一种用于热室乏燃料氧化挥发的装置及方法

技术领域

本发明属于乏燃料后处理技术领域，具体涉及一种用于热室乏燃料氧化挥发的装置及方法。

背景技术

传统乏核燃料后处理首端流程中，乏燃料溶解时，乏燃料中的氚会发生同位素交换从而转入溶解液中。一座年处理能力为800吨的后处理厂，一年所处理的乏燃料中氚的总量约为70g左右，假设氚全部以HTO的形式存在，则HTO质量约为500g，体积约0.5L。但是，在传统乏燃料后处理流程中，经后续流程处理后，氚最终被稀释至数万立方米低、中、高放废液中。当前，对于沿海后处理厂，含氚硝酸返回复用，含氚水则全部排放并利用洋流稀释。对于内陆后处理厂，高氚区硝酸、水复用，低氚区含氚废水通过高架最终排放到环境中。随着环境监管部门对涉核工厂排放的监管愈发严格，为保证我国后处理事业健康、良性发展，采取有效措施减少后处理厂向环境的排放刻不容缓。

目前来看，减少氚向环境的排放，最为经济的是在首端采用氧化挥发技术除氚，即在溶解之前将乏燃料在氧化气氛中加热至一定的温度，从而将乏燃料中UO

当前，针对氧化挥发的研究尚处于实验室阶段，研究内容主要涵盖两个方面，一方面是热实验研究，主要目的是获取真实乏燃料氧化挥发过程数据；另一方面是针对氧化挥发装置的研究，主要目的是为工程设备的设计提供支撑。对于热实验研究，其所用设备多为转炉或马弗炉。对于转炉，其主要缺点在于存在转动部件且体积较大，不利于热室内的安装、维修与转运；对于马弗炉，其主要缺点在于密闭性不好且氧化反应需在坩埚内进行，反应过程不能实现包壳与粉末的分离。考虑到乏燃料氧化挥发后需分别对包壳及粉末中的氚含量进行分析，为简化后续操作，有必要开发新的装置及方法在氧化挥发过程中即实现包壳与粉末的分离。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于热室内乏燃料氧化挥发的装置及方法，装置满足结构简单，占地面积小的要求，便于在热室内利用机械手进行操作，利用该装置及方法，可有效实现乏燃料的氧化及包壳与粉末的分离，极大方便后续包壳与粉末的分析，对于推进氧化挥发相关研究具有重要意义。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于热室乏燃料氧化挥发的装置，用于乏燃料的氧化挥发处理，其中，包括设置在热室内的密封的加热炉体和设置在所述加热炉体内的反应罐，所述加热炉体能够在所述热室外进行远程控制。

进一步，所述加热炉体为中空的圆柱体，总体尺寸小于φ240×270mm，包含炉体外壳，设置在所述炉体外壳内表面上的保温材料，还包括设置在所述保温材料内部的加热体；所述加热体为电阻丝，所述保温材料选用耐火砖或玻璃纤维，所述保温材料内部设置有等温体，以确保所述反应罐温度分布均匀。

进一步，所述反应罐包括罐体，所述罐体的底端密封，所述罐体的上端开口延伸到所述加热炉体之外，在所述上端开口上还设有可拆卸的盖子；所述罐体的尺寸小于φ50×180mm；所述反应罐能够从所述加热炉体内取出；所述反应罐的整体材质选用316不锈钢。

进一步，在所述盖子上还设有进气口、电偶接口和出气口，所述电偶接口用于向所述反应罐内接入热电偶，所述进气口和所述出气口用于向所述反应罐内通入和排出反应气体。

进一步，所述盖子与所述罐体通过螺纹连接，距离所述罐体的上端开口2-10mm的位置不设螺纹，以方便所述盖子的旋紧并保证所述反应罐的密封性，所述进气口和所述出气口为φ6mm的快接公头，并设置有球阀；所述盖子为正六边形，能够利用机械手夹持。

