CN108648844A - 一种新型乏燃料运输设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型乏燃料运输设备，所述设备创造性的使用一种以铅合金为主要原材料的多层异形嵌合结构辐射屏蔽材料，充分利用不同元素射线的协同防护效应以达到最佳屏蔽效果，本发明提供的新型乏燃料运输设备能有效屏蔽X/γ射线和中子辐射，具备优异的耐热、耐腐蚀性特性，本发明所提供的乏燃料运输设备量轻，适用于核退役过程中乏燃料的转移。
Description
技术领域
本发明涉及运输设备领域，尤其涉及一种新型乏燃料运输设备。
背景技术
一座百万千瓦的火电厂，每年要烧掉约330万吨煤，同样装机容量的核电站，一年只用30吨核燃料。但是，与燃煤后仅留下一堆废煤渣不同，从核反应堆中替换出来的乏燃料处理起来要复杂得多。乏燃料中包含有大量的放射性元素，后续若不加妥善处理，会影响环境、生态及人类健康。从堆内卸出的核燃料由于铀含量降低，无法继续维持核反应，但仍有大量用途。经过特殊的后处理后，乏燃料中的铀和钚可以分离出来并返回反应堆，作为燃料循环使用，形成核燃料的循环。
环境保护部核与辐射安全中心2016年6月发表的《全球乏燃料后处理 现状与分析》论文称，全世界都不得不面对这样一个事实，核电站卸出的 乏燃料数量在增长，随着核电机组的陆续建成和投运，中国乏燃料的产生 量和累积量将呈逐年上升趋势。大部分核电站的在堆贮存水池容量已经超 负荷，让乏燃料后处理在核能发展中变废为宝、变废为少，刻不容缓。
从核电站到后处理厂，乏燃料的运输有一套严密的体系。本发明提供一种新型乏燃料运输设备，采用新型工艺和方法，将铅或铅盐通过物理-化学方法与其他材料进行掺杂处理，制备出轻量化、易加工、韧性高的辐射屏蔽装置。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供。
本发明是以如下技术方案实现的：
一种新型乏燃料运输设备，所述运输设备包括筒体、密封盖、底座及乏燃料腔室。
进一步地，所述筒体内设置有乏燃料腔室，筒体内沿径向由外向里依次为外筒体、热隔离区、第一辐射屏蔽层、第一缓冲层及乏燃料腔室，第一缓冲层内均匀设置径向缓冲弹簧，且径向缓冲弹簧沿筒体轴向等间距分布。
进一步地，所述密封盖包括顶盖与固定部，两者通过螺栓连接，所述固定部同时与外筒体、辐射屏蔽层的顶部焊接，底座自上而下依次设置有不锈钢座、第二缓冲层、第二辐射屏蔽层、底盖，所述底盖内设置有排水通道，所述排水通道与热隔离区相连接，第二缓冲层内均匀设置轴向缓冲弹簧，且轴向缓冲弹簧等间距分布，使得整体结构具备有减震、防冲击的性能，筒体底部结构之间通过焊接连接。
进一步地，乏燃料腔室内部为正六边形阵列结构。
进一步地，所述设备的主要结构采用一种新型辐射屏蔽材料制成，所述辐射屏蔽材料为多层异形嵌合结构，第一层为成型性能优异的第一铅合金金属层，第二层为高强韧的第二铅合金金属层，第三层为耐高温环氧树脂，第四层为稀土高分子材料。
进一步地，所述第一铅合金金属层含有铅、钨、硼、铝、钛、铜、镍、钼，具体地，所述的第一铅合金金属层的组成组份的重量百分比如下：钨0.5％～1.2%，优选地，为0.8%；硼0.1%～1%，优选地，为0.3%；铝0.013%～0.027%，优选地，为0.021%；钛0.009%～0.016%，优选地，为0.011%；铜0.1%～0.23%，优选地，为0.18%；镍0.08%～0.13%，优选地，为0.14%；钼0.006%～0.019%，优选地，为0.012%；还原铅为余量，所述各组份的组成重量百分比之和为100％。
进一步地，所述第二铅合金金属层包括：铅、铬、锰、锑、钨，具体地，所述的第二铅合金金属层的组成组份的重量百分比如下：铬1.7％～5.3%，优选地，为3.2%；锰1%～1.34%，优选地，为1.21%；锑0.005%～0.009%，优选地，为0.008%；钨0.1％～0.24%，优选地，为0.17%；还原铅为余量，所述各组份的组成重量百分比之和为100％。
