CN107132242A - 高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置 - Google Patents

高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，包括：真空炉，其内为一腔体，所述真空炉包括炉体，所述炉体的顶部开设有开口，所述炉体的炉壁上开设有入射窗口、透射窗口和荧光窗口，其中所述入射窗口与透射窗口同轴共线设置，所述荧光窗口的轴线与所述入射窗口的轴线位于同一水平面；设于所述真空炉的腔体内熔盐池和加热装置；设于所述真空炉的开口处的挡板；三电极系统，用于对所述熔盐池内的体系提供电化学反应，三个所述电极通过导线连接电化学工作站。采用本发明的装置不仅能够实现高温下的电化学反应，而且能够用荧光探测模式检测电化学过程中物质的变化。

Description

高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置
技术领域
本发明涉及一种高温原位同步辐射研究装置，尤其涉及一种高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置。
背景技术
为了实现核能的可持续发展，我国正在开发新一代核能系统，而新一代核能系统所产生的乏燃料比放射性更强、释热率更高、裂片元素含量增多，需要积极开发干法后处理技术。干法后处理，一般是指在非水介质中，将锕系元素(An)与其他裂片元素进行分离的过程。目前最有前途的干法后处理技术是基于熔盐电解的熔盐电精炼流程。在电精炼过程中，乏燃料元素在熔盐中的化学种态非常重要，会直接影响其还原电位、与其它元素的分离效果、回收率等。但是由于An的放射性、高温熔盐的腐蚀性、高温操作的复杂性等，对于这个问题的研究极具挑战。
第三代同步辐射光源可提供高品质的X射线，为熔盐中的研究提供很好的实验手段，例如扩展的X射线精细结构吸收谱(Extended X-ray Absorption Fine Structure，简称：EXAFS)研究吸收熔盐中原子周围的近邻结构，得到原子间距、配位数、原子均方位移等参量。也可以对不同种类原子分别进行测量，给出指定元素原子的近邻结构，区分近邻原子的种类。利用强X射线源还可研究含量很少的原子的近邻结构状况，而且无论对于有序物质或无序物质均可进行研究。其数据收集时间也较短。这样，EXAFS就能用于解决其他方法难以或不能解决的高温电化学过程中物质结构的问题。
中国发明专利公开说明书CN102590253 A公开了一种高温熔盐同步辐射原位研究装置，包括一熔盐池，一加热装置，一真空炉，真空炉的炉壁开设有入射窗口、透射窗口和荧光窗口。该设计的优点在于能够实现对熔盐池均匀而准确的加热，荧光窗口的设计使其具有荧光探测模式，能够对待测元素重量百分比含量小于10％的试样进行测试。但是该设计并不能应用于熔盐电化学过程中原位EXAFS测量，因为其设置的样品池与外界没有联系，只能获得静态的物质结构的信息；没有涉及电极体系不能获得电化学过程中的动态物质结构变化。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，该装置不仅能够实现高温下的电化学反应，而且能够用荧光探测模式检测电化学过程中物质的变化。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，包括：
真空炉，其内为一腔体，所述真空炉包括炉体，所述炉体的顶部开设有开口，所述炉体的炉壁上开设有入射窗口、透射窗口和荧光窗口，其中所述入射窗口与透射窗口同轴共线设置，所述荧光窗口的轴线与所述入射窗口的轴线位于同一水平面；
熔盐池，其设于所述真空炉的腔体内；
加热装置，其设于所述真空炉的腔体内，用于对所述熔盐池进行加热，所述加热装置上设有入射孔、透射孔和荧光孔，所述入射孔与所述入射窗口对应设置，所述透射孔与所述透射窗口对应设置，所述荧光孔与所述荧光窗口对应设置；
挡板，其设于所述真空炉的开口处，用于对所述熔盐池引入电极，所述挡板上设有通孔；
三电极系统，用于对所述熔盐池内的体系提供电化学反应，其包括三个电极，所述电极分别穿过挡板上对应的通孔，伸入所述熔盐池内；三个所述电极通过导线连接电化学工作站。
本发明的装置由于使用了三电极系统，可以应用于熔盐电化学过程中原位EXAFS测量，能够获得熔盐电化学过程中的动态物质结构变化。
优选地，还包括顶盖，所述顶盖设于所述挡板的顶部，用于对所述电极进行密封并引入导线，所述顶盖设有导线接口和出气口，所述导线接口用于输出导线，所述出气口能够提供一个气体通路，使真空炉内腔处于流动的惰性气体保护中。
优选地，所述熔盐池的材质为热解石墨；和/或所述挡板的材质为氮化硼。
优选地，所述电极的材质为金属或玻碳。
