一种利用激光制备钆锆烧绿石高放废物固化体的方法

技术领域

本发明涉及放射性废物处理领域，具体涉及的是一种利用激光制备钆锆烧绿石高放废物固化体的方法。

背景技术

核能的大力发展在一定程度上解决了化石能源短缺及环境问题，但是同时也不可避免的产生一定量的乏燃料和核废物。其中，乏燃料后处理产生的大量高水平放射性废物(HLW)，因其放射性强、毒性大、半衰期长、释热率高等特点，对人类生存环境构成较大的威胁，若处理不当，将严重危害生态系统。

钆锆烧绿石物理化学稳定性好，热稳定性高，抗辐射性能更强，由于高度灵活的晶体结构而具有更大的放射性废物包容性，被认为是一种理想的固化基材。因此，选定钆锆烧绿石作为固化基材，能够长期储存放射性废物，实现对放射性废物的固化处理。

制备固化体多采用高温固相法，通常选择在1500℃的条件下保温72小时，该方法具有技术成熟、成本较低、得到的样品结晶度高等优点，但是烧结时间长，升温速度也相对较慢。此外，考虑到废物中可能存在低熔点和易挥发性组分，在较高温度下进行长时间固化反应时，需考虑耗时、耗能、废物固化率及二次污染问题，因此，需要找到新的烧结技术对固化工艺进行改进。

发明内容

本发明针对上述问题，克服至少一个不足，提出了一种利用激光制备钆锆烧绿石高放废物固化体的方法。

本发明采取的技术方案如下：

一种利用激光制备钆锆烧绿石高放废物固化体的方法，包括以下步骤：

S1、将高放废物与钆锆烧绿石粉混合得到混合物；

S2、对混合物进行研磨烘干，得到颗粒物；

S3、将颗粒物放入坩埚模具，然后通过高功率激光对坩埚模具中的颗粒物进行烧结得到固化体。

本申请通过物理化学稳定性好、热稳定性高、抗辐射性强的钆锆烧绿石与高放废物混合，通过高功率激光对放射性污染土壤进行固化处理，这种方式具有工艺流程简单、高效便捷、废物固化效率高等特点。本申请在处理易挥发废物方面有较大优势，本申请具有良好的实际应用价值和前景。

于本发明其中一实施例中，所述步骤S1在混合前，还包括对高放废物进行干燥的步骤：在70℃～90℃下通风干燥3h～12h。

于本发明其中一实施例中，所述高放废物占混合物的重量百分比为10％～50％。

于本发明其中一实施例中，步骤S2在研磨时加入研磨介质无水乙醇。

于本发明其中一实施例中，步骤S2的烘干温度为70℃～90℃，烘干时间为12h～24h。

于本发明其中一实施例中，步骤S3通过高功率激光器输出高功率激光，所述高功率激光器输出功率为100kW，可调节范围在10～100％，扫描速率为50～100mm/s。

于本发明其中一实施例中，还包括步骤S4：将固化体自然冷却至室温。

于本发明其中一实施例中，所述步骤S3通过烧结设备实施，所述烧结设备包括：

中空柱状的坩埚模具；

投料机构，位于所述坩埚模具的上方，用于向坩埚模具逐次投放设定重量范围的颗粒物；

高功率激光器，位于所述坩埚模具的上方，所述高功率激光器用于通过高功率激光对坩埚模具中的颗粒物进行烧结得到固化体；

振动元件，位于所述坩埚模具的下部，用于对坩埚模具进行振荡，使坩埚模具中的颗粒物平铺在坩埚模具中；

伸缩机构，伸缩机构的活动杆与所述坩埚模具固定，伸缩机构用于带动坩埚模具在投料机构和高功率激光器之间往复活动。

工作时，伸缩机构工作使坩埚模具运动至投料机构的正下方，投料机构工作，向坩埚模具上投放设定重量范围的颗粒物，投放完成后，振荡机构工作，坩埚模具中的颗粒物平铺在坩埚模具中，然后伸缩机构将坩埚模具输送至高功率激光器的正下方，高功率激光器通过高功率激光对坩埚模具中的颗粒物进行烧结，得到第一层固化体，然后伸缩机构重复上次的工作，使坩埚模具运动至投料机构的正下方，投料机构工作，向坩埚模具上投放设定重量范围的颗粒物，投放完成后，振荡机构工作，坩埚模具中的颗粒物平铺在坩埚模具中，然后伸缩机构将坩埚模具输送至高功率激光器的正下方，高功率激光器通过高功率激光对坩埚模具中的颗粒物进行烧结，得到第二层固化体，如此往复，得到多层固化体。

