CN102097146B

CN102097146B - 一种安全核废料嬗变靶材及其制备方法

Info

Publication number: CN102097146B
Application number: CN2010105708348A
Authority: CN
Inventors: 凤仪; 张学斌; 潘孝兵; 屠荆; 欧阳晓平; 曹良志; 吴宏春
Original assignee: Xian Jiaotong University; Hefei University of Technology; Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Xian Jiaotong University; Hefei University of Technology; Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2030-12-02
Also published as: CN102097146A

Abstract

一种安全核废料嬗变靶材，首先将平均粒径0.1～10mm的核废料粉体装入渗流模具(6)中，经震实或捣实或压实密封处理后于100～600℃下预热1～300分钟，然后倾入熔融的铝液或铝合金液，密封固定封盖(4)，最后向模具(6)内通入0.1～1MPa压力气体，冷却凝固后脱模得到含铝或铝合金(2)和核废料粉体(3)的复合材料坯材，将坯材加工成芯材封装于铝包壳(1)中即是嬗变靶材。本发明利用铝或铝合金良好的导热性能，使嬗变时芯材内部产生的高热被迅速的传导至铝包壳最终以辐射或对流形式散热，从而避免高温时芯材爆裂或铝包壳膨裂所带来的环境问题。

Description

一种安全核废料嬗变靶材及其制备方法

一、技术领域

本发明涉及核废料处理工程中的核废料靶材，特别涉及通过中子诱发嬗变来缩短核废料半衰期的嬗变靶材，确切地说是利用熔融铝液高压渗流法将核废料包固于铝基体之中的一种安全核废料嬗变靶材及其制备方法。

二、背景技术

世界上现存有成千上万吨核废料，这些核废料来自核反应堆、其它核工艺和过时核武器系统。目前还没有妥善的方法来处理它们，通常都是采用地质深埋处理。我们知道，有些核废料的寿命很长，达几百万年，如¹²⁹I的半衰期为1.57×10⁷年。在地下安全保存这些核废料长达几百万年是个很大的问题。长寿命高放核废物的嬗变技术是实现核能发展环境友好、和谐发展的核心技术，是一劳永逸的根治上述问题的方法。嬗变是中子俘获再β衰变，将裂变废料(如⁹⁹Tc，¹²⁹I和¹³⁵Cs)变成短寿命或稳定核素。例如，对于¹²⁹I来说，即利用中子诱发核废料¹²⁹I的嬗变，使其最终嬗变为稳定同位素¹³⁰Xe。

目前在对嬗变处置高放核废物的过程中，首先要将核废物制备成适合热中子嬗变环境的靶材。目前，制备嬗变靶材的方式主要有两种，一种是直接将核废料压制成块体，这种形式，靶材极易吸潮，并由此导致靶材溃散及污染嬗变设备。另外一种是将直接封装于铝包壳之中压块，这种形式的导热性差，辐照在核废料芯部产生的高温难以传导出来，会使得嬗变靶爆裂或者使包壳胀裂。另外，上述两种形式嬗变靶的水化学性能都不理想，高温时极易和水发生反应，这样，在发生意外事故时，有可能使核废料溶入循环水中，造成对环境的污染。因此，开发一种安全的核废料嬗变靶材势在必行。

三、发明内容

本发明针对现有技术所存在的弊端，旨在提供一种安全的核废料嬗变靶材，所要解决的技术问题是使嬗变时产生的热量及时地传导出去。

由于铝的比容积大、导热性好，本发明采用高压渗流的方法获得核废料-铝的复合体，嬗变热量可以通过复合体中的铝和铝包壳传导。

本安全核废料嬗变靶材，包括铝包壳1和其内封装的芯材如图1所示。与现有技术的区别是所述的芯材是由经熔融后压渗并冷却凝固的铝或铝合金2和核废料粉体3组成的复合体。

本靶材的制备方法是高压渗流法，包括复合材料坯材的制备和靶材的加工，与现有技术的区别是坯材的制备，这就是首先将平均粒径0.1～10mm的核废料粉体装入渗流模具6中，模具6的底板7上分布有透气孔9并且底板7是可拆卸的，即活动式连接，装入的粉料经震实或捣实或压实致密处理后于100～600℃下预热1～300分钟，预热的作用是防止金属熔融液因与粉体温差较大而过早地凝固，粉体密实后倾入熔融的铝液或铝合金液，然后置放封盖4并密封固定，最后自封盖4上的通孔向模具6内通入0.1～1MPa压力气体，将金属熔融液强制充盈于核废料粉体之间及粉体与模具内壁之间的孔(空)隙之中，即高压渗流，冷却、凝固后脱模，得到复合材料坯材。将坯材加工成与铝包壳形状相配合的芯材，以紧配合的方式放入铝包壳中，加盖封装即得安全核废料嬗变靶材。

