CN103252283A - 一种分离燃料颗粒的核芯和包覆层的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种分离燃料颗粒的核芯和包覆层的系统，其包括喷射装置、挡板、旋风分离器、除尘器；所述喷射装置设置有物料入口和喷射出口，所述喷射出口垂直于挡板平面，喷射出口与挡板的距离为5-15cm；所述旋风分离器位于挡板的下方，所述旋风分离器设置有物料进口、气体出口、颗粒出口，所述气体出口与除尘器连接。本发明提出的系统和方法可以简单、低成本、可控的对不合格燃料颗粒进行回收，同时对设备的腐蚀低，尾气处理要求不高，能够涵盖较大范围尺寸的不合格颗粒。本发明分离包覆层与核芯的方法适用于所有核芯压碎强度高于包覆层压碎强度的球形“核/壳”结构包覆颗粒。

Description

一种分离燃料颗粒的核芯和包覆层的系统和方法
技术领域
本发明属于核物理领域，具体涉及一种高温气冷堆包覆燃料颗粒的包覆层与核芯的分离与回收的系统和方法。
背景技术
包覆燃料颗粒主要由燃料核芯和包覆层构成，包覆层材料主要有热解炭、碳化硅、碳化锆等，主要功能是阻止核芯裂变产物的释放。其包覆层形式有单层和复合层两种，采用流态化化学气相沉积的方法在陶瓷核芯表面依次沉积形成。目前使用的燃料元件的包覆颗粒中，核芯依次被疏松热解炭层、内致密热解炭层、碳化硅或碳化锆层和外致密热解炭层包覆。由于制造工艺的局限性和偶然性，包覆燃料颗粒的制备存在一定的不合格品，回收这些不合格品内的燃料核芯对核材料的最大化利用具有重大意义。另外，辐照燃料研究中对样品的解剖及高温堆运行后产生的乏燃料的处理都可能需要将包覆层与核芯剥离。
由于包覆颗粒中的热解炭层很容易通过高温氧化法去除，因而不合格燃料颗粒的处理回收过程主要是分离SiC或ZrC层与燃料核芯。目前，将包覆燃料颗粒的包覆层（主要是SiC层）和核芯分离的方法有：机械压碎法(I.J.V.D.Walt,J.T.Nel,P.L.Crouse,et al,Journal ofNuclear Materials413,159～161(2011).)、熔融法、含氟等离子体刻蚀（赵云峰，陈靖,原子能科学技术42(5),416～422(2008).）、氟化法（D.Hittner,E.Bogusch,M.Futterer,S.d.et al,Nuclear Engineeringand Design241,3490-3504(2011).）、和高压脉冲电流法（M.A.Futterer,F.v.d.Weid and P.Kilchmann,Proceedings of ICAPP'10,10219(2010).）等。
机械压碎法即是使用外力将包覆层压碎同时保证核芯的完整，从而将二者分离。由于不合格燃料颗粒在颗粒尺寸、SiC的厚度、强度上有较大的差别，因而使用压碎法过程中，力度不易控制且对设备的磨损较为严重。熔融法是使SiC在高温熔融盐中反应去除的方法。氟化法是使SiC在高温下与氟气或氯气中反应去除的方法。这两种方法均需要在在高温下进行，且具有极强的腐蚀性，对设备有较高的要求及高昂的维护成本。高压脉冲电流法是在水中通入高压/高强度脉冲,此时固体表面能够产生电弧并穿过固体进行传播，在很短的时间内产生高温、高压，从而将包覆层破碎。等离子体刻蚀则是利用氟等离子体与SiC能够生成气态产物的原理出去SiC层。这两种方法目前尚属于实验研究阶段，与工业应用尚有很大距离。
发明内容
本发明的目的是提供一种能克服上述现有技术的不足、能实现燃料元件的包覆颗粒核芯与包覆层分离“连续批量、简单易控”的方法及实现该方法的设备。
实现本发明目的的技术方案为：
一种分离燃料颗粒的核芯和包覆层的系统，其包括喷射装置、挡板、旋风分离器、除尘器；
所述喷射装置设置有物料入口和喷射出口，所述喷射出口垂直于挡板平面，喷射出口与挡板的距离为5-15cm；
所述旋风分离器设置有物料进口、气体出口、颗粒出口，所述气体出口与除尘器连接。旋风分离器配有风机，可以通过阀门及挡板调节风压和气速。
其中，所述颗粒出口还连接有颗粒收集容器，所述颗粒收集容器内设置有筛网，所述筛网的孔径大小为0.5-0.6mm。
其中，所述颗粒收集容器侧壁和底部均设置有出口，侧壁的出口位于筛网上方，其连接有颗粒容器；底部的出口连接有核芯容器。