于本发明其中一实施例中，所述投料机构包括：

方形的投料管，投料管的侧壁具有滑动安装口；

料箱，固定在所述投料管的上端开口处，用于存储颗粒物，所述料箱的内部空间与所述投料管连通；

挡板，滑动设置在所述滑动安装口上，挡板具有关闭工作位和打开工作位，当挡板在关闭工作位时，挡板上方的颗粒物不能下落，挡板在打开工作位时，挡板上方的颗粒物能够通过挡板与投料管内壁之间的空隙下落；

伸缩元件，用于驱动所述挡板在关闭工作位和打开工作位之间活动；

称重板，位于所述挡板的下方，所述称重板具有第一端和第二端，称重板的第一端与所述滑动安装口位于同一侧，称重板的第一端通过转动轴转动安装在所述投料管内，所述称重板上安装有称重传感器，所述称重板具有初始工作位，初始工作位时称重板与投料管的侧壁接触配合，称重板上的颗粒物不能下落；

投放电机，用于驱动所述转动轴转动，使称重板的第二端向下翻转，使称重板上的颗粒物滑落，最终落入对应的坩埚模具中；

控制器，与所述伸缩元件、称重传感器、投放电机、振动元件以及伸缩机构电连接。

投料机构工作原理：最开始，挡板处于关闭工作位，称重板处于初始工作位，当需要投料时，控制器控制伸缩元件工作，使挡板向外移动，从而挡板上方的颗粒物能够通过挡板与投料管内壁之间的空隙下落，颗粒物下落至称重板上，称重传感器将重量信号传递至控制器，当重量超过预设值后，控制器控制伸缩元件复位，使挡板切换至关闭工作位，然后再控制投放电机工作，使称重板的第二端向下翻转，使称重板上的颗粒物向下滑落对应的坩埚模具中。

实际运用时，可以通过调节预设值来调控最终位于称重板上的重量。

于本发明其中一实施例中，所述振动元件位于所述坩埚模具的正下方。

本发明的有益效果是：本申请通过物理化学稳定性好、热稳定性高、抗辐射性强的钆锆烧绿石与高放废物混合，通过高功率激光对放射性污染土壤进行固化处理，这种方式具有工艺流程简单、高效便捷、废物固化效率高等特点。本申请在处理易挥发废物方面有较大优势，本申请具有良好的实际应用价值和前景。

附图说明

图1是坩埚模具在投料机构下方的示意图；

图2是坩埚模具在高功率激光器下方的示意图；

图3是挡板处于打开工作位且称重板处于初始工作位时投料机构的剖视图；

图4是挡板处于关闭工作位且称重板的第二端向下翻转后投料机构的剖视图。

图中各附图标记为：

1、坩埚模具；2、伸缩机构；3、投料机构；31、投料管；311、滑动安装口；32、料箱；33、挡板；34、伸缩元件；35、称重板；351、第一端；352、第二端；36、投放电机；4、振动元件；5、高功率激光器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合各附图，对本发明做详细描述。

一种利用激光制备钆锆烧绿石高放废物固化体的方法，包括以下步骤：

S1、将模拟高放废物与钆锆烧绿石粉混合得到混合物；

模拟高放废物由摩尔比为1:1:1:1:1:1:1:1:1所述将BaO、CsNO

S2、对混合物进行研磨烘干，得到颗粒物；

S3、将颗粒物放入坩埚模具，然后通过高功率激光对坩埚模具中的颗粒物进行烧结得到固化体。

本申请通过物理化学稳定性好、热稳定性高、抗辐射性强的钆锆烧绿石与高放废物混合，通过高功率激光对放射性污染土壤进行固化处理，这种方式具有工艺流程简单、高效便捷、废物固化效率高等特点。本申请在处理易挥发废物方面有较大优势，本申请具有良好的实际应用价值和前景。

