CN110268482B - 放射性颗粒分配装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于分配颗粒材料的系统，包括：附接到颗粒过滤器的喷嘴，其被配置成与附接到罐的三叶式填充端口耦合以实现热等静压，其中喷嘴经由旋转致动而打开和关闭。在一实施例中，系统包括单个填充端口设计，例如具有同心的管中管设计的端口。还公开了一种通过以下各项用颗粒材料填充容器的方法：将填充喷嘴连接到填充端口；打开/关闭所述填充喷嘴；将填充喷嘴附接到填充端口；使所述填充喷嘴的至少一个开口与所述填充端口中的开口对准；以及将颗粒材料分配到容器中。

Description

放射性颗粒分配装置

本申请要求于2017年1月6日提交的美国临时申请号62/443,265的优先权益，其以引用的方式全部并入本文中。

技术领域

所公开的实施例大体上涉及一种将放射性粉末填充到可以以可控制和安全的方式热等静压的HIP罐中的装置。还公开一种使用所公开的装置实施例用放射性粉末填充HIP罐的方法。

背景技术

过去已开发了填充系统的若干概念以将放射性粉末填充到固定体积容器中。这包含使煅烧的高放废液(“HLLW”)在金属存储罐内玻璃化为玻璃。示例性的现有技术装置在图1中示意性地示出。

真空粉末压制已在扬尘或污染并不重要的应用中使用。例如，如T.Akiyama等人在“densification of powders by means of air,vibratory and mechanicalcompactions(借助于空气、振动和机械压实的粉末密实化)”中所述。参见1986年“PowderTechnology(粉末技术)”，第46卷，第2期，173-180页，。

现有技术受到众多技术限制和问题的困扰。现有技术的主要技术问题是不能提供物理屏障以防止在填充之后在填充喷嘴的断开连接期间由扬尘所致的污染的扩散。现有设计停止来自填充喷嘴的颗粒流，但没有物理屏障来停止灰尘从容器逸出。

在其它应用中可以看到“干断(dry break)”，例如用于在断开连接的同时容纳产品的“DryLink”和分流蝶阀。然而，这些设计需要使用聚合物材料以用于密封，这与过程承受的热量、压力和辐射环境不相容。它们对于一次性应用(在HIP之后不可重复使用)也是过分昂贵的且对于HIP罐是相对庞大的。

现有技术的另一问题是线性致动的阀(例如，钟形阀和锥阀)，其具有对准问题。可被处置的颗粒的尺寸被开口的空隙限制。在容器被偶然过度填充的情况下还无法切断颗粒流且安全地断开连接。

发明内容

本申请的多个方面克服了现有技术的缺点和限制，但还公开了现有技术未认识到的其它改进。申请人已开发一种系统，其使可能由于填充喷嘴的连接和断开连接期间的扬尘所致的污染最小化。在一个实施例中，公开了一种用于分配颗粒材料(例如放射性粉末)的系统。在另一实施例中，用于将颗粒材料分配到有待热等静压的容器中的系统包含喷嘴，所述喷嘴包括通过旋转致动而打开和关闭的至少一个开口，所述喷嘴被配置成附接到填充端口，所述填充端口一体地连接到有待热等静压的容器。在另一实施例中，在任何颗粒被分配到容器中之前，喷嘴的至少一个开口可与填充端口中的开口对准。

还公开了一种使用本文中所描述的各种实施例用颗粒材料填充HIP罐的方法，所述颗粒材料例如粉末状废料，包含放射性材料。例如，描述了一种利用粉末状材料填充HIP罐的方法，所述方法包括将喷嘴连接到填充端口，所述填充端口一体地连接到HIP罐，其中所述喷嘴包括通过旋转致动而打开和关闭的至少一个开口。在所描述的方法中，喷嘴被配置成附接到填充端口，使得在任何颗粒被分配到容器中之前，喷嘴的至少一个开口与填充端口中的开口对准。

