CN102232231B - 制造燃料芯核的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造球形的燃料芯核和/或燃料原料芯核的方法和装置，其做法是，滴加含有硝酸双氧铀以及至少一种辅助材料的溶液到含氨的沉淀槽中以形成微球、在氨溶液中陈化和洗涤如此产生的微球、干燥及热处理。为了在该方法中考虑用于芯核的铀化学特性并且提供在保持高芯核质量同时的连续制造方法而提出，这些微球通过第一分离器从该沉淀槽中被分离出来并且为了陈化而被送入含氨的陈化水，在被送入陈化水之前的微球接触沉淀槽液体的接触持续时间被调节为相同或基本相同的，这些微球通过传送机构从陈化水中被传递给多级的级联洗涤器，所述微球在该级联洗涤器中被洗涤掉或基本洗涤掉硝酸铵和至少一种微球所含的辅助材料，并且在微球干燥后，这些微球在热处理过程中以单层铺开方式被焙烧。

Description

制造燃料芯核的方法和装置
本发明涉及制造尺寸最好为300μm至800μm的燃料芯核和/或燃料原料芯核的方法，尤其是制造由氧化铀和/或碳化铀和/或含铀的混合氧化物和/或混合碳化物构成的芯核，通过将含有硝酸双氧铀的浇注液滴入含氨的沉淀槽中以形成微球、在氨溶液中陈化和洗涤如此产生的微球、干燥以及热处理。本发明还涉及用于生产燃料球和/或燃料原料球的装置，包括沉淀槽、陈化段、洗涤机构和用于干燥和焙烧的热处理机构以及用于在生产中制造的微球和由微球产生的芯核的传送机构。
在称为外胶凝的胶凝法中，出现不溶的重铀酸铵(ADU)以及作为副产物的水溶硝酸铵。加入浇注液的其它添加物质例如四氢糖醇(THFA)和或许有的尿素必须通过用氨水洗涤地同样从ADU胶凝微球中被洗出。作为现有技术，例如举出以下公开出版物，它们致力于在空气中滴加液体、在氨气中预固化滴液和在含氨的沉淀槽中收集微球：DE-B-2037232，DE-B-1817092，DE-B-2459445，DE-B-2601684，DE-B-2922686，DE-A-2714873。
在文献《核技术》第42卷(1979.02)第163-171页的“利用外胶凝法的铀芯核制备”中，总结了芯核研究设备的EGU法(铀外胶凝法)，用于在热室中由再加工铀233制备直径达到0.3毫米的铀氧化铀芯核或碳化铀芯核。
期刊文献《核科学和技术》第41卷第9期第943-948页(2004.09)的“用于HTR-10燃料元件的UO2芯核制备”描述按照外胶凝法的UO2芯核制备。
在已知的胶凝法中，原则上执行以下方法步骤：
－胶凝微球加上含氨的沉淀槽，
－在沉淀槽中输送微球，
－在陈化水中陈化，
－用氨水洗涤直到规定的最终值，
－在洗涤水中输送微球到干燥器，
－微球在干燥器上沉积，
－被干燥的芯核的继续处理。
可是，用于制造统一的无破裂裂纹的芯核的物质交换动力学和这些方法步骤的动态未被充分考虑。在制造最终直径在200μm范围内的微小芯核时，物质交换动力学没有像在制造最终直径为500μm以上的芯核时那样扮演重要角色，在制造最终直径为500μm以上的芯核时，最终体积增大超过15倍。这主要是在通过化学反应和在沉淀槽中、陈化、洗涤和干燥中的收缩过程制造胶凝微球的范围内对获得球形有着重要意义。
在沉淀槽中进行的许多动力学反应和浓度变化可能引起产品质量的明确降低。无氨浇注液的滴入导致氨的稀释，同时导致硝酸铵和辅助材料如THFA和尿素的浓度增大。在连续工作方式中，必须采用含氨的平衡沉淀槽，以保证始终良好的产品质量。
但是在目前的处理当中，胶凝微球是用沉淀槽的大部分排出的并且随后沉淀槽才被分离和送回。
通过用氨水洗涤陈化后的微球，水溶性物质硝酸铵和辅助材料如四氢糖醇(THFA)和尿素被除去。通常，该工序在临界性安全的转动扁盘中分级执行，其中，该微球与氨水一起运动。此过程重复多次，直到获得期望的洗涤效果。
另一个通常未被充分关注的方法步骤是对获得所有颗粒的均匀处理而言的微球输送时的动态。干燥时，这些微球可能收缩不同并且得到或置于壳形结构。燃料芯核质量必须满足一系列要求，该要求一方面关于其继续加工成涂层颗粒和石墨燃料元件，另一方面关于在反应器内的良好的辐照行为。
对于所产生的燃料芯核有以下规定：强度和耐磨性，在较小标准波动时的狭窄直径范围，近乎理想的球形，所有独立生产的芯核在高密度和准确化学成分情况下有相同的结构和多孔性。
在生产最终直径为300μm至800μm或更大的芯核时，在胶凝法中还要使用呈水溶液形式的有机辅助材料聚乙烯醇(PVA)，它在铀沉淀过程中与所形成的ADU构成加合物。ADU在空气中热分解，形成UO3。在此焙烧过程中，PVA也在超过300℃的温度挥发。
