CN109065196A - 一种熔盐堆液态燃料的制备装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种熔盐堆液态燃料的制备装置，包括：用于对氩气、氢气和氟化氢三股气体的流量进行控制的气路系统；通过氢气对熔盐中的氧化物杂质进行还原、通过氟化氢对熔盐进行氟化脱氧并通过氩气的气压对液态的熔盐进行转移的熔盐制备净化系统；以及对熔盐制备净化系统产生的氟化氢尾气和熔盐尾气进行吸收和滞留的尾气吸收处理系统；其中，气路系统通过进气通路与熔盐制备净化系统连通，熔盐制备净化系统通过出气通路与尾气吸收处理系统连通。本发明还涉及一种熔盐堆液态燃料的制备方法。本发明的制备装置和制备方法可以实现Li、Be、Zr组分稳定、纯度高、杂质含量低的熔盐堆进堆基盐FLiBeZr和添加盐FLiU的制备。

Description

一种熔盐堆液态燃料的制备装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及核燃料工业技术和化工技术，更具体地涉及一种熔盐堆液态燃料的制备装置及其制备方法。
背景技术
熔盐核反应堆(Molten Salt Reactor)是目前国际公认的六种第四代核能系统中唯一使用液态燃料的一种，其一回路采用液态氟盐作为燃料，二回路冷却剂也采用液态氟盐。相对于目前在役的第三代反应堆，由于运行接近常压，提高了其固有安全性；液态燃料便于进行在线核燃料后处理，实现核燃料的循环利用；热功率密度高，堆芯结构相对简单，便于小型化等优势。
熔盐堆液态燃料主要包括FLiBeU、FLiBeUTh、FLiBeZrU和FLiBeZrUTh等几种类型，其中的FLiBeU和FLiBeUTh通常为实验室小量制备。在规模化化工生产中，由于600℃下U和Th在有氧存在条件下极易生成UO2和ThO2沉淀，造成核燃料局部富集过热导致核临界安全事故，因此必须在燃料盐中加入ZrF4，因为熔融盐中Zr与氧的亲和力更强，能极大地提高液态燃料盐的氧容忍度，避免应用到反应堆中时因熔盐堆产生裂变产物氧而使U和Th的沉淀积聚。此外，232Th主要作为增殖燃料，在熔盐堆首次临界时主要采用FLiBeZrU盐，该燃料盐是由FLiBeZr和FLiU按一定比例液-液混合得到的熔盐堆进堆燃料盐。目前国内外还没有对熔盐堆进堆基盐FLiBeZr和添加盐FLiU的制备装置及其制备方法的报道。
发明内容
本发明旨在提供一种熔盐堆液态燃料的制备装置及其制备方法，用于制备熔盐堆进堆基盐FLiBeZr和添加盐FLiU。
本发明所述的熔盐堆液态燃料的制备装置，包括：用于对氩气、氢气和氟化氢三股气体的流量进行控制的气路系统；通过氢气对熔盐中的氧化物杂质进行还原、通过氟化氢对熔盐进行氟化脱氧并通过氩气的气压对液态的熔盐进行转移的熔盐制备净化系统；以及对熔盐制备净化系统产生的氟化氢尾气和熔盐尾气进行吸收和滞留的尾气吸收处理系统；其中，气路系统通过进气通路与熔盐制备净化系统连通，熔盐制备净化系统通过出气通路与尾气吸收处理系统连通；其中，熔盐制备净化系统包括预熔罐、反应罐和接收盘，其中，预熔罐通过进气通路与气路系统连通，预熔罐与反应罐通过第一熔盐管路和第三气体管路连通，反应罐和接收盘通过第二熔盐管路和第四气体管路连通，接收盘通过第五连通气体管路与出气通路连通，其中，第一熔盐管路的两端的管口分别伸入反应罐的底部和接收盘的上部以通过第一熔盐管路将预熔罐内的熔盐转移至反应罐中，第二熔盐管路的两端的管口分别伸入反应罐和接收盘的底部以通过第二熔盐管路将反应罐内的熔盐转移至接收盘中，第三气体管路的两端分别设置于预熔罐和反应罐的顶部以通过第三气体管路维持预熔罐和反应罐的压力平衡，第四气体管路的两端分别设置于反应罐和接收盘的顶部以通过第四气体管路维持反应罐和接收盘的压力平衡。
气路系统包括氢气源、氩气源和氟化氢源，其中，氢气源和氩气源分别通过第一气体管路与进气通路连通，氟化氢源通过第二气体管路与进气通路连通，第一气体管路还包括有连通至第二气体管路以便于对第二气体管路进行吹扫的旁通支路。
预熔罐和反应罐的用于容纳熔盐的罐体的长径比在4-10的范围内。
第一熔盐管路伸入反应罐内的管口与反应罐的底壁的距离与第一熔盐管路的管外径的比值在0.5-2的范围内。
熔盐制备净化系统还包括手套箱，其中，预熔罐的顶部法兰、第三气体管路、反应罐的顶部法兰、第四气体管路和接收盘均位于手套箱内以提供无水无氧的环境。
