RU2747969C1 - Device for formation of anticorrosion layers on the surface of fuel elements - Google Patents

Device for formation of anticorrosion layers on the surface of fuel elements Download PDF

Info

Publication number
RU2747969C1
RU2747969C1 RU2020125271A RU2020125271A RU2747969C1 RU 2747969 C1 RU2747969 C1 RU 2747969C1 RU 2020125271 A RU2020125271 A RU 2020125271A RU 2020125271 A RU2020125271 A RU 2020125271A RU 2747969 C1 RU2747969 C1 RU 2747969C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electron beam
formation
cylindrical
source
fuel element
Prior art date
Application number
RU2020125271A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Павлович Павлов
Константин Иванович Ткаченко
Николай Петрович Щеголихин
Владимир Григорьевич Ковалев
Original Assignee
Акционерное Общество "Нииэфа Им. Д.В. Ефремова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Нииэфа Им. Д.В. Ефремова" filed Critical Акционерное Общество "Нииэфа Им. Д.В. Ефремова"
Priority to RU2020125271A priority Critical patent/RU2747969C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2747969C1 publication Critical patent/RU2747969C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/06Electron sources; Electron guns

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to device for formation of anticorrosion layers on surface of fuel elements by means of heat treatment by electron beam and can be used for formation of anticorrosive layers on surface of cylindrical products of large length. Pulse source of electron beam of triode type with cylindrical system of electrodes provides formation of electron beam radially converging to longitudinal axis and uses fuel element as anode. A vacuum chamber with an ion-plasma sputtering system and a mechanism providing movement of the fuel element are installed coaxially with the electrode system of the electron beam source. Connection of electrodes of electron beam source with generator of pulse voltage by several cables of equal length at uniform distribution of contacts on surface of electrodes provides minimum distortion of electron beam on surface of fuel element.
EFFECT: technical result is higher reliability and service life of fuel elements for nuclear reactors due to higher homogeneity of anticorrosion layers on their surface.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к конструкции источников электронов и электронных пушек с устройствами для ввода объектов или материалов, подлежащих воздействию электронов, с целью их исследования или обработки. Изобретение также относится к устройствам для термообработки облучением частицами, в частности к обработке поверхности тепловыделяющих элементов (твэлов) для ядерных реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическими свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителями и может быть использовано для формирования антикоррозионных слоев на поверхности цилиндрических изделий большой длины.The invention relates to the design of sources of electrons and electron guns with devices for introducing objects or materials exposed to electrons for the purpose of their research or processing. The invention also relates to devices for heat treatment by irradiation with particles, in particular to the surface treatment of fuel elements (fuel rods) for fast nuclear reactors with liquid metal lead and lead-bismuth coolants and can be used to form anticorrosive layers on the surface of cylindrical articles of great length.

Формирование антикоррозионного слоя на поверхности твэлов является одним из самых эффективных способов антикоррозионной защиты твэлов, обеспечивающих увеличение их срока службы, и рассматривается в рамках различных международных программ (например, программы EUROTRANS) как один из самых перспективных.The formation of an anticorrosive layer on the surface of fuel elements is one of the most effective methods of anticorrosion protection of fuel elements, ensuring an increase in their service life, and is considered in the framework of various international programs (for example, the EUROTRANS program) as one of the most promising.