进一步地，所述第一铅合金金属层与第二铅合金金属层之间存在成分呈梯度变化的过渡层，所述过渡层中硼元素含量从第一层向第二层呈降低趋势，钨元素含量从第二层向第一层呈升高趋势。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供一种新型乏燃料运输设备，其创造性的使用一种以铅合金为主要原材料的多层异形嵌合结构辐射屏蔽材料，充分利用不同元素射线的协同防护效应，射线最终都是通过光电效应作用过程被物质材料吸收的，因此当射线粒子经过多次散射后，能量降低到核外电子能级差范围时，光电效应截面显著增加，称作吸收限，因为各元素具有不同的射线能量范围吸收限，将不同的功能元素合理组合，使射线吸收材料具有较宽射线能量范围的吸收限，射线吸收材料发生光电效应作用截面显著增加，从而射线防护材料的屏蔽性能得到显著增强，有效克服了铅的二次韧致辐射，增强了辐射屏蔽材料的可塑性和韧性，扩大了抗辐射谱，本发明提供的辐射屏蔽材料能有效屏蔽X/γ射线和中子辐射，具备优异的耐热、耐腐蚀性，本发明的辐射屏蔽材料单位体积量轻，适用于开发核退役过程中乏燃料的移动装置。
附图说明
图1为本发明所述一种新型乏燃料运输设备示意图；
图2为本发明所述乏燃料腔室横截面结构示意图。
图中：1-筒体，2-密封盖，3-底座，4-乏燃料腔室，12-外筒体，13-热隔离区，14-第一辐射屏蔽层，15-第一缓冲层，16-液氮储存器，17-智能控制装置，21-顶盖，22-固定部，31-不锈钢座，32-第二缓冲层，33-第二辐射屏蔽层，34-底盖。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的设备、原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规商业途径购买得到的设备、原料、试剂。
实施例1：
本发明提供了一种新型乏燃料运输设备，包括筒体1、密封盖2、底座3及乏燃料腔室4，所述乏燃料腔室4内部为正六边形阵列结构，所述乏燃料腔室4及其内部正六边形阵列结构由辐射屏蔽材料制成，所述正六边形阵列结构优选地包括19个正六边形，所述正六边形之间焊接连接并与乏燃料腔室外框焊接连接，所述乏燃料腔室4设置于筒体1内，筒体1内沿径向由外向里依次为外筒体12、热隔离区13、第一辐射屏蔽层14、第一缓冲层15及乏燃料腔室4，第一缓冲层15内均匀设置径向缓冲弹簧，且径向缓冲弹簧沿筒体轴向等间距分布；所述外筒体12外壁设置有液氮储存器16与智能控制装置17，所述液氮储存器16通过密封管道与热隔离区13贯通，所述热隔离区13内设置有温度传感器，所述温度传感器超过阈值时会将报警信号传递至智能控制装置17，所述智能控制装置控制所述液氮储存器16用于输送液氮进入热隔离区13。
密封盖2包括顶盖21与固定部22，所述顶盖21由辐射屏蔽材料制成，固定部22为钢材，两者通过螺栓连接，所述固定部22同时与外筒体12、辐射屏蔽层14的顶部焊接，底座3自上而下依次设置有不锈钢座31、第二缓冲层32、第二辐射屏蔽层33、底盖34，所述底盖34内设置有排水通道，所述排水通道与热隔离区13相连接，第二缓冲层32内均匀设置轴向缓冲弹簧，且轴向缓冲弹簧等间距分布，使得整体结构具备有减震、防冲击的性能，筒体底部结构之间通过焊接连接，使得设备具有良好的密封效果，能够有效防止乏燃料的泄漏。
实施例2：
本发明提供一种新型乏燃料运输设备，具体地，本发明所述新型乏燃料运输设备的主要结构所采用的原材料采为一种性能优异的辐射屏蔽材料，所述辐射屏蔽材料为多层异形嵌合结构，第一层是成型性能优异的第一铅合金金属层，所述第一铅合金金属层含有铅、钨、硼、铝、钛、铜、镍、钼，具体地，所述的第一铅合金金属层的组成组份的重量百分比如下：
钨W 0.5％～1.2%，优选地，为0.8%；