尾气吸收处理系统包括依次连接的缓冲罐、吸收罐和铍处理系统，通过出气通路排出的尾气在通过缓冲罐和吸收罐后进入铍处理系统中进行处理达标后放空。
本发明所述的熔盐堆液态燃料的制备方法，包括步骤：S1，将粉末状第一原料熔盐在无水无氧的环境下混合并装入预熔罐内，通过第一气体管路、进气通路、第三气体管路、第四气体管路和出气通路向预熔罐内通入氩气进行吹扫；加热预熔罐和反应罐进行保温烘焙以除去第一原料熔盐中的自由水和结晶水；继续加热预熔罐和反应罐以使预熔罐内的第一原料熔盐熔融形成第一熔融盐；关闭第三气体管路，通过氩气的压力使预熔罐中的第一熔融盐通过第一熔盐管路转移入反应罐中；S2，停止通入氩气并打开第五连通气体管路，通过第一熔盐管路向反应罐内通入氢气进行鼓泡反应以利用氢气还原第一熔融盐中的氧化物杂质；通过第二气体通路向预熔罐内通入气态的氟化氢；通过第一熔盐管路向反应罐内通入氢气和氟化氢进行鼓泡净化反应以利用氟化氢脱除第一熔融盐中的氧并利用氢气抑制氟化氢对预熔罐和反应罐的腐蚀，并得到第一还原脱氧熔盐；停止通入氟化氢并保持通入氢气进行鼓泡净化以进一步还原脱氧并还原预熔罐和反应罐的壁面产生的氟化镍；停止通入氢气并通入氩气进行吹扫；以及S3，开启第三气体管路和第五气体管路，关闭第四气体管路，通过氩气的压力使第一还原脱氧熔盐通过第二熔盐管路转移入接收盘中；关闭第三气体管路和第五气体管路，开启第四气体管路，通入氩气以对气路系统、熔盐制备净化系统和尾气吸收处理系统进行吹扫。
在所述步骤S1中，将粉末状氟化锂和四氟化铀在无水无氧的环境下混合并装入预熔罐内，或者将粉末状氟化锂和氟化铍在无水无氧的环境下混合并装入预熔罐内；通入流量为100-150ml·min-1·kg-1熔盐的氩气进行吹扫；加热预熔罐和反应罐至300-400℃进行保温烘焙；继续加热预熔罐和反应罐至550-650℃以使预熔罐内的第一原料熔盐熔融形成第一熔融盐；通过流量为350-550ml·min-1·kg-1熔盐的氩气的压力使预熔罐中的第一熔融盐通过第一熔盐管路转移入反应罐中。
应该理解，ml·min-1·kg-1熔盐的流量中的熔盐指的是第一原料熔盐(氟化锂和四氟化铀的总质量或氟化锂和氟化铍的总质量)。这里的100-150ml·min-1·kg-1熔盐的氩气的流量不能太小也不能太大，因为太小将不能带走制备装置中的水蒸气，而太大又会使粉末状第一原料熔盐吹走的量增大。这里的300-400℃的保温烘焙的温度不能太小也不能太大，因为太小将无法烘焙汽化第一原料熔盐中的自由水和结晶水成水蒸气，也就无法被氩气带走，而太大又会使第一原料熔盐发生高温水解反应，例如氟化铍高温水解生成氧化铍。这里的550-650℃的温度不能太小也不能太大，因为太小将无法降低第一原料熔盐的粘度而使其形成液态，而太大又会使第一原料熔盐的蒸汽压大增，从而使得挥发量太大。这里的350-550ml·min-1·kg-1熔盐的氩气流量不能太小也不能太大，因为太小将由于压力不足而无法转移熔盐，而太大又会使熔盐转移流速大增而对反应罐的底壁产生明显的冲击应力。优选地，氟化锂和四氟化铀的摩尔比为2.55-2.60。
在所述步骤S2中，通入流量为100-300ml·min-1·kg-1熔盐的氢气进行鼓泡反应；将预熔罐和反应罐的温度降至520-580℃后通过第二气体通路向预熔罐内通入流量为10-50ml·min-1·kg-1熔盐的氟化氢；通入流量比为3-10的氢气和氟化氢进行鼓泡净化反应。
应该理解，这里的520-580℃的温度既有利于氟化氢对熔盐的氟化脱氧反应，而且高于熔盐熔点并保证液态的熔盐具有较低的粘度。这里的10-50ml·min-1·kg-1熔盐的流量不能太小也不能太大，因为太小将难以起到脱氧净化作用，而太大又会加剧对预熔罐和反应罐的腐蚀。
在所述步骤S2中，在得到第一还原脱氧熔盐之后，在停止通入氟化氢并保持通入氢气进行鼓泡净化之前，停止通入氢气和氟化氢，将第二原料熔盐在无水无氧的环境下加入到反应罐中；通入氩气鼓泡搅拌以使得第二原料熔盐在第一还原脱氧熔盐中溶解以得到第二熔融盐；停止通入氩气，通入氢气和氟化氢进行鼓泡净化反应以利用氟化氢脱除第二熔融盐中的氧并利用氢气抑制氟化氢对预熔罐和反应罐的腐蚀，并得到第二还原脱氧熔盐。
将粒状或片状无水氟化锆在无水无氧的环境下加入到反应罐中；通入流量为200-400ml·min-1·kg-1熔盐的氩气鼓泡搅拌。