优选地，所述加热装置包括加热基座、热电偶和加热电阻丝，所述加热基座内设有热电偶和加热电阻丝；所述加热基座沿其轴向方向开设有通孔，用以放置熔盐池；所述加热基座上设有入射孔、透射孔、荧光孔；所述加热基座的底面设有热绝缘底座，所述热绝缘底座上设有凹槽，所述凹槽用于固定所述熔盐池。
优选地，所述凹槽的材质为氮化硼。
优选地，所述加热基座与所述真空炉的炉壁之间设有空隙。
优选地，所述入射孔、透射孔和荧光孔为直径1-2.5cm的圆孔；所述熔盐池为半圆柱体，其横截面半圆直径不小于1cm，熔盐池厚度为0.5-2.5mm。
优选地，还包括：
惰性气体供气装置，用于给样品提供惰性气氛保护，使样品以及熔盐池不受氧气水分的影响，其通过设于真空炉上的进气口与所述真空炉连接，所述惰性气体包括高纯氮气、氩气或者氦气；
抽气装置，其通过设于真空炉上的抽气口与所述真空炉连接；
温控装置，其与所述加热装置连接，所述温控装置用于控制真空炉内的温度，采用闭环控制方式控制加热装置对熔盐池进行加热，将温度控制在室温至800℃的工作温度内。
优选地，还包括：冷却介质循环系统，所述炉体的炉壁内设有若干水冷循环腔，所述冷却介质循环系统通过设于炉体上的至少一个冷却介质进口和至少一个冷却介质出口与各个水冷循环腔导通连接，形成冷却介质回路，用于保证真空炉的外壳和、荧光窗口、入射窗口和透射窗口处于安全的工作温度下。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明的装置进行测试时，试样放置在熔盐池池中，熔盐池放置在真空炉中，并且通过加热装置对其进行加热。熔盐变成液体状态后，通过挡板上的三电极系统对体系施加电化学信号。入射X光通过试样后从透射孔、透射窗口穿出，荧光信号依次通过荧光孔、荧光窗口穿出，外接荧光探测器收集荧光信号以对其进行后续分析。该装置不仅能够实现高温下的电化学反应，而且能够用荧光探测模式检测电化学过程中物质的变化。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例提供的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置的结构示意图；
图2是本发明所述的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置在一种实施方式中真空炉及顶盖的剖视图；
图3是本发明所述的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置在一种实施方式中电极及熔盐池立体结构示意图；
图4是本发明实施例提供的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置在一种实施方式中各实验装置的连接结构示意图。
图中：
1-真空炉，2-底盘，3-挡板，4-电极，5-入射窗口，6-透射窗口，7-荧光窗口，8-冷却介质进口，9-冷却介质出口，10-冷却介质循环腔，11-抽气口，12-进气口，13-温控装置接口，14-顶盖，15-出气口，16-导线，17-加热基座，18-熔盐池，19-热绝缘底座，20-凹槽，21-惰性气体供气装置，22-冷却介质循环系统，23-抽气装置，24-温控装置，25-电化学工作站，26-炉体，27-三电极系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参考图1至图3，一种高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，包括：
真空炉1，其内为一腔体，真空炉1包括炉体26，炉体26的顶部开设有开口，炉体26的炉壁上开设有入射窗口5、透射窗口6和荧光窗口7，其中入射窗口5与透射窗口6同轴共线设置，荧光窗口7的轴线与入射窗口5的轴线位于同一水平面；
熔盐池18，其设于真空炉1的腔体内；
加热装置，其设于真空炉1的腔体内，用于对熔盐池18进行加热，所述加热装置上设有入射孔、透射孔和荧光孔，所述入射孔与所述入射窗口对应设置，所述透射孔与所述透射窗口对应设置，所述荧光孔与所述荧光窗口对应设置；
挡板3，其设于真空炉1的开口处，用于对熔盐池18引入电极4，挡板3上设有通孔；挡板用于将加热部分和导线隔开，起到保护导线的作用；
三电极系统27，用于对熔盐池18内的体系提供电化学反应，其包括三个电极4，电极4分别穿过挡板3上对应的通孔，伸入熔盐池18内，三个电极4通过导线连接电化学工作站25。
本发明的真空炉还包括底盘2，底盘2固定连接于真空炉的底座上，可采用焊接等固定连接方式。本发明的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置优点在于能够利用电化学反应控制熔盐体系，同时利用荧光探测模式对体系进行测试。
