基于EDEM的核燃料微球自動化裝填方法研究

中圖分類號：TL291 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.08.008

文章編號：1006-0316（2025）08-0049-06

AnAutomatic FillingMethodofNuclear-fuelMicrospheresBased on EDEM

QUWangqinqin1，WANG Jie'，WANGYiwei2 （1.School of Mechanical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610o65， China; 2.Medical

Department， Wangjiang Campus Hospital of Sichuan University Hospital， Chengdu 61oo65，China）

Abstract ： To address the low efficiency of traditional manual filling for nuclear fuel microspheres，this study proposes an automatic filing method based on microsphere pouring principles，systematically investigating the influenceof hole depth parameters in loading plateson fuel fixation effectiveness.By establishing a three-dimensional mechanical model of nuclear fuel microspheresand blind-hole loading plates，force equilibrium equations were constructed to derive the theoretical relationship between critical detachment conditions and hole depths.Discrete element EDEM simulationswere employed to analyze microsphere stacking behaviors under three typical hole depths （ 0.20mm ，0.30 mm， 0.32 mm）， determining the optimal range of holedepth parameters based on mechanical analysis.Anautomatic filing experimental platform was developed based on simulation results，incorporating a multi-hole synchronous filing mechanism for uniform distribution of microspheres and a vision inspection system for real-time quality monitoring.Experimental results demonstrate that the hole depth of 0.30mm achieves a filling rate exceeding 95% while maintaining proper microsphere exposure. This research validates the effectiveness of parameter optimization through mechanical modeling and EDEMsimulations for nuclear fuel loading plate design，providing a novel technical approach for preparing fuel assemblies for nuclear power plants.

KeyWords ：automated device;EDEM simulation; nuclear-fuel microspheres;structural design

核能作為清潔高效的新型能源載體，在優化我國能源結構、實現“雙碳”目標中具有戰略地位[1]。核燃料微球是第四代氣冷堆等先進反應堆的核心組件，直徑多為 100～300μm_Ω 需以有序致密排布方式固定于盲孔裝載板，這對燃燒效率控制與中子通量監測具有決定性影響。然而，現行人工裝填工藝存在裝填效率低、合格率波動大、表面殘留率高等缺陷，嚴重制約燃料組件批量化制備進程，研發高精度自動化裝填裝備已成為核工業裝備升級的迫切需求。

在微裝配技術領域，國內外學者已取得系列突破性成果。王坎[2構建了數字化微裝配實驗裝置，實現微米級空間定位。郝永平等[3-4]先后開發了壓電陶瓷驅動微夾持器與真空吸附系統，解決了MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem，微機電系統）器件精密操控難題。胡俊峰等[5提出壓電振動釋放法，有效抑制了微尺度黏著效應。在送料技術方面，柳志康等[6]通過EDEM仿真驗證了振動送料的工程可行性。周開歡[7]的非對稱微夾持器實現了 0.1μm 定位精度。自動化系統集成領域，郭志良[1]的單元化設計理論為復雜裝備開發提供了方法論指導。蔡建陽[11]的Kriging模型優化法顯著提升了夾持器綜合性能。國際研究方面，Butzerin等[12]的CNTFET自動組裝平臺展示了納米級定位潛力。Du等[13]的故障恢復機械臂與Sha等[14]的MOFOPSO算法為復雜裝配提供了新思路。Abondance等[15]的軟體機械臂則拓展了非結構化場景應用邊界。

然而，現有研究在核燃料微球裝填場景中面臨顯著的技術瓶頸。傳統微夾持器[2-5，7]難以適應批量微球并行處理需求，單件操作模式導致效率天花板；振動送料[6雖能提升吞吐量，但缺乏對微球空間位置的精確控制；現有自動化系統[10-11，13-15]多針對宏觀零件設計，在微米級燃料裝填中無法簡單移用。更關鍵的是，盲孔深度參數與微球力學特性的耦合機制尚未明晰，制約著裝填合格率的提升。

因此，本文提出“力學建模一參數優化一系統集成”的解決路徑。首先建立微球一盲孔接觸力學模型，推導臨界脫落條件與孔深量化關系；運用EDEM離散元仿真對比分析 0.2～ 0.4mm 孔深工況下的微球穩定性；進而設計微球裝填機構，開發出首套核燃料微球專用自動化裝填裝備。