为了洗涤球状核颗粒，根据DE-A2757602采用了呈级联洗涤器形式的对流洗涤器。
在根据JP-A-06191851的热风炉中，由重铀酸铵构成的球安置在盘中并且被焙烧以获得UO3芯核。
本发明基于以下任务，改进上述类型的方法和装置，铀化学的特点被考虑用于尤其是直径为300μm至800μm的芯核并且在保持不变的高质量芯核的同时适用于连续生产方法。
根据本发明，该任务在方法方面主要如此完成，该微球通过第一分离器从沉淀槽中被分离并且被送往含氨的陈化水以便陈化，从而微球通过传送机构从陈化水被传递给多级的级联洗涤器，在级联洗涤器中，微球至少被洗除掉硝酸铵，并且在微球干燥后，微球在热处理阶段中铺散为单层地被焙烧，其中，在进入陈化水之前的微球接触沉淀槽液体的接触时间对于每个微球来说是相同的，或是大致相同的。
尤其是通过第一分离器做到了，对于所有滴落(浇入)的颗粒，在出现于沉淀槽中和在含氨的陈化水中收集之间保持相同的持续时间。根据本发明，该分离器为此针对所有胶凝微球满足了该条件，以便在相同条件下形成、在沉淀槽化学平衡中输送和在含氨的陈化水中收集。
此时，分离器尤其是包括一个由圆形平面的不锈钢孔筛构成的底板，被分为多个区段的金属筒通过该底板缓慢转动，该金属筒向上敞口并且在下侧密封安置在孔筛上。孔筛此时可以按照特殊蚀刻方法制成，其中，筛孔直径即网目应该在300μm-500μm之间。胶凝微球借助在沉淀槽即浇注设备的下方的闸门装置与沉淀槽液体一起被定量加入该分离器的其中一个区段，随后在不同位置之间继续移动，以便在重新填满之前在最后的转动位置上通过开口如管沉淀，以便被供给含氨的陈化水。
由于分离器中的孔筛，所以沉淀槽输送液流过其多个开孔。所述流经或滴走在任何位置上在转交给陈化水之前完成。如果有六个区段，则液体在五个区段位置上流走。透过孔筛的沉淀槽流体随后被送回到沉淀槽循环中。
尤其规定，含氨的陈化水至少关于微球所含的硝酸铵被调整到平衡状况。对于微球所含的辅助材料如THFA或尿素来说，也应该是这样的情况。
平衡状况意味着，这些微球分别关于相互成比例的若干组分具有相同的浓度比，其中，当然一些组分的浓度本身可以彼此不同。浓度在流经陈化段的过程中也递减。相对的组分浓度比基本不变。如此进行组分与陈化水的交换，即组分按照期望程度减少，以便获得微球在陈化水中的期望收缩。通过平衡状况保证了这些球在离开陈化水后具有相同的或几乎相同的直径。
在陈化段中进行组分与陈化水的均匀的交换，其中，在陈化段结束处，至少THFA、NH4NO3和NH4OH的浓度等于在陈化水中的浓度。如果含有尿素，则这也适用于尿素组分。
尤其是如此调节含氨的陈化水，即，实现THFA的最多15重量%、尤其是10至15重量%与H2O的交换。由此有利于微球收缩。
如果这些微球从分离器中被转送到被调至室温的陈化水中，则陈化水随后被加热到优选为60℃≤T1≤80℃的温度Tl，以便微球随后在该温度T1经过优选为50分钟≤t≤70分钟的时间t陈化。接着，就是说在时间t后，该陈化水被冷却到室温，因而微球也被冷却并且微球被取出。陈化水的加热和冷却可利用至少一个换热器来执行。
在陈化后，这些微球尤其通过可以具有第一分离器相同的结构的第二分离器被供给包括多个洗涤级的级联洗涤器。此时，这些洗涤级如此被洗涤水流过，即，这些微球在每个洗涤级中尽量保持悬浮状态。
优选采用一个七级的级联洗涤器，它包括有不同洗涤水浓度的七个循环，即水含有不同含量的硝酸铵、THFA、尿素、氢氧化铵。
此外，设有用于弱氨性高纯水的定量泵，该弱氨性高纯水从下向上流过该级联洗涤器并且同时被浓缩。
因此，一方面，一开始为弱氨性的高纯水从下向上流过级联洗涤器的洗涤级。另一方面，在其中分别存在保持不变的洗涤水组分的每个级联级中实现循环。
通过循环流动的洗涤水，调节微球在这些级联级中的沉淀速度和进而停留时间。
洗涤水最好通过设于一个洗涤级的漏斗底板上的间距可变的唤醒缝隙被供给级联洗涤器的若干洗涤级。由此一来，可以实现非常精密的定量配料，就是说进行洗涤水流速的调节，以便如上所述地按照期望程度将这些微球保持在悬浮状态，就是说预先规定沉淀速度。
在微球洗涤之后，微球可以在直通炉如传送带式直通炉中被干燥和随后被焙烧。干燥可以依靠高达120℃温度的空气进行。经过洗涤的微球可以在筛布上被运送经过烘干炉。为此，微球可以利用加料弯管以基本单层方式来供应，其中该加料弯管应通过传送带被强制来回运动。因为采用筛布，所以随微球一起分布的高纯水可以流走，以便在筛布下方面汇集并且或许重新被投入级联洗涤器中。
