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JPH0646233B2 - Ultrasonic processing method for nuclear reactor fuel - Google Patents
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JPH0646233B2 - Ultrasonic processing method for nuclear reactor fuel - Google Patents

Ultrasonic processing method for nuclear reactor fuel

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Publication number
JPH0646233B2
JPH0646233B2 JP63330815A JP33081588A JPH0646233B2 JP H0646233 B2 JPH0646233 B2 JP H0646233B2 JP 63330815 A JP63330815 A JP 63330815A JP 33081588 A JP33081588 A JP 33081588A JP H0646233 B2 JPH0646233 B2 JP H0646233B2
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JP
Japan
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fuel
drill
tip
processing
ultrasonic
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP63330815A
Other languages
Japanese (ja)
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Inventor
俊一 柚原
Original Assignee
動力炉・核燃料開発事業団
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Publication date
Application filed by 動力炉・核燃料開発事業団 filed Critical 動力炉・核燃料開発事業団
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Publication of JPH0646233B2 publication Critical patent/JPH0646233B2/en
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、原子炉燃料ペレットの穴開けあるいは切削加
工等を乾式で効率よく実施できる超音波加工方法に関す
るものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultrasonic processing method capable of efficiently performing a drilling or cutting process of a reactor fuel pellet in a dry manner.

本発明は例えば、 原子炉燃料の中空加工、 燃料ピン(細径被覆管と内蔵される固体燃料との構成
物)に熱電対、SiC温度モニタ、中性子照射量測定用
ワイヤ・モニタ等の各種センサを装着するための燃料深
穴加工、 使用済原子炉燃料のうち特に高燃焼度のため被覆管内
面に焼き付き高硬度状態にある燃料の長尺被覆管からの
採取、完全除去、及び回収のための切削加工、 等で有用な方法である。
The present invention is applicable to various types of sensors such as hollow machining of nuclear reactor fuel, thermocouples for fuel pins (comprising a small diameter cladding tube and a solid fuel contained therein), a SiC temperature monitor, and a wire monitor for measuring neutron dose. For deep hole drilling for mounting fuel, especially for burnup of the spent nuclear reactor fuel due to its high burnup, to collect, completely remove and recover the fuel of high hardness from the long cladding. It is a useful method for cutting, etc.

[従来の技術] 使用前あるいは使用済の固体状原子炉燃料の穴開け、切
削、除去等には、単なる湿式の旋盤ドリル加工装置、ま
たは湿式で且つ研磨材を使用する超音波振動ドリル加工
装置が使用されている。
[Prior Art] A simple wet lathe drilling machine or a wet ultrasonic drilling machine using abrasives for drilling, cutting, removing, etc. of a solid reactor fuel before or after use. Is used.

[発明が解決しようとする課題] しかし従来の湿式の加工方法では、加工燃料から冷却用
オイルや研磨材としての研粉を分離するための処理が必
要なこと、核分裂生成物と冷却材水分との反応生成物に
より被覆管の腐食が生じること、加工燃料粉を含む放射
性廃棄物量が増加すること、燃料回収率が低いこと等の
問題があった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the conventional wet processing method, it is necessary to perform processing for separating cooling oil and polishing powder as an abrasive from the processing fuel. However, there are problems such as the corrosion products of the cladding tube caused by the reaction product, the increase in the amount of radioactive waste including the processed fuel powder, and the low fuel recovery rate.

このような問題は湿式加工法に起因するため、従来の装
置をそのまま乾式加工に用いることが考えられるが、以
下のような問題が生じ実用化に至っていない。
Since such a problem is caused by the wet processing method, it is possible to use the conventional apparatus for the dry processing as it is, but the following problems occur and it has not been put to practical use.

従来技術では、工具先端での燃料加工部で発生する熱
量が制御されないため、加工部が高温になり易く、ドリ
ル刃先の軟化変形と切削不能が生じる。
In the conventional technique, the amount of heat generated in the fuel processing portion at the tool tip is not controlled, so that the processing portion easily becomes hot, and softening deformation of the drill cutting edge and inability to cut occur.

従来の超音波振動ドリル加工装置の場合には、上記の
問題に加えて、研磨材を使用しないとドリル刃先の摩耗
減損がより著しくなる問題もある。
In the case of the conventional ultrasonic vibration drilling apparatus, in addition to the above-mentioned problems, there is a problem that the wear loss of the drill cutting edge becomes more remarkable unless an abrasive is used.

これらの加工装置ではドリル刃先が摩耗あるいは変形
すると、加工部での刃先の片当たりによるドリル欠損が
生じ易い。
In these processing devices, when the drill cutting edge is worn or deformed, the drill is likely to be broken due to uneven contact of the cutting edge at the processing portion.

従って従来技術をそのまま乾式加工に適用したのでは、
何れにしてもドリル刃先の交換頻度が高くなるため実用
的なものにはならない。
Therefore, if the conventional technology is applied to dry processing as it is,
In any case, it is not practical because the drill cutting edge is frequently replaced.

ところで使用済原子炉燃料ピンにおいて、被覆管から固
体燃料を除去する目的に対しては、燃料のみに一方向の
押出力を加えて燃料を除去する技術がある。低燃焼度燃
料の場合はこのような単純な押出式燃料除去方法によっ
て燃料の除去が可能であるが、高燃焼度燃料の場合には
燃料と被覆管が固着してしまい、その固着力が強いため
単純な常温での押出式加工では被覆管を損傷させること
なく燃料を取り出すことは困難である。
By the way, in a spent reactor fuel pin, for the purpose of removing the solid fuel from the cladding tube, there is a technique of removing the fuel by applying a unidirectional pushing force only to the fuel. In the case of low burnup fuel, the fuel can be removed by such a simple extruding fuel removal method, but in the case of high burnup fuel, the fuel and the cladding pipe become stuck and the sticking force is strong. Therefore, it is difficult to take out fuel without damaging the cladding tube by a simple extrusion process at room temperature.

