CN109813843A - 电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统，包括电极移动系统、安装底板、水冷循环系统与电气控制系统，安装底板的顶部分别固定安装有保温炉体与进料系统，水冷循环系统的顶部分别固定安装有热水管道与冷水管道。该电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统，采用可调电极插入机构，设计一种单次处理量不低于100公斤的玻璃熔融固化固体放射性废物固化处理系统，具有造价低、工序少、操作简单与运行成本低等优点，且该系统可方便地改造为原位玻璃固化装置，具备开展现场原位玻璃固化的能力，保温炉体内部的耐温锆石英坩埚用来盛装污染砂土和包容固化产物，固化结束后无需再增加包装装置。

Description

电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统

技术领域

本发明涉及放射性废物固化处理领域，具体是电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统。

背景技术

军用核设施发使用和发展会产生大量的固化放射性废物，其中的α废物具有半衰期长以及毒性大等特点，对环境和人类会造成长期威胁，将其固定在稳定的固化体中以阻止放射性物质迁移，再经深层地质处置是当前国际普通接受的处置方案。在固体α废物固化领域内，玻璃固化体具有放射性核素包容性强、生产工艺简单、易于遥控操作等优点，是认可度较高的一种固化技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统，包括电极移动系统、安装底板、水冷循环系统与电气控制系统，所述安装底板的顶部分别固定安装有保温炉体与进料系统，所述水冷循环系统的顶部分别固定安装有热水管道与冷水管道，所述保温炉体包括炉体外壳与炉体隔热层，所述保温炉体的顶部分别贯穿开设有四个电极升降口与热电偶升降口，所述电极移动系统包括伺服电机及减速机、专用吊架、石墨电极冷却紫铜管、梯形丝杠副、伺服控制系统、电极安装套与移动热电偶，且移动热电偶的底部通过热电偶升降口延伸至保温炉体的内部，所述电极安装套的底部固定安装有石墨加热电极，且石墨加热电极的底部位于电极升降口的正上方，所述石墨加热电极的表面套接有隔热波纹管，所述保温炉体的一侧固定安装有铭牌，所述保温炉体的背面分别固定安装有进气管与排气管，所述保温炉体的背面设置有热电偶更换窗口，所述保温炉体的内部设置有八个硅钼加热棒。

所述进料系统包括升降式加热炉底、进出料升降丝杠副、蜗杆减速机、进出导轨、小车进出减速机与炉底升降托板，所述升降式加热炉底的顶部延伸至保温炉体的内部，所述升降式加热炉底的顶部固定安装有固定热电偶，所述固定热电偶的顶部设置有耐温锆石英坩埚。

作为本发明进一步的方案：所述耐温锆石英坩埚的内尺寸为500mm×500mm×350mm，所述耐温锆石英坩埚的最高耐热温度不低于1800度，且其一次性使用。

作为本发明再进一步的方案：所述石墨加热电极的数量有四个，四个石墨加热电极分为两组，且对角石墨加热电极互为一组，两组石墨加热电极电压相位夹角为90度，所述石墨加热电极的为60mm，且其长度为1200mm，所述石墨加热电极采用高纯石墨加工制作。

作为本发明再进一步的方案：所述保温炉体使用含锆石英纤维作为保温材料，且其耐温大于1600度。

作为本发明再进一步的方案：所述保温炉体的一侧贯穿开设有观察窗，所述观察窗的角度为三十五度，且其正对耐温锆石英坩埚的中心。

作为本发明再进一步的方案：所述电气控制系统包括强电控制柜、弱电控制柜与主控制柜，所述强电控制柜、弱电控制柜与主控制柜均采用PLC触屏组态软件完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于玻熔融原理，采用可调电极插入机构，设计一种单次处理量不低于100公斤的玻璃熔融固化固体放射性废物固化处理系统，具有造价低、工序少、操作简单与运行成本低等优点，且该系统可方便地改造为原位玻璃固化装置，具备开展现场原位玻璃固化的能力，保温炉体内部的耐温锆石英坩埚用来盛装污染砂土和包容固化产物，固化结束后无需再增加包装装置，单次使用成本低，保温炉体设计为密封结构，可对固化过程产生的废气进行收集和二次处理，实验过程安全可控，通过设置的进料系统使操作人员方便移除坩埚，提高操作人员安全性，且通过设置的防护栏和警示牌，方便操作人员安装与检修，也防止人员接近工作状态下的炉体，同时系统集成有多项安全预警功能，可在运行异常情况自动降低或停止功率输入并向操作人员发出故障警示信号，确保实验运行安全。

