CN111199808A - 一种热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于乏燃料后处理技术领域，具体涉及一种热室用二氧化镎‑二氧化钚溶解器，用于在热室中对含有镎、钚元素的镎靶件进行溶解，包括耐强酸耐高温的溶解罐(1)，溶解罐(1)外围设有加热装置；溶解罐(1)上还穿设有用于向溶解罐(1)内加入硝酸的清洗管(4)，用于加入溶解液的进料管(5)，用于向溶解罐(1)内的溶解液中通入扰动气体的鼓泡管(6)，用于排出溶解液的出料管(7)；还包括可更换的穿设在溶解罐(1)的内部的整体电极(14)；还包括用于对整体电极(14)的更换进行远程操作的控制系统。本发明可应用于热室中，对镎靶件进行溶解；溶解反应可以通过热室中的机械手远程操作；对镎靶件的溶解充分。

Description

一种热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器
技术领域
本发明属于乏燃料后处理技术领域，具体涉及一种热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器。
背景技术
镎靶件(辐照靶件)在反应堆中辐照出堆后，含有转换生产的钚及剩余的镎等放射性元素，在镎、钚元素化学萃取和分离方法提取前，首先需要将含有镎、钚元素的镎靶件进行溶解。镎、钚元素在镎靶件以镎、钚氧化物的形式进行，但热硝酸很难溶解镎、钚氧化物。
采用催化间接电化学氧化技术，可以对NpO2、PuO2进行溶解，以Ag(II)为催化剂的催化电化学氧化技术可以对难溶的锕系金属氧化物实现快速、完全溶解。其溶解原理如图1所示。
图1中，阳极氧化产生的强氧化性金属离子Ag2+与NpO2发生反应，NpO2被氧化为NpO2 2+，金属离子还原为Ag+，这一过程可形成闭合循环，作为催化剂的金属离子Ag+在体系中重复使用。
PuO2与NpO2原理相似，同样适用。
发明内容
本发明的目的是根据催化电化学氧化原理，设计一个可应用于热室的电化学溶解器，选用Ag(II)为催化剂来进行NpO2、PuO2的电化学溶解，在阳极室Ag+离子在阳极发生氧化生成Ag(II)，Ag(II)在阳极区促使NpO2、PuO2的发生溶解。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器，用于在热室中对含有镎、钚元素的镎靶件进行溶解，其中，包括耐强酸耐高温的溶解罐，所述溶解罐外围设有为所述溶解罐提供加热的加热装置；所述溶解罐上还穿设有用于向所述溶解罐内加入硝酸的清洗管，用于加入溶解液的进料管，用于向所述溶解罐内的所述溶解液中通入扰动气体的鼓泡管，用于排出所述溶解液的出料管；还包括可更换的穿设在所述溶解罐的内部的整体电极；还包括用于对所述整体电极的更换进行远程操作的控制系统。
进一步，所述溶解罐为立式双椭圆封头容器，材质为金属钛或不锈钢，分为上罐体和下罐体，所述上罐体和所述下罐体通过法兰连接，所述法兰之间采用氟橡胶密封环实现密封；所述上罐体的内表面、所述下罐体的内表面、位于所述法兰以上的结构材料采用抗电化学腐蚀的金属铌或铌合金材料；所述清洗管、所述进料管、所述出料管从所述上罐体穿入所述溶解罐内，在所述上罐体上还设置有用于安装所述整体电极的电极接口；所述清洗管和所述进料管位于所述溶解罐内的一端远离所述溶解罐的底部；所述鼓泡管和所述出料管位于所述溶解罐内的一端靠近所述溶解罐的底部；所述鼓泡管位于所述溶解罐内的一端设有带排气孔的排气管，所述排气管排出的气泡能够对所述溶解罐内的溶液进行充分扰动；在所述溶解罐的底部还设有排空管，用于所述溶解罐的排空操作。
进一步，所述鼓泡管、所述出料管、所述排气管采用抗电化学腐蚀的钛合金管制作。
进一步，所述加热装置是设置在所述下罐体外表面上的蒸汽夹套，通过输入蒸汽实现对所述溶解罐的加热；所述蒸汽夹套上设有蒸汽输入管和冷凝水输出管，用于蒸汽的输入和冷凝水的输出。