本発明の目的は、上記のような技術的課題を解決するこ
とにある。即ち、ビッカース硬さで800以上の高硬度
状態にある燃料ペレットを内蔵する原子炉燃料の任意径
と長さのペレットの深穴加工、燃料付き被覆管からの燃
料の採取、除去、及び回収のための切削加工等を、被加
工材の健全性を維持しながら乾式で且つ研磨材を使用す
ることなく99%以上の燃料回収率で行うことを可能と
する原子炉燃料の超音波加工方法を提供することであ
る。
An object of the present invention is to solve the above technical problems. That is, deep hole drilling of pellets of arbitrary diameter and length of reactor fuel containing fuel pellets having a Vickers hardness of 800 or higher in a high hardness state, collection, removal, and recovery of fuel from a cladding tube with fuel The ultrasonic processing method of the reactor fuel that enables the cutting processing for the above to be performed dry and with the fuel recovery rate of 99% or more without using the abrasive while maintaining the soundness of the material to be processed. Is to provide.

[課題を解決するための手段] 上記のような技術的課題を解決できる本発明は、水分及
び酸素濃度がそれぞれ200重量ppm以下の高純度の不
活性ガスもしくは窒素ガス雰囲気中、または水分及び酸
素分圧がそれぞれ20Pa以下の真空中において、超音
波縦振動ホーンツールの先端に超硬チップ付きドリル、
あるいは先端を超硬処理したドリルを装着した超音波加
工装置により、ドリル先端摩耗度が低く、ドリル欠損が
無く、且つドリル刃先押し当て荷重が過大にならない状
態で燃料を乾式加工する原子炉燃料の超音波加工方法で
ある。
[Means for Solving the Problems] The present invention capable of solving the above-mentioned technical problems includes a high-purity inert gas or nitrogen gas atmosphere having a water content and an oxygen concentration of 200 ppm by weight or less, or water content and oxygen. In a vacuum with a partial pressure of 20 Pa or less, a drill with a carbide tip at the tip of the ultrasonic longitudinal vibration horn tool,
Alternatively, by using an ultrasonic machining device equipped with a drill whose tip is cemented, a dry process of fuel is performed in a state where the wear of the drill tip is low, there are no drill defects, and the load at the tip of the drill edge does not become excessive. This is an ultrasonic processing method.

ここで超音波加工装置は、セル(高放射性物質を取り扱
うために試験機器本体を収容する遮蔽壁で囲まれた区
画)内等に設置される。加工はドリルの先端摩耗度が6
0%以下、より好ましくは40%以下である状態で行
う。
Here, the ultrasonic processing apparatus is installed in a cell (a section surrounded by a shielding wall that houses the test equipment body for handling a highly radioactive substance) or the like. The drill has a wear degree of 6 at the tip.
It is performed in a state of 0% or less, more preferably 40% or less.

ドリルの欠損検出は超音波出力の異常低下を検出するこ
とによって行なえる。また加工時に過負荷防止スプリン
グ等によりドリル刃先が最適押し当て荷重となるように
調整し保持することによって過大な負荷が加わらないよ
うにする。
The drill defect can be detected by detecting an abnormal decrease in ultrasonic output. Also, during processing, an excessive load prevention spring or the like is used to adjust and hold the drill cutting edge so that it has the optimum pressing load, so that an excessive load is not applied.

[作用] 本発明では超音波加工装置をセル内等に設置し、水分及
び酸素濃度がそれぞれ200重量ppm以下の高純度の不
活性ガスもしくは窒素ガス雰囲気中、またはそれと同程
度以下しか水分及び酸素を含まない真空中において乾式
加工するため、加工時に被加工物の劣化を防止できる。
本発明では乾式加工法であるから、不純物の混入がなく
湿式法に伴う様々な問題を全て解決できる。
[Operation] In the present invention, the ultrasonic processing device is installed in a cell or the like, and the moisture and oxygen concentrations are respectively in a high-purity inert gas or nitrogen gas atmosphere having a concentration of 200 ppm by weight or less, or less than or equal to that. Since dry processing is performed in a vacuum that does not include, it is possible to prevent deterioration of the workpiece during processing.
Since the dry processing method is used in the present invention, various problems associated with the wet method can be solved without inclusion of impurities.

ドリル先端の摩耗度(%)は切削速度計によって検出で
きる。ドリル先端が大きく摩耗し加工燃料が異常な発熱
状態に近くなると切削速度が極端に低下することから、
切削速度を監視することによって異常発熱の開始を予知
しドリル交換時期を検知する。またドリル欠損が発生す
ると超音波出力が急激に低下することから、超音波出力
表示計で出力の異常低下を検出することによって欠損発
生時に加工動作を停止させる。
The wear rate (%) of the drill tip can be detected by a cutting speed meter. If the drill tip is greatly worn and the processing fuel approaches an abnormal heat generation state, the cutting speed will drop extremely,
The start of abnormal heat generation is predicted by monitoring the cutting speed, and the drill replacement time is detected. Further, when a drill defect occurs, the ultrasonic output sharply decreases. Therefore, the abnormal operation of the output is detected by the ultrasonic output indicator to stop the machining operation when the defect occurs.