应该理解，这里的流量为200-400ml·min-1·kg-1熔盐的氩气中的熔盐指的是氟化锂、氟化铍和氟化锆的质量的总和，这里的氩气的流量不能太小也不能太大，因为太小将难以溶解氟化锆，而太大又会增大熔盐气体的带出。优选地，氟化锂、氟化铍和氟化锆的摩尔比为65-69:30:5-1。
通入流量为100-300ml·min-1·kg-1熔盐的氢气和流量为10-50ml·min-1·kg-1熔盐的氟化氢混合气体进行鼓泡净化反应并得到熔融的第二还原脱氧熔盐。
在所述步骤S3中，通过流量为350-550ml·min-1·kg-1熔盐的氩气的压力使第一还原脱氧熔盐通过第二熔盐管路转移入接收盘中。
本发明的制备装置和制备方法可以实现Li、Be、Zr组分稳定、纯度高、杂质含量低的熔盐堆进堆基盐FLiBeZr和添加盐FLiU的制备。而且，根据本发明的方法不涉及三相反应，仅为气液两相反应，可以得到铀含量固定的燃料盐；得到的铀的价态为+4价，不会破坏三价U和四价U的平衡，从而提高熔盐堆堆芯内临界安全事故；不涉及其他金属还原，从而不存在燃料盐与金属还原剂分离的难题。而且，根据本发明的方法适合于工业化应用。由此得到的加Zr熔盐能够提高燃料盐的氧容忍度，避免产生铀的氧化物沉淀。特别地，本发明的方法采用粒状或片状ZrF4加料，其在鼓泡作用下溶解于液态熔盐中，虽然ZrF4易于挥发，但是却不会有ZrF4蒸气挥发到熔盐液面的上方，可以提高最终获得的熔盐中的Zr组分的含量，满足燃料盐氧容忍度的要求。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的熔盐堆液态燃料的制备装置的原理示意图；
图2是根据本发明的一个优选实施例的熔盐堆液态燃料的制备方法得到的基盐FLiBeZr的实物照片；
图3是根据本发明的一个优选实施例的熔盐堆液态燃料的制备方法得到的基盐FLiBeZr的X射线衍射图谱；
图4是根据本发明的又一个优选实施例的熔盐堆液态燃料的制备方法得到的基盐FLiBeZr的实物照片；
图5是根据本发明的又一个优选实施例的熔盐堆液态燃料的制备方法得到的基盐FLiBeZr的X射线衍射图谱。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
实施例1
如图1所示，根据本发明的一个优选实施例的熔盐堆液态燃料的制备装置包括气路系统1、熔盐制备净化系统2和尾气吸收处理系统3，其中，气路系统1对氩气、氢气和氟化氢三股气体的流量进行控制，其通过进气通路4与熔盐制备净化系统2连通；熔盐制备净化系统2通过氩气的气压对液态的熔盐进行转移，其通过出气通路5与尾气吸收处理系统3连通；尾气吸收处理系统3对氟化氢尾气和涉铍涉铀尾气进行吸收和滞留。出气通路5设置有伴热系统以对出气通路5内的气体进行加热。
气路系统1包括氢气(H2)源11、氩气(Ar)源12和氟化氢(HF)源13，其中，H2源11和Ar源12分别通过第一气体管路14与进气通路4连通，HF源13通过第二气体管路15与进气通路4连通。第一气体管路14上设置有气体净化器141，其位于H2源11和Ar源12的下游以对来自于H2源11和Ar源12的H2和Ar进行净化。第一气体管路14上还设置有第一气体质量流量计142，其位于气体净化器141的下游以对净化后的H2和Ar进行计量。第二气体管路15上设置有第二气体质量流量计151，其位于HF源13的下游以对来自于HF源13的HF进行计量。另外，第一气体管路14还包括有旁通支路143，其在气体净化器141的下游连通至第二气体管路15，以利用净化后的H2和Ar对第二气体管路15进行吹扫。另外，HF源13设置有伴热系统以对HF源13内的HF进行加热。
熔盐制备净化系统2包括预熔罐21、反应罐22和接收盘23，其中，预熔罐21通过进气通路4与气路系统1连通，预熔罐21与反应罐22通过第一熔盐管路24和第三气体管路25连通，反应罐22和接收盘23通过第二熔盐管路26和第四气体管路27连通，接收盘23通过第五连通气体管路28与出气通路5连通。第一熔盐管路24通过焊接的卡套镗通密封连接于预熔罐21和反应罐22，其两端的管口分别伸入预熔罐21和反应罐22的底部，以通过第一熔盐管路24将预熔罐21内的熔盐转移至反应罐22中。第一熔盐管路24设置有伴热系统以对第一熔盐管路24内的熔盐进行加热。