为了避免也称为湿芯核的微球在干燥时粘结，可以在氨性高纯水中添加少量的水溶性脂肪醇，例如每升高纯水加0.5克非离子型表面活性剂A8，或者其它去污剂。
干燥后的芯核随后借助负压例如抽吸弯管从传送带上被吸走，以便随后焙烧。为此，干燥后的芯核可以先在旋流分离器中沉积并收集在储备容器中。
或者，可以在一个直通炉中不仅进行干燥，而且进行焙烧。与之无关地，焙烧应该在输送经过一个或这个直通炉的过程中如此完成，即干燥后的芯核先以单层形式被置入金属盘中，用于保证在放热反应时有很好的热传递，其中，ADU和作为辅助材料的现有的PVA热分解，形成UO3芯核，而NH3、CO2和水蒸汽作为废气组成部分被排出。干燥后的芯核在金属盘上的散布可以借助配量装置并在使用最好一个加料弯管并使盘轻微颤动的情况下完成，通过该加料弯管，确定了用于形成单层的数量准确的芯核，从而干燥后的芯核占据盘上的所有空闲地方。
根据本发明，这些芯核在焙烧后借助另一个处于低负压的活动的抽吸弯管从盘上被除去，在旋流分离器沉积并收集在储备容器中。
如果干燥和焙烧在经过唯一的炉的过程中进行，则经过洗涤的微球应直接被送入相应的金属盘。
此外从上述得知，本发明的方法能够以以下的、从单独和/或组合来看都有创造性的步骤为特征：在含氨的沉淀槽中产生的多个微球借助第一分离器从沉淀槽中被分离出并且进入含氨的陈化水中，这些微球在陈化水中被加热到陈化温度并且根据所需要的陈化时间停留在陈化水中。此时，第一分离器保证了在微球出现和进入陈化水之间的微球接触沉淀槽液体的接触时间对于每个微球是相同或大致相同的。
这些微球随后借助第二分离器从陈化水中被分离出来，以便进入多级的级联洗涤器的第一洗涤级，在级联洗涤器中，这些微球用氨水被洗涤而几乎不含硝酸铵和辅助材料如THFA和尿素，这些微球随后借助配量装置与最后的洗涤级的氨水一起经过一个可控活动的加料弯管被输送到传送带式直通炉的由筛布构成的传送带，以便在高达120℃的温度被干燥，干燥后的芯核随后借助卸料装置在采用可控活动的抽吸弯管情况下通过筛布抽吸和利用旋流分离器的沉积而被收集在储备容器中，以便随后借助配量装置并利用加料弯管被交付给金属盘，干燥后的芯核在金属盘中通过轻微颤动而分散为单层，以便随后被输送经过第二直通炉的加热机构，直到约460℃的最终温度焙烧，或者经过洗涤的芯核在一个传送带式直通炉中不仅被干燥，而且被焙烧，其中为了干燥和焙烧，经过洗涤的微球以单层形式被交付给金属盘。
一种用于制造上述类型的球形的染料原料芯核和/或燃料芯核的装置的特点是，在沉淀槽和陈化段之间设有呈分离器形式的第一传送机构，它具有被分为多个区段的且通过具有开口的作为底板的孔筛可转动的筒，其中，每个区段前后相继地在底侧被孔筛遮盖的第一位置上对准沉淀槽的出口并且在该筒转动角度α后在第二位置上对准该孔筛的与陈化段连通的开口。角度α总计为360度除以区段数量。
在孔筛下设有流体容纳机构，它与该沉淀槽的入口直接或间接连接。该分离器的孔筛应该由不锈钢构成并且具有300μm≤d≤500μm的网目d。筒本身由金属构成并且应密封安放在孔筛上。
尤其规定，筒被分为n个区段，其中n≥3，尤其是n=6。
该陈化段包括被筛布或孔筛包围的且容纳这些微球的空心筒腔，它有间隔地被壳体罩住以便输送陈化水。此外，陈化液可以在包括至少一个换热器的循环装置中流动，该壳体被集成在该循环装置中。
借助换热器，陈化水被加热或冷却到期望温度。当然，为了加热或冷却，可以分别使用一个独立的换热器。
此外规定，陈化段与一个呈第二分离器形式的适合输送地将陈化段和洗涤机构互连的第二传送机构连接。此时规定，第二分离器对应于第一分离器地构成。
洗涤机构本身呈具有m个洗涤级的级联洗涤器的形式，其中m≥2，尤其是2≤m≤8，优选m=7。
每个洗涤级应该在底侧呈具有开口的漏斗形状，该开口可通过封堵机构如喷嘴盘按照期望的程度被封闭。由此，可以控制或调整流入洗涤水的量或者其速度，因而也调整或控制从上向下经级联洗涤器沉淀的微球的沉淀速度。在改进方案中规定，输送洗涤水的管路结束在封堵机构下方。而且，调节件如挠曲轴应该在管路内延伸，它与封堵机构连接以便调节封堵机构。
此外，在漏斗下方设有出液口，用于使洗涤水在每一级中循环流动。
这些洗涤级上下重叠布置，其中从第一洗涤级的壳体出来的出液口是用于在第一洗涤级或该壳体下方且与其不透流体连接的第二洗涤级的出口ist.