示例性实施例涉及一种用于将颗粒材料分配到被配置成热等静压的容器中的系统，所述系统可包含具有至少一个开口的填充喷嘴。填充喷嘴可被配置成经由旋转致动或其它类型的致动而打开和关闭。系统可包含一体地连接到容器的填充端口。填充喷嘴和填充端口可被配置成选择性地附接在一起。填充喷嘴可被配置成在填充喷嘴的开口与填充端口中的开口对准时有条件地允许颗粒材料被分配到容器中。在一些实施例中，单个填充端口可位于容器的端部上。例如，容器还包括盖，所述盖具有被配置成经由单个填充端口实现集中填充的对称设计。

在示例性实施例中，填充喷嘴和填充端口可具有同心的管中管设计。例如，管设计包含：内部管，其被配置成允许颗粒材料的填充；和同心的外部管，其被配置成允许材料从容器内安全排空。填充端口可进一步包含阀，所述阀被配置成提供排空路径，所述排空路径安全地减轻由于在流动下的颗粒材料的性质所导致的灰尘污染的发生。在一个实施例中，本文中所描述的系统还包括盖，所述盖具有被配置成能够经由单个填充端口实现集中填充的对称设计。

示例性实施例还可包含一个或多个安全锁定机构，所述一个或多个安全锁定机构被配置成有条件地允许填充过程在填充喷嘴和容器被牢固地紧固在一起时开始。例如，一个或多个安全锁定机构可包含推开或旋开耦合机构，所述推开或旋开耦合机构被配置成确保阀仅在填充喷嘴和容器紧密接合时打开。由此确保了安全性。其它实施例可包含弹簧加载机构的额外安全元件，所述额外安全元件被配置成休止在防止材料的自由流动的关闭位置中。

其它实施例可包含附接到其端部的至少一个真空，所述真空可被配置成允许放射性粉末的填充和HIP罐的排空同时进行。也可包含振动装置或真空粉末压实装置。装置可被配置成压实颗粒材料且由此增大其密度和/或减少颗粒孔隙空间。根据本公开的实施例可进一步包含与排空路径在一条直线上的一个或多个烧结过滤器。烧结过滤器可防止灰尘被带出。

在示例性实施例中，填充喷嘴是使得能够远程维护容器和进入热室的内部区域的远程可互换填充喷嘴。填充喷嘴可包含至少一个串列式的旋转阀，所述至少一个串列式的旋转阀被配置成控制颗粒材料的质量流量。至少一个串列式的旋转阀中的每个相应旋转阀包含由陶瓷制成的具有抛光表面的面，由此确保防漏密封且防止所述面的破坏性磨损。

一些实施例可包含预填充漏斗，所述预填充漏斗连接到喷嘴以防止容器的过度填充。示例性实施例还可包含负荷传感器和称重天平以称重和监视预填充漏斗和容器。在一些实施例中，至少一个开口可具有三叶式配置，在该配置中，旋转致动通过旋转约60度而打开。开口可被配置成经由固定销与填充端口的开口对准，所述固定销从填充喷嘴突出且在与填充端口上的开口接合时被所述开口限制性地包围。

