CN109524145B - 一种自适应夹持的高压电脉冲解体球形燃料元件的装置 - Google Patents
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Abstract
一种自适应夹持的高压电脉冲解体球形燃料元件的装置，包括支架、升降机构、放电腔体、高压电极、地电极和自适应夹持部件。升降平台装置于支架上,高压电极固定于支架顶部；放电腔体设置在升降机构上；高压电极和地电极的放电部分均为平板型；自适应夹持部件同轴安装在放电腔体内,其外部呈圆柱状，内表面由圆柱面和圆锥面两部分圆滑过渡而成；球形燃料元件放置在自适应夹持部件内，并与高压电极的距离为1～8mm。当进行高压脉冲放电时，由放电产生的冲击波将燃料元件解体，碎片经地电极滤出。本发明在相对较低的电压下工作，耐受高压电极和地电极短路，无需额外增加限流电阻，从而提高了系统的安全性和解体能量效率，且坚固耐用。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压电脉冲解体球形燃料元件的装置，适用于在放射性条件下解体高温堆球形燃料元件的装置，属于放射性乏燃料后处理技术领域。
背景技术
高温气冷堆乏燃料进行后处理非常重要，需要针对其使用的球形燃料元件结构上的特殊性，进行专门的解体研究。在各种解体方法中，高压电脉冲法具有解体速度快，处理过程不消耗化学试剂，不产生二次废物，不产生粉尘的特点，是较有发展前景的方法。
目前尚无专用的高压电脉冲解体高温堆燃料元件的装置，已有的相关的报道是采用商用的高压电脉冲装置，将圆柱石墨块、TRISO颗粒、石墨碎片等进行解体，存在的问题是能量浪费现象，解体能量效率低。追究其原因是由于是商用装置，正常的用途是用于破解绝缘体或绝缘体包覆少量导体类型的材料，因此不用考虑在放电期间高压电极和地电极短路的情况，而破解主体材料为石墨材料时，石墨是导电的，可能会导致高压电极和地电极短路。为防止短路损坏高压电脉冲装置，在无法改变商用装置的内部电回路的情况下，已有的报道采用的解决方法是在高压电极和地电极之间人为的多加长了一段间隙，利用水介质击穿时的电阻作为短路时的限流电阻，这就导致了解体能量的浪费。
高温气冷堆乏燃料实施后处理非常重要。需要针对其使用的球形燃料元件结构上的特殊性，进行专门的解体研究。在各种解体方法中，高压电脉冲法具有解体速度快，处理过程不消耗化学试剂，不产生二次废物，不产生粉尘的特点，是较有发展前景的方法。
目前尚无专用的高压电脉冲解体高温堆燃料元件的装置，已有的相关的报道是采用商用的高压电脉冲装置，将圆柱石墨块、TRISO颗粒、石墨碎片等进行解体，存在的问题是存在能量浪费现象，解体能量效率低。追究其原因是由于是商用装置，正常的用途是用于破解绝缘体或绝缘体包覆少量导体类型的材料，因此不用考虑在放电期间高压电极和地电极短路的情况，而破解主体材料为石墨材料时，石墨是导电的，可能会导致高压电极和地电极短路。为防止短路损坏高压电脉冲装置，在无法改变商用装置的内部电回路的情况下，已有的报道采用的解决方法是在高压电极和地电极之间人为的多加长了一段间隙，利用水介质击穿时的电阻作为短路时的限流电阻，这就导致了解体能量的浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应夹持的高压电脉冲解体球形燃料元件的装置，作为高压电脉冲法解体高温堆燃料元件专用装置，在相对较低的电压下工作，耐受高压电极和地电极短路，无需额外增加限流电阻，从而提高系统的安全性和解体能量效率。
本发明的技术方案如下：