同样地，第二熔盐管路26通过焊接的卡套镗通密封连接于反应罐22和接收盘23，其两端的管口分别伸入反应罐22的底部和接收盘23的上部，以通过第二熔盐管路26将反应罐22内的熔盐转移至接收盘23中。第二熔盐管路26设置有伴热系统以对第二熔盐管路26内的熔盐进行加热。第三气体管路25的两端分别设置于预熔罐21和反应罐22的顶部，以通过第三气体管路25维持预熔罐21和反应罐22的压力平衡。同样地，第四气体管路27的两端分别设置于反应罐22和接收盘23的顶部，以通过第四气体管路27维持反应罐22和接收盘23的压力平衡。另外，第四气体管路27设置有伴热系统以对第四气体管路27内的气体进行加热。优选地，预熔罐21和反应罐22的用于容纳熔盐的罐体的长径比在4-10的范围内。优选地，第一熔盐管路24的伸入反应罐22内的管口与反应罐22的底壁的距离与第一熔盐管路24的管外径的比值在0.5-2的范围内。
熔盐制备净化系统2还包括调温装置29，其中，预熔罐21和反应罐22容置于调温装置29内以通过调温装置29对熔盐进行加热。
熔盐制备净化系统2还包括手套箱210，其中，预熔罐21的顶部法兰、第三气体管路25、反应罐22的顶部法兰、第四气体管路27和接收盘23均位于手套箱210内以提供无水无氧的气氛。应该理解，也可以将整个熔盐制备净化系统2设置于无水无氧的环境下。
尾气吸收处理系统3包括依次连接的缓冲罐31、吸收罐32和铍处理系统33，通过出气通路5排出的尾气在通过缓冲罐31和吸收罐32后进入铍处理系统33中进行处理，达标后放空。
根据本实施例的熔盐堆液态燃料的制备方法首先包括：按摩尔比13:6的比例将粉末状569g氟化锂(LiF)和475g氟化铍(BeF2)在手套箱210内充分混匀并装入预熔罐21内；开启Ar源12以通过第一气体管路14、进气通路4、第三气体管路25、第四气体管路27和出气通路5向预熔罐21内通入流量为120ml·min-1·kg-1熔盐的Ar进行吹扫；开启调温装置29将预熔罐21和反应罐22均加热至350℃进行12h的保温烘焙；然后通过调温装置29将预熔罐21和反应罐22升温至600℃以使预熔罐21内的LiF和BeF2完全熔融形成熔融盐；开启第一熔盐管路24的伴热系统以将第一熔盐管路24中的熔盐加热至460℃，然后关闭第三气体管路25，通过流量为500ml·min-1的Ar的压力使预熔罐21中的熔融盐通过第一熔盐管路24转移入反应罐22中。
熔盐堆液态燃料的制备方法接下来包括：关闭Ar源12并打开第五连通气体管路28，开启H2源11以通过第一熔盐管路24向反应罐22内通入流量为200ml·min-1·kg-1熔盐的H2进行10h的鼓泡反应；开启第四气体管路27和出气通路5的伴热系统以将气体加热至100℃，开启HF源13的伴热系统以将HF加热至30℃，通过调温装置29将预熔罐21和反应罐22的温度降至550℃；然后开启HF源13以通过第二气体通路15向预熔罐21内通入流量为20ml·min-1·kg-1熔盐的HF，其中，H2和HF在预熔罐21中预热后通过第一熔盐管路24向反应罐22内通入以进行20h的鼓泡净化反应并得到熔融的LiF-BeF2二元盐；关闭H2源11和HF源13，将281g粒状无水氟化锆(ZrF4)在手套箱210内加入到反应罐22中的熔融的LiF-BeF2二元盐中；开启Ar源12以向反应罐22内通入流量为300ml·min-1·kg-1熔盐的Ar进行1h的鼓泡搅拌，使得ZrF4在LiF-BeF2二元盐中均匀溶解以得到LiF-BeF2-ZrF4三元盐；关闭Ar源12，开启H2源11和HF源13以向反应罐22内通入流量为200ml·min-1·kg-1熔盐的H2和流量为20ml·min-1·kg-1熔盐的HF进行20h的鼓泡净化；关闭HF源13，向反应罐22内单独通H2进行5-10h的8h的鼓泡净化；关闭H2源11后开启Ar源12，通过第一气体管路14的旁通支路143通入流量为500ml·min-1·kg-1熔盐的Ar对第二气体管路15进行吹扫。
熔盐堆液态燃料的制备方法还包括：开启第二熔盐管路26的伴热以将第二熔盐管路26中的熔盐加热至460℃，通过调温装置29将反应罐22的温度升至720℃，开启第三气体管路25和第五气体管路28，关闭第四气体管路27，通过流量为500ml·min-1·kg-1熔盐的Ar的压力使LiF-BeF2-ZrF4三元盐(即基盐FLiBeZr)通过第二熔盐管路26转移入接收盘23中；关闭第三气体管路25和第五气体管路28，开启第四气体管路27，最后通入流量为200ml·min-1·kg-1熔盐的Ar以对气路系统1、熔盐制备净化系统2和尾气吸收处理系统3进行2h的吹扫。