附图说明

图1是具有锥阀设计的现有技术超煅烧递送系统的示意图。

图2是示出根据本公开的三叶式设计的填充喷嘴的端视图。

图3是示出根据本公开的三叶式填充喷嘴设计的填充端口的端视图。

图4是根据本公开的在关闭位置中的填充喷嘴。

图5是根据本公开的在打开位置中的填充喷嘴。

图6A是根据本公开的方法的第一步骤或开始位置的透视图。

图6B是图6A的截面视图。

图7A是根据本公开的方法的对准步骤的透视图。图7B是图7A的截面视图。

图8A是经由根据本公开的方法连接的填充喷嘴的透视图。

图8B是图8A的截面视图。

图9A是与填充端口接合和锁定的填充喷嘴以及根据本文公开的方法打开的阀的透视图。

图9B是图9A的截面视图。

图10A是示出根据本文公开的方法排空的罐的透视图。

图10B是图10A的截面视图。

图11A是示出根据本文公开的方法的填充有颗粒的罐的透视图。

图11B是图11A的截面视图。

图12A是示出根据本文公开的方法的经历振动压实的罐的透视图。

图12B是图12A的截面视图。

图13A是示出在根据本文公开的方法填充罐之后关闭的阀的透视图。

图13B是图13A的截面视图。

图14A是通过根据本公开的方法断开连接的填充喷嘴的透视图。

图14B是图14A的截面视图。

图15A是在根据本公开的方法中完成的填充过程的透视图。

图15B是图15A的截面视图。

图16是根据本公开的示例性方法。

应理解，以上概述和以下详述都仅是示例性和解释性的，且不限制如要求保护的本发明。

具体实施方式

本文中的申请人公开了一种系统，其最小化由于填充喷嘴的连接和断开连接期间的扬尘所致的污染。在一个实施例中，公开了一种用于分配颗粒材料(例如放射性粉末)的系统。如本文中所使用，“颗粒”材料旨在指由可自由流动的粒子构成的干燥的固体散料。颗粒旨在包含粉末，所述粉末如颗粒材料包括干燥的固体粒子散料，其包含比粗粒子更细的粒子。因此，如本文中所使用，“颗粒”材料旨在涵盖粗材料和细粉末两者及其组合。

在另一实施例中，用于将粉末材料分配到有待热等静压的容器中的系统包括喷嘴，所述喷嘴包括通过旋转致动而打开和关闭的至少一个开口，所述喷嘴被配置成附接到填充端口，所述填充端口一体地连接到有待热等静压的容器。如下文更详细地描述，在任何粉末被分配到容器中之前，喷嘴的所述至少一个开口与填充端口中的开口对准。

在一个实施例中，描述了一种被设计成与三叶式填充端口设计相关联的三叶式填充喷嘴。申请人已发现，除了其他益处，此设计消除了现有技术的灰尘污染问题。

在另一实施例中，填充喷嘴和填充端口包括用于粉末流动的大横截面积开口，以处置更大粒子且防止堵塞。

在另一实施例中，多叶式设计经由旋转致动(旋转致动器)而操作，所述旋转致动解决与二选一的线性致动的钟形阀和锥阀相关联的对准问题。其在驱动轴的两个端部处被支撑，这不同于仅在一个端部处被支撑，并且需要其在轴向方向上被推动或拉动以使流过其的流动开始。本文公开的多叶式设计仅需要旋转以使从产品供应部引向HIP罐填充区域的各开口对准。另外，通过简单旋转动作，多叶式设计可切穿流动粉末以切断流动。

参考图2，描述了一种具有多开口设计的填充喷嘴200，这里示出根据本公开的三叶式设计210。在此实施例中，图2所示出的填充喷嘴被支撑在驱动轴220的两个端部处。在实践中，填充喷嘴200与填充端口对准，例如图3所示出的端口。在此实施例中，填充喷嘴210的三叶式开口与填充端口310的三叶式开口对准。对准可通过使用固定销230来确保。

进一步参考附图，图4示出根据图1的填充喷嘴，其中三叶式210在关闭位置中。图5是根据图1的填充喷嘴，其中三叶式210在打开位置中。

在一个实施例中，所描述的填充喷嘴可与径向对准销一起使用或在没有径向对准销的情况下使用。例如，在安装有径向对准销的情况下，可以限制动态盘的旋转。例如，在图2到图5所示出的一个实施例中，其中零度(0°)是关闭位置且六十度(60°)是打开位置。

在另一实施例中，当在没有径向对准销的情况下使用所描述的填充喷嘴时，存在一定自由度以使动态盘(例如填充喷嘴和端口)转动。此实施例能够去除残余粉末。在此实施例中，线性和/或旋转致动器可控制阀的角度位置。