此外，在底侧在最下侧的洗涤级中设有用于弱氨性洗涤水的入口，该弱氨性洗涤水流过所有的洗涤级，以便在经过浓缩后在最上侧的洗涤级的头部区域流走。
洗涤机构后设有至少一个直通炉，经过洗涤的微球看通过输送机构被输送经过该直通炉。此时该输送机构可以是由筛布构成的循环传送带。
也存在以下可能性，该输送机构由排列在一起的分别有打孔底板的多个金属盘构成，经过洗涤的微球被置入该打孔底板中。打孔底板的网应该在300μm-500μm的范围里。
经过洗涤的微球通过喂给机构如加料弯管被加送至输送机构如传送带或者金属盘并且在干燥或者焙烧后借助负压被吸走。这可以同样通过抽吸弯管来进行。被吸走的、经过干燥或焙烧的芯核最好通过旋流分离器沉积，随后收集在储备容器中。
如果干燥和焙烧能在不同的直通炉中进行，则本发明的一个改进方案规定，一个直通炉有多个加热区，其中至少一个加热区是干燥区，另一个加热区是焙烧区。
尤其规定，该直通炉以空气循环工作方式至少分区工作。
从权利要求书、由权利要求书得到的特征(单独和/或组合)以及对从附图所示的优选实施例的以下说明中得到本发明的其它细节、优点和特征，其中：
图1以截面俯视图表示分离器的原理图，
图2示出陈化段的原理图，
图3示出洗涤塔，
图4示出根据图3的洗涤塔的一部分，
图5示出筛带的喂给机构，
图6示出筛带的抽吸机构，
图7示出传送带式直通炉的第一实施方式，
图8示出直通炉的第二实施方式，
图9示出直通炉第三实施方式的原理图，
图10示出制造燃料芯核的流程图。
从这些图中看到用于制造在达到800μm的直径范围内的球状燃料芯核和/或燃料原料芯核的设备或装置的部件，尤其是呈含有或不含钍、钚或其混合物的氧化物和/或碳化物形式的铀芯核，但尤其是添加有辅助材料如四氢糖醇(THFA)、尿素和聚乙烯醇(PVA)。该制造工艺包括滴加(注入)硝酸水溶液、在氨气气氛中预固化滴液、在氨水溶液中固化及随后陈化、洗涤、干燥和热处理。
在称为外胶凝法的相应胶凝法中，出现不溶性的重铀酸铵(ADU)以及作为副产物的水溶性硝酸铵。加入浇注液的其它添加物质例如THFA和或许有的尿素必须通过氨水洗涤而同样从ADU-胶凝球中被洗出。在按照本发明制造的具有300μm至800μm最终直径的较大芯核中，在胶凝法中附加采用呈水溶液形式的有机辅助材料聚乙烯醇(PVA)，它在铀沉淀时与所形成的ADU构成加合物。ADU在焙烧过程中在空气中热分解，形成UO3。在焙烧过程中，PVA也在高于300℃的温度挥发。
本发明规定，在沉淀槽中出现滴落和浇注颗粒即微球和在含氨的陈化水中汇集之间的持续时间是相同或基本相同的。这根据本发明是如此实现的，这些微球在沉淀槽后被供给一个分离器或者功能相同的构件，其作为输送给陈化段的传送机构。功能相同的构件例如是筛带。因此，分离器也应被理解和注释为功能相同的相应构件的同义词。
从图1中看到一个相应的分离器10，它如上所述设置在沉淀槽后面。
分离器10由不锈钢的圆形平面孔筛12构成，它在底侧遮盖住一个被分为多个区段的金属筒14。金属筒14在沉淀槽侧是敞开的。金属筒14优选被分为具有相同面积的六个区段1-6，就是说，具有从转轴开始的叶片或者隔板15，其通过孔筛12缓慢转动。此时，这些区段1-6即区段1-6之间的隔板15密封安置在孔筛12上。
孔筛12可以按照特殊的蚀刻方法来制造，其中网目即其直径应该在300μm-800μm范围内。
在沉淀槽中形成的胶凝微球借助在浇注装置下方的闸门装置与沉淀槽液体一起被定量加入分离器10的一个区段(填充位置1)，从而在位置(滴落位置2-5)之间继续移动，以便随后在有六个区段时在第六位置(过渡位置)通过开口即筛板12中的开孔17被输送经过通过陈化段18的例如管16。
陈化段18具有竖直取向的壳体20，在壳体中与壳体内壁间隔且沿其纵向延伸一个由不锈钢构成的圆柱形筛布22或孔筛，由此形成圆柱形内腔，在该内墙中，由分离器10交出的多个微球能陈化。在筛布或者说孔筛22与壳体20之间的间隔是必需的，用于陈化水能流过，陈化水经管接头24、26在循环回路中流动，在该循环回路中设有至少一个换热器。通过换热器，陈化液被调整到期望的温度。
因此在由分离器10交付微球时，陈化水应该具有室温。如果微球按照需要的程度汇集在壳体20的内腔中，则陈化水例如被加热到60℃-80℃温度，就是说加热到需要的陈化温度。在例如1小时的所需要的陈化时间后，陈化水通过这个换热器或另一个换热器被冷却到室温，在这里，位于陈化段18中的多个微球同时变冷。
本发明规定，为了在含氨的陈化水中均匀处理胶凝微球，遵守关于硝酸铵和/或氢氧化铵以及添加物质如THFA和尿素的平衡状况，用于实现微球在热处理中的均匀收缩。关于THFA，最好可以进行最多15重量%、尤其是10重量%-15重量%的THFA与H2O交换。由此利于收缩。
在此情况下，平衡状况意味着这些微球在离开陈化水后基本上具有关于硝酸铵或THFA或尿素或氢氧化铵的相同浓度，其中，这些组分的浓度可以彼此不同。陈化水为此被如此调节，即，这些微球在停留在陈化水内的过程中经历相同的物质交换，从而微球在离开陈化水处理作业后就各自组成而言有相同的浓度。由此保证每个球以相同程度收缩并且在离开陈化水后具有期望的直径和球形。
在一个典型的实施例中来解释在微球形成时刻通过对浇注液液流施加谐波振荡和以下工艺即在沉淀槽收集、在陈化水中收缩、用高纯水洗涤、干燥和焙烧而在所产生的微球之间进行的物质交换。
硝酸双氧铀溶液利用氨溶液被调节至pH2，随后混入聚乙烯醇(PVA)的水溶液。该溶液被分为：在情况A中，该溶液用高纯水被调节至铀浓度120克U/l和25克PVA/l(浇注液A)。在情况B中，溶液的第二部分中混入四氢糖醇(THFA)和少量高纯水，其中作为浇注液B存在以下浓度：120克U/l，25克PVA/l和300克THFA/1。就是说，浇注液B附加包含水溶性物质THFA。
