CN112844246A - 一种适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统及方法，该系统包括溶解罐和粉末罐，溶解罐与粉末罐之间设置卸料装置，在溶解罐内部设有吊篮，粉末罐内的氧化铀粉末通过卸料装置进入溶解罐的吊篮内，所述吊篮的侧壁和底部开有小孔，溶解罐上设有加酸口，酸液通过所述吊篮的小孔进入吊篮内部与氧化铀粉末逐渐接触，控制粉末溶解速度。溶解罐还设有蒸汽夹套、压力调整装置、鼓泡管等结构，通过控制溶解罐压力、温度、粉末与酸液的接触强度，确保溶解反应顺利进行以及铀、钚的全部回收。

Description

一种适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统及方法
技术领域
本发明属于乏燃料后处理领域，涉及辐照后氧化铀粉末溶解装置的设计，具体涉及一种适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统及方法。
背景技术
为完成辐照后的氧化铀粉末(U3O8)全部溶解到硝酸溶液中，粉末中的铀、钚转变成硝酸铀酰和硝酸钚溶液，粉末溶解系统需要解决以下几个方面的关键技术。
(1)粉末进料方法
氧化铀粉末如何倒入溶解器内，热室负压情况保证在倒入过程中粉末不飞散，避免沾污热室。同时在溶解器内保证粉末不粘壁，实现铀钚的全部回收，都需要通过粉末的进料方式控制。
(2)控制反应速度
堆照后氧化铀粉末颗粒细，比表面积大，与浓硝酸加热后反应剧烈。在热室内实现公斤级的氧化铀粉末溶解，首要问题是要控制反应速度，避免溶解器产生正压和爆沸。
(3)保证粉末的完全溶解
溶解装置及溶解方法要能实现粉末中铀、钚全部溶解，转变成硝酸铀酰和硝酸钚溶液。
现有的氧化铀粉末溶解装置在以上几方面均存在缺陷和不足，需要对溶解装置的结构加以改进并设计相应的操作规程。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统及方法，避免进料时粉末飞散和粘壁现象，合理控制反应速度，实现粉末中铀、钚氧化物的全部溶解。
本发明的技术方案如下：一种适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，包括溶解罐和粉末罐，溶解罐与粉末罐之间设置卸料装置，在溶解罐内部设有吊篮，粉末罐内的氧化铀粉末通过卸料装置进入溶解罐的吊篮内，所述吊篮的侧壁和底部开有小孔，溶解罐上设有加酸口，酸液通过所述吊篮的小孔进入吊篮内部与氧化铀粉末逐渐接触，从而控制粉末溶解速度。
进一步，如上所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其中，所述卸料装置的一端通过螺纹与粉末罐的口部连接，另一端连接溶解罐顶部的进料口，卸料装置设有球阀、防掉螺栓及定位孔，所述定位孔与溶解罐顶部法兰上的定位销配合实现卸料装置定位，并通过防掉螺栓与所述法兰拧紧固定。
进一步，如上所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其中，所述溶解罐设有压力调整装置，使溶解罐在溶解过程中保持负压状态。
进一步，如上所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其中，在所述溶解罐外设有蒸汽夹套，蒸汽夹套上设有蒸汽进口和冷凝液出口。
进一步，如上所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其中，所述吊篮侧壁上开有长方形小孔，底部开有圆形小孔并设置过滤网。
进一步，如上所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其中，所述溶解罐上设有鼓泡管，在溶解过程中鼓入空气进行搅拌。
进一步，如上所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其中，所述溶解罐上设有溶解尾气出口和溶解液出口，所述溶解尾气出口和溶解液出口均位于溶解罐的上部，溶解液出口与出料管上端连接，出料管的下端位于溶解罐底部。
进一步，如上所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其中，所述溶解尾气出口连接Kr-85在线测量装置，通过Kr-85的排放值监测氧化铀粉末的溶解过程。
一种采用上述溶解系统进行公斤级氧化铀粉末溶解的方法，包括如下步骤：
在热室内将粉末罐顶盖去除并与卸料装置固定连接；
