就位判定傳感器為采用反射型光電傳感器。

圖4是圖2的工件夾持組件的立體示意圖，該工件夾持組件4包括第二支架41、第一伺服電機(jī)42、第一伺服螺桿43、第一上下移動組件44、空壓機(jī)氣缸45和氣動手指46。其中，第二支架41通過緊固件固定于試驗臺1的桌面11上。第一伺服電機(jī)42固定設(shè)置于第二支架41的頂端，第一伺服螺桿43與第一伺服電機(jī)42相連并且在第一伺服電機(jī)42的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)。第一上下移動組件44與第一伺服螺桿43相連并且隨著第一伺服螺桿43的旋轉(zhuǎn)可上下移動?？諌簷C(jī)氣缸45連接于第一上下移動組件44的頂表面上，而氣動手指46設(shè)置于第一上下移動組件44的底表面并與空壓機(jī)氣缸45相連以在空壓機(jī)氣缸45的作用下抓取或釋放芯球。其中，該空壓機(jī)氣缸45配有流量調(diào)節(jié)閥，通過該調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力，從而可以調(diào)節(jié)氣動手指46對芯球的作用力，以滿足易碎芯球的夾取動作的要求。優(yōu)選地，氣動手指46的內(nèi)側(cè)貼附有一橡膠墊層，從而利用該橡膠墊層來保護(hù)夾取過程中的芯球。氣動手指46還配有減速馬達(dá)，使得在夾取過程中能夠緩慢施加作用力，防止破壞芯球。

圖5是圖2的旋轉(zhuǎn)成槽部件的立體示意圖，該旋轉(zhuǎn)成槽部件5包括第三支架51、第二伺服電機(jī)52、第二伺服螺桿53、第二上下移動組件54、旋轉(zhuǎn)電機(jī)55和可拆卸旋轉(zhuǎn)手柄56。其中，第三支架51通過緊固件固定于試驗臺1的桌面11上。第二伺服電機(jī)52固定設(shè)置于第三支架51的頂端，第二伺服螺桿53與第二伺服電機(jī)52相連并且在第二伺服電機(jī)52的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)。第二上下移動組件54與第二伺服螺桿53相連并且隨著第二伺服螺桿53的旋轉(zhuǎn)可上下移動。旋轉(zhuǎn)電機(jī)55設(shè)置于第二上下移動組件54的頂表面上，而可拆卸旋轉(zhuǎn)手柄56設(shè)置于第二上下移動組件54的底表面并與旋轉(zhuǎn)電機(jī)55相連以在旋轉(zhuǎn)電機(jī)55的作用下旋轉(zhuǎn)。應(yīng)該理解，該旋轉(zhuǎn)成槽部件5還配備有基體粉末就位判定傳感器，用于判定底模23內(nèi)的基體粉末是否就位以及基體粉末的數(shù)量是否滿足要求，并向控制系統(tǒng)發(fā)送檢測結(jié)果信號。優(yōu)選地，該基體粉末就位判定傳感器為采用反射型光電傳感器。該旋轉(zhuǎn)電機(jī)55采用超低速小型AC交流電動機(jī)，避免基體粉末被轉(zhuǎn)出底模23。優(yōu)選地，所述超低速小型AC交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速為60/72r/min(50/60Hz)。可拆卸旋轉(zhuǎn)手柄56可根據(jù)芯球加工要求進(jìn)行更換。

結(jié)合圖2-圖5，以下詳述根據(jù)本發(fā)明的球環(huán)形燃料元件的制備方法，包括步驟：

S1，將芯球支架22固定于旋轉(zhuǎn)臺面21的第一工位，第一底模23放置于第二工位上，并將芯球(預(yù)壓制球形燃料，對應(yīng)于圖1中的由中心球區(qū)10和燃料區(qū)20形成的環(huán)形芯球)放置于位于第一工位上的芯球支架22上，向第一底模23內(nèi)填充基體粉末(例如基體石墨粉)，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺面21，使得芯球支架22上的芯球位于下按式定位手柄34的正下方，其中，可以通過手動調(diào)節(jié)手動滑臺32來移動預(yù)定位懸梁33和下按式定位手柄34的位置，以消除不同芯球支架引入的誤差。由于芯球通常呈現(xiàn)為橢球形，在該橢球形的最高點處設(shè)置有凹坑，對下按式定位手柄34施加豎直向下的作用力使得下按式定位手柄34與凹坑配合，從而確保芯球處于豎直向上的狀態(tài)。