两种浇注溶液A和B在相同状况下被转换为多个微球。在采用喷嘴情况下，由每种溶液形成液体射流，液体射流在100Hz频率的谐波振荡影响下形成液滴。在1.9 l/h流量下出现2150μm直径的液滴。这些液滴在氨气沉淀路段中表面固化并在含氨的沉淀槽中硬化。硬化的微球具有胶凝结构，它们由呈加合物形式的重铀酸铵加上聚乙烯醇(ADU+PVA)构成并且包括其它的溶解物质例如硝酸铵和氢氧化铵(种类A中)以及附加包含THFA(种类B中)。
种类A和B的微球在每个工序后用显微镜进行直径大小测量。
结果表明：种类A的微球(无THFA)在陈化合洗涤后均具有宽的直径分布，这意味着它们的收缩截然不同，虽然主要组成ADU+PVA的成分是相同的。种类B的微球(含THFA)具有很窄的尺寸范围并且尤其是在陈化和洗涤后优选通过THFA和陈化水或者高纯水之间的物质交换均匀收缩。在干燥和焙烧后，微球直径范围也在狭窄界限内。
结果表明，在陈化池中通过在THFA和氨水之间的物质交换发生微球的均匀收缩。物质交换也延及其它组分如NH4NO3、NH4OH和或许有的尿素。
陈化后，所有的微球具有很窄的直径分布。微球的均匀收缩在洗涤中也继续进行并且导致在洗涤后获得具有较窄直径分布的微球。
如果没有交换，则除了一定的氨损失外，取决于加热情况地在含氨的陈化水中没有出现进一步的物质交换。
在完成陈化后，这些微球从陈化段18被送往另一个传送机构，以便接受洗涤作业。此时，该传送机构可以具有对应于分离器10的结构。因此，被冷却的陈化水在孔筛下面流走和被收集起来。接着是浓缩产生氨气，胶凝微球在从含氨的沉淀槽中分离出来后具有所述氨气，以及回送入陈化段18。
经过陈化的微球由不溶性的重铀酸铵(ADU)和含有水溶性物质硝酸铵、THFA和尿素的聚乙烯醇(PVA)加合物构成，只要这些添加物质在初始溶液中。为了去除水溶性物质，根据本发明，采用多级的级联洗涤器，它保证了用于多级洗涤工艺的连续工业运转。
图3示出了相应的洗涤塔28。洗涤塔28在本实施例中由七级30、32、34、36、38、40、42构成。每一级30、32、34、36、38、40、42在一个洗涤循环中被接入，在该洗涤循环中，这些微球逐渐地即逐级地最终被几乎洗除掉硝酸铵、THFA和尿素。作为洗涤液，采用约两摩尔的弱氨性高纯水，该高纯水通过在洗涤塔28底板上的开口31被送入并且流过级30、32、34、36、38、40、42，以便通过位于头部区域内的开口33流走。此时，洗涤液组分因洗涤液和球之间的物质交换而在级和级之间变化。
此外如图3所示，包括借此供应洗涤液的洗涤塔28区在内的若干级与通风管路35相连。
陈化后的微球从第二分离器中沉淀出，即从其对应于图1导管16的管中沉淀到最上侧的洗涤级或者说第一洗涤级，即级联洗涤器的级42，并在那里被洗涤，随后经过所有其余的洗涤级并在最后的洗涤级中用通过开口31被送入的大约两摩尔的弱氨性高纯水洗涤，直到获得足够低的硝酸铵含量。
需要含氨的水以避免沉淀产品水解。
在图4中，单纯举例地示出三个前后相继的级或者洗涤级34、36、37。每一级34、36、37在底侧具有一个漏斗44、46，用于能使微球在级和级之间掉落。在底侧，各漏斗44、46可以通过带有喷嘴盘48、50的环缝喷嘴按照期望程度来封闭。此外，每一级具有一个管路52、53，在各级中循环输送的洗涤水可通过该管路来供应。在每一级34、36、37的头部区域中设有一个出液口54、55。在这里，在图4中居中的级36的出液口54与随后的即下侧的级相连，以便能循环冲洗内室。每个漏斗46限定出两个洗涤腔。其缘故是，单独级34、36、37之间的交接点在漏斗44、46之间经过。相应的交接点用标记56、58表示。而且，设有具有测量控制机构的未示出的对应于每个洗涤腔且与接头52、54相连的泵。用于级34或者尤其限定的洗涤腔的循环因而包括管路53和出口54，它们通过一个具有泵的且在洗涤塔28外延伸的管路相连。
位于洗涤级中的微球通过洗涤水以期望的程度保持悬浮状态，洗涤水借助所述的循环泵被始终泵送。漏斗44、46环形间隙处的洗涤水流速借助喷嘴盘48、50来调节，喷嘴盘可分别通过挠曲轴60例如利用手轮62从外部进行高度调节。如此设计环缝喷嘴，洗涤水四面八方向上流向漏斗44、46壁。在喷嘴盘48、50升起后，环缝被扩宽，缝隙处的流速降低，反之亦然。
因此，通过调节环缝喷嘴规定微球沉淀速度和进而各级经过漏斗44、46。
如图4所示，挠曲轴60在洗涤水供应管路52内延伸。
因此在本实施例中，七级的级联洗涤器28由具有不同洗涤水浓度的七个循环构成，它们具有七个循环泵和一个用于大约两摩尔的弱氨性高纯水的定量泵，高纯水通过开口31来供应。
根据本发明，级联洗涤器28可以由玻璃件组成，其中喷嘴盘48、50连同各挠曲轴60应该由不锈钢制成。级联洗涤器28当然也可以完全由不锈钢构成。由此，可以简化或者更精确地完成环缝调节。
在微球洗涤之后，微球遇到至少两次热处理，其中的一次是微球干燥，另一次是完成焙烧。在此，最好设置一个传送带式直通炉，它可以具有不同的设计结构。
因此，根据图7的实施例，洗涤后的微球的干燥在传送带式直通炉64中进行。这可以用空气在高达120℃的温度进行。为此，微球在由筛布构成的循环传送带66上输送经过炉64，直到炉出口。传送带66的转向通过辊68、70实现，精确的定向借助光控辊实现。
在绘制的附图中，级联洗涤器28的最后洗涤级的经过洗涤的微球与含氨的高纯水一起利用配量装置如加料弯管72(图5)来输送，配量装置在运动的传送带66上被强制来回运动，并且微球74连同输送液均匀分布在带66上。高纯水经筛布流走并汇聚。湿微球74在传送带66上被输送经过炉64并在那里被干燥。在炉出口，干燥后的芯核76可以利用处于低负压的可控制活动的抽吸弯管78从筛布上即传送带66上被吸走，在旋流分离器83(图10)沉积并收集在储备容器中。