取决于操作条件(例如，手套箱vs热室)，填充喷嘴可由一个或多个致动器致动，所述一个或多个致动器可以是气动的或电气的、线性的或旋转的致动器。

在至少一个实施例中，动态盘可以是弹簧加载的(填充喷嘴和端口两者)以确保动态盘与静态盘之间的良好密封。

在至少一个实施例中，描述了一种单个端口设计。此实施例包括填充喷嘴(在粉末填充器上)和具有管中管设计的填充端口(在HIP罐上)。在此实施例中，内部管用于填充粉末，而同心的外部管用于排空目的。这允许HIP罐容积在填充过程之前、期间和之后排空。相对于单个端口设计，此特征极大地提高了安全性和效率。

发明人已发现来自粉末柱后面的正压将有助于粉末流动。例如，在本文公开的实施例中，可以(但非必须)将压缩气体引入填充喷嘴中，同时从HIP罐排空材料。在此实施例中，进入HIP的气体的流动以及粉末的流动可通过使用压缩气体而增强。对于典型地难以流动的细粉末尤其如此。

在另一实施例中，用以增强粉末的流动的压缩气体的引入可通过热量的引入而进一步增强。换句话说，热的压缩气体可用于对粉末进行直接加热。热填充的此实施例可提高处理效率。在一个实施例中，粉末在流入填充端口之前被煅烧。

在单个端口设计中，在罐的填充之后且在填充管与HIP罐填充端口的断开连接期间，填充端口内的阀打开排空路径以针对灰尘污染去除断开连接点处的任何残余灰尘。

与双端口设计(一个用于填充、一个用于排空)相比，用于排空和填充的单个端口设计意味着对称的罐和盖设计。这可允许粉末以与导致HIP罐的不均匀填充的偏心填充相反的更加均匀分布的方式填充罐。偏心填充可能导致HIP罐在处理期间畸变和/或塌缩。另外，集中化的填充端口对于自动轨道焊接工艺和提升/移动更好。此外，端口的尺寸可被增大到接近HIP罐顶板的直径以及其间的所有子范围。

在另一实施例中，本文描述的装置包含安全锁定机构以确保填充喷嘴和HIP罐的安全性。填充喷嘴和HIP罐在填充过程期间可被紧固在一起。

在另一实施例中，本文描述的装置包含推开或旋开耦合以确保阀仅在填充喷嘴和HIP罐紧密接合时打开，由此去除面之间的任何间隙。此耦合类型确保在使HIP罐侧和填充喷嘴侧两者分离时，它们两者的内部区域与外部环境切断。在另一实施例中，所描述的系统包括互锁机构，其被设计成使得填充喷嘴可仅在连解到填充端口时打开，由此增加了额外安全性和确定性。在另一实施例中，HIP罐上的填充端口包括弹簧加载式机构，其可确保其在常闭的位置中，即，关闭位置是机构的休止工况。此设计类型的至少一个优点在于其可防止偶然打开HIP罐内具有放射性粉末的填充端口。

在另一实施例中，填充喷嘴耦合阀可向前以及反向旋转大于360度。此设计类型的优点在于其可允许对微粒的更加有效的清洁，且减少阀的内表面上的依附。阀的位置可被精确地控制以调节阀的打开。

前述锁定和耦合机构可消除或极大减轻放射性材料被释放的可能性，这继而防止外部环境的污染问题，例如，热室或手套箱污染。

在一个实施例中，具有渐缩几何结构的定位销可包含在填充喷嘴内。定位销可允许与填充端口的精确对准接合。

还公开了一种使用本文描述的实施例和各种系统利用粉末状材料填充HIP罐的方法，所述粉末状材料例如粉末状废料，包含放射性材料。例如，描述了一种利用粉末状材料填充HIP罐的方法，所述方法包括将喷嘴连接到一体地连接到HIP罐的填充端口，其中所述喷嘴包括通过旋转致动而打开和关闭的至少一个开口。在所描述的方法中，喷嘴被配置成附接到填充端口，使得在任何粉末被分配到容器中之前，喷嘴的至少一个开口与填充端口中的开口对准。