其中，所述喷射装置内径为2-20mm，长度为5-20cm,优选内径为4-8mm,长度为10-15cm
优选地，所述喷射出口与挡板的距离为8-10cm。
其中，所述挡板的下方还设置有集料容器，所述集料容器与旋风分离器物料进口连接。其中，所述除尘器为布袋除尘器、静电除尘器、脉冲滤桶除尘器或降尘室中的一种。
一种分离燃料颗粒的核芯和包覆层的方法，其包括步骤：
用气流载带燃料颗粒，通过喷射装置喷射到挡板上，燃料颗粒被冲击破碎后进入旋风分离器，旋风分离进口风速为20-55m/s，优选为25-45m/s。风压为700-1800Pa,优选为800-1500Pa，旋风分离器分离出的颗粒经过筛网被分离为未破碎完全的颗粒和核芯；旋风分离器排出的气体经过除尘器净化。
其中，所述载带燃料颗粒的气流为非易燃易爆气体的气流，选自氮气、氩气、空气或其混合气；载带的气流气压为0.4-1.2MPa。
本发明提出的方法还包括，将未破碎完全的颗粒重新进行分离。
本发明的有益效果在于：
可以简单、低成本、可控的对不合格燃料颗粒进行回收，同时对设备的腐蚀低，尾气处理要求不高，而且能够涵盖较大范围尺寸的不合格颗粒。
本发明分离包覆层与核芯的方法适用于所有核芯压碎强度高于包覆层压碎强度的球形“核/壳”结构包覆颗粒。
附图说明
图1本发明方法的过程示意图；
图2本发明实施例1系统结构图；图中，5：料桶；6:喷枪；7:冲击挡板；8:集料斗；9:旋风分离器；10:颗粒收集桶；11:筛网；12:核芯放料阀；13:核芯桶；14：放料阀；15：中转料桶；16:除尘器；17:尘土收集放出阀。
图3为处理之前的燃料颗粒照片；图中1：核芯；2：未破碎的颗粒；3：部分破碎的颗粒；4：包覆层碎片。
图4为处理之后的燃料核芯照片。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
图2为本发明的系统结构图。该系统包括一个带有引射阀的料桶5、一个与载带气源相连的喷枪6、冲击挡板7、旋风分离器9、除尘器16和颗粒收集桶10。喷枪6的物料入口与料桶5连接，喷枪6的喷射出口垂直于冲击挡板7的平面，喷射出口与冲击挡板7的距离为10cm；喷枪内径为6mm，长度为10cm。
集料斗8位于冲击挡板7的下方，旋风分离器设置有物料进口、气体出口、颗粒出口，其物料进口连接集料斗8，用于通入挡板掉下来的物料。物料进口的管路设置有风机、阀门，用于调节风压和气速；气体出口与除尘器16（脉冲滤桶除尘器）连接，除尘器16下设置有尘土收集放出阀17。
旋风分离器的颗粒出口连接有颗粒收集桶10，颗粒收集桶10内设置有筛网11，筛网11的孔径大小为0.55mm。颗粒收集桶侧壁和底部均设置有出口，侧壁的出口位于筛网上方，其连接有中转料桶15；底部的出口连接有核芯桶13。
实施例2
待处理的燃料颗粒为在UO2核芯上依次包覆疏松热解炭层、内致密热解炭层、碳化硅层和外致密热解炭层的包覆颗粒，使用本发明所述的方法分离UO2核芯与包覆层。包覆颗粒的尺寸为0.9-1.2mm之间，核芯尺寸为0.45-0.55mm。
当使用实施例1的系统进行回收处理时，首先将待处理的燃料颗粒放入料桶5中，颗粒经喷枪6喷射到冲击挡板7上并发生破碎。随后样品经集料斗8进入旋风分离器9中。在旋风分离器9中包覆层碎片从未破碎完全的包覆颗粒和核芯中分离出来并被抽至除尘器16，过滤后集中于除尘器16下部，一定时间后可以通过尘土收集放出阀17放出后集中处理。从旋风分离器9出来的未破碎完全的包覆颗粒和核芯经过颗粒收集桶10内的筛网11时被分成了核芯和未破碎完全的颗粒。其中，核芯通过筛网11聚集于核芯放料阀12的上方，通过打开核芯放料阀12使得核芯掉落至核芯桶13；未破碎完全的颗粒经由筛网11的上方聚集于放料阀14的上方，经过放料阀14使得未破碎完全的颗粒进入中转料桶15内，以备之后的重复喷射。
根据流体力学相关公式以及核芯的压碎强度与包覆层的破碎强度之间的窗口，推算出若要使得颗粒与冲击挡板的冲击强度约为40-50N（该数值大于包覆层的破碎强度，同时离颗粒的压碎强度有较大差距，可以保证将包覆层破碎的同时尽可能保持核芯的完整），需要使得气体压力为0.4Mpa左右。本实施例操作中，载带气体为压缩空气，压力为0.4MPa，通过控制压缩空气压力，颗粒与冲击挡板的冲击强度为40～50N。旋风分离器9的分离风速为40m/s，风压为1200Pa；图3为一次喷射后的颗粒形貌图（图面说明：1、核芯；2、未破碎的颗粒；3、部分破碎的颗粒；4、包覆层碎片）。图4为最终收集到的UO2核芯。