结果显示，接收盘23中的产品实物照片如图2所示，X射线衍射图谱如图3所示，从而表明该产品确为基盐FLiBeZr，其质量为977.29g，产品收率为97.68％。通过力可(LECO)的元素分析仪可知，原料中的总氧含量为5719ppm，而基盐FLiBeZr的总氧含量为79ppm；原料中的总硫含量为3.53ppm，而基盐FLiBeZr未检出硫。总之，根据本发明的制备方法可以将总氧含量降至100ppm以下，对总硫含量也有一定的去除效果，且收率可达到95％以上，能够满足规模化生产要求。
实施例2
熔盐堆液态燃料的制备装置同实施例1。
熔盐堆液态燃料的制备方法首先包括：按摩尔比13:6的比例将粉末状860g氟化锂(LiF)和716.55g氟化铍(BeF2)在手套箱210内充分混匀并装入预熔罐21内；开启Ar源12以通过第一气体管路14、进气通路4、第三气体管路25、第四气体管路27和出气通路5向预熔罐21内通入流量为150ml·min-1·kg-1熔盐的Ar进行吹扫；开启调温装置29将预熔罐21和反应罐22均加热至350℃进行12h的保温烘焙；然后通过调温装置29将预熔罐21和反应罐22升温至600℃以使预熔罐21内的LiF和BeF2完全熔融形成熔融盐；开启第一熔盐管路24的伴热系统以将第一熔盐管路24中的熔盐加热至460℃，然后关闭第三气体管路25，通过流量为500ml·min-1·kg-1熔盐的Ar的压力使预熔罐21中的熔融盐通过第一熔盐管路24转移入反应罐22中。
熔盐堆液态燃料的制备方法接下来包括：关闭Ar源12并打开第五连通气体管路28，开启H2源11以通过第一熔盐管路24向反应罐22内通入流量为300ml·min-1·kg-1熔盐的H2进行10h的鼓泡反应；开启第四气体管路27和出气通路5的伴热系统以将气体加热至100℃，开启HF源13的伴热系统以将HF加热至30℃，通过调温装置29将预熔罐21和反应罐22的温度降至550℃；然后开启HF源13以通过第二气体通路15向预熔罐21内通入流量为40ml·min-1·kg-1熔盐的HF，其中，H2和HF在预熔罐21中预热后通过第一熔盐管路24向反应罐22内通入以进行20h的鼓泡净化反应以得到熔融的LiF-BeF2二元盐；关闭H2源11和HF源13，将424.65g片状无水氟化锆(ZrF4)在手套箱210内加入到反应罐22中的熔融的LiF-BeF2二元盐中；开启Ar源12以向反应罐22内通入流量为400ml·min-1·kg-1熔盐的Ar进行1h的鼓泡搅拌，使得ZrF4在LiF-BeF2二元盐中均匀溶解以得到LiF-BeF2-ZrF4三元盐；关闭Ar源12，开启H2源11和HF源13以向反应罐22内通入流量为300ml·min-1·kg-1熔盐的H2和流量为50ml·min-1·kg-1熔盐的HF进行20h的鼓泡净化；关闭HF源13，向反应罐22内单独通H2进行5-10h的8h的鼓泡净化；关闭H2源11后开启Ar源12，通过第一气体管路14的旁通支路143通入流量为500ml·min-1·kg-1熔盐的Ar对第二气体管路15进行3h的吹扫。
熔盐堆液态燃料的制备方法还包括：开启第二熔盐管路26的伴热以将第二熔盐管路26中的熔盐加热至460℃，通过调温装置29将反应罐22的温度升至720℃，开启第三气体管路25和第五气体管路28，关闭第四气体管路27，通过流量为500ml·min-1·kg-1熔盐的Ar的压力使LiF-BeF2-ZrF4三元盐(即基盐FLiBeZr)通过第二熔盐管路26转移入接收盘23中；关闭第三气体管路25和第五气体管路28，开启第四气体管路27，最后通入流量为240ml·min-1·kg-1熔盐的Ar以对气路系统1、熔盐制备净化系统2和尾气吸收处理系统3进行吹扫。
结果显示，接收盘23中的基盐FLiBeZr的质量为1925.35g，产品收率为96.21％。通过力可(LECO)的元素分析仪可知，原料中的总氧含量为5719ppm，而基盐FLiBeZr的总氧含量为83ppm；原料中的总硫含量为3.53ppm，而基盐FLiBeZr的总硫含量为1.96ppm。总之，根据本发明的制备方法可以将总氧含量降至100ppm以下，对总硫含量也有一定的去除效果，且收率可达到95％以上，能够满足规模化生产要求。