本文中所描述的方法允许粉末状材料通过单个填充端口填充HIP罐。单个填充端口可位于HIP罐的盖中。在由所公开的方法使用的所公开的系统中，HIP罐包括盖，所述盖具有允许端口的集中化填充的对称设计。

在另一实施例中，所述方法允许使用排空HIP罐的相同管利用粉末填充HIP罐。例如，在此实施例中，填充喷嘴和填充端口具有同心的管中管设计，使得粉末状材料可通过内部管被提供给HIP罐。接下来，真空(流)可被拉动通过同心的外部管以排空HIP罐容积。此方法允许在处置危险的粉末状材料(例如反射性或毒性粉末状材料)时使用单个喷嘴。

图16是根据本公开的方法的示例性图。所述方法可包含以下步骤：将填充喷嘴连接到一体地连接到HIP罐的填充端口1600。经由旋转致动打开和关闭填充喷嘴1602。将填充喷嘴牢固地附接到填充端口1604。使填充喷嘴的至少一个开口与填充端口中的开口对准1606。将颗粒材料分配到容器中1608。通过将填充端口配置成在使填充喷嘴的至少一个开口与填充端口中的开口对准被安全地完成前不允许粉末状材料的分配而主动地防止和/或有条件地允许在使填充喷嘴的至少一个开口与填充端口中的开口对准之前将粉末状材料分配到容器中1610。其它示例性方法可包含提供填充喷嘴和填充端口，使得它们具有同心的管中管设计，其中进一步执行将粉末状材料分配到容器中，使得颗粒材料通过同心的管中管设计的内部管被提供给HIP罐(未图示)。其它示例性方法还可包含以下步骤：通过经由真空拉动粉末状材料通过同心的管中管设计的同心外部管来排空HIP罐1612。

如本文中所描述，本文中所描述的装置和方法允许放射性粉末的填充和HIP罐的排空同时进行。这可由振动粉末压实或真空粉末压实促进以实现更高粉末堆积密度，从而实现更高处理效率。在这种实施例中，烧结过滤器可在排空路径上使用以防止灰尘被携出。

本文中所描述的系统可包含提高正常操作期间的安全性和可靠性的各种特征。这些特征的非限制列表包含：

.被配置成允许热室内部的远程维护的远程可互换填充喷嘴。

.阀面，其可由陶瓷制成并具有抛光表面以确保防漏密封且防止密封面的磨损。

.可由在反方向上的压缩空气的脉冲清洁的烧结过滤器，所述脉冲防止堵塞烧结过滤器。

.为了易于维护的快速断开连接配件。

.轴密封，其允许替换含有放射性灰尘粒子同时有故障的致动器。

.填充喷嘴/管的伸缩运动可用于防止灰尘生成。

.可控制粉末的质量流量的串列式的旋转阀。

.用以防止过度填充的预填充漏斗。

.预填充漏斗和HIP罐的重量由负荷传感器和称重天平监视。

.用以使填充喷嘴和填充端口接合过程自动化的提升机构。

.位置传感器(例如，拉绳式位移传感器)检测提升平台的位置。

.真空泵，其用以在填充过程之前、期间和之后产生预选择压差以用于流动辅助和灰尘污染。

.具有振动的振动台，所述振动由振动马达生成以用于振动粉末压实而增大产品堆积密度。

在考虑本发明的说明书和实践的情况下，本发明的其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书和实施例在旨在仅被视为示例性的，其中本发明的真实范围由所附权利要求所指示。

Claims (19)