更にドリル刃先に過大な負荷が発生すると刃先の損傷や
摩耗の進み、試料の異常発熱、試料損傷等が発生する。
本発明ではドリル刃先の押し当て荷重を適当な状態に保
持し過負荷を防止することで、それらの問題を解決して
いる。
Further, if an excessive load is applied to the drill blade, damage and wear of the blade will progress, abnormal heat generation of the sample, sample damage and the like will occur.
In the present invention, these problems are solved by maintaining the pressing load of the drill blade in an appropriate state and preventing overload.

[実施例] 第1図は本発明方法に用いる装置の一例を示す構成図で
ある。同図に示すように本発明は、超音波振動ドリル加
工装置本体11と、振動子冷却装置12と、加工燃料集
塵装置13とを具備し、それらはセル14内に設置され
る。超音波振動ドリル加工装置本体11と振動子冷却装
置12及び加工燃料集塵装置13とはそれぞれ冷却材パ
イプ16及び集塵パイプ17で機械的に結合されてい
る。また各装置は何れもセル外から電力が供給されて動
作する。各装置の動作を制御し計測を行う制御装置18
はセル14の外部に設置される。
[Embodiment] FIG. 1 is a block diagram showing an example of an apparatus used in the method of the present invention. As shown in the figure, the present invention includes an ultrasonic vibration drilling machine body 11, a vibrator cooling device 12, and a processed fuel dust collector 13, which are installed in a cell 14. The ultrasonic vibration drilling machine main body 11, the vibrator cooling device 12, and the processed fuel dust collecting device 13 are mechanically connected by a coolant pipe 16 and a dust collecting pipe 17, respectively. Further, each device operates by being supplied with power from outside the cell. Control device 18 that controls the operation of each device and performs measurement
Is installed outside the cell 14.

超音波振動ドリル加工装置本体11を第2図に示す。こ
れは基盤となるベッド部20の一方の側に設けた超音波
振動子加工部21と、それと反対側に設けた燃料ピン保
持・駆動部22を備えており、遠隔操作が可能である。
The ultrasonic vibration drilling apparatus main body 11 is shown in FIG. This is equipped with an ultrasonic transducer processing section 21 provided on one side of the bed section 20 as a base, and a fuel pin holding / driving section 22 provided on the opposite side thereof, and remote control is possible.

超音波振動子加工部21は縦振動ホーンツール24、該
ホーンツールの先端に遠隔操作用マニピュレータで着脱
自在の超硬チップ付きドリル25、前記振動子冷却装置
との間で冷却材パイプを接続するための接続部を備えて
いる。燃料ピン保持部は、加工燃料26を固定するコレ
ットチャック28、コレットチャック締付けレバー、コ
レットチャック取替え用ハンドル等からなり、また試料
駆動部は試料回転用モータ30、加工燃料ピンを送るス
テップモータ、各種リミットスイッチ及びストライカー
等を備えている。
The ultrasonic vibrator processing unit 21 connects a longitudinal vibration horn tool 24, a drill 25 with a cemented carbide tip that is detachably attached to the tip of the horn tool by a manipulator for remote operation, and a coolant pipe to the vibrator cooling device. It has a connection part for. The fuel pin holding portion is composed of a collet chuck 28 for fixing the processing fuel 26, a collet chuck tightening lever, a collet chuck replacement handle, etc., and a sample driving section is a sample rotating motor 30, a step motor for sending a processing fuel pin, and various types. It is equipped with a limit switch and a striker.

次に超音波振動子の一例を第3図A〜Cに示す。この超
音波振動子は、縦振動ホーンツール24の先端にドリル
25を装着した構造であり、先端のドリル25を用途に
応じて取り替えることによって任意径、任意の硬さの試
料の加工を行なえるようになっている。このような工具
によってビッカース硬さH=1000程度の原子炉燃
料までの加工が可能である。しかし加工試料が超硬度に
なるほどドリル先端の摩耗は大きくなり加工に時間を要
する。精密加工が要求されるような場合には粗加工と仕
上げ加工の2段階に分け、また試料のサンプリングを行
うような場合には中空円形のドリルを使用する。ドリル
とホーンツールとを分割構造にすると低コスト化を図る
ことができるが、遠隔操作性をより向上させ、振動エネ
ルギーのより有効な伝達を図るためにはドリルとホーン
ツールとを一体化してもよい。
Next, an example of the ultrasonic transducer is shown in FIGS. This ultrasonic transducer has a structure in which a drill 25 is attached to the tip of a longitudinal vibration horn tool 24, and by exchanging the drill 25 at the tip according to the application, a sample of arbitrary diameter and hardness can be processed. It is like this. With such a tool, it is possible to process up to a reactor fuel having a Vickers hardness H V = 1000. However, the higher the hardness of the processed sample, the greater the wear of the tip of the drill and the more time it takes to process. When precision processing is required, it is divided into two steps, rough processing and finishing, and when sampling a sample, a hollow circular drill is used. Cost reduction can be achieved by dividing the drill and the horn tool, but in order to further improve remote operability and more effectively transmit vibration energy, the drill and horn tool can be integrated. Good.