为避免微球74在干燥时粘附，可以在含氨的高纯水中加入少量水溶性脂肪醇，例如0.5克非离子型表面活性剂A8/升高纯水，或者其它的去污剂。
干燥后的芯核随后在另一个传送带式直通炉80(图8)中在空气中在高达430℃下焙烧，其中ADU和PVA热分解，形成UO3芯核，而NH3、CO2和水蒸汽作为废气成分被排出。
根据本发明，焙烧依靠金属盘82进行，金属盘可通过传送带84输送经过炉80。传送带84同样可以具有筛布。根据本发明，焙烧在金属盘62上以单层方式进行，即，芯核仅并排布置而不上下重叠，以保证在出现放热反应时有很高的热传递。干燥后的芯核在金属盘82上所散布利用计量配料装置和通过轻微颤动该罩82实现，尤其是利用加料弯管，通过加料弯管，确定下用于形成单层的数量精确的芯核，罩的轻微颤动导致微球占据罩82上的所有空闲此方。金属盘82具有打孔的底板。
此时网目是这样的，其原则上小于在各生产步骤中的微球。
在焙烧后，根据本发明，芯核借助处于低负压的活动的抽吸弯管从罩82被去除，在旋流分离器83(图10)中沉积并收集在储备容器中。就此而言，参见对图5和图6的说明。金属盘82优选被固定安装在传送带84上并且最好由耐热钢如Thermax耐热钢或因康镍合金构成。
如图8所示，传送带式直通炉有两个加热环路86、88。第一加热环路86大致在170℃以新风工作，第二加热环路以大致在430℃以空气循环方式工作。
举例示出，干燥后的芯核在其中经受加热过程的通道可以具有3.25米的长度、0.32米的宽度和80毫米的高度。金属盘82可以具有300×350mm2尺寸，高度为10毫米。
如图9单纯原理性所示，干燥和焙烧过程也可在一个传送带式直通炉90中在空气中在温度范围120℃、170℃和430℃进行，其中在第一级92(高达120℃)，湿微球被干燥，在第二级94(焙烧达170℃)，处于单层状态的干燥后的芯核热分解，在第三级96(焙烧达430℃)中，形成了纯的UO3芯核。
在图9的实施例中，炉90的传送带由具有例如300μm-500μm的筛孔直径的打孔金属盘98、100、106构成，金属盘被驱动系统拉动经过炉90并且以循环带方式被送回。根据本发明，定量的洗涤后微球随着级联洗涤器28最后一个洗涤级的高纯水借助一个加料弯管102被均匀分布到第一打孔金属盘98上。输送液体经金属盘98的孔洞流走。在此实施例中，如此选择在封闭循环中输送的金属盘98、100的布置形式，即，可以通过五个盘位置实现流走。湿芯核在打孔金属盘上进入传送带式直通炉90的干燥室并在那里在第一级92中在高达120℃的温度被干燥。通过使盘98、100轻微颤动，干燥后的芯核形成由随洗涤水已送来的最多微球构成的单层。因为干燥后的芯核具有例如约为1毫米的直径，所以金属盘底板的孔眼被填塞，余者均匀散布在其周围。
干燥后的芯核随后在第二级和第三级94、96中在高达约170℃或者约430℃的温度在相同的打孔金属盘中被焙烧至约为0.8mm的直径。接着，罩从炉90中被送出和翻转。
焙烧后的芯核借助活动的抽吸弯管104在负压下从打孔金属盘106中被除去，在旋流分离器沉积并且收集在储备容器中。
被排空的打孔金属盘106在炉外回到用于洗涤后微球和输送液体的喂给位置(盘98的位置)并且在那里重新加料。
每个金属盘98、100、106的底板由平坦的孔筛构成，孔筛可以按照特殊的蚀刻方法制成。罩边缘的高度约为10mm。作为用于罩的金属，采用不锈钢、Thermax合金钢或因康镍合金。
用于湿微球加上输送液的加料弯管102被如此控制，金属盘被均匀充满并且微球量不超过形成单层的被干燥芯核所需要的微球量。
将微球流转交到下一盘是在相应时间间隔中与盘更换同步进行的。图10以流程图再次示出本发明的制造方法。通过激振器101，按照已知方式例如滴入硝酸双氧铀溶液，所述液滴在氨气氛中预固化，以便随后在沉淀槽102内从含水氨溶液中胶凝。微球通过闸门104被分批供给分离器10，以便随后接受陈化(陈化段18)、洗涤作业(级联洗涤器28)以及干燥和焙烧(直通炉64、80)，如同以上描述的那样。此时的一个重要特征是，微球此时与沉淀槽液体接触而直到接触到陈化液的时间段对于每个微球来说是相同的或大致相同的，从而微球的组分浓度是相同或基本相同的。这些球就在陈化段18之后的其直径和组分浓度而言基本没有区别，从而最终结果是得到其直径只有微小分散的燃料芯核或燃料原料芯核。
此外，在陈化级中如此调节出平衡状况，在这些独立微球中的关于硝酸铵或辅助材料的组分浓度是相同或基本相同的，在这里，组分浓度本身当然可以彼此不同。
通过级联洗涤器28来保证通过对应于分离器10的分离器从陈化段被传送给级联洗涤器28的微球几乎不含硝酸铵和辅助材料如THFA和尿素。通过以单层方式进行的干燥微球焙烧，同样保证了以期望程度进行均匀收缩。

Claims (71)