进一步，所述整体电极设置在所述溶解罐内部中央，包括位于所述整体电极顶端的快接头，连接在所述快接头下方的阴极套筒，还包括位于所述阴极套筒内的阴极和位于所述阴极套筒外围的阳极；连接所述阴极的阴极插头和连接所述阳极的阳极插头位于所述快接头的顶部之外；还包括穿设在所述快接头上的硝酸补液管，所述硝酸补液管的出液一端延伸到所述阴极附近，所述硝酸补液管的进液一端延伸到所述快接头的顶部之外；所述快接头用于与所述电极接口配合，将所述整体电极设置在所述溶解罐内部中央；所述整体电极能够通过机械手实现远距离更换和拆除。
进一步，
所述整体电极能够采用所述机械手或专用工装实现快速更换；
还包括用于所述整体电极的电路插头插拔的电路插拔组件，所述电路插拔组件包括梯形丝杠、直线导轨、驱动手轮、电极压紧块，用于实现所述整体电极上的所述阳极插头和所述阴极插头的水平运动及压紧；所述梯形丝杠具有自锁功能，能够防止所述阳极插头和所述阴极插头松动，可辅助压紧所述整体电极的所述快接头，保证所述溶解罐的密封；
还包括用于所述整体电极的液路管线插拔的液路插拔组件，所述液路插拔组件为流体输送快接头，材质为金属及耐强酸腐蚀的橡胶密封环。
进一步，所述控制系统用于所述机械手、所述专用工装、所述电路插拔组件、所述液路插拔组件的控制，实现对所述整体电极的更换进行远程操作。
进一步，所述扰动气体为空气或氮气或惰性气体。
本发明的有益效果在于：
1.本发明提供的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器具备快速、常压条件下，高效溶解镎靶的能力。
2.本发明提供的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器可用于单独二氧化镎或二氧化钚粉末或二氧化镎与二氧化钚的粉末混合物的高效快速溶解。
3.本发明提供的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器在设计思想上充分考虑热室等极端环境下的应用，可实现远程操作，主要部件可快速更换，材料要求耐硝酸、耐电化学腐蚀、耐强腐蚀性辐照。
4.本发明提供的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器能够采用机械手或专用工装，实现远程操作。
5.本发明提供的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器的主要部件如阴极、阳极、电路插头均可采用采用机械手或专用工装快速更换。
6.本发明提供的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器的主体材料采用耐电化学腐蚀和耐硝酸的金属铌或铌合金材料，同时具有耐强辐照性能。
附图说明
图1是本发明背景技术中所述的催化电化学氧化原理的示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述的溶解罐(设置了整体电极)的示意图；
图中：1-溶解罐，2-法兰，3-电极接口，4-清洗管，5-进料管，6-鼓泡管，7-出料管，8-蒸汽输入管，9-排气管，10-排空管，11-测温管，12-蒸汽夹套，13-冷凝水输出管，14-整体电极，15-快接头，16-阴极，17-阳极，18-阳极插头，19-阴极插头，20-硝酸补液管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明提供的一种热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器，用于在热室中对含有镎、钚元素的镎靶件进行溶解，由溶解罐1、整体电极14、电路插拔组件、液路插拔组件和控制系统构成。
如图2所示，溶解罐1为立式双椭圆封头容器(长约为1000-1500mm，宽为1000-1500mm，高为1500-3000mm)，耐强酸耐高温，材质为金属钛或不锈钢等耐硝酸腐蚀材料，分为上罐体和下罐体，上罐体和下罐体通过法兰2连接，法兰2之间采用氟橡胶密封环实现密封；上罐体的内表面、下罐体内表面采用抗电化学腐蚀的金属铌或铌合金材料，法兰2以上结构材料选用抗电化学腐蚀的金属铌或铌合金材料制成。
