CN113421683A - 放射性碳的固化方法及固化设备 - Google Patents
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Abstract
一种放射性碳的固化方法及固化设备。固化方法包括：将放射性碳与用于固化放射性碳的反应物混合成混合物；对混合物进行加热，以使混合物中的放射性碳与反应物开始反应以产生热量；且在放射性碳与反应物的反应过程中的至少部分时刻停止加热，该至少部分时刻的反应需要的热量由该至少部分时刻之前的反应产生的热量供给，以生成固化物。这种放射性碳的固化方法及固化设备可以保证对放射性碳的固化效果，避免放射性物质泄漏对人类和其他的各种生物以及环境造成危害。
Description
技术领域
本申请涉及物质处理技术领域，具体涉及一种放射性碳的固化方法及固化设备。
背景技术
核能的开发给人类带来了巨大的社会效益和经济效益，同时也产生了大量的具有放射性的核废料，例如，放射性碳。这些放射性碳会对人类和其他的各种生物造成巨大的危害。
对放射性碳的处理，可以将其进行固化处理，冷坩埚是固化处理中常用的一种装置。冷坩埚玻璃固化技术具有工作温度高、处理范围广、使用寿命长、熔体均一、设备体积小、退役容易等特点。冷坩埚玻璃固化技术不仅可用于核电站产生的固体废物、树脂、浓缩物等低、中水平放射性废物；还可用于高水平放射性废液及其它一些腐蚀性较强的难处理废物。因此，该技术的研究进展受到广泛关注。在核电运行中，势必产生大量放射性废物。其中，乏燃料后处理及其产生的高水平放射性废液，由于具有放射性比活度高、释热率高、并含有一些半衰期长、生物毒性高的核素等特点，其处理处置成为制约核电及核燃料循环工业可持续发展的关键问题之一。冷坩埚玻璃固化技术作为一种新的核废物处理技术，在核电废物和高水平放射性废液处理方面，有其独特的优势。
冷坩埚是由数个弧形块或管组成的圆形或椭圆形容器，弧形块或管内通入冷却水以保持冷壁，各个弧形块或管间缝隙充填绝缘物质，通过电磁场对其内部物料进行加热，冷坩埚外有由铜管绕制而成的水冷线圈。由于冷坩埚采用水冷结构，因而在靠近冷却管温度低的区域会形成一层固态玻璃壳层，避免了熔融物对冷坩埚的腐蚀。冷坩埚玻璃固化系统主要包括：冷坩埚、进料子系统、玻璃出料子系统、烟气净化子系统及仪表控制系统等。冷坩埚玻璃固化工艺主要有三种形式，分别为：两步法玻璃固化工艺、一步法玻璃固化工艺和一步法焚烧玻璃固化工艺。两步法玻璃固化工艺是先将废液在锻烧炉内煅烧后与玻璃基料混合，送人冷坩埚；一步法玻璃固化工艺是废液与玻璃基料直接送入冷坩埚；一步法焚烧玻璃固化工艺是将可燃固体废物与玻璃基料混合后，送入冷坩埚。前两种工艺主要用于处理废液，后一种工艺主要用于处理固体废物。
根据使用方式不同，可以把电磁冷坩埚分为间歇式和连续铸造式2种，但是基本原理一样，主要由水冷坩埚、电源和其它辅助设施组成。坩埚外绕有螺旋式感应线圈，感应线圈与电源相连，以产生交变电磁场。当线圈通入交变电流时，在线圈内部和周围产生1个交变电磁场。由于冷坩埚的每根金属管之间彼此绝缘，所以每根管内都产生感应电流。当感应线圈的瞬问电流为逆时针方向时，则在每根管的截面内同时产生顺时针方向的感生电流，相邻两管的截面上电流方向则相反，彼此在管问建立的磁场方向相同，向外表现为磁场增强效应。因此冷坩埚的每一缝隙处都是1个强磁场，冷坩埚如同强流器一样，将磁力线聚集到坩埚内的物料上，坩埚内的物料就被这个交变磁场的磁力线所切割。根据电磁场理论，坩埚内的物料中就产生感应电动势，由于感应电动势的存在，物料的熔体表面薄层内将形成封闭的电流回路。通常把这种电流称为涡流，涡流的大小服从欧姆定律。由于涡流回路的电阻通常很小，故能达到很高的值，使涡流回路产生大量的热，从而使金属熔化，其热量可由欧姆定律确定。
然而，相关技术中的放射性碳的固化方法及固化设备对放射性碳的固化效果并不好，具体地，会使得生成的固化物体积较小，容易使放射性物质泄漏，从而对人类和其他的各种生物以及环境造成危害。
发明内容