1微球裝填裝置的整體設計思路

1.1微球裝填裝置執行流程

微球自動裝填裝置需要實現主體功能，即將料倉中的物料裝填至待盲孔板中，并保證總裝填率至少達到 95‰ 其中裝填率等于實際填球數量除以孔板表面盲孔數。布料完成后，孔板表面盲孔外無多余物料，單片孔板布料時長小于 15min 。裝填完成后，將盲孔板抓取放入特定框架容器中。自動裝填料裝置由物料管理系統、布料系統、檢測系統、工件取放系統、操作控制系統構成。除操作控制系統外，裝置其余系統均在密閉空間內，裝置各構件需布局合理、外觀美觀。本設備擬實現微球全過程自動化裝填，主要采用過量裝填與振動清除、機器視覺檢測、數控傳輸三種手段，高效率實現微球自動化裝填至裝載孔板中的執行過程，通過多工位協作確保填充精度及效率。微球自動裝填裝置執行功能的流程如圖1所示。

圖1微球自動裝填設備工序圖

1.2工位2微球裝填原理與結構

為實現微球全過程自動化裝填，主要采用過量裝填與角度傾斜清除、機器視覺檢測、數控傳輸三種手段。對于核心的微球裝填部分，首先使用過量的微球覆蓋裝載板，然后對裝載板進行角度調整。對于可能處在堆積狀態的多余微球，通過擊振載物臺、刮板刮散多余聚堆微球的方式進行清理。對裝填后的裝填板進行即時的機器視覺檢測，確定微球填充情況。如果填充率沒有達到要求，即重復過量裝填與振動清除的步驟；如果填充率到達要求，則進行后續步驟。裝填工序執行裝置結構如圖3所示。其中角度調整平臺采用伺服電機驅動，傾角范圍 0^°～30^° （分辨率 0.1^°. ）；振動裝置采用電磁振動器，頻率為 5～50Hz， 振幅在 0.1～2.0mm 區間內可調；刮板機構采用直線模組驅動刮刀，材料為碳化鎢，行程精度為土 0.01mm

圖2微球裝填工序執行裝置正視圖

1.3裝載板盲孔深度的確定

根據實際應用場景的要求，微球裝載孔板表面微孔陣列均勻分布，孔板厚度在 1.0mm 左右，孔板上盲孔數量在10000個左右，盲孔半徑 R≈0.23mm， 孔心間距 D≈0.6mm （中心距）。為保證裝填后續應用效果，微球應有部分露出盲孔，盲孔深度 d 為 0.2～0.32mm ，對應填進孔中的微球直徑 r≈0.2mm， ，密度約為 6g/cm³ 。

平衡狀態時，微球的受力情況如圖3所示。此時斜面沿斜面向上給微球的摩擦力與支持力之和等于重力沿斜面向下的分力。

全自動裝填時，因為有大量微球進行過量裝填，盲孔的深度應著重考慮兩類情況： ① 在孔內的微球不能被其余微球沖出孔外； ② 不能有多余微球堆積在裝填板上。

m 為微球質量； θ 為裝載板傾角。

根據情況 ① ，考慮在孔內的微球被沖出孔外的臨界狀態。

當微球剛好要滾出孔時，微球與孔邊緣的接觸點發生變化，此時可根據幾何關系求出：

式中 ：h 為微球重心升高的高度 ;s 為微球重心沿斜面移動的距離。

在微球從靜止狀態到剛好滾出孔的過程中，滿足：

W_F+W_G-W_f=ΔE_p

式中： W_F 為其余過量微球撞擊產生的撞擊力 F 做的功； W_?G 為重力做的功； W_f 為克服摩擦力做的功； ΔE_p 為微球機械能的變化。

在微球剛好滾出孔的臨界狀態下，微球的動能為0，只有重力勢能的增加，因此：

式中 Θ：Π_υ 為摩擦系數。

設 θ 為常數，則：

umgcosθ-mgsinθ

式中： F（d） 為定義域是 2?d?0.32 的函數。

ν=R-d-r， 并進行求導，得到：

可知在 2?d?0.32 的定義域內， y^′gt;0 即單調遞增。進而得出結論：盲孔深度 d 越大，則孔內微球越不容易被其余微球沖出孔外。

孔板上的盲孔為線性排列狀態。如圖4所示，當孔板傾斜裝填微球時，理想狀態下，多余微球能從兩孔中的微球間隙徑直滑下，即當球B在裝載板平面上時，與球A、C相切或分離。同時考慮到裝填時因為有過量微球不斷傾倒，可能出現局部擠壓、堆積，還需考慮微球A、C間距最小的情況，此時有：