Известно устройство, позволяющее осуществлять обработку стальных поверхностей с энергией электронов 100 кэВ на глубину до 50 мкм больших поверхностей до 50 см2 (United States Patent №6049162 «Pulsed electron beam source and its use», filed: Apr. 30, 1998. Date of Patent: Apr. 11, 2000). Известное устройство позволяет формировать антикоррозионные слои на достаточно большую глубину и на достаточно большой площади, однако конфигурация электронного пучка позволяет формировать слои только на плоскости. Для формирования слоев на цилиндрических поверхностях (в частности твэлов) потребуются вращение цилиндрической детали вокруг своей оси и перемещение ее вдоль оси с образованием участков перекрытия, что отрицательно скажется на однородности формируемого слоя.A device is known that allows the processing of steel surfaces with an electron energy of 100 keV to a depth of 50 microns large surfaces up to 50 cm 2 (United States Patent No. 6049162 "Pulsed electron beam source and its use", filed: Apr. 30, 1998. Date of Patent: Apr. 11, 2000). The known device makes it possible to form anticorrosive layers at a sufficiently large depth and over a sufficiently large area, however, the configuration of the electron beam allows the formation of layers only on a plane. To form layers on cylindrical surfaces (in particular, fuel elements), it will be necessary to rotate the cylindrical part around its axis and move it along the axis with the formation of overlapping areas, which will negatively affect the homogeneity of the layer being formed.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является устройство и способ, специально предназначенные для формирования антикоррозионного покрытия на поверхности цилиндрических твэлов (United States Patent №8202629 «Cladding Tubes Made of Ferrit-ic/Martensitic or Austenitic Steel for Nuclear Fuel Elements/Fuels and Method for Subsequently Treating FECRA Protective Layers thereon that is Suited for High Temperatures)), filed: June. 29, 2005, Date of Patent: June 19, 2012).The closest analogue of the present invention is a device and method specially designed for the formation of an anti-corrosion coating on the surface of cylindrical fuel elements (United States Patent No. 8202629 “Cladding Tubes Made of Ferrit-ic / Martensitic or Austenitic Steel for Nuclear Fuel Elements / Fuels and Method for Subsequently Treating FECRA Protective Layers thereon that is Suited for High Temperatures)), filed: June. 29, 2005, Date of Patent: June 19, 2012).

Цилиндрические твэлы используются для контакта с расплавом свинца или сплава свинец-висмут вплоть до температуры 700°С.С целью сопротивления коррозии при работе в этих условиях на поверхности цилиндрических деталей формируется предварительное покрытие толщиной вплоть до 50 мкм, состоящее из (0-25)% хрома, (3-15)% алюминия и (60-97)% железа. Для формирования антикоррозионного слоя известный способ предусматривает расплавление предварительного покрытия совместно с основой с последующим очень быстрым охлаждением расплавленного слоя.Cylindrical fuel rods are used for contact with molten lead or lead-bismuth alloy up to a temperature of 700 ° C. In order to resist corrosion during operation under these conditions, a preliminary coating with a thickness of up to 50 μm is formed on the surface of cylindrical parts, consisting of (0-25)% chromium, (3-15)% aluminum and (60-97)% iron. To form an anti-corrosion layer, the known method involves melting the pre-coating together with the base, followed by very rapid cooling of the molten layer.

Известное устройство для формирования антикоррозионных слоев на поверхности твэлов содержит генератор импульсного напряжения, импульсный источник электронного пучка триодного типа с цилиндрической системой электродов и радиально сходящимся к продольной оси источника электронным пучком, использующий твэл в качестве анода. В отличие от устройства, рассмотренного выше, такое устройство обеспечивает возможность обработки электронным пучком за один импульс наружной поверхности цилиндрической детали сразу со всех сторон и одновременно предусматривает возможность регулировки параметров электронного пучка для каждого типа цилиндрических деталей и различных составов слоев.The known device for the formation of anticorrosive layers on the surface of fuel elements contains a pulse voltage generator, a pulsed source of an electron beam of a triode type with a cylindrical system of electrodes and an electron beam radially converging to the longitudinal axis of the source, using a fuel element as an anode. Unlike the device discussed above, such a device provides the possibility of processing the outer surface of the cylindrical part from all sides at once with an electron beam in one pulse and simultaneously provides for the possibility of adjusting the parameters of the electron beam for each type of cylindrical parts and various layer compositions.

Однако, с помощью известного устройства получить на поверхности длинномерной цилиндрической детали антикоррозионный слой с высокой однородностью невозможно из-за физических размерных ограничений электронного пучка. В известном устройстве продольная длина пучка составляет 32 см, что позволяет обработать одним импульсом участок цилиндрической детали такой же длины. Антикоррозионный слой на поверхности цилиндрических деталей большей длины может быть сформирован путем продольного пошагового перемещения цилиндрической детали в зону электронного пучка с перекрытием обработанных участков в процессе воздействия последующими импульсами. При этом плотность энергии, выделяемая пучком на перекрываемых участках, может отличаться от значений в центральной части пучка, что приводит к ухудшению однородности слоя вдоль всей длины цилиндрической детали и появлению локальных дефектов на ее поверхности. Чем короче шаг передвижения цилиндрической детали, тем больше участков перекрытия и, тем самым, хуже однородность антикоррозионного слоя.However, with the help of the known device, it is impossible to obtain an anticorrosive layer with high uniformity on the surface of a long cylindrical part due to the physical dimensional limitations of the electron beam. In the known device, the longitudinal length of the beam is 32 cm, which makes it possible to process a section of a cylindrical part of the same length with one pulse. An anticorrosive layer on the surface of cylindrical parts of greater length can be formed by longitudinal stepwise movement of the cylindrical part into the electron beam zone with overlapping of the treated areas during exposure to subsequent pulses. In this case, the energy density released by the beam in the overlapping areas can differ from the values in the central part of the beam, which leads to a deterioration in the homogeneity of the layer along the entire length of the cylindrical part and the appearance of local defects on its surface. The shorter the step of movement of the cylindrical part, the more overlapping areas and, thus, the worse the homogeneity of the anticorrosive layer.