一种自适应夹持的高压电脉冲解体球形燃料元件的装置，含有支架、升降机构、高压电极、放电腔体和地电极，升降机构安装于支架上；放电腔体固定于升降机构上；所述高压电极安装在支架顶部并与支架绝缘；放电腔体内放置地电极和高温堆球形燃料元件；其特征在于：该装置还包含一个自适应夹持部件，自适应夹持部件同轴安装在放电腔体内的顶部，该自适应夹持部件呈圆柱状，其内表面由圆柱面和圆锥面两部分圆滑过渡而成；所述的高温堆球形燃料元件放置在自适应夹持部件内，并与所述的高压电极的距离为1～8mm。
优选地，本发明所述圆锥面母线的夹角为5°～15°。所述的高压电极放电部分的形状为平板结构。所述的地电极放电部分的形状为带筛网的平板结构。
本发明所述的放电腔体与所述的高压电极之间采用迷宫式密封结构。所述的升降机构包括升降平台、电推杆和行程测量元件，行程测量元件选用电阻尺。
本发明的技术特征还在于：所述的放电腔体与所述高压电极之间设置有防止边壁放电的绝缘圆筒，绝缘圆筒的材料为聚氨酯、聚醚醚酮或氧化锆增韧陶瓷。所述的高压电极与支架之间的绝缘采用聚碳酸酯材料，在聚碳酸酯材料上面涂有UV涂层。
本发明具有以下优点及突出性效果：①本发明可直接将完整的球形燃料元件完全解体；②本发明解体能量效率高，约是现有文献报道中最优实施例的能量效率的2.6倍；③本发明处理过程不消耗化学试剂，不产生二次废物，不产生粉尘。④本发明在破碎完整的燃料元件时，工作于约60kV电压，显著低于文献报道中的200-420kV电压，降低了对高压电源和高压防护的要求。⑤本发明采用倒锥自适应夹持部件，装置坚固耐用，适于用作批量处理设备。
附图说明
图1为本发明装置的等轴剖面图。
图2为图1的局部放大图。
图3为图2的进一步局部放大图。
图4为高温堆燃料球形燃料元件自适应夹持示意图。
图5为本发明装置所在高压电脉冲全电路回路的原理图。
图6为本发明装置所含的高压电极对地短路在线检测装置电路原理图。
图中：1-支架；2-升降机构；3-高压电极；4-迷宫式密封结构；5-放电腔体；6-高温堆球形燃料元件；7-绝缘圆筒；8-自适应夹持部件；9-地电极；10-测量元件；11-电推杆；12-脉冲高压电源；13-高压充电限流电阻；14-高压储能电容；15-高压放电均流电阻；16-高压放电空气开关；17-测脉冲电流用的罗氏线圈；18-本发明所述装置；19-铅酸电池；20-铅酸电池限流保护电阻和二极管；21-电流表旁路保护电容；22-电流表旁路保护TVS；23-电流表限流保护硫酸铜水电阻；24-电流表。
具体实施方式
下面结合附图及具体实例，对本发明作进一步说明：
参见图1、图2和图3，本发明提供的一种自适应夹持部件的高压电脉冲解体球形燃料元件的装置含有支架1、升降机构2、高压电极3和放电腔体5、地电极9和自适应夹持部件8；升降机构2安装于支架1上；放电腔体设置在升降机构上；高压电极3安装在支架顶部并与支架绝缘；地电极9固定于放电腔体底部；自适应夹持部件同轴安装在放电腔体内的顶部，该自适应夹持部件呈圆柱状，其内表面由圆柱面和圆锥面两部分圆滑过渡而成；所述的高温堆球形燃料元件放置在自适应夹持部件内，并与所述的高压电极的距离为1～8mm。