实施例3
熔盐堆液态燃料的制备装置同实施例1。
熔盐堆液态燃料的制备方法首先包括：按摩尔比72:28的比例将粉末状52.7g氟化锂(LiF)和247.3g四氟化铀(UF4)在手套箱210内充分混匀并装入预熔罐21内；开启Ar源12以通过第一气体管路14、进气通路4、第三气体管路25、第四气体管路27和出气通路5向预熔罐21内通入流量为120ml·min-1·kg-1熔盐的Ar进行吹扫；开启调温装置29将预熔罐21和反应罐22均加热至350℃进行12h的保温烘焙；然后通过调温装置29将预熔罐21和反应罐22升温至650℃以使预熔罐21内的LiF和UF4完全熔融形成熔融盐；开启第一熔盐管路24的伴热系统以将第一熔盐管路24中的熔盐加热至500℃，然后关闭第三气体管路25，通过流量为500ml·min-1·kg-1熔盐的Ar的压力使预熔罐21中的熔融盐通过第一熔盐管路24转移入反应罐22中。
熔盐堆液态燃料的制备方法接下来包括：关闭Ar源12并打开第五连通气体管路28，开启H2源11以通过第一熔盐管路24向反应罐22内通入流量为200ml·min-1·kg-1熔盐的H2进行10h的鼓泡反应；开启第四气体管路27和出气通路5的伴热系统以将气体加热至100℃，开启HF源13的伴热系统以将HF加热至30℃，通过调温装置29将预熔罐21和反应罐22的温度降至580℃；然后开启HF源13以通过第二气体通路15向预熔罐21内通入流量为20ml·min-1·kg-1熔盐的HF，其中，H2和HF在预熔罐21中预热后通过第一熔盐管路24向反应罐22内通入以进行30h的鼓泡净化反应以得到熔融的LiF-UF4二元盐；关闭HF源13，向反应罐22内单独通流量为200ml·min-1·kg-1熔盐的H2进行6h的鼓泡净化；关闭H2源11后开启Ar源12，通过第一气体管路14的旁通支路143通入流量为500ml·min-1·kg-1熔盐的Ar对第二气体管路15进行3h的吹扫。
熔盐堆液态燃料的制备方法还包括：开启第二熔盐管路26的伴热以将第二熔盐管路26中的熔盐加热至500℃，通过调温装置29将反应罐22的温度升至800℃，开启第三气体管路25和第五气体管路28，关闭第四气体管路27，通过流量为500ml·min-1·kg-1熔盐的Ar的压力使LiF-UF4二元盐(即添加盐FLiU)通过第二熔盐管路26转移入接收盘23中；关闭第三气体管路25和第五气体管路28，开启第四气体管路27，最后通入流量为200ml·min-1·kg-1熔盐的Ar以对气路系统1、熔盐制备净化系统2和尾气吸收处理系统3进行吹扫。
结果显示，接收盘23中的产品实物照片如图4所示，X射线衍射图谱如图5所示，从而表明该产品确为FLiU的共晶盐，其质量为270.7g，产品收率为90.84％。通过力可(LECO)的元素分析仪可知，原料中的总氧含量为2830ppm，而添加盐FLiU的总氧含量为39ppm；原料中的总硫含量为30.5ppm，而添加盐FLiU的总硫含量为15.6ppm。其中有少量未压出的留底FLiU产品未计入收率。总之，根据本发明的制备方法可以将总氧含量降至100ppm以下，对总硫含量也有一定的去除效果，且收率可达到95％以上，能够满足规模化生产要求。
实施例4
熔盐堆液态燃料的制备装置同实施例1。
熔盐堆液态燃料的制备方法首先包括：按摩尔比72:28的比例将粉末状228.5g氟化锂(LiF)和1072.2g四氟化铀(UF4)在手套箱210内充分混匀并装入预熔罐21内；开启Ar源12以通过第一气体管路14、进气通路4、第三气体管路25、第四气体管路27和出气通路5向预熔罐21内通入流量为120ml·min-1·kg-1熔盐的Ar进行吹扫；开启调温装置29将预熔罐21和反应罐22均加热至350℃进行12h的保温烘焙；然后通过调温装置29将预熔罐21和反应罐22升温至650℃以使预熔罐21内的LiF和UF4完全熔融形成熔融盐；开启第一熔盐管路24的伴热系统以将第一熔盐管路24中的熔盐加热至500℃，然后关闭第三气体管路25，通过流量为500ml·min-1·kg-1熔盐的Ar的压力使预熔罐21中的熔融盐通过第一熔盐管路24转移入反应罐22中。