С другой стороны, при любой продольной длине цилиндрического пучка электронов, параметры пучка электронов в зоне обработки цилиндрической детали по краям цилиндрического пучка электронов отличаются от параметров пучка в его центральной части вследствие воздействия на электронный пучок его собственного магнитного поля, в результате чего концентрация электронного тока повышается в направлении к середине обрабатываемого участка.On the other hand, for any longitudinal length of the cylindrical electron beam, the parameters of the electron beam in the processing zone of the cylindrical part at the edges of the cylindrical electron beam differ from the parameters of the beam in its central part due to the effect of its own magnetic field on the electron beam, as a result of which the concentration of the electron current increases towards the middle of the area to be treated.

Кроме того, использование известного устройства предполагает необходимость транспортировки длинных цилиндрических деталей с предварительно нанесенным на их поверхности защитным слоем к источнику электронов для их последующей обработки электронным пучком, что может сопровождаться появлением дефектов на поверхностях цилиндрических деталей, и, в свою очередь, также будет сопровождаться снижением однородности формируемого антикоррозионного слоя.In addition, the use of the known device implies the need to transport long cylindrical parts with a protective layer pre-applied on their surface to the electron source for their subsequent processing with an electron beam, which may be accompanied by the appearance of defects on the surfaces of the cylindrical parts, and, in turn, will also be accompanied by a decrease in uniformity of the formed anticorrosive layer.

Задача изобретения - увеличение надежности и срока службы твэлов для ядерных реакторов за счет повышения однородности антикоррозионных слоев на их поверхности.The objective of the invention is to increase the reliability and service life of fuel elements for nuclear reactors by increasing the homogeneity of the anticorrosive layers on their surface.

Неоднородность антикоррозионного слоя на поверхности твэлов, в частности для ядерных реакторов, приводит к тому, что в зонах, где антикоррозионный слой тоньше, раньше наблюдаются проявления процесса коррозии, что может вызвать аварию ядерного реактора раньше расчетного срока эксплуатации.The inhomogeneity of the anticorrosive layer on the surface of fuel elements, in particular for nuclear reactors, leads to the fact that in zones where the anticorrosive layer is thinner, manifestations of the corrosion process are observed earlier, which can cause an accident of a nuclear reactor earlier than the design life.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство для формирования антикоррозионных слоев на поверхности тепловыделяющих элементов, включающее импульсный источник электронного пучка триодного типа с цилиндрической системой электродов, обеспечивающей формирование радиально сходящегося к продольной оси источника электронного пучка и использующей твэл в качестве анода, в котором цилиндрические электроды источника электронного пучка, обеспечивающие формирование электронного пучка, соединены с генератором импульсного напряжения, дополнительно содержит вакуумную камеру с ионно-плазменной системой напыления, установленную соосно с электродной системой источника электронного пучка и соединенную с источником электронного пучка через шлюзовую камеру, а также механизм, обеспечивающий перемещение тепловыделяющего элемента из вакуумной камеры с ионно-плазменной системой напыления в вакуумную камеру источника электронного пучка. Цилиндрические электроды источника электронного пучка, обеспечивающие формирование электронного пучка, снабжены электрическими контактами, распределенными равномерно по цилиндрическим поверхностям электродов, которые установлены с возможностью соединения с генератором импульсного напряжения кабелями одинаковой длины.The problem is solved due to the fact that a device for the formation of anticorrosive layers on the surface of fuel elements, including a pulsed source of an electron beam of a triode type with a cylindrical system of electrodes, providing the formation of an electron beam source radially converging to the longitudinal axis and using a fuel element as an anode, in which cylindrical Electrodes of the electron beam source, ensuring the formation of the electron beam, are connected to a pulse voltage generator, additionally contains a vacuum chamber with an ion-plasma sputtering system, installed coaxially with the electrode system of the electron beam source and connected to the electron beam source through a lock chamber, as well as a mechanism providing moving the fuel element from the vacuum chamber with the ion-plasma sputtering system into the vacuum chamber of the electron beam source. The cylindrical electrodes of the electron beam source, providing the formation of the electron beam, are equipped with electrical contacts distributed evenly over the cylindrical surfaces of the electrodes, which are installed with the possibility of connecting to the pulse voltage generator by cables of the same length.