如图3所示，高压电极3放电部分形状为平板结构,所述的地电极9放电部分形状为带筛网的平板结构。选用平板对电极的原因是，平板对电极可以自适应的在球形燃料元件或燃料元件碎块凸起处进行放电，就近处理燃料元件或燃料元件碎块最需要处理的部位；冲击波可以在平板间往复反射，增加破碎效率。由于本发明装置采用了平板对电极，取消了燃料元件筛网下方的一段水间隙，所以提高了能量效率。在本发明装置每次脉冲能量与文献中的实施例的每次脉冲能量一致的情况下，按每次脉冲解体的元件的质量数计算能量效率，本装置的效率约是文献中的最优实施例的效率的2.6倍。由于采用了平板对电极，可以自适应的就近对燃料元件或燃料元件碎块进行放电，所以放电间隙显著缩小，一般为1-8mm，明显小于文献中的对大块石墨材料破碎需要的50mm放电间隙，从而明显降低了放电工作电压。因此，所需的最高工作电压也低于60kV。现有的技术，高压直流电源可以直接提供60kV直流高压，再高的电压，需要用Marx装置(并联充电-串联放电)进行倍增。
参见图4，所述的自适应夹持部件8的工作面(即圆锥面)的夹角为5°～15°，可以在球形燃料元件未破碎时将其固定。如果球形燃料元件在初始高压脉冲放电时，不将其固定，则燃料元件会不断滚动，导致无法在燃料元件集中形成破碎缺口，会大大降低破碎的效率；一旦燃料元件从球形破碎成大碎块，则其球形的几何坚固性消失，则不必再对其进行夹持。而在放射性、高脉冲电压、高脉冲水压条件下，需要外部能量驱动操作的夹持是困难的。因此，需要自适应的夹持方法。为适应上述的需求，可以在球形燃料元件滚入到放电腔体5内的防止边壁放电的绝缘圆筒7中后，设计的自适应夹持部件8竖直下压后，由于圆锥面与球面的几何配合关系，自适应的将球体定位。
由于自适应夹持部件8夹持工作面是小顶角的锥面，由力的分解可知，在夹持装置竖直向下压时，夹持工作面上会产生很大的垂直于工作面的压力，典型的，对于10°锥面顶角的夹持工作面，其工作面的压力可以达到夹持装置向下的压力的10倍。因此，被夹持的球形元件会发生变形，失去了球体的对称性，无法按水平轴滚动；另外，在大的压力作用下，也会有显著的摩擦力，也会阻止球形元件滚动。这就保证了球形元件在竖直方向最高处集中破碎解体。由于夹持工作面是光滑面，所以在比较宽的夹持装置竖直向下压力的范围内，球形元件不会被压碎。在放射性、高脉冲电压、高脉冲水压条件下，需要外部能量驱动操作的夹持是困难的。因此，需要自适应的夹持方法。为适应上述的需求，所述的自适应夹持部件8内含5°～15°小顶角的圆锥面，可以在球形燃料元件未破碎时将其固定。如果球形燃料元件在初始高压脉冲放电时，不将其固定，则燃料元件会不断滚动，导致无法在球形燃料元件集中形成破碎缺口，会大大降低破碎的效率；一旦球形燃料元件从球形破碎成大碎块，则其球形的几何坚固性消失，则不必再对其进行夹持。在球形燃料元件滚入到放电腔体5内的防止边壁放电的绝缘圆筒7中后，球形燃料元件被放置到了地电极9上，由于自适应夹持部件8同轴安装在放电腔体5的顶部，可对自适应夹持部件8施加向下的挤压力，自适应夹持部件8内的圆锥面与球形燃料元件球面形成几何配合关系，自适应夹持部件8和球形燃料元件是挤压固定；水平方向是自适应夹持部件8、放电腔体、球形燃料元件同轴固定，所以自适应夹持部件8可以自适应的固定球形燃料元件。”
所述的地电极9的形状为带筛网的平板结构，所述的地电极9同时兼用作筛网，用于滤出球形燃料元件破碎解体后的颗粒。地电极9同时兼用作筛网，可以简化结构，更便于碎屑排出。所述的高压电极3安装在支架1时，使用聚碳酸酯材料作为绝缘，绝缘材料上涂覆有UV涂层，这是因为高压电脉冲放电时高压电极会受到强烈的机械冲击，固定高压电极的绝缘材料必须要具有很好的耐机械冲击性能。在绝缘材料中，聚碳酸酯具有最好的耐机械冲击性能。UV涂层是为了克服聚碳酸酯不耐紫外线的缺点，增加其使用寿命。
所述的升降机构2动力部件采用电推杆11，测量元件10采用电阻尺。采用电推杆作为动力部件的优点是相比液压部件减小动力部件体积，重复精度高，容易使用和维护；采用电阻尺作为行程测量元件的优点是电阻尺内不含电子芯片，可以耐受高压电脉冲放电时的强烈电磁脉冲冲击。