溶解罐1上穿设有用于向溶解罐1内加入硝酸的清洗管4，用于加入溶解液的进料管5，用于向溶解罐1内的溶解液中通入扰动气体的鼓泡管6(扰动气体为空气或氮气或惰性气体)，用于排出溶解液的出料管7；清洗管4、进料管5、出料管7从上罐体穿入溶解罐1内，在上罐体上还设置有用于安装整体电极14的电极接口3；清洗管4和进料管5位于溶解罐1内的一端远离溶解罐1的底部；鼓泡管6和出料管7位于溶解罐1内的一端靠近溶解罐1的底部；鼓泡管6位于溶解罐1内的一端设有带排气孔的排气管9，排气管9排出的气泡能够对溶解罐1内的溶液进行充分扰动；在溶解罐1的底部还设有排空管10，用于溶解罐1的排空操作。
由于需要伸入溶解液的液面以下，因此鼓泡管6、出料管7、排气管9采用抗电化学腐蚀的钛合金管制作。
溶解罐1外围设有为溶解罐1提供加热的加热装置，加热装置是设置在下罐体外表面上的蒸汽夹套12，通过输入蒸汽实现对溶解罐1的加热；蒸汽夹套12上设有蒸汽输入管8和冷凝水输出管13，用于蒸汽的输入和冷凝水的输出。
如图2所示，整体电极14采用可更换的方式穿设在溶解罐1的内部。整体电极14设置在溶解罐1内部中央，包括位于整体电极14顶端的快接头15，连接在快接头15下方的阴极套筒，还包括位于阴极套筒内的阴极16和位于阴极套筒外围的阳极17；连接阴极16的阴极插头19和连接阳极17的阳极插头18位于快接头15的顶部之外；还包括穿设在快接头15上的硝酸补液管20，硝酸补液管20的出液一端延伸到阴极16附近，硝酸补液管20的进液一端延伸到快接头15的顶部之外；快接头15用于与电极接口3配合，将整体电极14设置在溶解罐1内部中央；整体电极14能够通过机械手实现远距离更换和拆除，适合于放射性热室环境中应用。整体电极14的阳极17的表面积要尽可能大，阴极16的体积尽可能小，以便减少溶解废液，提高电流效率。
整体电极14能够采用机械手或专用工装实现快速更换。
电路插拔组件包括梯形丝杠、直线导轨、驱动手轮、电极压紧块，用于实现整体电极14上的阳极插头18和阴极插头19的水平运动及压紧；梯形丝杠具有自锁功能，能够防止阳极插头18和阴极插头19松动，可辅助压紧整体电极14的快接头15，保证溶解罐1的密封；
液路插拔组件选用在热室成熟应用的流体输送快接头，材质为金属及耐强酸腐蚀的橡胶密封环。
控制系统用于机械手、专用工装、电路插拔组件、液路插拔组件的控制，实现对整体电极14的更换进行远程操作。
最后举例说明本发明所提供的一种热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器的实际应用：
由进料管5将溶解后的溶解液通过负压转移至溶解罐1内，加入一定体积和浓度的硝酸进行调料。开启溶解罐1的电解电源，调节电流稳定于一定数值，温度控制小于40℃，对含有难溶镎、钚氧化物的溶解液进行电化学溶解。电解一定时间，通过取样分析，溶解液(电解液)变得透明，溶解液中镎、钚浓度不再变化，电化学溶解结束。关闭电解电源，取样分析电化学溶解液的Np、Pu及硝酸浓度，均能满足设定的要求。溶解过程中，料液转移以及阴极16的补加料、取样等操作均可通过机械手远距离完成。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (8)

1.一种热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器，用于在热室中对含有镎、钚元素的镎靶件进行溶解，其特征是：包括耐强酸耐高温的溶解罐(1)，所述溶解罐(1)外围设有为所述溶解罐(1)提供加热的加热装置；所述溶解罐(1)上还穿设有用于向所述溶解罐(1)内加入硝酸的清洗管(4)，用于加入溶解液的进料管(5)，用于向所述溶解罐(1)内的所述溶解液中通入扰动气体的鼓泡管(6)，用于排出所述溶解液的出料管(7)；还包括可更换的穿设在所述溶解罐(1)的内部的整体电极(14)；还包括用于对所述整体电极(14)的更换进行远程操作的控制系统。