硼B 0.1%～1%，优选地，为0.3%；
铝Al 0.013%～0.027%，优选地，为0.021%；
钛Ti 0.009%～0.016%，优选地，为0.011%；
铜Gu 0.1%～0.23%，优选地，为0.18%；
镍Ni 0.08%～0.13%，优选地，为0.14%；
钼Mo 0.006%～0.019%，优选地，为0.012%；
还原铅Pb 余量，所述各组份的组成重量百分比之和为100％。
第二层为高强韧的第二铅合金金属层，所述第二铅合金金属层包括：铅、铬、锰、锑、钨，具体地，所述的第二铅合金金属层的组成组份的重量百分比如下：
铬Cr 1.7％～5.3%，优选地，为3.2%；
锰Mn 1%～1.34%，优选地，为1.21%；
锑Sb 0.005%～0.009%，优选地，为0.008%；
钨W 0.1％～0.24%，优选地，为0.17%；
还原铅Pb 余量，所述各组份的组成重量百分比之和为100％。
在两层之间存在成分呈梯度变化的过渡层；所述过渡层中硼元素含量从第一层向第二层呈降低趋势，钨元素含量从第二层向第一层呈升高趋势；第三层为耐高温环氧树脂；第四层为稀土高分子材料，具体地，所述稀土高分子材料为3(2,2',6,6'-4-甲基-3,5-庚二酮)钐。
实施例3：
所述铅合金金属层由喷射沉积枪制备，所述高密度智能喷射沉积枪包括气体传送管，一级进料口，搅拌器，惰性气体发生器，感应加热炉，熔融金属传送管，惰性气体保护罩，喷枪基座，第一喷枪，第二喷枪，压力发生器，石墨坩埚，温度传感器，二级进料口，智能控制器，沉积枪本体，搅拌室。所述一级进料口位于沉积枪本体顶部，共两个，贯通的连接于二级进料口，所述二级进料口位于沉积枪本体内部，贯通的连接于石墨坩埚，所述沉积枪本体内部设置有两个石墨坩埚，所述石墨坩埚底部连接有熔融金属传送管，所述熔融金属传送管下方连接有旋转喷枪基座，所述旋转喷枪基座上连接有第一喷枪和第二喷枪，所述旋转喷枪底座分为两个腔室，所述第一喷枪和第二喷枪分别连接于一个腔室上，所述熔融金属传送管、喷枪基座、第一喷枪和第二喷枪外设置有惰性气体保护罩，所述惰性气体保护罩与气体传送管连通，由惰性气体发生器传送气体至惰性气体保护罩。所述惰性气体发生器、温度传感器、感应加热炉、喷枪基座、压力发生器与智能控制器信号连接并受智能控制器控制，所述压力发生器与气体传送管相连，用于产生高压惰性气体。高密度智能喷射沉积枪制备下方设置有三维智能运动平台，用于控制产品的移动轨迹。
实施例4：
首先，将平面板或圆弧形板等异形的辐射屏蔽材料的第三层和第四层胶连在一起呈一体结构，并将其固定在三维智能运动平台上。将第二铅合金金属层各金属按组成比例混合后注入到搅拌室，搅拌后注入石墨坩埚中，金属液体混合物通过熔融金属传送管流入喷枪，被高压气体雾化成均匀液滴喷射液，三维智能运动平台的移动方式受智能控制器控制，根据冷却速度的要求，按一定的规律进行运动，喷射密度受智能控制器控制，喷射密度复合函数：m(r)=exp(-b×r2)×β，其中m(r)为喷射密度函数，b为单位立方厘米金属的冷却速度，β为喷枪枪头与沉积层距离，具体参数为：气体压强0.8-1.0MPa，喷嘴直径为2.8mm-3.5mm，β=200mm-300mm，液滴沉积在辐射屏蔽材料的第三层上，所述第三层已与第四层胶连在一起呈一体结构。
第二铅合金金属层接近喷射完成时，由智能控制系统控制，分别将硼和钨按1:1比例注入到两个独立石墨坩埚中，分别通过熔融金属传送管流入第一喷枪和第二喷枪中，被高压气体雾化成均匀液滴喷射液，三维智能运动平台移动方式受智能控制系统控制，按硼含量从第一层向第二层呈梯度降低；钨含量从第二层向第一层呈梯度升高的原则分别控制喷射速度，即装有钨的喷枪初始喷射速度高，匀速降低，装有硼的喷枪初始速度低，匀速降高，经过雾化液流的多次往返扫，在第二层铅合金金属层冷却前即开始过渡层的液滴扫描沉积过程，直至在辐射屏蔽材料的第二层上形成过渡层。