Предпочтительно, чтобы длина катода источника электронного пучка составляла 0,9÷1,05 м.It is preferable that the length of the cathode of the electron beam source is 0.9 ÷ 1.05 m.

Для решения поставленной задачи необходимо уменьшить количество перекрытий обработанных участков в процессе воздействия последующими импульсами. Очевидно, что для этого необходимо увеличить длину катода источника электронного пучка, и желательно, до полной длины цилиндрической детали, то есть до 2 м. Однако, как было экспериментально установлено, при продольной длине катода, генерирующего электронный пучок, превышающей 1,05 м, наблюдается спад плотности энергии на краях обрабатываемого участка цилиндрической детали вследствие влияния собственного магнитного поля электронного пучка, искривляющего траектории движения электронов в районе торцов обрабатываемого участка цилиндрической детали.To solve this problem, it is necessary to reduce the number of overlaps of the treated areas during exposure to subsequent impulses. Obviously, for this it is necessary to increase the length of the cathode of the electron beam source, and preferably to the full length of the cylindrical part, that is, up to 2 m.However, as it was experimentally found, with the longitudinal length of the cathode generating the electron beam exceeding 1.05 m, there is a decrease in the energy density at the edges of the processed section of the cylindrical part due to the influence of the intrinsic magnetic field of the electron beam, which bends the trajectories of the electrons in the region of the ends of the processed section of the cylindrical part.

Максимальная длина цилиндрического катода, при которой еще сохраняется достаточно высокая однородность пучка электронов по поверхности цилиндрического элемента, на котором формируют антикоррозионный слой, составляет 0,9-1,05 м.The maximum length of the cylindrical cathode, at which a sufficiently high uniformity of the electron beam over the surface of the cylindrical element, on which the anticorrosive layer is formed, is still maintained, is 0.9-1.05 m.

Для обеспечения непрерывного процесса формирования антикоррозионного слоя на цилиндрических поверхностях большой длины, в частности до 2 м, предлагаемое устройство дополнительно содержит вакуумную камеру с ионно-плазменной системой напыления, установленную соосно с электродной системой источника электронного пучка. Формирование антикоррозионных слоев осуществляется непрерывно-последовательно: сначала напылением нужного сплава на поверхность в вакуумной камере с ионно-плазменной системой напыления, а затем перемещением цилиндрической детали из напылительной установки в камеру обработки источника электронного пучка.To ensure a continuous process of formation of an anticorrosive layer on cylindrical surfaces of great length, in particular up to 2 m, the proposed device additionally contains a vacuum chamber with an ion-plasma spraying system installed coaxially with the electrode system of the electron beam source. The formation of anticorrosive layers is carried out continuously and sequentially: first, by spraying the desired alloy onto the surface in a vacuum chamber with an ion-plasma spraying system, and then by moving the cylindrical part from the sputtering unit to the processing chamber of the electron beam source.

Чтобы при таком технологическом процессе была обеспечена высокая однородность формируемого антикоррозионного слоя, вакуумная камера с ионно-плазменной системой напыления должна быть установлена соосно с электродной системой источника электронного пучка, т.к. только при таком взаимном расположении частей устройства обеспечивается равномерность процесса формирования слоев на всех этапах.In order for such a technological process to ensure high uniformity of the formed anticorrosive layer, a vacuum chamber with an ion-plasma spraying system must be installed coaxially with the electrode system of the electron beam source, because it is only with such a mutual arrangement of the device parts that the uniformity of the layer formation process at all stages is ensured.