ベッド部20のほぼ中央には、第4図に示すように、加
工中に落下する燃料粉や破片等を回収するための加工燃
料受槽36とそれを覆う加工燃料飛散防止用のアクリル
樹脂製の集塵ボックス37が設けられ、該集塵ボックス
37の上部には前記加工燃料集塵装置との間に接続され
る集塵パイプ17が取り付けられる。集塵ボックス37
の両側壁にはそれぞれ加工燃料ピン部の出入口38とド
リル部の出入口39とが開口している。
As shown in FIG. 4, a processed fuel receiving tank 36 for collecting the fuel powder, debris, and the like that fall during processing and an acrylic resin cover for covering the processed fuel receiving tank 36 for preventing scattering of the processed fuel are provided at approximately the center of the bed portion 20. A dust collection box 37 is provided, and a dust collection pipe 17 connected to the processed fuel dust collection device is attached to an upper portion of the dust collection box 37. Dust collection box 37
An inlet / outlet port 38 of the processed fuel pin portion and an inlet / outlet port 39 of the drill portion are opened on both side walls of the.

上記の超音波振動ドリル加工装置本体11では、長尺試
料の加工を容易にするため、80〜100mmに及ぶ燃料
ピンに対して片側からの加工が燃料ピン中央部付近まで
到達したならば一旦加工を自動停止させ、コレットチャ
ック部での燃料ピンの反転を行い再加工可能になってい
る。
In the ultrasonic vibration drilling machine body 11 described above, in order to facilitate the processing of a long sample, once the processing from one side reaches a fuel pin central portion for a fuel pin of 80 to 100 mm, it is processed once. The fuel pin is automatically stopped and the fuel pin at the collet chuck is turned over to allow reworking.

加工燃料集塵装置13は、やや大きめの(粒径0.3μ
m程度かそれ以上の)微粒子をトラップするプレフィル
タと、それ以下の微粒子を収集する高性能エアフィルタ
とを2段直列に組み合わせて配置し、そのほか吸気用ブ
ロア及びフィルタの集塵状況を監視し目詰まりに対する
フィルタ交換時期を指示する差圧計を備えている。プレ
フィルタとしては例えば0.3μmメッシュ程度のペー
パーフィルタを用いる。
The processed fuel dust collector 13 is slightly larger (particle size 0.3 μm).
A pre-filter for trapping fine particles (about m or more) and a high-performance air filter for collecting fine particles of less than 2 are arranged in series in combination, and the dust collection status of the intake blower and filter is also monitored. It is equipped with a differential pressure gauge that indicates when to replace the filter for clogging. As the pre-filter, for example, a paper filter of about 0.3 μm mesh is used.

上記のような各装置をセルの外部から計測・制御する制
御装置18は、振動子冷却装置駆動系、試料回転送り制
御系、及び超音波発振制御系等から構成される。
The control device 18 for measuring and controlling each of the above devices from the outside of the cell includes a vibrator cooling device drive system, a sample rotary feed control system, an ultrasonic oscillation control system, and the like.

この装置は高放射線量率下で使用するため、超音波振動
ドリル加工装置本体11、振動子冷却装置12、加工燃
料集塵装置13のうち使用頻度や交換頻度が高いコレッ
トチャック操作部、ホーンツール部分等については、何
れも単純なレバー式やトルクレンチを用いた回転式と
し、また集塵用フィルタ類についてもマニピュレータに
よる分解・交換が可能な分割組立て方式が採用されてい
る。
Since this device is used under a high radiation dose rate, a collet chuck operating part, a horn tool, which is frequently used or replaced among the ultrasonic vibration drilling device main body 11, the oscillator cooling device 12, and the processed fuel dust collecting device 13. The parts and the like are all simple lever type or rotary type using a torque wrench, and the dust collecting filters are also divided and assembled so that they can be disassembled and replaced by a manipulator.

特に本発明における被加工材は原子炉燃料であり、燃料
中の核分裂生成物が加工時における雰囲気との反応によ
る影響が少ないことが要求される。第5図は使用済みの
原子炉燃料を内蔵するオーステナイト・ステンレス鋼被
覆管について、不純物としての酸素及び水分濃度をパラ
メータとする窒素雰囲気中で乾式加工した後に、同じ不
純物を含む窒素雰囲気中で、且つ高温における引張り破
断伸びを測定したものである。同図から明らかなよう
に、1000重量ppm 以上の水分及び/又は酸素を含む
雰囲気中では破断伸びが低下する。これは燃料内部から
表面に滲み出し被覆管内面に付着した核分裂生成物が水
分と反応して高温度下で被覆管を劣化させるためと考え
られる。従って原子炉燃料に及ぼす加工雰囲気の影響を
避けるために、加工雰囲気として例えば高純度の不活性
ガスもしくは反応性の低い高純度の窒素ガスを使用す
る。雰囲気ガス中の不純物である水分及び酸素濃度は、
それぞれ、それらの影響が少なくなる200重量ppm 以
下とする。
In particular, the material to be processed in the present invention is a reactor fuel, and it is required that the fission products in the fuel are less affected by the reaction with the atmosphere during processing. FIG. 5 shows an austenitic stainless steel cladding tube containing a spent nuclear reactor fuel, which was dry-processed in a nitrogen atmosphere having oxygen and water concentrations as impurities as parameters, and then in a nitrogen atmosphere containing the same impurities. In addition, the tensile elongation at break at high temperature is measured. As is clear from the figure, the elongation at break is lowered in the atmosphere containing 1000 ppm by weight or more of water and / or oxygen. It is considered that this is because the fission products that exude from the inside of the fuel to the surface and adhere to the inner surface of the cladding tube react with moisture to deteriorate the cladding tube at high temperature. Therefore, in order to avoid the influence of the processing atmosphere on the reactor fuel, for example, a high-purity inert gas or a low-reactivity high-purity nitrogen gas is used as the processing atmosphere. The moisture and oxygen concentrations of impurities in the atmosphere gas are
Each of them is set to 200 ppm by weight or less so that their effects are reduced.