于本实施例中，步骤S1在混合前，还包括对模拟高放废物进行干燥的步骤：在70℃～90℃下通风干燥3h～12h。

于本实施例中，模拟高放废物占混合物的重量百分比为10％～50％。

于本实施例中，步骤S2在研磨时加入研磨介质无水乙醇。实际运用时，可以通过无水乙醇重复研磨多次。

于本实施例中，步骤S2的烘干温度为70℃～90℃，烘干时间为12h～24h。

于本实施例中，步骤S3通过高功率激光器输出高功率激光，高功率激光器输出功率为100kW，可调节范围在10～100％，扫描速率为50～100mm/s。

于本实施例中，还包括步骤S4：将固化体自然冷却至室温。

如图1和2所示，于本实施例中，步骤S3通过烧结设备实施，烧结设备包括：

中空柱状的坩埚模具1；

投料机构3，位于坩埚模具1的上方，用于向坩埚模具1逐次投放设定重量范围的颗粒物；

高功率激光器5，位于坩埚模具1的上方，高功率激光器5用于通过高功率激光对坩埚模具1中的颗粒物进行烧结得到固化体；

振动元件4，位于坩埚模具1的下部，用于对坩埚模具1进行振荡，使坩埚模具1中的颗粒物平铺在坩埚模具1中；

伸缩机构2，伸缩机构2的活动杆与坩埚模具1固定，伸缩机构2用于带动坩埚模具1在投料机构3和高功率激光器5之间往复活动。

工作时，伸缩机构2工作使坩埚模具1运动至投料机构3的正下方，投料机构3工作，向坩埚模具1上投放设定重量范围的颗粒物，投放完成后，振荡机构工作，坩埚模具1中的颗粒物平铺在坩埚模具1中，然后伸缩机构2将坩埚模具1输送至高功率激光器5的正下方，高功率激光器5通过高功率激光对坩埚模具1中的颗粒物进行烧结，得到第一层固化体，然后伸缩机构2重复上次的工作，使坩埚模具1运动至投料机构3的正下方，投料机构3工作，向坩埚模具1上投放设定重量范围的颗粒物，投放完成后，振荡机构工作，坩埚模具1中的颗粒物平铺在坩埚模具1中，然后伸缩机构2将坩埚模具1输送至高功率激光器5的正下方，高功率激光器5通过高功率激光对坩埚模具1中的颗粒物进行烧结，得到第二层固化体，如此往复，得到多层固化体。

如图1、2、3和4所示，于本实施例中，投料机构3包括：

方形的投料管31，投料管31的侧壁具有滑动安装口311；

料箱32，固定在投料管31的上端开口处，用于存储颗粒物，料箱32的内部空间与投料管31连通；

挡板33，滑动设置在滑动安装口311上，挡板33具有关闭工作位和打开工作位，当挡板33在关闭工作位时，挡板33上方的颗粒物不能下落，挡板33在打开工作位时，挡板33上方的颗粒物能够通过挡板33与投料管31内壁之间的空隙下落；

伸缩元件34，用于驱动挡板33在关闭工作位和打开工作位之间活动；

称重板35，位于挡板33的下方，称重板35具有第一端351和第二端352，称重板35的第一端351与滑动安装口311位于同一侧，称重板35的第一端351通过转动轴转动安装在投料管31内，称重板35上安装有称重传感器，称重板35具有初始工作位，初始工作位时称重板35与投料管31的侧壁接触配合，称重板35上的颗粒物不能下落；

投放电机36，用于驱动转动轴转动，使称重板35的第二端352向下翻转，使称重板35上的颗粒物滑落，最终落入对应的坩埚模具1中；

控制器，与伸缩元件34、称重传感器、投放电机36、振动元件4以及伸缩机构2电连接。

投料机构3工作原理：最开始，挡板33处于关闭工作位，称重板35处于初始工作位，当需要投料时，控制器控制伸缩元件34工作，使挡板33向外移动，从而挡板33上方的颗粒物能够通过挡板33与投料管31内壁之间的空隙下落，颗粒物下落至称重板35上，称重传感器将重量信号传递至控制器，当重量超过预设值后，控制器控制伸缩元件34复位，使挡板33切换至关闭工作位，然后再控制投放电机36工作，使称重板35的第二端352向下翻转，使称重板35上的颗粒物向下滑落对应的坩埚模具1中。

实际运用时，可以通过调节预设值来调控最终位于称重板35上的重量。

如图1和2所示，于本实施例中，振动元件4位于坩埚模具1的正下方。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。