本实施例在上述实施例的基础上，还包括顶盖14，其设于挡板3的顶部，用于对电极4进行密封并引入导线16，顶盖14设有导线接口和出气口15，顶盖14上的导线接口用于输出导线16，出气口15能够提供一个气体通路，使真空炉1内腔处于流动的惰性气体保护中。
本实施例在上述实施例的基础上，熔盐池18的材质为热解石墨。
热解石墨具有纯度高、导热率高、密闭性好、热容较小、对X射线透过率高的优点。采用热解石墨可以耐高温，温度至少在400℃以上，保证氯化物熔盐的熔融，热解石墨在具有很好的导热性、耐腐蚀，耐高温，满足对X射线的吸收小，保证X射线很好的透过率的基础上，还具有渗透率低的优点，从而能够很好的保证熔盐电化学反应可以正常进行。因此，本发明采用热解石墨材料作为熔盐池，同时在其顶部设计了三电极系统，以实现高温条件下电化学反应过程中EXAFS的原位测量。
优选地，挡板3的材质为氮化硼。电极4的材质为金属或者玻碳。
本实施例在上述实施例的基础上，所述加热装置包括加热基座17、热电偶和加热电阻丝，加热基座17内设有热电偶和加热电阻丝；加热基座17的下部设有热电偶插孔，热电偶插孔用于放置热电偶，加热基座17沿其轴向方向开设有通孔，用以放置熔盐池18；加热基座17上设有入射孔、透射孔、荧光孔；加热基座17的底面设有热绝缘底座19，热绝缘底座19上设有凹槽20，凹槽20用于固定熔盐池18。
优选地，凹槽20的材质为氮化硼。
氮化硼易于加工且耐高温，可以适应不同形状的熔盐池。
本实施例在上述实施例的基础上，加热基座17与炉体26的炉壁之间设有空隙。
本发明的加热基座除底部外，其余部分与真空炉无直接接触，即加热基座与炉体的炉壁之间设有空隙，如此设计是减小加热基座和真空炉的炉壁之间的热传导，同时通入真空炉内的惰性气体从加热基座和炉壁之间通过，带走一部分热量，减小水冷循环系统的压力。
本实施例在上述实施例的基础上，所述入射孔、透射孔和荧光孔为直径1-2.5cm的圆孔，入射孔、透射孔和荧光孔的直径大小保证有足够大的探测角，对于具体孔的形状不做限定，也可以选用方形的孔。
本实施例在上述实施例的基础上，所述熔盐池为半圆柱体，其横截面半圆直径不小于1cm，熔盐池厚度为0.5-2.5mm。
参见图3，图3为本发明的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置在一种实施方式中电极及熔盐池立体结构示意图。如图4所示，熔盐池18为半圆柱体，其横截面半圆直径不小于1cm，熔盐池厚度为0.5-2.5mm，优选为1mm，其材料为热解石墨，采用此厚度在有利于样品测量的同时还可以避免在高温下不受损，高于此厚度对光吸收太多不利于样品测量，低于此厚度承受不了高温。熔盐池18设于凹槽20内，凹槽起到固定熔盐池的作用。电极4可通过挡板3上的通孔调整插入熔盐池18中的深度，当达到所需要的深度时，可以通过夹子固定电极的位置。电极4通过导线16与电化学工作站相连接。
图4显示了本发明所述的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置在本实施例中各实验装置的连接结构。如图2和图4所示，真空炉1分别与惰性气体供气装置21、冷却介质循环系统22、抽气装置23、温控装置24以及电化学工作站25连接；
惰性气体供气装置21，用于给样品提供惰性气氛保护，使样品以及熔盐池不受氧气水分的影响，惰性气体供气装置21通过设于真空炉1上的进气口12与真空炉1连接，所述惰性气体包括高纯氮气、氩气或者氦气；
冷却介质循环系统22，炉体26的炉壁内设有若干水冷循环腔10，还设有冷却介质进口8和冷却介质出口9，冷却介质循环系统22通过设于炉体26上的至少一个冷却介质进口8和至少一个冷却介质出口9与各个水冷循环腔10导通连接，形成冷却介质回路，从而保证真空炉1的外壳、荧光窗口7、入射窗口5和透射窗口6处于安全的工作温度下，防止荧光窗口7、入射窗口5和透射窗口6上粘贴的膜损坏；本发明冷却所选用的介质可以盐水、水和油，优选为水；
抽气装置23，其通过设于真空炉1上的抽气口11与真空炉1连接，用于将真空炉1的内腔抽至2000-4000Pa，保证真空炉1内部处于一个低压环境；
温控装置24，其通过温控装置接口13与所述加热装置连接，温控装置接口13设置在炉体26的炉壁上，所述温控装置用于控制真空炉1内的温度，采用闭环控制方式控制加热装置对熔盐池18进行加热，将温度控制在室温至800℃的工作温度内；
电化学工作站25，用于实现对熔盐的电化学控制。
熔盐加热变成液体后，通过顶盖14接出来的导线16对体系施加电化学信号。