勿論、加工雰囲気は上記条件の他、それと同程度以下し
か水分及び酸素を含有しない真空中であってもよい。
Of course, the processing atmosphere may be, in addition to the above-described conditions, a vacuum containing water and oxygen in the same amount or less.

さて本発明では乾式加工を行うために更に以下に述べる
ような対策が採られている。それらはドリルの摩耗状態
の監視、ドリルの欠損検出、加工時のドリル刃先の最適
押し当て荷重の保持・調整と過負荷の防止である。
In the present invention, the following measures are further taken to perform dry processing. They are to monitor the wear condition of the drill, detect the loss of the drill, hold and adjust the optimum pressing load of the drill blade edge during machining, and prevent overload.

高硬度の原子炉燃料を乾式で切削加工すると加工中に発
熱量が増大することがあり、昇温によるドリル刃の軟化
によって切削不能の状態になる。また昇温に伴い試料に
悪影響を及ぼす。これらを防止するための種々の検討を
試みた結果、ドリル先端での発熱量の増大とドリル摩耗
が密接に関係していることが明らかとなり、それを利用
してドリルの状態を適切に把握することで乾式加工が可
能となる。
When dry cutting a high hardness reactor fuel, the amount of heat generated may increase during the processing, and the cutting becomes uncut due to the softening of the drill blade due to the temperature rise. Moreover, the sample is adversely affected as the temperature rises. As a result of various studies to prevent these problems, it became clear that the increase in the amount of heat generated at the drill tip and drill wear are closely related. This makes dry processing possible.

先ずドリル先端が40〜50%以上摩耗すると急激に切
削速度が低下し、60%以上では試料及びドリル先端で
の発熱が貯しく増大することが判った。この関係を第6
図に示す。同図は硬さH=830のアルミナ焼結体を
試料としてドリル先端摩耗度(%)に対する切削速度
(mm/分)の関係を示している。ドリル先端摩耗度が6
0%を超えた領域が試料発熱域となる。そこで本発明で
は問題解決のためにドリルの摩耗程度を切削速度計及び
切削速度記録計で検出し、ドリル先端が大きく摩耗して
燃料が発熱状態に近くなると切削速度が極端に低下する
ことを利用して、異常発熱の開始を予知しドリル交換時
期を検知している。
First, it was found that when the drill tip wears 40 to 50% or more, the cutting speed sharply decreases, and when the drill tip is 60% or more, heat generation in the sample and the drill tip increases remarkably. This relationship is the sixth
Shown in the figure. This figure shows the relationship between the cutting speed (mm / min) and the wear rate (%) of the drill tip using an alumina sintered body having a hardness H V = 830 as a sample. Drill tip wear is 6
The area over 0% is the heat generation area of the sample. Therefore, in the present invention, in order to solve the problem, the degree of wear of the drill is detected by a cutting speed meter and a cutting speed recorder, and it is utilized that the cutting speed is extremely reduced when the tip of the drill is greatly worn and the fuel is in a heat generation state. Then, it predicts the start of abnormal heat generation and detects the drill replacement time.

次に第7図に示すように、乾式加工時にドリル欠損が発
生すると超音波出力が約1/2に減少することが判っ
た。そこでこのことを利用して超音波出力表示計で出力
の異常低下を検知したとき加工動作を停止することによ
って試料の燃料被覆管や燃料の損傷を防止する。
Next, as shown in FIG. 7, it was found that the ultrasonic output was reduced to about 1/2 when a drill defect occurred during dry machining. Therefore, by utilizing this fact, the processing operation is stopped when an abnormal decrease in output is detected by the ultrasonic output indicator to prevent damage to the fuel cladding tube and fuel of the sample.

超音波振動が伝達されるドリル刃先に過大な荷重が加わ
ると、刃先損傷や摩耗の進行、燃料の異常発熱、燃料損
傷等が生じる。これらを防止するためには加工時のドリ
ル刃先の押し当て荷重を常時最適値に保つ必要がある。
第8図は模擬燃料としてH=800のアルミナ焼結体
を使用して求めたドリル刃先押し当て荷重(kg)と切削
速度との関係を示している。同図から明らかなように、
ドリル刃先押し当て荷重が0.8 〜 1.2kgの範囲において
最も良好な切削効率を示し、0.7 kg以下では切削速度が
低く、逆に1.4kg以上ではドリルの摩耗速度が増加し切
削速度も急速に低下する。本発明ではこのような関係を
ふまえ、ドリル刃先の加工燃料への押し当て荷重が最適
となるようにしている。その例を第9図に示す。
When an excessive load is applied to the drill blade to which ultrasonic vibrations are transmitted, the blade edge is damaged or worn, abnormal fuel heat is generated, and fuel is damaged. In order to prevent these, it is necessary to always keep the pressing load of the drill blade edge at the optimum value during machining.
FIG. 8 shows the relationship between the cutting load of the drill blade tip (kg) and the cutting speed obtained by using an alumina sintered body having H V = 800 as a simulated fuel. As is clear from the figure,
It shows the best cutting efficiency in the range of 0.8 to 1.2 kg of the pressure applied to the drill edge, the cutting speed is low at 0.7 kg or less, and conversely the wear rate of the drill increases and the cutting speed also rapidly decreases at 1.4 kg or more. . In the present invention, based on such a relationship, the pressing load of the drill cutting edge against the processing fuel is optimized. An example thereof is shown in FIG.