进一步，还包括设置在所述反应罐内的能够取出的吊篮，用于实现氧化挥发过程中乏燃料的包壳与粉末的分离；所述吊篮包括筛板，在所述筛板边缘环绕设置的支撑圆环，还包括设置在所述筛板上的提起杆；所述提起杆的底端与所述筛板固定连接，顶端位于所述罐体的上端开口位置；所述提起杆用于所述吊篮的转移，所述筛板用于所述包壳与所述粉末的分离，所述支撑圆环用于将所述包壳固定在所述吊篮上；所述吊篮的整体材质选用316不锈钢；所述支撑圆环采用整体加工方式；所述筛板上的筛孔当量直径为1-3mm。

进一步，还包括控制器，所述控制器安放于所述热室之外，通过电连接器与所述热室内的所述加热炉体相连，采用PID方式控制所述加热炉体的升降温过程。

进一步，在所述加热炉体的所述炉体外壳上设有接线盒，所述控制器通过所述电连接器与所述接线盒连接，实现对所述加热炉体的升降温控制；在所述加热炉体的顶部边缘还设有炉体提手。

为达到以上目的，本发明还公开了一种用于以上所述的一种用于热室乏燃料氧化挥发的装置的一种用于热室乏燃料氧化挥发的方法，包括如下步骤：

步骤S1，利用机械手挑选若干段所述乏燃料，放入所述反应罐内的所述吊篮中，利用机械手将所述盖子旋紧，将所述热电偶插入所述电偶接口；

步骤S2，利用机械手将所述进气口与进气管连接以及将所述出气口与出气管连接，向所述反应罐内通入所述反应气体，通过所述控制器启动所述加热炉体的所述加热体，使得所述反应罐内的温度上升至目标温度400-600℃；

步骤S3，保温4-8h后，停止加热；

步骤S4，待所述反应罐内的温度降至100℃，停止通入所述反应气体；

步骤S5，利用所述机械手将所述热电偶、所述进气管和所述出气管拔出；利用机械手旋开所述盖子；利用机械手将所述吊篮取出，整体转移至包壳浸出装置，用于后续分析；

步骤S6，利用机械手将所述盖子盖好后，将所述反应罐整体转移至其他热室，其中的所述粉末留待后续分析使用。

进一步，

在所述步骤S1中，所述乏燃料长度为20-30mm；

在所述步骤S2中，所述反应气体是氧气与氮气的混合气，氧气体积分数为20％-100％；

在所述步骤S5中，所述吊篮需先经过轻微晃动后再取出。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提供的热室乏燃料氧化挥发装置的主要部件如加热炉体2、反应罐3、吊篮4等均可采用采用机械手或专用工装快速更换。

2.本发明提供的热室乏燃料氧化挥发装置的主要部件如反应罐3、吊篮4等采用耐高温和耐硝酸的不锈钢材料，同时具有耐强辐照性能。

3.本发明的装置及方法，无需通过转动部件即可实现乏燃料的包壳与粉末的分离，便于后续包壳与粉末取样分析。

4.本发明的装置和方法，相比于传统的马弗炉及转炉，具有占地面积小，设备结构简单，便于利用机械手进行操作等优点。

5.当前，国内关于乏燃料的氧化挥发研究正处于起步阶段，为有效推动乏燃料氧化挥发的工程应用，后续需要开展大量的热实验验证工作，本装置可为后续的热实验装置的设计提供较好的参考。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的一种用于热室乏燃料氧化挥发的装置的示意图；

图中：1-控制器，2-加热炉体，21-保温材料，22-加热体，23-炉体外壳，24-炉体提手，25-接线盒，3-反应罐，31-罐体，32-进气口，33-盖子，34-电偶接口，35-出气口，4-吊篮，41-筛板，42-支撑圆环，43-提起杆，5-热室墙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本发明提供的一种用于热室乏燃料氧化挥发的装置(见图1)，用于乏燃料的氧化挥发处理，其中，包括设置在热室内的密封的加热炉体2和设置在加热炉体2内的反应罐3，加热炉体2能够在热室外进行远程控制。