参见图2和图3，在进行实验时，需先进行装样，将盐样高温熔化后冷却研磨成粉末，装入熔盐池18中，全程在手套箱中操作。试样转入真空炉1后，关闭进气口12与出气口15，通过抽气口11将腔体抽至低压，然后打开进气口12充入惰性气体，再关掉进气口12，抽气，反复几次即可实现对原有气体的置换，然后关闭抽气口11，打开进气口12与出气口15，使真空炉1及顶盖14处于流动惰性气体的保护中。然后将样品加热至所需的温度，熔盐变成液体状态后，通过挡板3上的三电极系统4即可对体系施加电化学信号。入射X光经过入射窗口5、入射孔射入真空炉1的内腔，从透射孔、透射窗口6穿出，荧光信号依次通过荧光孔、荧光窗口7穿出，外接荧光探测器收集荧光信号以对其进行后续分析。
本发明的装置的优点在于能够利用电化学反应控制高温熔盐体系的组成，同时采用荧光探测模式对体系的X射线吸收谱进行测试，可以实现对高温熔盐体系电化学反应过程中各物种的原位监测，对于高温熔盐中电化学反应的机理研究以及物质结构的确定具有重要意义。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，其特征在于，包括：
真空炉，其内为一腔体，所述真空炉包括炉体，所述炉体的顶部开设有开口，所述炉体的炉壁上开设有入射窗口、透射窗口和荧光窗口，其中所述入射窗口与透射窗口同轴共线设置，所述荧光窗口的轴线与所述入射窗口的轴线位于同一水平面；
熔盐池，其设于所述真空炉的腔体内；
加热装置，其设于所述真空炉的腔体内，用于对所述熔盐池进行加热，所述加热装置上设有入射孔、透射孔和荧光孔，所述入射孔与所述入射窗口对应设置，所述透射孔与所述透射窗口对应设置，所述荧光孔与所述荧光窗口对应设置；
挡板，其设于所述真空炉的开口处，用于对所述熔盐池引入电极，所述挡板上设有通孔；
三电极系统，用于对所述熔盐池内的体系提供电化学反应，其包括三个电极，所述电极分别穿过挡板上对应的通孔，伸入所述熔盐池内；三个所述电极通过导线连接电化学工作站。
2.如权利要求1所述的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，其特征在于：还包括顶盖，所述顶盖设于所述挡板的顶部，用于对所述电极进行密封并引入导线，所述顶盖设有导线接口和出气口，所述导线接口用于输出导线，所述出气口能够提供一个气体通路，使真空炉内腔处于流动的惰性气体保护中。
3.如权利要求1所述的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，其特征在于：所述熔盐池的材质为热解石墨；和/或所述挡板的材质为氮化硼。
4.如权利要求1所述的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，其特征在于：所述电极的材质为金属或玻碳。
5.如权利要求1所述的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，其特征在于：所述加热装置包括加热基座、热电偶和加热电阻丝，所述加热基座内设有热电偶和加热电阻丝；所述加热基座沿其轴向方向开设有通孔，用以放置熔盐池；所述加热基座上设有入射孔、透射孔、荧光孔；所述加热基座的底面设有热绝缘底座，所述热绝缘底座上设有凹槽，所述凹槽用于固定所述熔盐池。
6.如权利要求1所述的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，其特征在于：所述凹槽的材质为氮化硼。
7.如权利要求6所述的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，其特征在于：所述加热基座与所述真空炉的炉壁之间设有空隙。
8.如权利要求6所述的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，其特征在于：所述入射孔、透射孔和荧光孔为直径1-2.5cm圆孔；所述熔盐池为半圆柱体，其横截面半圆直径不小于1cm，熔盐池厚度为0.5-2.5mm。
9.如权利要求2-8任一项所述的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，其特征在于，还包括：
惰性气体供气装置，用于给样品提供惰性气氛保护，使样品以及熔盐池不受氧气水分的影响，其通过设于真空炉上的进气口与所述真空炉连接，所述惰性气体包括高纯氮气、氩气或者氦气；
抽气装置，其通过设于真空炉上的抽气口与所述真空炉连接；
温控装置，其与所述加热装置连接，所述温控装置用于控制真空炉内的温度，采用闭环控制方式控制加热装置对熔盐池进行加热，将温度控制在室温至800℃的工作温度内。
10.如权利要求9所述的高温熔盐电化学原位同步辐射研究装置，其特征在于，还包括：冷却介质循环系统，所述炉体的炉壁内设有若干水冷循环腔，所述冷却介质循环系统通过设于炉体上的至少一个冷却介质进口和至少一个冷却介质出口与各个水冷循环腔导通连接，形成冷却介质回路，用于保证真空炉的外壳、荧光窗口、入射窗口和透射窗口处于安全的工作温度下。
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