附图说明

图1为电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统的结构示意图。

图2为电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统中电极移动系统的结构简图。

图3为电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统中保温炉体的基本结构简图。

图4为电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统中进料系统的基本结构简图图。

图中：保温炉体1、炉底升降托板2、升降式加热炉底3、电极移动系统4、热水管道5、冷水管道6、水冷循环系统7、强电控制柜8、弱电控制柜9、电气控制系统10、主控制柜11、隔热波纹管12、伺服电机及减速机13、专用吊架14、石墨电极冷却紫铜管15、梯形丝杠副16、石墨加热电极17、观察窗18、移动热电偶19、硅钼加热棒20、炉体外壳21、固定热电偶22、耐温锆石英坩埚23、炉体隔热层24、进气管25、热电偶更换窗口26、铭牌27、进出料升降丝杠副28、蜗杆减速机29、进出导轨30、小车进出减速机31、安装底板32、排气管33、进料系统34。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～4，本发明实施例中，一种电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统，包括电极移动系统4、安装底板32、水冷循环系统7与电气控制系统10，同时系统集成有多项安全预警功能，包括电流过载预警、功率过载预警、炉体超温预警，安装底板32的顶部分别固定安装有保温炉体1与进料系统34，保温炉体1的底部设置有密封门，保温炉体1的三面均固定安装有防护栏，所述防护栏上设置有警示牌，水冷循环系统7的顶部分别固定安装有热水管道5与冷水管道6，水冷循环系统7用来对4个石墨加热电极17进行物理降温，确保其处于较低温度，确保石墨加热电极17附近的电气元件能够正常工作，保温炉体1包括炉体外壳21与炉体隔热层24，保温炉体1的顶部分别贯穿开设有四个电极升降口与热电偶升降口，电极移动系统4包括伺服电机及减速机13、专用吊架14、石墨电极冷却紫铜管15、梯形丝杠副16、伺服控制系统、电极安装套与移动热电偶19，且移动热电偶19的底部通过热电偶升降口延伸至保温炉体1的内部，伺服控制系统根据其反馈力矩计算电极下降阻力，同时调整石墨加热电极17下降速度，确保石墨加热电极17不被损坏，提升其使用寿命，电极安装套的底部固定安装有石墨加热电极17，且石墨加热电极17的底部位于电极升降口的正上方，石墨加热电极17的表面套接有隔热波纹管12，保温炉体1的一侧固定安装有铭牌27，保温炉体1的背面分别固定安装有进气管25与排气管33，排气管33的一侧设置有KF25真空法兰，通过KF25真空法兰可外接气体处理和转换系统，从而对加热过程中产生的废气进行收集或二次处理，保温炉体1的背面设置有热电偶更换窗口26，保温炉体1的内部设置有八个硅钼加热棒20。

进料系统34上下移动最大行程不低于1000mm，进料系统34包括升降式加热炉底3、进出料升降丝杠副28、蜗杆减速机29、进出导轨30、小车进出减速机31与炉底升降托板2，升降式加热炉底3的底部固定安装有滚轮，升降式加热炉底3的顶部延伸至保温炉体1的内部，升降式加热炉底3的顶部固定安装有固定热电偶22，固定热电偶22的顶部设置有耐温锆石英坩埚23，耐温锆石英坩埚23的内尺寸为500mm×500mm×350mm，耐温锆石英坩埚23的最高耐热温度不低于1800度，且其一次性使用，石墨加热电极17的数量有四个，四个石墨加热电极17分为两组，且对角石墨加热电极17互为一组，两组石墨加热电极17电压相位夹角为90度，石墨加热电极17的为60mm，且其长度为1200mm，石墨加热电极17采用高纯石墨加工制作，保温炉体1使用含锆石英纤维作为保温材料，且其耐温大于1600度，保温炉体1的一侧贯穿开设有观察窗18，观察窗18的角度为三十五度，且其正对耐温锆石英坩埚23的中心，电气控制系统10包括强电控制柜8、弱电控制柜9与主控制柜11，强电控制柜8、弱电控制柜9与主控制柜11均采用PLC触屏组态软件完成。