Вакуумная камера с ионно-плазменной системой напыления соединена с источником электронного пучка через герметичную шлюзовую камеру, предназначенную для перемещения цилиндрической детали из одной части устройства в другую. Поскольку вакуум в вакуумной камере источника электронного пучка выше, чем в камере с ионно-плазменной системой напыления, наличие шлюзовой камеры позволяет снизить влияние перепада давления в процессе перемещения цилиндрической детали, что также необходимо для обеспечения высокой однородности формируемых слоев.A vacuum chamber with an ion-plasma spraying system is connected to an electron beam source through a sealed lock chamber designed to move a cylindrical part from one part of the device to another. Since the vacuum in the vacuum chamber of the electron beam source is higher than in the chamber with the ion-plasma sputtering system, the presence of the lock chamber allows one to reduce the effect of the pressure drop during the movement of the cylindrical part, which is also necessary to ensure high uniformity of the formed layers.

Механизм, обеспечивающий перемещение твэла из вакуумной камеры с ионно-плазменной системой напыления в вакуумную камеру источника электронного пучка, позволяет обеспечить равномерность и точность в процессе транспортировки цилиндрической детали в зону воздействия электронным пучком.The mechanism that ensures the movement of the fuel element from the vacuum chamber with the ion-plasma sputtering system into the vacuum chamber of the electron beam source allows to ensure uniformity and accuracy in the process of transporting the cylindrical part to the zone of exposure to the electron beam.

Для обеспечения высокой однородности антикоррозионных слоев на поверхности твэлов желательно использовать радиально сходящийся к продольной оси ускорителя электронный пучок максимально возможной длины, при которой еще сохраняется достаточно высокая однородность пучка электронов по поверхности твэла. Для решения этой задачи необходимо снизить до минимума влияние собственного магнитного поля электронного пучка, искривляющего траектории движения электронов в районе торцов обрабатываемого участка цилиндрической детали. В предлагаемом устройстве для снижения влияния собственного магнитного поля электронного пучка цилиндрические электроды источника электронного пучка, обеспечивающие формирование электронного пучка, снабжены электрическими контактами, распределенными равномерно по цилиндрическим поверхностям электродов и установленными с возможностью соединения с генератором импульсного напряжения кабелями одинаковой длины. Такое выполнение устройства необходимо для обеспечения равномерного распределения тока по всей поверхности катода, минимально возможного искажения электронного пучка, и как следствие однородности формируемого слоя.To ensure high homogeneity of anticorrosive layers on the fuel element surface, it is desirable to use an electron beam of the maximum possible length, radially converging to the longitudinal axis of the accelerator, at which a sufficiently high homogeneity of the electron beam over the fuel element surface is still maintained. To solve this problem, it is necessary to reduce to a minimum the influence of the intrinsic magnetic field of the electron beam, which bends the trajectories of the electrons in the region of the ends of the processed section of the cylindrical part. In the proposed device for reducing the influence of the self-magnetic field of the electron beam, the cylindrical electrodes of the electron beam source, which ensure the formation of the electron beam, are equipped with electrical contacts distributed evenly over the cylindrical surfaces of the electrodes and installed with the ability to connect to the pulse voltage generator with cables of the same length. Such an embodiment of the device is necessary to ensure a uniform distribution of the current over the entire surface of the cathode, the minimum possible distortion of the electron beam, and, as a consequence, the homogeneity of the layer being formed.

Изобретение поясняется чертежом, где на Фиг. представлено устройство для формирования антикоррозионных слоев на поверхности твэлов. Устройство содержит импульсный источник электронного пучка 1, генератор импульсного напряжения 2, вакуумную камеру с ионно-плазменной системой напыления 3, установленную соосно с электродной системой источника электронного пучка 4, шлюзовую камеру 5 и механизм 6 обеспечивающий перемещение тепловыделяющего элемента 7 из вакуумной камеры с ионно-плазменной системой напыления в вакуумную камеру источника электронного пучка. Цилиндрические электроды источника электронного пучка, обеспечивающие формирование электронного пучка, снабжены электрическими контактами 8, распределенными равномерно по цилиндрическим поверхностям электродов и установленными с возможностью соединения с генератором импульсного напряжения кабелями одинаковой длины.The invention is illustrated by a drawing, where FIG. a device for the formation of anticorrosive layers on the surface of fuel elements is presented. The device contains a pulsed source of an electron beam 1, a pulse voltage generator 2, a vacuum chamber with an ion-plasma spraying system 3, installed coaxially with the electrode system of the electron beam source 4, an airlock 5 and a mechanism 6 that ensures the movement of the fuel element 7 from the vacuum chamber with ionic a plasma system for spraying an electron beam source into the vacuum chamber. The cylindrical electrodes of the electron beam source, providing the formation of the electron beam, are equipped with electrical contacts 8, distributed uniformly over the cylindrical surfaces of the electrodes and installed with the possibility of connecting to the pulse voltage generator with cables of the same length.