式中： d_oa 、 d_ab 、 d_ob 分別為點oa、ab、ob 間的距離。

圖3平衡狀態微球在傾斜的裝載板盲孔內受力圖

a、b、c為微球A、B、C的重心；o為微球A、C重心間的中點。

圖4裝填時微球局部擠壓堆積情況示意圖

代入前文數據可知，此時 d_ob≈0.2951mm， （204號即當盲孔深度 d?0.2951mm 時，微球裝填時的多余微球能從兩盲孔中已裝填的微球間隙徑直滑下。

綜上所述，確定裝載板盲孔深度范圍為0.2951mm?d?0.32mm

2仿真前處理

2.1仿真模型建立

核燃料微球裝填過程涉及顆粒流動、碰撞、堆積及臨界穩定性等復雜力學行為，傳統實驗方法難以實時捕捉微觀動態，所以在多種比較下選擇采用基于離散元法（DiscreteElementMethod，DEM）的專業仿真工具EDEM。EDEM可以精確模擬每個微球的獨立運動，包括位置、速度、受力及能量傳遞，適用于微米級顆粒的裝填過程分析。通過定義微球的材料屬性及接觸模型（Hertz-Mindlin粘彈性模型），能夠還原該項研究真實裝填中的顆粒間碰撞、摩擦及能量耗散，體現了EDEM軟件對顆粒系統精細化建模與工業場景高效適配的雙重優勢。

根據前文計算結果，微球在靜止狀態下由于裝載板盲孔孔壁的阻擋不易滑出，傾倒時孔板傾角暫設為 15^° 。對于后續的EDEM仿真驗證，設置三組盲孔板，孔深分別為0.20、0.30、0.32mm 真實的裝載板盲孔數約為10000個，為了達到更好的仿真質量，仿真模型選用 12× 11規格的裝載板，共132個孔位。

執行裝填過程之前，對核燃料微球進行烘干操作，去除多余水分，可以有效防止出現微球堆積聚集的情況。經過處理后的微球密度為6g/cm³ ，泊松比為0.3，剪切模量約 80.77GPa 孔板在EDEM仿真時的三維模型如圖5所示。微球傾倒量為13000個，傾倒速率為1000個/s。

圖5EDEM仿真孔板三維模型

圖6三組裝載板EDEM仿真結果

2.2仿真數據分析

使用EDEM軟件對三組不同盲孔深度的裝載板在統一條件下進行仿真，輸出仿真結果如圖6所示。微球在 13s 時結束傾倒，即在 0～ 13s時，因為持續的過量傾倒裝填，裝載板上有大量多余微球。傾倒結束后，多余微球滑下，留在裝載板上的即為裝載成功的微球和多余微球。在13s后三類裝載板裝載成功的微球和多余微球總數如表1所示?？梢钥闯觯咨顬?.2mm的裝載板裝載成功的微球和多余微球總數遠超出微孔數，即有大量多余微球堆積，如圖7（a）所示?？咨顬?.30和 0.32mm 的裝載板上均無多余微球，且裝填率均達到 95‰ 孔深為 0.3mm 的裝載板裝載結果如圖7（b）所示。

表1三組EDEM仿真裝載板微球數

3實驗驗證

根據以上仿真結果，對裝填效果較好的孔深為 0.3mm 的裝載孔制作實物裝載孔板如圖8所示，并搭建實驗平臺如圖9所示。

仍通過過量傾倒微球進行裝填，在經過視覺定位流程后獲得刨除背景的微球裝填孔板，如圖10所示?？装迳峡孜怀室巹t有序的蜂巢狀分布，由于工業相機和微球裝填板位置相對固定，因此孔位間的物理距離和孔位的像素距離存在映射關系，通過像素點計算可以得出圖像中每個孔位的中心點基準坐標和孔位的半徑，并由此進行單個孔位的圖像截取。通過簡單分區域計數，確認其滿足 95% 以上的裝填率要求。

圖7裝載板仿真示意圖

圖8裝載板實物圖

圖9微球裝填工序執行裝置實物圖

4結論

針對核能發電過程中人工裝填燃料微球效率低下的問題，設計了一種通過過量傾倒實現自動化裝填的機械結構，同時通過EDEM仿真確定了裝載燃料微球的裝載板適宜的盲孔深度，并搭建了實物平臺進行實驗。最終確定裝載板盲孔深度 d 為 0.2951～0.32 mm時較為適宜，可滿足裝填率超過 95% 的設計要求。

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