CN105761771A - 一种球形燃料元件解体装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球形燃料元件解体装置，属于核燃料元件后处理技术领域。本装置包括底座，门形立柱、第一旋转电机、第二旋转电机、悬臂支架、电解池、丝杠电机、网状阴极等。门形立柱的一侧固定在底座上。第二旋转电机与门形立柱的另一侧相对固定。悬臂支架的短臂与第二旋转电机的输出轴联动。第一旋转电机固定在悬臂支架的长臂的端部。丝杠电机固定在门形立柱一侧的下部，电解池通过滑座与丝母相对固定，电解池中的网状阴极与一个负极相连。本发明装置结构紧凑，操作方便，易于实现远程控制，非常有利于辐照后或热处理后燃料元件中包覆颗粒的破损机理研究和燃耗及裂变产物的分析，并有效避免各批次样品间的干扰及污染。

Description

一种球形燃料元件解体装置

技术领域

本发明涉及一种球形燃料元件解体装置，属于核燃料元件后处理技术领域。

背景技术

高温气冷堆(HTGR)以其固有安全性好、发电效率高、用途广泛等优点受到了世界各国，特别是发展中国家的重视，有望作为第四代先进反应堆型之一得以广泛应用。高温气冷堆属于模块式球床堆，其球形燃料元件的直径为60mm，是由包覆燃料颗粒(直径约为0.92mm)和基体石墨粉混合压制成燃料芯球(直径为50mm)，再在燃料芯球外面压制5mm厚的基体石墨壳构成，每个球含铀约5-7g。球形燃料元件在高温气冷堆内运行，燃耗达到一定要求后排出成为乏燃料球，其中含有铀、裂变产物、超铀元素等。

为了进一步提高高温气冷堆安全性，改进燃料元件的设计和制造水平，亟需开展球形燃料元件辐照后性能研究，探索包覆颗粒在堆内和事故状态下的破损机制。这就需要将辐照后的燃料元件解体，获得与石墨基体分离并且结构完整的包覆颗粒样品；同时，还需要保留颗粒在元件中的相对位置信息，为包覆燃料的破损研究提供更多线索。

目前，将球形燃料元件中解体并分离出包覆颗粒的方法有很多种，例如氧化法、燃烧法、机械破碎法、电解法等。其中，氧化法采用强氧化性物质(如液Br₂)腐蚀燃料元件的石墨层，但是强氧化剂对常规设备的腐蚀性使该方法的应用受到很大限制；直接燃烧法和机械破碎法耗能高、污染大、容易破坏包覆颗粒的层结构，而且无法得到颗粒的位置信息。专利CN1885439A及CN101252028A公开了一种基于电解插层氧化法对基体石墨球剥离和破碎的方法，在适当的电解电流及电解液条件下能够实现石墨球的解体破碎。电化学解体方法条件温和、易于控制，但在上述两个专利文献中无法获得包覆颗粒的位置信息，且不适合在密闭的屏蔽室，如热室或手套箱中通过机械手进行远距离操作。

发明内容

本发明的目的是提出一种球形燃料元件解体装置，以适用于高温气冷堆球形燃料元件辐照后性能的研究。

本发明提出的球形燃料元件解体装置，包括底座、门形立柱、旋转电机、升降模块、旋转模块、悬臂支架、电解池、丝杠电机、标尺、网状阴极、滚珠丝杠、丝母、滑座、夹具、连接架、直流电源、限位开关、导轨和开口槽；所述的门形立柱的一侧固定在底座1上，立柱上有开口槽，旋转模块与门形立柱的另一侧相对固定；所述的悬臂支架的短臂与旋转模块的输出轴联动，旋转电机固定在悬臂支架的长臂的端部；所述的升降模块固定在门形立柱一侧的上部或下部；所示的电解池通过连接架与丝母相对固定；在升降模块的作用下，丝母带动电解池沿着开口槽在滚珠丝杠上做竖直上下运动，并通过滑座和导轨的结合作用保持稳定；电解池中设有网状阴极，网状阴极与直流电源的负极相连接；待解体燃料元件通过夹具与旋转电机的输出轴联动，输出轴与直流电源的正极相连接。