熔盐堆液态燃料的制备方法接下来包括：关闭Ar源12并打开第五连通气体管路28，开启H2源11以通过第一熔盐管路24向反应罐22内通入流量为200ml·min-1·kg-1熔盐的H2进行10h的鼓泡反应；开启第四气体管路27和出气通路5的伴热系统以将气体加热至100℃，开启HF源13的伴热系统以将HF加热至30℃，通过调温装置29将预熔罐21和反应罐22的温度降至580℃；然后开启HF源13以通过第二气体通路15向预熔罐21内通入流量为20ml·min-1·kg-1熔盐的HF，其中，H2和HF在预熔罐21中预热后通过第一熔盐管路24向反应罐22内通入以进行40h的鼓泡净化反应以得到熔融的LiF-UF4二元盐；关闭HF源13，向反应罐22内单独通流量为200ml·min-1·kg-1熔盐的H2进行6h的鼓泡净化；关闭H2源11后开启Ar源12，通过第一气体管路14的旁通支路143通入流量为220ml·min-1·kg-1熔盐的Ar对第二气体管路15进行2h的吹扫。
熔盐堆液态燃料的制备方法还包括：开启第二熔盐管路26的伴热以将第二熔盐管路26中的熔盐加热至500℃，通过调温装置29将反应罐22的温度升至800℃，开启第三气体管路25和第五气体管路28，关闭第四气体管路27，通过流量为500ml·min-1·kg-1熔盐的Ar的压力使LiF-UF4二元盐(即添加盐FLiU)通过第二熔盐管路26转移入接收盘23中；关闭第三气体管路25和第五气体管路28，开启第四气体管路27，最后通入流量为200ml·min-1的Ar以对气路系统1、熔盐制备净化系统2和尾气吸收处理系统3进行吹扫。
结果显示，接收盘23中的添加盐FLiU的质量为1287.87g，产品收率为99.02％。通过力可(LECO)的元素分析仪可知，原料中的总氧含量为2830ppm，而添加盐FLiU的总氧含量为61ppm；原料中的总硫含量为30.5ppm，而添加盐FLiU的总硫含量为9.3ppm。总之，根据本发明的制备方法可以将总氧含量降至100ppm以下，对总硫含量也有一定的去除效果，且收率可达到95％以上，能够满足规模化生产要求。
应该理解，通过实施例1和实施例2得到的基盐和实施例3和实施例4得到的添加盐混熔可得到最终的FLiBeZrU进堆燃料，其中的Zr与U的摩尔比大于2.2可以避免U的氧化物沉淀。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (12)

1.一种熔盐堆液态燃料的制备装置，其特征在于，该制备装置包括：
用于对氩气、氢气和氟化氢三股气体的流量进行控制的气路系统；
通过氢气对熔盐中的氧化物杂质进行还原、通过氟化氢对熔盐进行氟化脱氧并通过氩气的气压对液态的熔盐进行转移的熔盐制备净化系统；以及
对熔盐制备净化系统产生的氟化氢尾气和熔盐尾气进行吸收和滞留的尾气吸收处理系统；
其中，气路系统通过进气通路与熔盐制备净化系统连通，熔盐制备净化系统通过出气通路与尾气吸收处理系统连通，
其中，熔盐制备净化系统包括预熔罐、反应罐和接收盘，其中，预熔罐通过进气通路与气路系统连通，预熔罐与反应罐通过第一熔盐管路和第三气体管路连通，反应罐和接收盘通过第二熔盐管路和第四气体管路连通，接收盘通过第五连通气体管路与出气通路连通，其中，第一熔盐管路的两端的管口分别伸入预熔罐和反应罐的底部以通过第一熔盐管路将预熔罐内的熔盐转移至反应罐中，第二熔盐管路的两端的管口分别伸入反应罐的底部和接收盘的上部以通过第二熔盐管路将反应罐内的熔盐转移至接收盘中，第三气体管路的两端分别设置于预熔罐和反应罐的顶部以通过第三气体管路维持预熔罐和反应罐的压力平衡，第四气体管路的两端分别设置于反应罐和接收盘的顶部以通过第四气体管路维持反应罐和接收盘的压力平衡。
2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，气路系统包括氢气源、氩气源和氟化氢源，其中，氢气源和氩气源分别通过第一气体管路与进气通路连通，氟化氢源通过第二气体管路与进气通路连通，第一气体管路还包括有连通至第二气体管路以便于对第二气体管路进行吹扫的旁通支路。
3.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，预熔罐和反应罐用于容纳熔盐的罐体的长径比在4-10的范围内。
4.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，第一熔盐管路的伸入反应罐内的管口与反应罐的底壁的距离与第一熔盐管路的管外径的比值在0.5-2的范围内。