在过渡层冷却前将第一铅合金金属层各金属按组成比例混合后注入到石墨坩埚中，通过熔融金属传送管流入两个喷枪中，被高压气体雾化成均匀液滴喷射液，三维智能运动平台移动方式受智能控制系统控制，根据冷速的要求，按一定的规律运动，喷射密度复合函数：m(r)=exp(-b×r2)×β，其中m(r)为喷射密度函数，b为单位立方厘米金属的冷却速度，β为喷枪枪头与沉积层距离，喷射沉积参数为：气体压强0.9-1.0MPa，喷嘴直径为2.9mm-3.2mm，β=270mm-290mm；在过渡层最上层冷却前即开始第一铅合金金属层液滴扫描沉积，最终形成多层异形嵌合结构的辐射屏蔽材料，优选的，所述辐射屏蔽材料厚度为6.0mm，但所述辐射屏蔽材料应用过程中的厚度需要根据放射源的放射量确定，第一铅合金金属层、过渡层、第二铅合金金属层、第三层、第四层的厚度比约为4:1:2:1:2。
实施例5：
1、X/γ射线屏蔽性能测试
X射线屏蔽性能测试：通过实验测量测试辐射屏蔽材料对X射线的屏蔽性能。X射线是由标准X光机产生，NaI探测器检测通过样品前后X射线通量大小，以同等厚度（5mm）铅板作为对照，在管电压为55 kV、70 kV、100 kV、125 kV、170 kV和 210 kV 时分别测试了样品材料的 X 射线屏蔽性能；管电压为55 kV、70 kV、100 kV、125 kV、170 kV 和 210 kV 时对应的平均X射线能量分别为48 keV，60 keV，87 keV，109 keV，149 keV 和185 keV。用射线透射率来评估辐射屏蔽材料的X射线屏蔽性能。测试结果表明，当X射线能量较低时，辐射屏蔽材料和铅板具有近似的射线屏蔽性能，当X射线能量升高时，辐射屏蔽材料的防护性能明显优于铅板。
γ射线屏蔽性能测试：γ射线屏蔽性能测试是采用微机多道γ谱仪对样品进行能谱测量，通过统计的计数变化，计算分析材料对γ射线的屏蔽性能。放射源主要有2种，包括：241Am放射源，半衰期为432.6年，在衰变过程中，除释放出3组α粒子外，还能释放特征能量为61.5keV的γ射线；微居级238Pu放射源，释放的γ光子的特征能量有80.1和177.4keV两种。分别取5mm本发明提供的辐射屏蔽材料及纯铅板，测试屏蔽率及半值层厚度（HVT）。屏蔽率(I)=(N 0 -N)/N 0 ×100%，其中N0为无样品时本底净计数，N为有样品时全能谱净计数。半值层厚度（HVT）是指使射线强度减少到原值1/2时所需要的材料的最小厚度，HVT=0.693/μ，μ为线性衰减系数，其是指单位厚度的材料能够衰减射线的程度，其计算方法为：lnN= lnN 0 - μx，其中x表示材料厚度的有效值。依次在615keV、801keV、1767keV辐照下进行γ射线的屏蔽性能测试，每个样品测试3次，结果取平均值，对材料的屏蔽性能进行分析，实验结果如表1所示。
表1.辐照屏蔽材料对γ射线的屏蔽性能测试结果
由表1可见，本发明提供的辐射屏蔽材料在高辐射条件下的屏蔽率显著高于同等厚度铅板，并且HVT值显著低于铅合金，由此可见，本发明提供的辐照材料在同等辐射条件下，对材料厚度要求低，能够显著降低材料重量，更适用于建造核退役过程中的移动辐照屏蔽设备。
2、力学性能测试
实验按照国标GB/T 228-2002在MTS 810 Teststar力学性能试验机上进行测试，测试温度为室温，拉伸速率为1.5mm/min，拉伸试验时妥善保护好试样的端口。
在HB-3000型布氏硬度计上测定复合材料的布氏硬度。钢球压头直径为5mm，载荷为250kg，保压时间30s，所得硬度为4-6次测试的平均值，实验结果如表2所示。
表2.辐照屏蔽材料力学测试结果
| 材料名称 | 强度/MPa | 伸长率/% | 硬度/N/mm2 |
| 辐射屏蔽材料 | 283 | 4.98 | 196 |
| 纯铅板 | 10-20 | 3-5 | 7-9 |
实验结果表明，本发明提供的辐射屏蔽材料的强度及硬度显著优于同等厚度纯铅板，伸长率与纯铅板相当。