本发明的工作原理是：

使用时，将固体放射性废物放入耐温锆石英坩埚23的内部，通过小车进出减速机31和进出导轨30将耐温锆石英坩埚23平行运输至保温炉体1底部正对炉心位置，然后再使用蜗杆减速机29将耐温锆石英坩埚23推入保温炉体1内固定位置，最后再关闭下密封门完成进料操作，确认状态无误后便可开始玻璃固化处理。在进行玻璃固化处理过程时，根据废物成分和导电性能，可进行多种加热模式的放射性固体废物玻璃固化，使用保温炉体1内部的硅钼加热棒20将固化放射性废物预热至1000℃，使材料表面电阻降低，再插入石墨加热电极17进行加热，逐步将石墨加热电极17插入材料底部直至所有材料完全熔融，或者在放射性固体废物表面敷设一定量的低电阻材料，直接使用石墨加热电极17加热，逐步将石墨加热电极17插入材料底部直至所有材料完全熔融，再或者往放射性固体废物中预先掺入一定比例的导电剂或降电阻材料，直接插入石墨加热电极17加热，逐步将石墨加热电极17插入材料底部直至所有材料完全熔融，伺服控制系统根据其反馈力矩计算电极下降阻力，同时调整石墨加热电极17下降速度，确保石墨加热电极17不被损坏，反应后耐温锆石英坩埚23与固化产物一同取出，作为废物包装容器与固化产物一起放置于废物处置库，本发明基于玻熔融原理，采用可调电极插入机构，设计一种单次处理量不低于100公斤的玻璃熔融固化固体放射性废物固化处理系统，具有造价低、工序少、操作简单与运行成本低等优点，且该系统可方便地改造为原位玻璃固化装置，具备开展现场原位玻璃固化的能力，保温炉体1内部的耐温锆石英坩埚23用来盛装污染砂土和包容固化产物，固化结束后无需再增加包装装置，单次使用成本低，保温炉体1设计为密封结构，可对固化过程产生的废气进行收集和二次处理，实验过程安全可控，通过设置的进料系统34使操作人员方便移除坩埚，提高操作人员安全性，且通过设置的防护栏和警示牌，方便操作人员安装与检修，也防止人员接近工作状态下的炉体，同时系统集成有多项安全预警功能，可在运行异常情况自动降低或停止功率输入并向操作人员发出故障警示信号，确保实验运行安全。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统，其特征在于：包括电极移动系统（4）、安装底板（32）、水冷循环系统（7）与电气控制系统（10），所述安装底板（32）的顶部分别固定安装有保温炉体（1）与进料系统（34），所述水冷循环系统（7）的顶部分别固定安装有热水管道（5）与冷水管道（6），所述保温炉体（1）包括炉体外壳（21）与炉体隔热层（24），所述保温炉体（1）的顶部分别贯穿开设有四个电极升降口与热电偶升降口，所述电极移动系统（4）包括伺服电机及减速机（13）、专用吊架（14）、石墨电极冷却紫铜管（15）、梯形丝杠副（16）、伺服控制系统、电极安装套与移动热电偶（19），且移动热电偶（19）的底部通过热电偶升降口延伸至保温炉体（1）的内部，所述电极安装套的底部固定安装有石墨加热电极（17），且石墨加热电极（17）的底部位于电极升降口的正上方，所述石墨加热电极（17）的表面套接有隔热波纹管（12），所述保温炉体（1）的一侧固定安装有铭牌（27），所述保温炉体（1）的背面分别固定安装有进气管（25）与排气管（33），所述保温炉体（1）的背面设置有热电偶更换窗口（26），所述保温炉体（1）的内部设置有八个硅钼加热棒（20）；

所述进料系统（34）包括升降式加热炉底（3）、进出料升降丝杠副（28）、蜗杆减速机（29）、进出导轨（30）、小车进出减速机（31）与炉底升降托板（2），所述升降式加热炉底（3）的顶部延伸至保温炉体（1）的内部，所述升降式加热炉底（3）的顶部固定安装有固定热电偶（22），所述固定热电偶（22）的顶部设置有耐温锆石英坩埚（23）。

2.根据权利要求1所述的电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统，其特征在于：所述耐温锆石英坩埚（23）的内尺寸为500mm×500mm×350mm，所述耐温锆石英坩埚（23）的最高耐热温度不低于1800度，且其一次性使用。

3.根据权利要求1所述的电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统，其特征在于：所述石墨加热电极（17）的数量有四个，四个石墨加热电极（17）分为两组，且对角石墨加热电极（17）互为一组，两组石墨加热电极（17）电压相位夹角为90度，所述石墨加热电极（17）的为60mm，且其长度为1200mm，所述石墨加热电极（17）采用高纯石墨加工制作。

4.根据权利要求1所述的电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统，其特征在于：所述保温炉体（1）使用含锆石英纤维作为保温材料，且其耐温大于1600度。

5.根据权利要求1所述的电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统，其特征在于：所述保温炉体（1）的一侧贯穿开设有观察窗（18），所述观察窗（18）的角度为三十五度，且其正对耐温锆石英坩埚（23）的中心。

6.根据权利要求1所述的电极插入式百公斤级固体放射性废物玻璃固化处理实验系统，其特征在于：所述电气控制系统（10）包括强电控制柜（8）、弱电控制柜（9）与主控制柜（11），所述强电控制柜（8）、弱电控制柜（9）与主控制柜（11）均采用PLC触屏组态软件完成。