本发明提出的球形燃料元件解体装置，其优点是，能够将包覆颗粒从石墨基体中逐步剥离出来，且能从外到内在元件不同半径处取样，用于辐照后燃料元件中包覆颗粒的破损机理研究和燃耗及裂变产物的分析。由于辐照后的燃料元件具有很强的放射性，该装置还易于在密闭的屏蔽室内通机械手进行远距离操作。本发明提出的球形燃料元件解体装置，设备紧凑，操作方便，易于实现远程控制，能够明确破损包覆颗粒在燃料元件中的具体位置,非常有利于辐照后或热处理后燃料元件中包覆颗粒的破损机理研究和燃耗及裂变产物的分析，并有效避免各批次样品间的干扰及污染。

附图说明

图1是本发明提出的球形燃料元件解体装置的结构示意图。

图2是图1所示的球形燃料元件解体装置的右视图。

图3是图1所示的球形燃料元件解体装置中升降模块为旋转手柄、旋转模块为悬臂支架手动弧形旋转时的结构示意图。

图4是图1所示的球形燃料元件解体装置中升降模块为丝杠电机、旋转模块为旋转电机的结构示意图。

图5是本发明提出的球形燃料元件解体装置二步电解的示意图。

图1—图4中，1为底座，2为门形立柱，3为旋转电机，4为悬臂支架，5为待解体燃料元件，6为电解池，7为升降模块，8为旋转模块，9为标尺，10为网状阴极，11为滚珠丝杠，12为丝母，13为滑座，14为夹具，15为连接架，16为直流电源，17为限位开关，8为导轨，19为开口槽。

具体实施方式

本发明提出的球形燃料元件解体装置，其结构如图1所示，包括底座1、门形立柱2、旋转电机3、升降模块7、旋转模块8、悬臂支架4、电解池6、丝杠电机7、标尺9、网状阴极10、滚珠丝杠11、丝母12、滑座13、夹具14、连接架15、直流电源16、限位开关17、导轨18、开口槽19。门形立柱2的一侧固定在底座1上，立柱上有开口槽19，旋转模块8与门形立柱2的另一侧相对固定。悬臂支架4的短臂与旋转模块8的输出轴联动。旋转电机3固定在悬臂支架4的长臂的端部。升降模块7固定在门形立柱2一侧的上部或下部。电解池6通过连接架15与丝母12相对固定；在升降模块7的作用下，丝母12带动电解池6沿着开口槽19在滚珠丝杠11上做竖直上下运动，并通过滑座13和导轨18的结合作用保持稳定。电解池6中设有网状阴极10，网状阴极10与直流电源16的负极相连接。待解体燃料元件通过夹具14与旋转电机3的输出轴联动，输出轴与直流电源16的正极相连接。

以下结合附图，详细介绍本发明提出的球形燃料元件解体装置的工作原理和工作过程：

本球形燃料元件解体装置包括电机系统和电解系统两部分。所述电机系统包括底座1、门型立柱2和带动待解体燃料元件5沿轴心线做旋转运动的旋转电机3、固定旋转电机3的悬臂支架4。悬臂支架4安装在门型立柱2上；悬臂支架4与定位轴铰接，可以以定位轴为中心弧形旋转，弧形运动可以通过与定位轴相连的旋转模块8实现。门形立柱2上装有限位开关17，用于控制旋转模块8带动悬臂支架4旋转位置，包括水平和竖直两种状态。连接于旋转电机3轴上的待解体燃料元件5的球心与定位轴轴心线在同一直线上；旋转电机3的转速范围0.5-30rpm。所述电解系统包括直流电源16、电解池6、以及与位于电解池中的网状阴极10。直流电源16的正极与待解体燃料元件5相连形成阳极，负极与网状阴极10相连作为阴极。电解池6位于待解体燃料元件正下方，可以上下移动。电解池6的上下移动通过与之相连的滚珠丝杠11完成，滚珠丝杠11垂直于底座，滚珠丝杠11的传动通过升降模块7带动丝母12、滑座13、连接架16实现电解池6的上下移动。在立柱上装有标尺9，用于判断电解池的行程距离，以控制电解元件的长度。直流电源16的正极与旋转电机3的轴以滑环形式接触。网状阴极的材料为Pt，或Pt与铱合金，尺寸为(0.5-1cm)×(0.5-1cm)。

其中，升降模块7可通过旋转手柄(如图3中所示)或丝杠电机(如图4中所示)实现。旋转模块8可通过支架4以定位轴为中心手动弧形旋转实现(如图3所示)，也可通过与定位轴相连的旋转电机实现(如图4所示)。