Предлагаемое устройство было опробовано при формировании антикоррозионного слоя на поверхности оболочки твэла для ядерного реактора.The proposed device was tested during the formation of an anticorrosive layer on the surface of the cladding of a fuel element for a nuclear reactor.

Оболочка твэла помещалась в вакуумную камеру с ионно-плазменной системой напыления 3, в которой производилось напыление на поверхность оболочки твэла слоя хрома и алюминия толщиной до нескольких десятков микрон. После напыления, с помощью механизма перемещения 6 осуществлялось перемещение оболочки твэла 7 через шлюзовую камеру 5 в зону обработки вакуумной камеры источника электронного пучка 1. Затем включался генератор импульсного напряжения 2, обеспечивающий генерацию электронного пучка источника. Длина радиально сходящегося к продольной оси источника электронного пучка составляла 1 м. Под воздействием электронного пучка, энергия которого составляла 120 кэВ, поверхность твэла 7, используемого в качестве анода, разогревалась в течение нескольких десятков микросекунд. Плотность энергии электронного пучка на поверхности оболочки твэла составляла 20÷50 Дж/см2. Происходил разогрев и расплавление на требуемую глубину поверхностного слоя оболочки твэла вместе со слоем хрома и алюминия. После окончания воздействия электронным пучком на поверхность оболочки твэла происходило быстрое охлаждение расплавленного слоя за счет теплопроводности, в результате чего поверхностный слой оболочки твэла модифицировался, образуя на поверхности прочный антикоррозионный слой.The cladding of the fuel element was placed in a vacuum chamber with an ion-plasma sputtering system 3, in which a layer of chromium and aluminum with a thickness of up to several tens of microns was deposited on the surface of the cladding of the fuel element. After spraying, using the displacement mechanism 6, the cladding of the fuel element 7 was moved through the lock chamber 5 to the processing zone of the vacuum chamber of the electron beam source 1. Then, the pulse voltage generator 2 was switched on, providing the generation of the electron beam of the source. The length of the electron beam radially converging to the longitudinal axis of the source was 1 m. Under the influence of the electron beam, the energy of which was 120 keV, the surface of the fuel element 7, used as the anode, was heated for several tens of microseconds. The energy density of the electron beam on the fuel element cladding surface was 20–50 J / cm 2 . The heating and melting to the required depth of the surface layer of the cladding of the fuel element together with the layer of chromium and aluminum took place. After the end of the electron beam impact on the surface of the fuel element cladding, the molten layer was rapidly cooled due to thermal conductivity, as a result of which the surface layer of the fuel element cladding was modified, forming a strong anticorrosive layer on the surface.

Затем с помощью механизма 6, обеспечивающего перемещение оболочки твэла 7 из вакуумной камеры с ионно-плазменной системой напыления 3 в вакуумную камеру источника электронного пучка 1, часть оболочки твэла с сформированным антикоррозионным слоем перемещалась из вакуумной камеры источника 1 наружу, а часть твэла, на которой антикоррозионный слой еще не сформирован, из вакуумной камеры с ионно-плазменной системой напыления 3 через шлюзовую камеру 5 перемещалась в зону обработки вакуумной камеры источника электронного пучка 1.Then, using the mechanism 6, which ensures the movement of the fuel element cladding 7 from the vacuum chamber with the ion-plasma sputtering system 3 to the vacuum chamber of the electron beam source 1, part of the fuel element cladding with the formed anticorrosive layer was moved from the vacuum chamber of the source 1 to the outside, and the part of the fuel element on which the anticorrosive layer has not yet been formed, from the vacuum chamber with the ion-plasma spraying system 3 through the lock chamber 5 was moved to the processing zone of the vacuum chamber of the electron beam source 1.