3、腐蚀试验
溶液腐蚀试验，依据“金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法”（JB/T 7901-2001）来测试本发明提供的辐射屏蔽材料的腐蚀性能。本发明提供的辐射屏蔽材料的腐蚀速度小于0.001/mm.a-1，完全耐腐蚀。
盐雾试验，依据“盐雾试验方法”（GB/10125-1997）测试合金在大气环境中的腐蚀性能。置入盐雾箱内保持温度35℃，盐雾沉降速度为1-2mL/h每80cm2，试验结束后观察试样腐蚀后的腐蚀面貌，本发明提供的辐射屏蔽材料在盐雾试验后材料表面基本无变化。
4、中子屏蔽效果测试
测试方法参考T.Hayashi的通过中子传输的方法研究材料对中子的屏蔽效果，结果显示，本发明提供的辐射屏蔽材料有较强的中子吸收能力，由于本发明提供的辐射屏蔽材料中掺杂了稀土元素，其对热中子的反应截面相较于纯铅板高出数十倍，对慢中子及中能中子的反应截面也比后者高出许多倍，相较于纯硼屏蔽性能更为持久，与铅合金相结合可弥补铅合金对中子屏蔽能力弱的缺陷。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种新型乏燃料运输设备，其特征在于，所述运输设备包括筒体、密封盖、底座及乏燃料腔室。
2.根据权利要求1所述的运输设备，其特征在于，所述筒体内设置有乏燃料腔室，筒体内沿径向由外向里依次为外筒体、热隔离区、第一辐射屏蔽层、第一缓冲层及乏燃料腔室，第一缓冲层内均匀设置径向缓冲弹簧，且径向缓冲弹簧沿筒体轴向等间距分布。
3.根据权利要求2所述的运输设备，其特征在于，所述密封盖包括顶盖与固定部，两者通过螺栓连接，所述固定部同时与外筒体、辐射屏蔽层的顶部焊接，底座自上而下依次设置有不锈钢座、第二缓冲层、第二辐射屏蔽层、底盖，所述底盖内设置有排水通道，所述排水通道与热隔离区相连接，第二缓冲层内均匀设置轴向缓冲弹簧，且轴向缓冲弹簧等间距分布，使得整体结构具备有减震、防冲击的性能，筒体底部结构之间通过焊接连接。
4.根据权利要求3所述的运输设备，其特征在于，乏燃料腔室内部为正六边形阵列结构。
5.根据权利要求4所述的运输设备，其特征在于，所述设备的主要结构采用一种新型辐射屏蔽材料制成，所述辐射屏蔽材料为多层异形嵌合结构，第一层为成型性能优异的第一铅合金金属层，第二层为高强韧的第二铅合金金属层，第三层为耐高温环氧树脂，第四层为稀土高分子材料。
6.根据权利要求5所述的运输设备，其特征在于，所述第一铅合金金属层含有铅、钨、硼、铝、钛、铜、镍、钼，具体地，所述的第一铅合金金属层的组成组份的重量百分比如下：钨0.5％～1.2%，优选地，为0.8%；硼0.1%～1%，优选地，为0.3%；铝0.013%～0.027%，优选地，为0.021%；钛0.009%～0.016%，优选地，为0.011%；铜0.1%～0.23%，优选地，为0.18%；镍0.08%～0.13%，优选地，为0.14%；钼0.006%～0.019%，优选地，为0.012%；还原铅为余量，所述各组份的组成重量百分比之和为100％。
7.根据权利要求6所述的运输设备，其特征在于，所述第二铅合金金属层包括：铅、铬、锰、锑、钨，具体地，所述的第二铅合金金属层的组成组份的重量百分比如下：铬1.7％～5.3%，优选地，为3.2%；锰1%～1.34%，优选地，为1.21%；锑0.005%～0.009%，优选地，为0.008%；钨0.1％～0.24%，优选地，为0.17%；还原铅为余量，所述各组份的组成重量百分比之和为100％。
8.根据权利要求7所述的运输设备，其特征在于，所述第一铅合金金属层与第二铅合金金属层之间存在成分呈梯度变化的过渡层，所述过渡层中硼元素含量从第一层向第二层呈降低趋势，钨元素含量从第二层向第一层呈升高趋势。
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