1. 一种制造球形的燃料芯核的方法，所述芯核的直径范围为300μm至800μm，由氧化铀和/或碳化铀和/或含铀的混合氧化物和/或混合碳化物制造所述芯核，通过滴加含有硝酸双氧铀以及来自尿素、四氢糖醇(THFA)和聚乙烯醇(PVA)的组中的一种或多种辅助材料的溶液到含氨的沉淀槽(102)中以形成微球、在氨溶液中陈化和洗涤如此产生的微球、干燥及热处理，其特征在于，该微球(74)通过第一分离器(10)从该沉淀槽中被分离出来并且为了陈化而被送入含氨的陈化水，在送入到陈化水中之前的微球接触沉淀槽(102)液体的接触持续时间被调节为相同或基本相同的，该微球通过传送机构从陈化水中被传递给多级的级联洗涤器(28)，所述微球在该级联洗涤器中被洗涤掉或基本洗涤掉硝酸铵和至少一种微球所含的辅助材料，并且在微球干燥后，这些微球在热处理过程中以单层铺散方式被焙烧。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在沉淀槽(102)中出现微球(74)和陈化水输送之间，借助第一分离器(10)调节出该相同的或基本相同的持续时间。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如此调节含氨的陈化水到平衡状况，每个微球或基本上每个微球(74)就组分而言总是具有相同的或基本相同的浓度。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在含氨的陈化水中，至少就微球(74)所含的硝酸铵和/或尿素而言，调节出平衡状况。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在含氨的陈化水中，至少就微球(74)所含的THFA而言，调节出平衡状况。
6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在从陈化水中取出微球后，至少该微球中的THFA浓度等于或大致等于该陈化水中的THFA浓度。
7. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在从陈化水中取出微球后，该微球中的NH4NO3、NH4OH的浓度，和如果含有尿素，则尿素的浓度，等于或大致等于该陈化水中的浓度。
8. 根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在含氨的陈化水中调节出以下状况，该状况允许最多15重量百分比的THFA与H2O的交换。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该状况允许10至15重量百分比的THFA与H2O的交换。
10. 根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，该微球(74)被送入被调至室温的含氨的陈化水中，该陈化水随后被加热到60℃≤T1≤80℃的温度T1，该微球经过50分钟≤t≤70分钟的一段时间t在该温度T1停留在陈化水中，并且在时间t后，陈化水被冷却到室温并且随后取出该微球。
11. 根据至少权利要求10所述的方法，其特征在于，该陈化水的加热和冷却借助至少一个换热器来执行。
12. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该微球(74)在级联洗涤器(28)中被引导经过多个洗涤级。
13. 根据至少权利要求12所述的方法，其特征在于，微球在每个洗涤级中的沉淀速度通过在洗涤级中循环流动的洗涤水来调节。
14. 根据至少权利要求12所述的方法，其特征在于，该洗涤级(30,32,34,36,38,40,42)的洗涤水通过设置在漏斗(44,46)底板上的间距可变的环缝供应。
15. 根据至少权利要求13所述的方法，其特征在于，除了在每个洗涤级(30,32,34,36,38,40,42)中循环输送的洗涤水外，从最下级开始引导洗涤水流过所有级。
16. 根据至少权利要求15所述的方法，其特征在于，作为供给最下级(30)的洗涤水，采用弱氨性高纯水。
17. 根据至少权利要求15所述的方法，其特征在于，作为供给最下级(30)的洗涤水，采用两摩尔含氨的高纯水。
18. 根据至少权利要求1所述的方法，其特征在于，经过洗涤的微球(74)在传送带式直通炉中被同时干燥。
19. 根据至少权利要求18所述的方法，其特征在于，在温度T2≤120℃下进行干燥。
20. 根据至少权利要求18所述的方法，其特征在于，在温度T2为100℃≤T2≤120℃下进行干燥。
21. 根据至少权利要求18所述的方法，其特征在于，经过洗涤的微球(74)随洗涤水一起通过喂给机构被均匀分散地加给被输送经过该传送带式直通炉的输送件(66)。
22. 根据至少权利要求20所述的方法，其特征在于，喂给机构是加料弯管(72)。
23. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，该输送件是筛带（66）。
24. 根据至少权利要求21所述的方法，其特征在于，在交付给输送件(74)之前，在洗涤水中加入去污剂。
25. 根据至少权利要求24所述的方法，其特征在于，作为去污剂，采用水溶性脂肪醇。
26. 根据至少权利要求18所述的方法，其特征在于，干燥后的微球(76)在经过传送带式直通炉(64,80)后借助抽吸机构从输送微球的输送机构(66)被吸走，在旋流分离器中沉积并收集在储备容器中。
27. 根据至少权利要求26所述的方法，其特征在于，抽吸机构是抽吸弯管(78)。
28. 根据至少权利要求1所述的方法，其特征在于，该微球(74)以单层形式被送入被输送经过直通炉(64,80)的、底侧有开孔的金属盘(82,106)并且在T3≤450℃的温度T3被焙烧。
29. 根据至少权利要求28所述的方法，其特征在于，温度T3为160℃≤T3≤430℃。
30. 根据至少权利要求28所述的方法，其特征在于，该焙烧分两级进行。
31. 根据至少权利要求18所述的方法，其特征在于，该微球(74)在传送带式直通炉(64,80)中经过包括至少一个干燥区和至少一个焙烧区的多个加热区(92,94,96)。
32. 根据前述权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，干燥和/或焙烧以空气循环工作方式进行。
33. 根据至少权利要求28所述的方法，其特征在于，经过焙烧的芯核(76)被金属套(82,106)抽吸走。