Сравнительные испытания известного устройства (United States Patent №8202629) показали, что при плотности энергии электронного пучка на поверхности оболочки твэла 20 Дж/см, в случае использования известного устройства, разброс толщины антикоррозионного покрытия на поверхности оболочки твэла составлял ±23%, а при использовании устройства выполненного в соответствии с изобретением ±12%, что соответствует предполагаемому увеличению срока службы твэлов для ядерных реакторов приблизительно в 2 раза.Comparative tests of the known device (United States Patent No. 8202629) showed that when the energy density of the electron beam on the surface of the fuel element cladding was 20 J / cm, in the case of using the known device, the spread in the thickness of the anticorrosive coating on the surface of the fuel element cladding was ± 23%, and when using device made in accordance with the invention ± 12%, which corresponds to the expected increase in the service life of fuel elements for nuclear reactors by approximately 2 times.

Claims (2)

1. Устройство для формирования антикоррозионных слоев на поверхности тепловыделяющих элементов, включающее импульсный источник электронного пучка триодного типа с цилиндрической системой электродов, обеспечивающей формирование радиально сходящегося к продольной оси источника электронного пучка и использующей тепловыделяющий элемент в качестве анода, при этом цилиндрические электроды источника электронного пучка, обеспечивающие формирование электронного пучка, соединены с генератором импульсного напряжения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит вакуумную камеру с ионно-плазменной системой напыления, установленную соосно с электродной системой источника электронного пучка и соединенную с источником электронного пучка через шлюзовую камеру, а также механизм, обеспечивающий перемещение тепловыделяющего элемента из вакуумной камеры с ионно-плазменной системой напыления в вакуумную камеру источника электронного пучка, при этом цилиндрические электроды источника электронного пучка, обеспечивающие формирование электронного пучка, снабжены электрическими контактами, распределенными равномерно по цилиндрическим поверхностям электродов и установленными с возможностью соединения с генератором импульсного напряжения кабелями одинаковой длины.1. A device for the formation of anticorrosive layers on the surface of fuel elements, including a pulsed source of an electron beam of a triode type with a cylindrical system of electrodes, providing the formation of an electron beam source radially converging to the longitudinal axis and using the fuel element as an anode, while cylindrical electrodes of the electron beam source, providing the formation of an electron beam, are connected to a pulse voltage generator, characterized in that it additionally contains a vacuum chamber with an ion-plasma spraying system, installed coaxially with the electrode system of the electron beam source and connected to the electron beam source through an airlock, as well as a mechanism that provides moving the fuel element from the vacuum chamber with the ion-plasma sputtering system into the vacuum chamber of the electron beam source, while the cylindrical electrodes of the electron beam source, providing the formation of an electron beam, are equipped with electrical contacts distributed evenly over the cylindrical surfaces of the electrodes and installed with the possibility of connecting to the pulse voltage generator with cables of the same length. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длина катода импульсного источника электронного пучка составляет 0,9÷1,05 м.2. The device according to claim 1, characterized in that the length of the cathode of the pulsed source of the electron beam is 0.9 ÷ 1.05 m.
RU2020125271A 2020-07-21 2020-07-21 Device for formation of anticorrosion layers on the surface of fuel elements RU2747969C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020125271A RU2747969C1 (en) 2020-07-21 2020-07-21 Device for formation of anticorrosion layers on the surface of fuel elements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020125271A RU2747969C1 (en) 2020-07-21 2020-07-21 Device for formation of anticorrosion layers on the surface of fuel elements

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2747969C1 true RU2747969C1 (en) 2021-05-18

Family

ID=75919711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020125271A RU2747969C1 (en) 2020-07-21 2020-07-21 Device for formation of anticorrosion layers on the surface of fuel elements

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2747969C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2816980C1 (en) * 2023-03-29 2024-04-08 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Device for vacuum application of hardening coating on surface of articles