この機構は、燃料ピン保持・駆動部22を搭載する上部
スライド盤43と、これらを搭載し定速駆動する下部ス
ライド盤42との間に設けられるものである。即ち両ス
ライド盤42,43の間に過負荷防止スプリング44
と、そのスパン調整ネジ45と、過負荷防止スプリング
44に規定以上の加工部反力がかかった時に作動して加
工動作を停止させるリミットスイッチ46を設けたもの
である。
This mechanism is provided between an upper slide board 43 on which the fuel pin holding / driving section 22 is mounted and a lower slide board 42 on which the fuel pin holding / driving section 22 is mounted and which is driven at a constant speed. That is, an overload prevention spring 44 is provided between the slide plates 42 and 43.
Further, the span adjusting screw 45 and the limit switch 46 for stopping the machining operation when the overload prevention spring 44 is applied with a reaction force of the machining portion which is equal to or more than a prescribed value are provided.

切削加工時にはステップモータにより下部スライド盤4
2を白抜き矢印a方向に定速駆動する。上部スライド盤
43には過負荷防止スプリング44を介して駆動力が加
わり、それと反対方向(白抜き矢印b)に加工部反力が
加わる。過負荷防止スプリング44のスパンを調節ネジ
45により最適切削押し当て荷重に設定し切削加工を行
わせる。このように過負荷防止スプリング44はドリル
先端への最適押し当て荷重素子としての役割をも果た
す。ドリル刃先の押し当て荷重が規定以上になった場合
は、過負荷防止スプリング44が反力に応じて収縮し、
リミットスイッチ46が作動する。これによって加工燃
料ピンの送り用ステップモータ及び試料回転用モータ3
0が停止し、加工動作が停止する。
Lower cutting board 4 by step motor during cutting
2 is driven at a constant speed in the direction of the outlined arrow a. A driving force is applied to the upper slide plate 43 via the overload prevention spring 44, and a processing portion reaction force is applied in the opposite direction (white arrow b). The span of the overload prevention spring 44 is set to the optimum cutting pressing load by the adjusting screw 45 and the cutting process is performed. In this way, the overload prevention spring 44 also functions as an optimum pressing load element for the drill tip. When the pressing load of the drill blade exceeds the specified value, the overload prevention spring 44 contracts according to the reaction force,
The limit switch 46 operates. As a result, a step motor for feeding the processed fuel pin and a motor 3 for rotating the sample are provided.
0 stops, and the machining operation stops.

さて一般に超音波による加工速度を増大させるためには
先端加工工具の超音波振動の振幅を大きくすればよく、
このためには振動子への電気入力を大きくするか振動子
の共振周波数をできる限り低くするのがよい。しかし振
動子周波数が低くなると可聴音となる虞れがあるため、
実用的には16〜30kHzの範囲の周波数が選ばれてい
る。本装置は気密型セル内に設置されることを考慮し、
共振周波数として16kHz近傍を選定し、この条件で電
気入力を最大にする超音波振動制御系を採用している。
実際には制御装置18に超音波振動調整切り換えスイッ
チを設け、それによって最大出力を調整・保持できるよ
うになっている。
Generally, in order to increase the processing speed by ultrasonic waves, it is sufficient to increase the amplitude of ultrasonic vibration of the tip processing tool,
For this purpose, it is preferable to increase the electric input to the vibrator or lower the resonance frequency of the vibrator as much as possible. However, if the oscillator frequency becomes low, it may become audible, so
Practically, frequencies in the range of 16 to 30 kHz are selected. Considering that this device is installed in an airtight cell,
A resonance frequency of around 16 kHz is selected, and an ultrasonic vibration control system that maximizes electric input under this condition is adopted.
In practice, the control device 18 is provided with an ultrasonic vibration adjustment changeover switch so that the maximum output can be adjusted and maintained.

原子炉燃料ペレットの切削加工においては、燃料以外の
物質を混入させることなく、且つ加工により生じた燃料
破片、燃料粉等の燃料物質の高回収率で回収することが
強く要請される。例えばウランとプルトニウムの混合酸
化物燃料の燃料除去加工においては、0.1 g のオーダー
の回収が望まれている。また原子炉燃料加工中における
燃料粉の飛散による汚染の低レベル化、汚染除去時の放
射性廃棄物の低減化も重要な課題をなしている。本発明
においては、超音波振動ドリル加工装置本体の中央部に
設けた加工燃料受槽内で加工燃料ピンを移動・加工し、
加工中に落下する燃料粉や破片を先ず回収し、また微粉
化した燃料粉は加工燃料集塵装置によって回収率を高め
るようになっている。本体の集塵ボックス37から吸引
した燃料微粉はプレフィルタでトラップされる。プレフ
ィルタに捕獲された微粉末はプレフィルタごと取り出す
ことによって収集可能である。高性能エアフィルタでは
プレフィルタを通過した燃料粉をトラップし、セル内で
の燃料微粉の飛散による汚染防止、ひいては汚染除去時
の放射性廃棄物の低減化を図っている。
In the cutting process of nuclear reactor fuel pellets, it is strongly required to collect fuel substances such as fuel debris and fuel powder produced by the process at a high recovery rate without mixing substances other than fuel. For example, in the fuel removal processing of mixed oxide fuels of uranium and plutonium, recovery of 0.1 g order is desired. In addition, reducing the level of pollution due to the scattering of fuel powder during nuclear fuel processing and reducing radioactive waste during decontamination are also important issues. In the present invention, the processing fuel pin is moved and processed in the processing fuel receiving tank provided in the central portion of the ultrasonic vibration drill processing device main body,
Fuel powder and debris that fall during processing are first collected, and the finely divided fuel powder is designed to have a high recovery rate by a processed fuel dust collector. The fine fuel powder sucked from the dust collecting box 37 of the main body is trapped by the prefilter. The fine powder captured by the pre-filter can be collected by taking out it together with the pre-filter. The high-performance air filter traps the fuel powder that has passed through the pre-filter and prevents the pollution of the fuel fine powder in the cell, thus reducing the radioactive waste when removing the pollution.