通过卸料装置将粉末罐与溶解罐顶部的进料口连接；
打开卸料装置的阀门，将粉末罐内的氧化铀粉末加入到溶解罐的吊篮内；
通过溶解器加酸口缓慢加入溶解酸液，酸液通过所述吊篮的小孔进入吊篮内部与氧化铀粉末逐渐接触，从而控制粉末溶解速度，直至溶解结束。
进一步，如上所述的公斤级氧化铀粉末溶解方法，在溶解过程中，通过压力调整装置控制溶解罐负压，通过蒸汽夹套控制溶解罐温度，通过鼓泡管鼓入空气进行搅拌，增大粉末与酸液的接触。
本发明的有益效果如下：
通过设置溶解罐与粉末罐对接的卸料装置，通过机械手打开卸料装置球阀即可控制氧化铀粉末进入溶解罐内，整个倒入过程中不会造成粉末飞散撒落；
通过在溶解器内部设置吊篮，氧化铀粉末首先倒入在吊篮内，不会粘在溶解罐器壁上，实现铀、钚的全部回收；
溶解酸加料时，通过吊篮的小孔进入吊篮内与粉末逐渐接触，从而控制粉末溶解速度；同时溶解器设置有压力调整装置，在溶解过程中保持在微负压-200～-400Pa左右，确保溶解过程中不会产生正压和爆沸，保证放射性不会泄露；
为保证粉末的完全溶解，采用蒸汽加热，确保溶解过程中加热温度可达100±5℃；溶解器设有鼓泡管，溶解过程中鼓入空气进行搅拌，增大粉末与溶解液的接触强度；同时在溶解尾气系统安装了Kr-85在线测量装置，可通过Kr-85的排放监测氧化铀粉末的溶解过程。
附图说明
图1为本发明具体实施例中公斤级氧化铀粉末溶解系统结构示意图；
图2为本发明具体实施例中卸料装置结构示意图；
图3为图2中卸料装置的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的公斤级氧化铀粉末溶解系统如图1所示，包括溶解罐5和粉末罐1，溶解罐5与粉末罐1之间设置卸料装置2，溶解罐5顶端设置有进料法兰，卸料装置2的一端通过螺纹与粉末罐1的口部连接，另一端通过溶解罐顶端的进料法兰连接进料口。在溶解罐5外设置用于加热的蒸汽夹套12，蒸汽夹套12上设有蒸汽进口10和冷凝液出口13，罐体上还设有加酸口7、溶解液出口8、鼓泡管9、溶解尾气出口6。所述溶解尾气出口6和溶解液出口8均位于溶解罐5的上部，溶解液出口8与出料管上端连接，出料管的下端位于溶解罐5底部。溶解罐5罐体内设置有不锈钢吊篮11，吊篮11的侧壁和底部开有小孔，底部设置过滤网，酸液通过所述吊篮的小孔进入吊篮内部与氧化铀粉末逐渐接触，从而控制粉末溶解速度。溶解罐5还设有压力调整装置，使溶解罐在溶解过程中保持负压状态。
本发明为保证放射性粉末倒入至溶解罐的过程中不分散沾污热室，设计了溶解罐与粉末罐对接的卸料装置，其结构如图2、图3所示。卸料装置2上配制有与粉末罐1连接的内螺纹、球阀3、防掉螺栓4及定位孔14。首先将卸料装置2通过螺纹旋紧到粉末罐1的口部，溶解罐5的进料法兰上设置有定位销，卸料装置的定位孔14插入到溶解罐的定位销内对接后，机械手拧紧防掉螺栓4，将卸料装置2与溶解罐的进料法兰压紧固定，通过机械手打开卸料装置2的球阀3即可控制粉末进入溶解罐内。整个倒入过程不会造成粉末飞散撒落。
本发明为保证粉末中铀钚的回收率，溶解罐内部设置有不锈钢吊篮11，吊篮11的侧壁开有若干长方形孔，底部设置有若干圆形孔及过滤网，氧化铀粉末通过卸料装置与溶解罐对接，粉末首先倒入在吊篮内，不会粘在溶解罐的器壁上，实现铀、钚的全部回收。
作为一个具体实施例，溶解罐有效体积8.5L，吊篮体积约270ml，吊篮侧壁开有若干6×2mm的长方形孔，底部设置有若干
Figure BDA0002831919580000051
的孔及过滤网。
为了避免溶解器产生正压和爆沸现象，本发明能够对溶解反应速度进行控制。通过先将粉末倒入侧壁及底部开有小孔的吊篮内，溶解酸加料时，通过吊篮的小孔进入吊篮内逐渐与粉末逐渐接触，达到控制粉末溶解速度；同时溶解罐设置有压力调整装置，即在与溶解尾气出口6连接的尾气管路上设置压空喷射泵，调整溶解罐内压力，使溶解罐在溶解过程中保持在微负压-200～-400Pa左右，确保溶解过程中不会产生正压和爆沸，保证放射性不会泄露。
为了保证粉末的完全溶解，在溶解罐5外设置用于加热的蒸汽夹套12，蒸汽夹套12上设有蒸汽进口10和冷凝液出口13，采用0.3MPa蒸汽加热，确保溶解过程中加热温度可达100±5℃；并且，溶解罐设有鼓泡管9，通过与鼓泡管9连接的鼓泡装置在溶解过程中向溶解罐内鼓入空气进行搅拌，增大氧化铀粉末与溶解酸液的接触强度；同时在溶解尾气出口6连接的管路上安装了Kr-85在线测量装置，可通过Kr-85的排放监测氧化铀粉末的溶解过程，当Kr-85的监测值不再下降时表示溶解结束。
采用上述溶解系统进行公斤级氧化铀粉末溶解的操作过程如下：