2.如权利要求1所述的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器，其特征是：所述溶解罐(1)为立式双椭圆封头容器，材质为金属钛或不锈钢，分为上罐体和下罐体，所述上罐体和所述下罐体通过法兰(2)连接，所述法兰(2)之间采用氟橡胶密封环实现密封；所述上罐体的内表面、所述下罐体的内表面、位于所述法兰(2)以上的结构材料采用抗电化学腐蚀的金属铌或铌合金材料；所述清洗管(4)、所述进料管(5)、所述出料管(7)从所述上罐体穿入所述溶解罐(1)内，在所述上罐体上还设置有用于安装所述整体电极(14)的电极接口(3)；所述清洗管(4)和所述进料管(5)位于所述溶解罐(1)内的一端远离所述溶解罐(1)的底部；所述鼓泡管(6)和所述出料管(7)位于所述溶解罐(1)内的一端靠近所述溶解罐(1)的底部；所述鼓泡管(6)位于所述溶解罐(1)内的一端设有带排气孔的排气管(9)，所述排气管(9)排出的气泡能够对所述溶解罐(1)内的溶液进行充分扰动；在所述溶解罐(1)的底部还设有排空管(10)，用于所述溶解罐(1)的排空操作。
3.如权利要求2所述的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器，其特征是：所述鼓泡管(6)、所述出料管(7)、所述排气管(9)采用抗电化学腐蚀的钛合金管制作。
4.如权利要求1所述的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器，其特征是：所述加热装置是设置在所述下罐体外表面上的蒸汽夹套(12)，通过输入蒸汽实现对所述溶解罐(1)的加热；所述蒸汽夹套(12)上设有蒸汽输入管(8)和冷凝水输出管(13)，用于蒸汽的输入和冷凝水的输出。
5.如权利要求1所述的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器，其特征是：所述整体电极(14)设置在所述溶解罐(1)内部中央，包括位于所述整体电极(14)顶端的快接头(15)，连接在所述快接头(15)下方的阴极套筒，还包括位于所述阴极套筒内的阴极(16)和位于所述阴极套筒外围的阳极(17)；连接所述阴极(16)的阴极插头(19)和连接所述阳极(17)的阳极插头(18)位于所述快接头(15)的顶部之外；还包括穿设在所述快接头(15)上的硝酸补液管(20)，所述硝酸补液管(20)的出液一端延伸到所述阴极(16)附近，所述硝酸补液管(20)的进液一端延伸到所述快接头(15)的顶部之外；所述快接头(15)用于与所述电极接口(3)配合，将所述整体电极(14)设置在所述溶解罐(1)内部中央；所述整体电极(14)能够通过机械手实现远距离更换和拆除。
6.如权利要求5所述的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器，其特征是：
所述整体电极(14)能够采用所述机械手或专用工装实现快速更换；
还包括用于所述整体电极(14)的电路插头插拔的电路插拔组件，所述电路插拔组件包括梯形丝杠、直线导轨、驱动手轮、电极压紧块，用于实现所述整体电极(14)上的所述阳极插头(18)和所述阴极插头(19)的水平运动及压紧；所述梯形丝杠具有自锁功能，能够防止所述阳极插头(18)和所述阴极插头(19)松动，可辅助压紧所述整体电极(14)的所述快接头(15)，保证所述溶解罐(1)的密封；
还包括用于所述整体电极(14)的液路管线插拔的液路插拔组件，所述液路插拔组件为流体输送快接头，材质为金属及耐强酸腐蚀的橡胶密封环。
7.如权利要求6所述的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器，其特征是：所述控制系统用于所述机械手、所述专用工装、所述电路插拔组件、所述液路插拔组件的控制，实现对所述整体电极(14)的更换进行远程操作。
8.如权利要求1所述的热室用二氧化镎-二氧化钚溶解器，其特征是：所述扰动气体为空气或氮气或惰性气体。
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