次に本発明方法によって模擬燃料であるアルミナ焼結ペ
レットを加工した場合の回収例を第1表に示す。同表に
示すように、回収率は非常に良好で、平均99%以上の
値になっている。
Next, Table 1 shows an example of recovery when alumina sintered pellets as a simulated fuel were processed by the method of the present invention. As shown in the table, the recovery rate is very good, and the average value is 99% or more.

試験に使用した模擬燃料ペレットはステンレス鋼被覆管
に焼き嵌めた均質の超硬アルミナ焼結体であり、微細ク
ラックは全くない稠密のものである。ところが実際の加
工対象物の代表的なものは、被覆管に酸化物燃焼ペレッ
トを収めたものであり、このような使用済原子炉燃料ペ
レットでは微細な空孔やクラックが多数発生している。
このため極めて破片化、細粉化し易く、緻密な充填状態
の模擬燃料ペレットの場合よりも用意に加工し得るもの
と判断できる。従って本発明方法によってピッカース硬
さ800以上の超硬度の原子炉燃料の深穴加工や切削加
工を、乾式で研磨材を使用することなく、遠隔操作用マ
ニピュレータにより行うことができ、しかも燃料加工粉
を99.9%以上の高効率で回収することができる。
The simulated fuel pellet used in the test was a homogeneous cemented carbide alumina sintered body that was shrink-fitted into a stainless steel cladding tube, and was a dense one without any fine cracks. However, a typical object to be actually processed is one in which oxide combustion pellets are contained in a cladding tube, and in such a spent reactor fuel pellet, many fine holes and cracks are generated.
For this reason, it can be judged that it is extremely easy to be fragmented and pulverized, and can be processed more easily than in the case of the simulated fuel pellet in a densely packed state. Therefore, according to the method of the present invention, it is possible to perform the deep hole drilling and the cutting of the ultra-hard reactor fuel having the Pickers hardness of 800 or more by the dry manipulator without using the abrasive, and the fuel processing powder. Can be recovered with a high efficiency of 99.9% or more.

なお上記の実施例では超音波振動ドリル加工装置本体を
横置型にしているが、超音波振動子加工部を垂直に設置
し、燃料ピン保持・駆動部を垂直に駆動する縦型構造に
してもよい。
In the above embodiment, the ultrasonic vibration drilling machine body is a horizontal type, but the ultrasonic vibrator machining section is installed vertically and the fuel pin holding / driving section is vertically driven. Good.

本発明は次のような用途に利用できる。The present invention can be used for the following applications.

使用済原子炉燃料付き被覆管から、被覆管が健全なま
まの状態で燃料のみを効率よく回収し、材料の照射特性
を調べるための被覆管試料を採取すること、 燃料温度測定のための熱電対埋込み用穴加工や中性子
照射量測定のためのワイヤ・モニタ埋込み用穴を設ける
ための原子炉燃料加工、中空燃料ペレット作成のための
穴加工、その他の目的のための燃料深穴加工に利用する
こと。
Efficiently recovering only the fuel from the cladding tube with spent reactor fuel while keeping the cladding tube sound, and collecting the cladding tube sample to investigate the irradiation characteristics of the material. Used for drilling holes for embedding and wire monitoring for neutron dose measurement Reactor fuel machining for providing embedding holes, drilling for hollow fuel pellets, and deep fuel drilling for other purposes To do.

[発明の効果] 本発明は上記のように、水分及び酸素濃度がそれぞれ2
00重量ppm 以下の高純度の不活性ガスもしくは窒素ガ
ス雰囲気中、またはそれと同程度以下しか水分及び酸素
を含まない真空中において乾式加工するため、加工雰囲
気による被加工物の劣化を防止することができる。また
ドリル先端摩耗度が低く、ドリル欠損が無く、且つドリ
ル刃先押し当て荷重が過大にならない状態で燃料を加工
するため、ビッカース硬さ800以上の超硬度の原子炉
燃料の深穴加工や切削加工等を乾式で研磨材を使用する
ことなく実施でき、しかも燃料加工粉を99%以上の高
回収率で回収することが可能となった。
EFFECTS OF THE INVENTION As described above, the present invention has a water content and an oxygen content of 2
Since dry processing is performed in an atmosphere of high-purity inert gas or nitrogen gas of less than 00 ppm by weight, or in a vacuum containing water and oxygen at the same level or less, deterioration of the work piece due to the processing atmosphere can be prevented. it can. Deep drilling and cutting of ultra-hard reactor fuel with a Vickers hardness of 800 or more is performed because the fuel is processed in a state in which the wear of the drill tip is low, there are no drill defects, and the load at the tip of the drill edge does not become excessive. And the like can be carried out in a dry manner without using an abrasive, and the fuel processing powder can be recovered at a high recovery rate of 99% or more.