1.一种用于将颗粒材料分配到被配置成被热等静压的容器中的系统，所述系统包括：

具有至少一个开口的填充喷嘴，所述填充喷嘴被配置成经由旋转致动而打开和关闭，

一体地连接到所述容器的填充端口，所述填充端口包含用于接收颗粒材料的开口，其中所述填充喷嘴和填充端口被配置成选择性地附接在一起并且具有同心的管中管设计，

其中所述填充喷嘴被配置成当所述填充喷嘴的开口与所述填充端口中的开口对准时有条件地允许所述颗粒材料被分配到所述容器中，

其中所述管中管设计包含：内部管，其被配置成允许颗粒材料的填充；和同心的外部管，其被配置成允许颗粒材料从所述容器内安全排空，并且

其中所述填充端口还包括阀，所述阀被配置成提供排空路径，所述排空路径安全地减轻来自所述颗粒材料的灰尘污染。

2.根据权利要求1所述的系统，其还包括位于所述容器的端部上的单个填充端口。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述容器还包括盖，所述盖具有被配置成能经由所述单个填充端口实现集中化填充的对称设计。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括一个或多个安全锁，所述一个或多个安全锁被配置成有条件地允许填充过程在所述填充喷嘴和容器被牢固地紧固在一起时开始。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述一个或多个安全锁包括推开或旋开耦合，所述推开或旋开耦合被配置成确保阀仅在所述填充喷嘴和容器紧密接合时打开。

6.根据权利要求4所述的系统，其中所述填充端口被弹簧加载并且被配置成在关闭位置中休止。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括附接到其端部的至少一个真空部，所述真空部被配置成允许放射性颗粒的填充和被配置成被热等静压的所述容器的排空同时进行。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括振动装置或真空粉末压实装置，所述振动装置或真空粉末压实装置被配置成压实所述颗粒材料且由此增大其密度。

9.根据权利要求8所述的系统，还包括与排空路径在一条线上的一个或多个烧结过滤器，所述一个或多个烧结过滤器被进一步配置成防止灰尘被携出。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述填充喷嘴是使得能够远程维护所述容器并且能够进入热室的内部区域的远程可互换填充喷嘴。

11.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个串列式的旋转阀，所述至少一个串列式的旋转阀被配置成控制颗粒材料的质量流量。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个串列式的旋转阀中的每个相应旋转阀包含由陶瓷制成的具有抛光表面的面，由此确保防漏密封且防止所述面的破坏性磨损。

13.根据权利要求1所述的系统，还包括预填充漏斗，所述预填充漏斗连接到所述填充喷嘴以防止所述容器的过度填充。

14.根据权利要求13所述的系统，还包括负荷传感器和称重天平以称重和监视所述预填充漏斗和所述容器。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个开口包括三叶式配置，在所述三叶式配置中所述旋转致动通过旋转60度而打开。

16.根据权利要求1所述的系统，其中所述填充喷嘴的所述至少一个开口被配置成经由固定销与所述填充端口中的开口对准，所述固定销从所述填充喷嘴突出且在与所述填充端口中的开口接合时被所述填充端口中的开口限制性地包围。

17.一种用颗粒材料填充HIP罐的方法，所述方法包括：

将具有至少一个开口的填充喷嘴连接到具有至少一个开口的填充端口，其中所述填充端口一体地连接到所述HIP罐；

经由旋转致动打开/关闭所述填充喷嘴；

将所述填充喷嘴牢固地附接到所述填充端口；

使所述填充喷嘴中的至少一个开口与所述填充端口中的至少一个开口对准；

将所述颗粒材料分配到所述HIP罐中；且

通过将所述填充端口配置成在使所述填充喷嘴的至少一个开口与所述填充端口中的至少一个开口对准完成之前不允许颗粒材料的分配而防止在所述对准之前将颗粒材料分配到所述HIP罐中，

所述方法还包含以下步骤：

提供填充喷嘴和填充端口，使得所述填充喷嘴和填充端口具有同心的管中管设计，其中进一步执行将颗粒材料分配到所述HIP罐中，使得颗粒材料通过同心的管中管设计的内部管被提供给所述HIP罐；且

通过经由真空拉动颗粒材料通过同心的管中管设计的同心外部管来排空HIP罐容积。

18.根据权利要求17所述的方法，还包含：

提供靠近所述HIP罐的盖的单个填充端口，且其中将颗粒材料分配到所述HIP罐中通过将所述颗粒材料提供给靠近所述HIP罐的盖的单个填充端口来执行。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述颗粒材料是放射性或毒性的材料。