根据本申请的第一个方面，提供了一种放射性碳的固化方法，包括：将所述放射性碳与用于固化所述放射性碳的反应物混合成混合物；对所述混合物进行加热，以使所述混合物中的所述放射性碳与所述反应物开始反应以产生热量；且在所述放射性碳与所述反应物的反应过程中的至少部分时刻停止加热，所述至少部分时刻的反应需要的热量由所述至少部分时刻之前的反应产生的热量供给，以生成固化物。
根据本申请的第二个方面，提供了一种放射性碳的固化设备，包括：加热器，配置成对所述放射性碳与用于固化所述放射性碳的反应物混合成的混合物进行加热，以使所述混合物中的所述放射性碳与所述反应物开始反应以产生热量；在所述放射性碳与所述反应物的反应过程中的至少部分时刻所述加热器配置成停止加热，所述至少部分时刻的反应需要的热量由所述至少部分时刻之前的反应产生的热量供给，以生成固化物。
附图说明
通过下文中参照附图对本申请所作的描述，本申请的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本申请有全面的理解。
图1是根据本申请一个实施例的固化方法的示意图；
图2是根据本申请第一个实施例的固化设备的示意图；
图3是根据本申请第二个实施例的固化设备的示意图；
图4是根据本申请第三个实施例的固化设备的示意图；
图5是根据本申请第四个实施例的固化设备的示意图。
需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
图中，10为固化设备，100为加热器，110为第一感应线圈，120为第一电源，130为第二感应线圈，140为第二电源，200为第一反应容器，300为第一通气装置，400为第二反应容器，500为第二通气装置。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本申请的实施例提供了一种放射性碳的固化方法以及固化设备10。其中，放射性碳为具有放射性的含碳物质，例如，具有放射性的碳黑、石墨等。这种放射性碳广泛存在于诸如核电站、核电厂等各种场所。可以理解地，诸如核电站、核电厂等这些场所的废弃物中通常包含各种具有放射性的核废料，例如，放射性碳，如果将这些放射性碳直接排进环境中，会对人类和其他的各种生物以及环境造成巨大的危害，而本申请的实施例提供的这种放射性碳的固化方法以及固化设备10可以有效解决这类问题。
可以理解地，固化可以指将放射性物质处理成玻璃体的过程。玻璃能固化放射性物质的全部组份、浸出率低、化学稳定性相对较好。通过将放射性碳固化为玻璃体，可以避免放射性物质泄漏，提升用户体验。
图1是根据本申请一个实施例的固化方法的示意图，如图1所示，本申请的实施例的固化方法可以包括：
步骤S102，将放射性碳与用于固化放射性碳的反应物混合成混合物。
步骤S104，对混合物进行加热，以使混合物中的放射性碳与反应物开始反应以产生热量。
步骤S106，在放射性碳与反应物的反应过程中的至少部分时刻停止加热，该至少部分时刻的反应需要的热量由该至少部分时刻之前的反应产生的热量供给，以生成固化物。
可以理解地，在一些实施例中，步骤S102中用于固化放射性碳的反应物可以为Ti、TiO2，在另一些实施例中，反应物可以为其他各种可以固化放射性碳的物质。
由于在常温情况下，放射性碳与反应物难以反应或无法反应，因此，步骤S104中，通过对混合物加热，从而使得混合物中的放射性碳与反应物开始反应。可以理解地，使混合物中的放射性碳与反应物开始反应以产生热量，也就是说，混合物中的放射性碳与反应物的反应本身是一个放热反应。
具体地，当反应物为Ti时，可以是放射性碳与Ti反应生成TiC，此时，反应的化学方程式(1)如下：
Ti+C＝TiC (1)
当反应物为TiO2时，可以是部分放射性碳与TiO2中的Ti元素反应生成TiC，另一部分放射性碳与TiO2中的O元素反应生成CO2，此时，反应的化学方程式(2)如下：
TiO2+2C＝TiC+CO2 (2)
或者，当反应物为TiO2时，可以是部分放射性碳与TiO2中的Ti元素反应生成TiC，另一部分放射性碳与TiO2中的O元素反应生成CO，此时，反应的化学方程式(3)如下：
TiO2+3C＝TiC+2CO (3)
又或者，当反应物为TiO2时，可以是部分放射性碳与TiO2中的Ti元素反应生成TiC，另一部分放射性碳与TiO2中的O元素反应生成CO，再一部分放射性碳与TiO2中的O元素反应生成CO2，此时，反应的化学方程式即包括上述化学方程式(2)，又包括上述化学方程式(3)。