将辐照后的U3O8粉末罐运进溶解热室，通过定位装置拧开粉末罐顶盖，装上卸料装置，卸料装置是通过螺纹与粉末罐连接。卸料装置上设置的定位孔通过溶解罐进料法兰定位销与溶解罐对接，然后拧紧防掉螺栓进行压紧固定。打开卸料装置球阀，氧化铀粉末加入到溶解罐的吊篮内。
通过溶解罐的加酸口缓慢加入溶解酸，通过压力调整装置控制溶解器负压-300Pa左右，蒸汽夹套内鼓入0.3MPa蒸汽加热，控制加热温度(90～100)℃，开启鼓泡搅拌，控制溶解时间2～4小时。此过程中，溶解反应速度可控，最终通过Kr-85监测值不再下降，溶解结束。
溶解液中铀浓度溶解液中铀浓度300～330g/L，酸度3.0～4.0mol/L，达到设计要求。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。这样，倘若对本发明的这些变型、用途适应性变化属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改变型和用途适应性变化在内。
上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，包括溶解罐(5)和粉末罐(1)，其特征在于，溶解罐(5)与粉末罐(1)之间设置卸料装置(2)，在溶解罐(5)内部设有吊篮(11)，粉末罐(1)内的氧化铀粉末通过卸料装置(2)进入溶解罐的吊篮(11)内，所述吊篮(11)的侧壁和底部开有小孔，溶解罐(5)上设有加酸口(7)，酸液通过所述吊篮(11)的小孔进入吊篮内部与氧化铀粉末逐渐接触，从而控制粉末溶解速度。
2.如权利要求1所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其特征在于，所述卸料装置(2)的一端通过螺纹与粉末罐(1)的口部连接，另一端连接溶解罐(5)顶部的进料口，卸料装置设有球阀(3)、防掉螺栓(4)及定位孔(14)，所述定位孔(14)与溶解罐顶部法兰上的定位销配合实现卸料装置定位，并通过防掉螺栓(4)与所述法兰拧紧固定。
3.如权利要求1所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其特征在于，所述溶解罐(5)设有压力调整装置，使溶解罐在溶解过程中保持负压状态。
4.如权利要求1所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其特征在于，在所述溶解罐(5)外设有蒸汽夹套(12)，蒸汽夹套(12)上设有蒸汽进口(10)和冷凝液出口(13)。
5.如权利要求1所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其特征在于，所述吊篮(11)侧壁上开有长方形小孔，底部开有圆形小孔并设置过滤网。
6.如权利要求1所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其特征在于，所述溶解罐(5)上设有鼓泡管(9)，在溶解过程中鼓入空气进行搅拌。
7.如权利要求1所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其特征在于，所述溶解罐(5)上设有溶解尾气出口(6)和溶解液出口(8)，所述溶解尾气出口(6)和溶解液出口(8)均位于溶解罐(5)的上部，溶解液出口(8)与出料管上端连接，出料管的下端位于溶解罐(5)底部。
8.如权利要求7所述的适合热室应用的公斤级氧化铀粉末溶解系统，其特征在于，所述溶解尾气出口(6)连接Kr-85在线测量装置，通过Kr-85的排放值监测氧化铀粉末的溶解过程。
9.一种采用权利要求1-8任意一项所述溶解系统进行公斤级氧化铀粉末溶解的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在热室内将粉末罐顶盖去除并与卸料装置固定连接；
通过卸料装置将粉末罐与溶解罐顶部的进料口连接；
打开卸料装置的阀门，将粉末罐内的氧化铀粉末加入到溶解罐的吊篮内；
通过溶解器加酸口缓慢加入溶解酸液，酸液通过所述吊篮的小孔进入吊篮内部与氧化铀粉末逐渐接触，从而控制粉末溶解速度，直至溶解结束。
10.如权利要求9所述的公斤级氧化铀粉末溶解方法，其特征在于，在溶解过程中，通过压力调整装置控制溶解罐负压，通过蒸汽夹套控制溶解罐温度，通过鼓泡管鼓入空气进行搅拌，增大粉末与酸液的接触。
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