燃料元件解体分为水平解体与竖直解体两步，如图5所示。首先，令待解体燃料元件5轴线与电解池6内电解质液面呈相对平行位置，由旋转电机3带动燃料元件球缓慢旋转，燃料元件球进入电解池6中的部分逐渐被电解，直到待解体燃料元件5成为所需尺寸的柱状样品，至此为一步电解。

随后，使一步电解后得到的待解体燃料元件5的柱状样品轴心线与电解池内硝酸液面呈相对垂直位置，通过电解池6再次向上移动，缓慢电解燃料元件柱状体，随着柱状体解体过程的进行，延柱状样品轴向方向分段取样，可获得在燃料元件球不同半径处的包覆颗粒样品.直至元件包覆颗粒完全解离为止，至此为二步电解。

以下是采用本装置将球形燃料元件解体的例子。

电解初始，通过旋转模块8使悬臂支架4、旋转电机3及待解体燃料元件5旋转至水平位置，调节升降模块7使燃料元件浸入至硝酸电解液面1cm左右，开启直流电源，燃料元件作为阳极与电解池中电解液的阴极形成电场，在电压6V、电流6A、电机1转速为2rpm、电解池升高速度为1cm/h的条件下，由旋转电机3带动燃料元件5缓慢旋转，开始进行解体，燃料元件进入电解池中的部分逐渐被电解。通过控制升降电机7使电解池逐渐向上移动，3h后停止电解池升高，直至待解体燃料元件5与硝酸液面脱离接触后，切断直流电源。控制升降电机7带动电解池逐渐向下移动至最底端，收集解体后样品待检。将解体后得到的基体石墨粉、燃料元件包覆颗粒以及电解池中的硝酸电解液抽取至样品瓶中，标记为样品1。

此后，启动旋转模块8使悬臂支架4、旋转电机3及待解体燃料元件5旋转至待解体燃料元件5柱状样品与电解池中的硝酸液面呈竖直位置，向电解池中补入硝酸电解液10mL，启动升降模块7升高电解池，至柱状燃料元件最下端浸入硝酸液面0.6cm。开启直流电源，在电压6V、电流6A的条件下，对柱状燃料元件进行解体，直至燃料元件与硝酸液面脱离接触后，启动升降模块7使电解池逐渐向上移动电解燃料元件柱状体，每上升0.6cm取样一次，切断直流电源，将解体石墨粉、包覆颗粒及硝酸电解液抽取至样品瓶中。每次取样后向电解池内补足新鲜电解液。电解池每次提升和下降的位移用标尺来确定。以此往复10次后，将所得解体样品标记为样品2-11。所得样品待进一步分析检测。

通过上述解体操作，将燃料元件中的包覆颗粒从石墨基体中逐步剥离出来，且能从外到内在元件不同半径处取样，保留了燃料颗粒在元件内的位置信息。

Claims (4)

1.一种球形燃料元件解体装置，其特征在于该球形燃料元件解体装置包括底座、门形立柱、旋转电机、升降模块、旋转模块、悬臂支架、电解池、丝杠电机、标尺、网状阴极、滚珠丝杠、丝母、滑座、夹具、连接架、直流电源、限位开关、导轨和开口槽；所述的门形立柱的一侧固定在底座1上，立柱上有开口槽，旋转模块与门形立柱的另一侧相对固定；所述的悬臂支架的短臂与旋转模块的输出轴联动，旋转电机固定在悬臂支架的长臂的端部；所述的升降模块固定在门形立柱一侧的上部或下部；所示的电解池通过连接架与丝母相对固定；在升降模块的作用下，丝母带动电解池沿着开口槽在滚珠丝杠上做竖直上下运动，并通过滑座和导轨的结合作用保持稳定；电解池中设有网状阴极，网状阴极与直流电源的负极相连接；待解体燃料元件通过夹具与旋转电机的输出轴联动，输出轴与直流电源的正极相连接。

2.如权利要求1所述的球形燃料元件解体装置，其特征在于其中所述的升降模块为旋转手柄或丝杠电机。

3.如权利要求1所述的球形燃料元件解体装置，其特征在于其中所述的旋转模块的旋转通过支架以定位轴为中心手动弧形旋转实现。

4.如权利要求1所述的球形燃料元件解体装置，其特征在于其中所述的旋转模块的旋转通过与定位轴相连的旋转电机实现。