加热炉体2用于为乏燃料氧化挥发反应提供适宜的温度，为方便热室内的转运及操作，将其加工为中空的圆柱体，总体尺寸小于φ240×270mm，包含炉体外壳23，设置在炉体外壳23内表面上的保温材料21，还包括设置在保温材料21内部的加热体22等；加热体22为电阻丝，保温材料21选用耐火砖或玻璃纤维，保温材料21内部设置有等温体，以确保反应罐3温度分布均匀。

反应罐3用于提供氧化挥发反应空间，包括罐体31，罐体31的底端密封，罐体31的上端开口延伸到加热炉体2之外，在上端开口上还设有可拆卸的盖子33；罐体31的尺寸小于φ50×180mm；反应罐3能够从加热炉体2内取出；反应罐3的整体材质选用316不锈钢，可耐硝酸及高温。

在盖子33上还设有进气口32、电偶接口34和出气口35，电偶接口34用于向反应罐3内接入热电偶，进气口32和出气口35用于向反应罐3内通入和排出反应气体。

盖子33与罐体31通过螺纹连接，距离罐体31的上端开口约2-10mm的位置不设螺纹，以方便盖子33的旋紧并保证反应罐3的密封性(反应罐3内微负压：～400Pa)，进气口32和出气口35为φ6mm的快接公头，并设置有球阀；盖子33为正六边形，能够利用机械手夹持。

还包括设置在反应罐3内的能够取出的吊篮4，用于实现氧化挥发过程中乏燃料的包壳与粉末的分离；吊篮4包括筛板41，在筛板41边缘环绕设置的支撑圆环42，还包括设置在筛板41上的提起杆43；提起杆43的底端与筛板41固定连接，顶端位于罐体31的上端开口位置；提起杆43用于吊篮4的转移，筛板41用于包壳与粉末的分离，支撑圆环42用于将包壳固定在吊篮4上；吊篮4的整体材质选用316不锈钢，可耐硝酸及高温；支撑圆环42采用整体加工方式，以避免在高温中发生过多形变；筛板41上的筛孔当量直径为1-3mm。

还包括控制器1，控制器1安放于热室之外，通过电连接器与热室内的加热炉体2相连，采用PID方式控制加热炉体2的升降温过程，从而实现对加热炉体2的远程控制。

在加热炉体2的炉体外壳上设有接线盒25，控制器1通过电连接器与接线盒25连接，实现对加热炉体2的升降温控制；在加热炉体2的顶部边缘还设有炉体提手24。

本发明还公开了用于如上所述的一种用于热室乏燃料氧化挥发的装置的一种用于热室乏燃料氧化挥发的方法，包括如下步骤：

步骤S1，利用机械手挑选若干段乏燃料(短段)，放入反应罐3内的吊篮4中，利用机械手将盖子33旋紧，将热电偶插入电偶接口34；

步骤S2，利用机械手将进气口32与进气管连接以及将出气口35与出气管连接(进气管和出气管连接外部的气源，用于反应气体的循环供应)，向反应罐3内通入反应气体，通过控制器1启动加热炉体2的加热体22，使得反应罐3内的温度上升至目标温度400-600℃；

步骤S3，保温4-8h后，停止加热；

步骤S4，待反应罐3内的温度降至100℃，停止通入反应气体；

步骤S5，利用机械手将热电偶、进气管和出气管拔出；利用机械手旋开盖子33；利用机械手将吊篮4取出，整体转移至包壳浸出装置，用于后续分析；

步骤S6，利用机械手将盖子33盖好后，将反应罐3整体转移至其他热室，其中的粉末留待后续分析使用。

在步骤S1中，乏燃料长度为20-30mm；

在步骤S2中，反应气体是氧气与氮气的混合气，氧气体积分数为20％-100％；

在步骤S5中，吊篮4需先经过轻微晃动后再取出。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。