S2，順時針轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺面21約90度，使得芯球支架22位于氣動手指46的正下方，位于第二工位上的第一底模23位于旋轉(zhuǎn)手柄56的正下方。驅(qū)動第一伺服電機(jī)42使得第一上下移動組件44向下移動；驅(qū)動空壓機(jī)氣缸45使得氣動手指46抓取芯球；然后驅(qū)動第一伺服電機(jī)42使得第一上下移動組件44向上移動，其過程確保芯球始終處于豎直向上的狀態(tài)。同時，驅(qū)動第二伺服電機(jī)52使得第二上下移動組件54向下移動；驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)55使得旋轉(zhuǎn)手柄56在第一底模23內(nèi)旋轉(zhuǎn)成槽，該槽適配于橢球形的芯球；然后驅(qū)動第二伺服電機(jī)52使得第二上下移動組件54向上移動。

S3，逆時針轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺面21約90度，使得位于第二工位上的第一底模23位于氣動手指46的正下方。驅(qū)動第一伺服電機(jī)42使得第一上下移動組件44向下移動；驅(qū)動空壓機(jī)氣缸45使得氣動手指46釋放芯球，從而將芯球放置于第一底模23內(nèi)由基體粉末形成的槽內(nèi)；然后驅(qū)動第一伺服電機(jī)42使得第一上下移動組件44向上移動，其過程確保位于第一底模23內(nèi)的槽內(nèi)的芯球始終處于豎直向上的狀態(tài)。

S4，在第一底模23的上方加蓋中模形成底模與中模的組合體，向組合體內(nèi)填充基體粉末，并加蓋頂模，該組合體和頂模一起形成完整模具，進(jìn)行壓制處理以在芯球的外表面包覆形成外殼區(qū)30，從而形成球環(huán)型燃料元件。應(yīng)該理解，本發(fā)明的制備方法通過對壓制工藝的壓制次數(shù)等的選擇，不僅可以適用于三層球環(huán)型燃料元件，還可以用于多層球環(huán)型燃料元件的制備。

顯然，通過工件夾持組件4的第一伺服電機(jī)42和第一伺服螺桿43，以及旋轉(zhuǎn)成槽部件5的第二伺服電機(jī)52和第二伺服螺桿53的設(shè)置，來確保芯球夾持的高精度、芯球釋放位置的高精度以及基體粉末的槽深度的高精度要求，從而最終確保芯球與由基體粉末形成的包覆該中心球區(qū)的燃料區(qū)20的高同心度。其中，可拆卸旋轉(zhuǎn)手柄56的定位精度可達(dá)0.01mm。

實際上，上述方法首先根據(jù)芯球的結(jié)構(gòu)和尺寸等參數(shù)，首先選定合適的芯球支架22，并對下按式定位手柄34的初始位置進(jìn)行校訂。具體來說，是通過調(diào)整芯球校位組件中的手動滑臺32在水平面內(nèi)的空間位置，先確定下按式定位手柄34的底端與芯球支架22的中心在同一豎直線上。這一操作是保障芯球定位精度的前提。

上述制備方法中雖然僅描述了一個芯球支架22和一個底模23的設(shè)置，應(yīng)該理解，為了提高工作效率，旋轉(zhuǎn)臺面21上可設(shè)有有兩個芯球支架22和兩個底模23，其原理和過程與上類似，在此不再贅述。

以制備直徑為3cm的球環(huán)型燃料元件為例：將環(huán)形芯球置于芯球支架22上(中心球區(qū)10質(zhì)量約為18.4g，環(huán)形燃料區(qū)質(zhì)量約7.3g，其中石墨基體約5.4g，穿衣顆粒約1.9g)，向第一底模23內(nèi)注入石墨基體粉的質(zhì)量約0.7～1.3g(優(yōu)選為0.9～1.3g)，完成旋轉(zhuǎn)成槽，并將芯球置于第一底模23中。加蓋頂模形成模具，注入石墨基體粉的質(zhì)量約3.8～4.4g(優(yōu)選為3.8～4.2g)后進(jìn)行壓制得到球環(huán)型燃料元件。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種球環(huán)型燃料元件的芯球定位裝置和方法，可以在芯球的外表面包覆球殼，使得芯球和球殼形成完整的同心球體，并確保球殼與芯球的高度同心。經(jīng)測試，所獲得的球環(huán)型燃料元件的芯球與球殼的同心度優(yōu)于0.5mm。具有精度高、安全可靠、可拓展性強(qiáng)的優(yōu)點。本發(fā)明不僅適用于實驗環(huán)境也可以應(yīng)用于工程生產(chǎn)，具有較高的應(yīng)用價值。另外，本發(fā)明通過控制工位旋轉(zhuǎn)組件2、芯球校位組件3和注入基體石墨粉的質(zhì)量和體積，即可以實現(xiàn)芯球在三維空間的精確定位。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，精度高、安全可靠，運(yùn)行與維護(hù)成本低，可拓展性強(qiáng)，能夠滿足高溫氣堆球環(huán)型燃料元件的制備要求，還適用于熔鹽堆的低密度三層同心結(jié)構(gòu)的球環(huán)型燃料元件的制備要求。

以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。