技术效果：每次处理的不合格燃料颗粒量为5kg，需要时间1-2分钟。一次喷射后，90%的颗粒被分离。产生未分离颗粒的主要原因为包覆颗粒没有击碎或击碎不完全；未破碎或破碎完全的颗粒进入中转料桶15，重新进行分离。
实施例3：
分离燃料颗粒的核芯和包覆层的系统，包括一个带有引射阀的料桶、一个与载带气源相连的喷枪、冲击挡板、旋风分离器、脉冲滤桶除尘器（CCQ600-1型）和颗粒收集桶。
喷枪的物料入口与料桶连接，喷枪的喷射出口垂直于挡板平面，喷射出口与挡板的距离为6cm；喷枪内径为2mm，长度为80cm。
旋风除尘器的颗粒出口连接有颗粒收集桶，颗粒收集桶内设置有筛网，筛网的孔径大小为0.55mm。颗粒收集桶侧壁和底部均设置有出口，侧壁的出口位于筛网上方，其连接有中转料桶；底部的出口连接有核芯桶。其他设置同实施例1。
实施例4
待处理的燃料颗粒为在UO2核芯上依次包覆疏松热解炭层、内致密热解炭层、碳化硅层和外致密热解炭层的包覆颗粒，包覆颗粒的尺寸为0.9-1.2mm之间，核芯尺寸为0.45-0.55mm。
分离过程同实施例2。
具体操作中，载带气体为压缩的空气，压力为0.6MPa，通过控制压缩气体压力，颗粒与冲击挡板的冲击强度为30-50N。旋风分离器的分离风速为30m/s，风压为1000Pa。未破碎完全的颗粒进入中转料桶，重新进行分离。
技术效果：经过一次破碎后，92%的核芯得到分离。

Claims (10)

1.一种分离燃料颗粒的核芯和包覆层的系统，其特征在于，包括喷射装置、挡板、旋风分离器、除尘器；
所述喷射装置设置有物料入口和喷射出口，所述喷射出口垂直于挡板平面，喷射出口与挡板的距离为5-15cm；
所述旋风分离器设置有物料进口、气体出口、颗粒出口，所述气体出口与除尘器连接。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述颗粒出口还连接有颗粒收集容器，所述颗粒收集容器内设置有筛网，所述筛网的孔径大小为0.5-0.6mm。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述颗粒收集容器侧壁和底部均设置有出口，侧壁的出口位于筛网上方，其连接有颗粒容器；底部的出口连接有核芯容器。
4.如权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述喷射装置内径为2-20mm，长度为5-20cm,优选内径为4-8mm,长度为10-15cm。
5.如权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述喷射出口与挡板的距离为8-10cm。
6.如权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述挡板的下方还设置有集料容器，所述集料容器与旋风分离器物料进口连接。
7.如权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述除尘器为布袋除尘器、脉冲滤桶除尘器、静电除尘器或降尘室。
8.一种分离燃料颗粒的核芯和包覆层的方法，其特征在于，包括步骤：
用气流载带燃料颗粒，通过喷射装置喷射到挡板上，燃料颗粒被冲击破碎后进入旋风分离器，旋风分离器进口气速为20-55m/s，优选为25-45m/s；旋风分离器风压为700-1800Pa,优选为800-1500Pa，旋风分离器分离出的颗粒经过筛网被分离为未破碎完全的颗粒和核芯；旋风分离器排出的气体经过除尘器净化。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述载带燃料颗粒的气流为非易燃易爆气体的气流，选自氮气、氩气、空气或其混合气；载带的气流气压为0.4-1.2MPa。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述未破碎完全的颗粒重新进行分离。
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