5.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，熔盐制备净化系统还包括手套箱，其中，预熔罐的顶部法兰、第三气体管路、反应罐的顶部法兰、第四气体管路和接收盘均位于手套箱内以提供无水无氧的环境。
6.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，尾气吸收处理系统包括依次连接的缓冲罐、吸收罐和铍处理系统，通过出气通路排出的尾气在通过缓冲罐和吸收罐后进入铍处理系统中进行处理达标后放空。
7.一种熔盐堆液态燃料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括步骤：
S1，将粉末状第一原料熔盐在无水无氧的环境下混合并装入预熔罐内，通过第一气体管路、进气通路、第三气体管路、第四气体管路和出气通路向预熔罐内通入氩气进行吹扫；加热预熔罐和反应罐进行保温烘焙以除去第一原料熔盐中的自由水和结晶水；继续加热预熔罐和反应罐以使预熔罐内的第一原料熔盐熔融形成第一熔融盐；关闭第三气体管路，通过氩气的压力使预熔罐中的第一熔融盐通过第一熔盐管路转移入反应罐中；
S2，停止通入氩气并打开第五连通气体管路，通过第一熔盐管路向反应罐内通入氢气进行鼓泡反应以利用氢气还原第一熔融盐中的氧化物杂质；通过第二气体通路向预熔罐内通入气态的氟化氢；通过第一熔盐管路向反应罐内通入氢气和氟化氢进行鼓泡净化反应以利用氟化氢脱除第一熔融盐中的氧并利用氢气抑制氟化氢对预熔罐和反应罐的腐蚀，并得到第一还原脱氧熔盐；停止通入氟化氢并保持通入氢气进行鼓泡净化以进一步还原脱氧并还原预熔罐和反应罐的壁面产生的氟化镍；停止通入氢气并通入氩气进行吹扫；以及
S3，开启第三气体管路和第五气体管路，关闭第四气体管路，通过氩气的压力使第一还原脱氧熔盐通过第二熔盐管路转移入接收盘中；关闭第三气体管路和第五气体管路，开启第四气体管路，通入氩气以对气路系统、熔盐制备净化系统和尾气吸收处理系统进行吹扫。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，将粉末状氟化锂和四氟化铀在无水无氧的环境下混合并装入预熔罐内，或者将粉末状氟化锂和氟化铍在无水无氧的环境下混合并装入预熔罐内；通入流量为100-150ml·min-1·kg-1熔盐的氩气进行吹扫；加热预熔罐和反应罐至300-400℃进行保温烘焙；继续加热预熔罐和反应罐至550-650℃以使预熔罐内的第一原料熔盐熔融形成第一熔融盐；通过流量为350-550ml·min-1·kg-1熔盐的氩气的压力使预熔罐中的第一熔融盐通过第一熔盐管路转移入反应罐中。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，通入流量为100-300ml·min-1·kg-1熔盐的氢气进行鼓泡反应；将预熔罐和反应罐的温度降至520-580℃后通过第二气体通路向预熔罐内通入流量为10-50ml·min-1·kg-1熔盐的氟化氢；通入流量比为3-10的氢气和氟化氢进行鼓泡净化反应。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，在得到第一还原脱氧熔盐之后，在停止通入氟化氢并保持通入氢气进行鼓泡净化之前，停止通入氢气和氟化氢，将第二原料熔盐在无水无氧的环境下加入到反应罐中；通入氩气鼓泡搅拌以使得第二原料熔盐在第一还原脱氧熔盐中溶解以得到第二熔融盐；停止通入氩气，通入氢气和氟化氢进行鼓泡净化反应以利用氟化氢脱除第二熔融盐中的氧并利用氢气抑制氟化氢对预熔罐和反应罐的腐蚀，并得到第二还原脱氧熔盐。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，将粒状或片状无水氟化锆在无水无氧的环境下加入到反应罐中；通入流量为200-400ml·min-1·kg-1熔盐的氩气鼓泡搅拌。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，通入流量为100-300ml·min-1·kg-1熔盐的氢气和流量为10-50ml·min-1·kg-1熔盐的氟化氢混合气体进行鼓泡净化反应并得到熔融的第二还原脱氧熔盐。
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