所述的放电腔体5与所述的高压电极3之间采用迷宫式密封结构4进行密封。由于高压电脉冲放电时产生的冲击波，使得放电腔体5内存在瞬间高水压，需要可靠的密封才能保证水介质不溅出，但在放射性条件下，缺乏可靠的密封材料。而迷宫密封不需要额外的密封材料，是合适的密封方法。所述的放电腔体5与所述的高压电极3之间防止边壁放电的绝缘圆筒7的材料选用聚氨酯、聚醚醚酮或氧化锆增韧陶瓷。选用这几种材料是因为在放射性、冲击波条件下，它们可以同时满足绝缘性能、机械强度、耐辐照性能的要求。
本发明装置耐受高压电极对地短路，通过在线对地短路，可以确定高压电极对地的行程是0，然后以这个零点移动一端距离，就是高压电极对地的距离，即可以由此确定高压电脉冲放电间隙的大小。采用此种确定放电间隙方法的原因在于，形成放电间隙的一端是燃料元件碎块，形状很不规则；同时，放电腔体内存在脉冲高电压、高水压，因此，在放电腔体内直接测量放电间隙大小很困难。但用高压电极对地短路法将放电间隙变到0，则是相对容易的；而从外部测量高压电极行程也是相对容易的。通过将高压电极3放电间隙移动到0，然后将高压电极3移动可测的行程，达到了将高压电极3间隙变为指定大小的目的。
图5为本发明装置所在高压电脉冲全电路回路的原理图。高压直流电源12经高压充电限流电阻13向7级并联的高压储能电容14充电，当充电电压超过高压放电空气开关16的阈值时，高压放电空气开关16导通，正电荷涌入高压电极3，电位不断升高至高压电极3和高温堆球形燃料元件6之间的水间隙击穿，发生高压电脉冲放电，正电荷返回高压储能电容的负极。高压直流电源12和地电极9直接的接地是虚接的，是因为实际接线中，是采用分别的两个独立接地，但这两个地都是接通大地的，经长时间后，可以电荷平衡。测脉冲电流用的罗氏线圈17可以隔离测量脉冲大电流。
由于本发明装置只需要采用60kV以下电压，所以本发明装置可以不使用Marx装置，而将高压储能电容工作于并联充电-并联放电方式，带来的好处是提高了对短路电流的耐受能力。为本发明装置提供脉冲高压电的80kV高压储能电容，厂商提供技术数据是最大瞬时放电电流25kA。一般情况下，本发明装置工作电压最高为60kV，由于放电回路导线电阻、寄生电感、寄生电容的影响，放电回路具有一定的阻抗，经实验测定，对应的最大短路瞬时电流为15kA。为提高储能电容组对短路电流的耐受能力，对高压储能电容进行7级并联，并做了均流设计。均流方法是用相同机械尺寸的扁平不锈钢导线排将高压储能电容并联到铜排上。由于不锈钢电阻率远高于铜，所以扁平不锈钢导线排是很好的均流电阻，其绝对电阻值很小，但相对于铜排较高，在放电时，可以忽略各高压储能电容到主干铜排距离不同的影响，各高压储能电容上的放电电流比较均匀。图5中的高压放电均流电阻1采用的就是扁平不锈钢导线排。经实验测定，在高压电脉冲放电时，即使遇到短路情况，各高压储能电容的瞬时放电电流约为2.2kA，也是远低于厂商提供的25kA最大瞬时放电电流的。因此，本发明的装置耐受高压电极对地短路，安全性更高，且为在线测量高压电极放电间隙提供了方便。
图6为本发明中采用的一种在线测量高压电极对地短路的电路原理图。由独立的铅酸电池19作为检测信号电源，回路中包含了限流电阻和保护电路，将高压电极3、高温堆球形燃料元件6和地电极9串入回路。由于即使是纯水也有一定的导电性，而且在燃料元件破解过程中，水的电导率会缓慢变大，所以判定高压电极3对地短路的标志不是指针式电流表的电流达到某个值，而是电流随高压电极3行程的曲线出现突变，突变点是短路点。为了测量装置能够耐受高压电脉冲放电时的强烈电磁冲击，采用了非电磁敏感元件，并通过RC阻容缓冲滤波、瞬态抑制二极管等保护手段保护检测元件。特别的，RC阻容缓冲滤波的电阻适宜采用硫酸铜水电阻，因为水电阻制作容易，功率密度大。