このような本発明を活用することによって、原子炉技術
の中でもキーテクノロジーである原子炉燃料集合体の長
寿命化、信頼性の高い高性能原子炉燃料の開発等を促進
できる。
By utilizing the present invention as described above, it is possible to promote the development of a highly reliable high-performance nuclear reactor fuel, which is a key technology among nuclear reactor technologies, and has a long life.

更に極めて高回収率で燃料加工が可能であり、且つ乾式
のため不純物の混入が無い状態で原子炉燃料を回収でき
る結果、原子炉燃料の有効な再利用を図ることができ
る。また、作業環境における原子炉燃料粉の飛散による
放射能汚染を防止し、原子炉燃料物質を含む放射性廃棄
物量を低減化でき、照射後試験施設周辺の環境に放出さ
れる放射性物質を極めて低く抑えることができる等、数
々の優れた効果を有するものである。
Further, the fuel can be processed with an extremely high recovery rate, and since it is a dry type, the reactor fuel can be recovered in a state where impurities are not mixed, so that the reactor fuel can be effectively reused. In addition, it is possible to prevent radioactive contamination due to scattering of reactor fuel powder in the work environment, reduce the amount of radioactive waste including reactor fuel substances, and keep radioactive substances released to the environment around the post-irradiation test facility extremely low. It has a number of excellent effects.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明方法を適用した超音波加工装置の一例を
示す構成図、第2図は超音波振動ドリル加工装置本体の
斜視図、第3図A,B,Cはそれぞれ超音波振動子部の
正面図とドリル刃先の拡大図及びその側面図、第4図は
集塵ボックスの説明図である。また第5図は加工時にお
ける雰囲気中の不純物濃度に対する材料特性を示す説明
図、第6図はドリル先端摩耗度と切削速度との関係を示
す説明図、第7図はドリル欠損発生時における出力変化
を示す説明図、第8図はドリル刃先押し当て荷重に対す
る切削速度の関係を示す説明図、第9図は加工時におけ
るドリル刃先の最適押し当て荷重の保持・調整と過負荷
を防止する機構を示す説明図である。 11……超音波振動ドリル加工装置本体、12……振動
子冷却装置、13……加工燃料集塵装置、14……セ
ル、21……超音波振動子加工部、22……燃料ピン保
持・駆動部、24……ホーンツール、25……超硬チッ
プ付きドリル、26……加工燃料。
FIG. 1 is a block diagram showing an example of an ultrasonic machining apparatus to which the method of the present invention is applied, FIG. 2 is a perspective view of an ultrasonic vibration drill machining apparatus body, and FIGS. 3A, 3B and 3C are ultrasonic transducers, respectively. FIG. 4 is an explanatory view of the dust collection box, and FIG. Further, FIG. 5 is an explanatory diagram showing material characteristics with respect to the impurity concentration in the atmosphere during machining, FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the drill tip wear rate and cutting speed, and FIG. 7 is the output when a drill defect occurs. FIG. 8 is an explanatory diagram showing changes, FIG. 8 is an explanatory diagram showing a relationship of cutting speed with respect to a drill blade tip pressing load, and FIG. 9 is a mechanism for holding / adjusting an optimum pressing load of the drill blade tip during processing and preventing overload. FIG. 11 ... Ultrasonic vibration drill processing device main body, 12 ... Oscillator cooling device, 13 ... Processing fuel dust collector, 14 ... Cell, 21 ... Ultrasonic vibrator processing part, 22 ... Fuel pin holding / Drive part, 24 ... Horn tool, 25 ... Drill with carbide tip, 26 ... Processing fuel.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】水分及び酸素濃度がそれぞれ200重量pp
m以下の高純度の不活性ガスもしくは窒素ガス雰囲気中
において、超音波縦振動ホーンツールの先端に超硬チッ
プ付きドリルを装着した超音波加工装置により、ドリル
先端摩耗度が低く、ドリル欠損が無く、且つドリル刃先
押し当て荷重が過大にならない状態で燃料を乾式加工す
ることを特徴とする原子炉燃料の超音波加工方法。
1. A water content and an oxygen content are each 200 weight pp.
Ultrasonic machining equipment with a carbide tip drill attached to the tip of an ultrasonic vertical vibration horn tool in an atmosphere of high-purity inert gas or nitrogen gas of m or less, with low wear of the drill tip and no drill defects And a method for ultrasonically processing a fuel for a nuclear reactor, characterized in that the fuel is dry-processed in a state where the load applied to the drill blade tip does not become excessive.
【請求項2】水分及び酸素分圧がそれぞれ20Pa以下
の真空中において、超音波縦振動ホーンツールの先端に
超硬チップ付きドリルを装着した超音波加工装置によ
り、ドリル先端摩耗度が低く、ドリル欠損が無く、且つ
ドリル刃先押し当て荷重が過大にならない状態で燃料を
乾式加工することを特徴とする原子炉燃料の超音波加工
方法。
2. A drill having a low wear at the drill tip by an ultrasonic machining apparatus in which a drill with a cemented carbide tip is attached to the tip of an ultrasonic longitudinal vibration horn tool in a vacuum with a water and oxygen partial pressure of 20 Pa or less, respectively. A method for ultrasonically processing a fuel for a nuclear reactor, characterized in that the fuel is dry-processed in a state where there is no loss and the load applied by pressing the drill blade is not excessive.
【請求項3】ドリルの先端摩耗度が60%以下で加工を
行う請求項1又は2記載の超音波加工方法。
3. The ultrasonic machining method according to claim 1, wherein the machining is performed when the wear of the tip of the drill is 60% or less.
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