所述的铝为纯铝或含铝合金(铝合金)。

本发明利用铝或铝合金良好的导热性能，使嬗变时芯材内部产生的高热被迅速的传导至铝包壳最终以辐射或对流形式散热，从而避免高温时芯材爆裂或铝包壳膨裂所带来的环境问题。

具体操作步骤如下：

1、将核废料破碎、筛分，获得核废料粉体3，粉体平均粒径一般在0.1～10mm之间。

2、高压渗流在渗流模具6中进行，渗流模具底板7可拆，便于脱模，并留有透气孔9，便于透气，透气孔的直径以不漏掉粉体为宜。

3、将核废料粉体放入渗流模具6中，震实或捣实或压实，然后在炉内预热，在100-600℃下预热1-300分钟；

4、将铝锭或者铝合金熔化，将熔融的铝液或铝合金液8倒入渗流模具6中的核废料粉体3上面；

5、在渗流模具6上加封盖4，封盖4的法兰和渗流模具6沿口的法兰密封面之间涂抹密封泥5，紧固。紧固方式可以是螺纹紧固，或者压力紧固。

6、往渗流模具6中通入高压气体，气压为0.1-1Mpa，使金属融液渗入粉料的孔隙之中。

7、铝液或铝合金液凝固后将所得复合材料坯材从模具中取出，按尺寸加工成圆柱形芯材。

8、将圆柱形芯材放入到铝包壳1之中，加铝盖封装，封装模式可以是焊接或胶黏。这样，就可以得到安全嬗变靶材，见附图2。

步骤7加工所剩材料，经破碎可以再放入渗流模具，再次高压渗流。上述操作必须以远程控制机程控操作，或者操作人员在安全的核防护条件下操作。

四、附图说明

图1是本靶材剖面结构示意图：图中1为铝包壳，2为铝或铝合金，3为核废料粉体。

图2是高压渗流工艺示意图：

图中4为封盖，5为密封泥，6为渗流模具，7为渗流模具底板，8为熔融的铝液或铝合金属液，9为透气孔。

五、具体实施方式

现以铝合金为例，非限定实施例叙述如下：

1)将核废料破碎筛分，获得核废料粉体3，平均粒径1毫米；

2)将核废料粉体装入渗流模具6中，其底板7活动连接并开有透气孔9(透气孔的直径为0.8mm)，捣实，然后在炉内预热，预热温度400℃，预热时间1小时；

3)将铝合金在700℃熔化，将熔融的铝合金液体8倒入装好核废料的渗流模具6中的核废料粉体3上面；

4)在渗流模具6上加封盖4，封盖和渗流模具沿口之间涂抹密封泥5，密封泥用水玻璃加耐火泥(质量比1∶1混合)，然后在钢结构框架内用千斤顶压紧紧固。

5)用空压机往渗流模具6中通入高压气体，压力为0.4MPa。

6)待金属熔融液冷却、凝固后卸下封盖4，倒置模具6，锤击底板7，取出坯材，卸下底板7，按圆筒状铝包壳将坯材加工成圆柱体芯材，尺寸：Φ30×58mm³。

7)将圆柱形芯材放入到铝包壳1(内部尺寸：Φ30×60mm³)之中，加铝盖后，焊接封装。

Claims

1.一种安全核废料嬗变靶材的制备方法，包括复合材料坯材的制备和靶材的加工，其特征在于：所述的坯材的制备是将平均粒径0.1～10mm的核废料粉体装入渗流模具（6）中，底板（7）与模具（6）活动式连接，且其上分布有透气孔（9），装入的粉料经震实或捣实或压实密封处理后于100～600℃下预热1～300分钟，然后倾入熔融的铝液或铝合金液，密封固定封盖（4），最后向模具（6）内通入0.1～1MPa压力气体，冷却凝固后脱模得到复合材料坯材。