实施例：
本实施例用于放射性条件下高压电脉冲产生的冲击波解体高温堆球形燃料元件的过程；具体操作步骤如下：对于本发明所述装置,需60kV高压直流电源12经7级并联高压储能电容14为其供电，由高压放电空气开关16控制放电电压和频率，高压放电空气开关16间隙确定为18mm，放电方式为自击穿放电，放电频率约1Hz，进行燃料元件整体解体实验。破解元件开始前，将升降机构2降低，高压电极3拉出放电腔体5；拆去放电腔体5的迷宫式密封结构4，放电腔体5中加入去离子水介质，将高温堆球形燃料元件6滚入放电腔体，高温堆球形燃料元件6被自适应夹持部件8自动夹持定位；安装放电腔体5的迷宫式密封结构4，将升降机构2升高，高压电极压入放电腔体5至高压电极3对地短路；重新降低升降机构2，确定高压电极3到高温堆球形燃料元件6的间隙为3mm；将高压直流电源12启动，进行高压电脉冲放电，约500次；期间每隔50次重新确定高压电极3对高温堆球形燃料元件6或球形燃料元件碎块的间隙为3mm；至约500次后，高压电极3的行程已经无法增加，说明高温堆球形燃料元件6已经完全破碎；停止高压放电，并经一段时间后，用放电棒将高压电残余电荷完全卸除；打开放电腔体5出口阀，将碎屑排出收集。经检查，球形燃料元件已经完全破碎，破碎效率为0.4g/高压电脉冲，破解过程无粉尘产生，石墨碎片仍保持原有化学组成和晶型，无二次污染。
Claims (6)
1.一种自适应夹持的高压电脉冲解体球形燃料元件的装置，含有支架(1)、升降机构(2)、高压电极(3)、放电腔体(5)和地电极(9)，升降机构(2)安装于支架(1)上；放电腔体(5)固定于升降机构(2)上；所述高压电极(3)安装在支架顶部并与支架绝缘；放电腔体(5)内放置地电极(9)和高温堆球形燃料元件(6)；其特征在于：该装置还包含一个自适应夹持部件(8)，自适应夹持部件(8)同轴安装在放电腔体(5)内的顶部，该自适应夹持部件呈圆柱状，其内表面由圆柱面和圆锥面两部分圆滑过渡而成；所述的高温堆球形燃料元件(6)放置在自适应夹持部件(8)内，并与所述的高压电极(3)的距离为1～8mm；
所述的高压电极(3)放电部分的形状为平板结构；所述的地电极(9)放电部分的形状为带筛网的平板结构。
2.如权利要求1所述的一种自适应夹持的高压电脉冲解体球形燃料元件的装置，其特征在于：所述圆锥面母线的夹角为5°～15°。
3.按照权利要求1或2所述的一种自适应夹持的高压电脉冲解体球形燃料元件的装置，其特征在于：所述的放电腔体(5)与所述的高压电极(3)之间采用迷宫式密封结构(4)。
4.按照权利要求1或2所述的一种自适应夹持的高压电脉冲解体球形燃料元件的装置，其特征在于：所述的升降机构(2)包括升降平台、电推杆(11)和行程测量元件(10)，行程测量元件选用电阻尺。
5.按照权利要求1或2所述的一种自适应夹持的高压电脉冲解体球形燃料元件的装置，其特征在于：所述的放电腔体(5)与所述高压电极(3)之间设置有防止边壁放电的绝缘圆筒(7)，绝缘圆筒的材料为聚氨酯、聚醚醚酮或氧化锆增韧陶瓷。
6.按照权利要求1或2所述的一种自适应夹持的高压电脉冲解体球形燃料元件的装置，其特征在于：所述的高压电极(3)与支架(1)之间的绝缘采用聚碳酸酯材料，在聚碳酸酯材料上面涂有UV涂层。
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