34. 根据至少权利要求33所述的方法，其特征在于，被吸走的芯核(76)在旋流分离器(83)中沉积并收集在储备容器中。
35. 一种制造球形的燃料的装置，包括沉淀槽(102)、陈化段(18)、洗涤机构(28)和热处理机构(64,80,90)以及用于在制造球形的燃料的过程中制成的微球(74)和由此形成的芯核(76)的传送机构(10)，其特征在于，在该沉淀槽和该陈化段(18)之间设有呈分离器(10)形式的第一传送机构，它具有被分为多个区段的且通过具有开口的作为底板的孔筛(12)可转动的筒(14)，其中，每个区段前后相继地在底侧被该孔筛遮挡的第一位置上对准该沉淀槽(102)的出口并且在该筒转动一个角度α之后在第二位置上对准该孔筛的与该陈化段(18)连通的开口，每个区段具有相同的面积并且该角度α等于360o/n，其中n是区段数量。
36. 根据权利要求35所述的装置，其特征在于，所述装置用于制造球形的燃料原料。
37. 根据权利要求35所述的装置，其特征在于，在该孔筛(12)下面设有流体容纳机构，该流体容纳机构直接或间接与该沉淀槽(102)的入口相连。
38. 根据权利要求35所述的装置，其特征在于，该孔筛(12)由不锈钢构成并且具有300μm≤d≤500μm的网目d。
39. 根据权利要求35所述的装置，其特征在于，该筒(14)由金属构成。
40. 根据权利要求35至39之一所述的装置，其特征在于，该筒(14)密封安置在该孔筛(12)上。
41. 根据权利要求35至39之一所述的装置，其特征在于，该筒(14)被分为n个区段，其中n≥3。
42. 根据权利要求40所述的装置，其特征在于，该筒(14)被分为n个区段，其中n≥3。
43. 根据权利要求41所述的装置，其特征在于，n=6。
44. 根据权利要求35所述的装置，其特征在于，该陈化段(18)包括被筛布或者孔板(22)包围的、容纳微球的空心筒，该空心筒有间隔地被壳体(20)包围以便输送陈化水。
45. 根据权利要求35所述的装置，其特征在于，该陈化液在包括至少一个换热器的循环装置中流动，该壳体(20)被集成到该循环装置中。
46. 根据至少权利要求35所述的装置，其特征在于，该陈化段(18)与一个以第二分离器形式构成的、适合输送地将陈化段与该洗涤机构(28)相连的第二传送机构。
47. 根据至少权利要求46所述的装置，其特征在于，第二分离器具有对应于第一分离器(10)的结构。
48. 根据至少权利要求35所述的装置，其特征在于，该洗涤机构(28)是具有m个洗涤级的级联洗涤器，其中m≥2。
49. 根据权利要求48所述的装置，其特征在于，2≤m≤8。
50. 根据权利要求48所述的装置，其特征在于，m=7。
51. 根据至少权利要求48所述的装置，其特征在于，每个洗涤级在底侧具有一个带开口的漏斗(44,46)，该开口可通过带有喷嘴盘的封堵机构(48,50)以期望的程度被封闭。
52. 根据至少权利要求51所述的装置，其特征在于，输送洗涤水的循环装置以局部终止在封堵机构(48,50)下面。
53. 根据至少权利要求52所述的装置，其特征在于，一个调节件在该局部内延伸，该调节件与封堵机构(48,50)连接。
54. 根据权利要求52或53所述的装置，其特征在于，所述局部是管路(52)。
55. 根据至少权利要求53所述的装置，其特征在于，该调节件是挠曲轴(60)。
56. 根据至少权利要求51所述的装置，其特征在于，在漏斗(44,46)的下方设有洗涤液的管接头。
57. 根据至少权利要求48所述的装置，其特征在于，这些洗涤级上下重叠布置。
58. 根据至少权利要求57所述的装置，其特征在于，该级联洗涤器(28)的最低洗涤级具有用于洗涤水的管接头，该洗涤水从最高洗涤级送出。
59. 根据至少权利要求35所述的装置，其特征在于，该洗涤机构(28)后面设有至少一个直通炉(64,80,90)。
60. 根据至少权利要求59所述的装置，其特征在于，经过洗涤的微球(74)可借助输送机构被运送经过该直通炉(64,80)，其中该传送带至少局部具有筛布。
61. 根据权利要求60所述的装置，其特征在于，输送机构是循环传送带(66)。
62. 根据至少权利要求59所述的装置，其特征在于，该微球(74)可通过由排队的多个金属盘(82)构成的输送机构被输送经过该直通炉(80,90)，其中，每个金属盘具有网目在300μm和500μm之间的打孔底板。
63. 根据至少权利要求60至62之一所述的装置，其特征在于，该微球(74)通过喂给机构可被送到该输送机构或者该金属盘(82)。
64. 根据权利要求63所述的装置，其特征在于，喂给机构是加料弯管(72,102)。
65. 根据至少权利要求60所述的装置，其特征在于，干燥后的或经过焙烧的微球(76)从该输送机构上可以借助负压被吸走。
66. 根据权利要求65所述的装置，其特征在于，干燥后的或经过焙烧的微球(76)从该输送机构上可以利用抽吸弯管(78,104)被吸走。
67. 根据至少权利要求35所述的装置，其特征在于，被干燥或被焙烧的微球(76)被沉积并可收集在储备容器中。
68. 根据至少权利要求67所述的装置，其特征在于，被干燥或被焙烧的微球(76)通过旋流分离器(83)被沉积并收集在储备容器中。
69. 根据至少权利要求59所述的装置，其特征在于，该直通炉(90)具有多个加热区(92,94,96)。
70. 根据至少权利要求69所述的装置，其特征在于，至少一个加热区(92)是干燥区，至少另一个加热区(96)是焙烧区。
71. 根据至少权利要求59所述的装置，其特征在于，该直通炉(64,80,90)能以新风工作和/或以空气循环工作方式工作。
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