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6049162A (en) * 1995-11-08 2000-04-11 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Pulsed electron beam source and its use
CN101748319A (en) * 2008-12-19 2010-06-23 北京有色金属研究总院 Electron-irradiation resisting shielding material and method for preparing same
CN101763912A (en) * 2008-11-10 2010-06-30 戴建智 Electric-conduction metal sheet
KR20110099765A (en) * 2009-01-29 2011-09-08 제이엑스 닛코 닛세키 킨조쿠 가부시키가이샤 Rolled copper foil or electrolytic copper foil for electronic circuit, and method for forming electronic circuit using same
US8202629B2 (en) * 2005-06-29 2012-06-19 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Cladding tubes made of ferritic/martensitic or austenitic steel for nuclear fuel elements/fuels and method for subsequently treating a FeCrA protective layer thereon that is suited for high temperatures
RU2542329C1 (en) * 2013-09-30 2015-02-20 Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" Method for intra-loop passivation of steel surfaces of nuclear reactor
RU2561975C1 (en) * 2014-03-31 2015-09-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Device and method for application of shells of fuel elements
RU2647048C1 (en) * 2017-04-14 2018-03-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Method of forming oxide coatings on zirconium alloy articles

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6049162A (en) * 1995-11-08 2000-04-11 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Pulsed electron beam source and its use
US8202629B2 (en) * 2005-06-29 2012-06-19 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Cladding tubes made of ferritic/martensitic or austenitic steel for nuclear fuel elements/fuels and method for subsequently treating a FeCrA protective layer thereon that is suited for high temperatures
CN101763912A (en) * 2008-11-10 2010-06-30 戴建智 Electric-conduction metal sheet
CN101748319A (en) * 2008-12-19 2010-06-23 北京有色金属研究总院 Electron-irradiation resisting shielding material and method for preparing same
KR20110099765A (en) * 2009-01-29 2011-09-08 제이엑스 닛코 닛세키 킨조쿠 가부시키가이샤 Rolled copper foil or electrolytic copper foil for electronic circuit, and method for forming electronic circuit using same
RU2542329C1 (en) * 2013-09-30 2015-02-20 Открытое Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг" Method for intra-loop passivation of steel surfaces of nuclear reactor
RU2561975C1 (en) * 2014-03-31 2015-09-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Device and method for application of shells of fuel elements
RU2647048C1 (en) * 2017-04-14 2018-03-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Method of forming oxide coatings on zirconium alloy articles

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2816980C1 (en) * 2023-03-29 2024-04-08 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Device for vacuum application of hardening coating on surface of articles

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ozur et al. Generation of low-energy high-current electron beams in plasma-anode electron guns
TW201704504A (en) Method for coating surfaces
CN101713065B (en) Device for microwave plasma based low-energy ion implantation on internal surface of metal round pipe with small pipe diameter
Al-Hawat et al. Using Mather-type plasma focus device for surface modification of AISI304 Steel
Pushkarev et al. The influence of a shield on intense ion beam transportation
RU2747969C1 (en) Device for formation of anticorrosion layers on the surface of fuel elements
Kostenko et al. Influence of a high-power pulsed ion beam on the mechanical properties of corundum ceramics
JPH07268660A (en) Improvement of surface treatment of metal
Maskrey et al. The role of inclusions and surface contamination arc initiation at low pressures
Kolpakov et al. Formation of an out-of-electrode plasma in a high-voltage gas discharge
Pushkarev et al. Research on the plasma dynamics in a magnetically self-insulated ion diode with explosive emission potential electrode
Pushkarev et al. Correlation analysis of intense ion beam energy in a self magnetically insulated diode
Borisov et al. Effective processes for arc-plasma treatment in large vacuum chambers of technological facilities
Ayrapetov et al. Stand for coating deposition and coating/materials testing
US8735866B2 (en) High-voltage electronic device
Pushkarev et al. Extending the range of measurement of thermal imaging diagnostics of a high-intensity pulsed ion beam
Germain et al. High voltage breakdown in vacuum
Qiu et al. Investigation of explosive electron emission sites on surface of polished cathodes in vacuum
Wang et al. Damage behavior of Tungsten targets for 6 MeV linear accelerators
Вахрушев et al. Features of titanium ion beams formation taking into account ion-electron emission realizing the synergy of high-intensity ion implantation and pulsed energy impact on the surface
Andreichik et al. Generation of electron beam with millisecond pulse duration by plasma-cathode source based on the arc discharge in the fore-vacuum pressure range
RU2288553C2 (en) Gas-filled diode with external magnetic insulation
RU2809151C1 (en) Method of dehydration of steel products
Ryabchikov et al. High-intensity ion beams with submillisecond duration for synergistic of ion implantation and energy impact on the surface
Yamazaki et al. High heat flux test on first wall materials