优选地，反应物可以为Ti，此时可以减少放射性碳生成CO或CO2这类气体，从而避免放射性碳污染空气环境，提升对放射性碳的固化效果。进一步避免放射性碳对人类和其他的各种生物以及环境造成巨大的危害。
TiC属面心立方晶系，化学和物理性质稳定，具有极高的熔点、硬度和强度，以及优异的耐磨耐腐蚀性和抗热震性，由此，保证对放射性碳的固化效果。
在步骤S106，在放射性碳与反应物的反应过程中的至少部分时刻停止加热，该至少部分时刻的反应需要的热量由该至少部分时刻之前的反应产生的热量供给，以生成固化物。也就是说，在停止加热的时候，该反应也可以进行，而通过在反应过程中的至少部分时刻停止加热，避免温度过高而使得生成固化物的(单颗粒)体积较小，若在放射性碳与反应物的反应过程中持续加热会生成粉末状的固化物，即固化物的(单颗粒)体积较小。本申请的实施例的这种方式使得生成的固化物的(单颗粒)体积较大，比表面积大，例如，可以为块状的固化物，由此，保证对放射性碳的固化效果。
在一些实施例中，在第一次停止加热后，放射性碳与反应物的任一时刻的反应需要的热量由：该任一时刻之前的反应产生的热量供给。
也就是说，在第一次停止加热后，后续反应的过程中的所有过程均不再进行加热，由此，保证生成的固化物的(单颗粒)体积大，容易获得块状的固化物，由此，保证对放射性碳的固化效果。
可以理解地，第一次加热的时间可以为固定的时间阈值，例如，时间阈值可以为大于0s且小于2s之间的任一值，如0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s、0.6s、0.7s、0.8s、0.9s、1.0s、1.2s、1.3s、1.4s、1.5s、1.6s、1.7s、1.8s、1.9s、2.0s等。在其他实施例中，时间阈值也可以大于2s。
第一次加热的时间还可以根据反应的现象确定，例如，当确定反应已经开始时，则可以停止第一次加热。如何确定反应是否开始可以根据反应物的类型选择。例如，当反应物为Ti时，可以根据结合TiC的物质性质判断反应是否开始，例如，当混合物有晶体出现，则认为反应已经开始。又例如，当反应物为TiO2时，当有气体生成，则认为反应已经开始。
图2是根据本申请第一个实施例的固化设备的示意图(图中虚线表示磁感线)，本申请实施例中，对混合物进行加热可以包括：将混合物置于第一反应容器200内，将第一反应容器200置于与第一感应线圈110对应的位置；对第一感应线圈110通电，以使第一感应线圈110产生透过第一反应容器200后使放射性碳产生热量的磁场，以对混合物进行加热。
其中，第一反应容器200可以由各种可以通过磁场的材料形成，例如，石英，也就是说，在一些实施例中，第一反应容器200可以为石英管，石英管成本低。
第一感应线圈110本身不发热，从而第一感应线圈110的寿命长，且无需检修，无维护更换成本，且具有易于控制温度及加热时间的优点，同时节能效果显著，大大降低了成本，并且预热时间短，大大提高了效率。
固化方法还可以包括：在放射性碳与反应物的反应的过程中，向第一反应容器200通入固化气体，以减少放射性碳与反应的空间中的氧气反应。
其中，固化气体可以为各种可以减少放射性碳与氧气反应的气体，例如，氮气等。本申请实施例提供的这种方法可以避免放射性碳生成气体泄漏至空气中，从而提高放射性碳的固化效果。
在本申请的一些实施例中，固化气体在流经混合物对应的区域后被排至第一反应容器200外。由此，可以及时排走气体，避免第一反应容器200承受压力，保证反应过程能顺利进行，且保护反应中所需要的各种装置。
图3是根据本申请第二个实施例的固化设备10的示意图(图中虚线表示磁感线，实线表示气体的流动方向)，如图3所示，固化气体可以通过第一通气装置300通入。
图4是根据本申请第三个实施例的固化设备10的示意图(图中虚线表示磁感线)，本申请实施例中，对混合物进行加热可以包括：将混合物置于第二反应容器400内，将第二反应容器400置于与第二感应线圈130对应的位置；对第二感应线圈130通电，以使第二感应线圈130产生使第二反应容器400产生热量的磁场，以对混合物进行加热。
其中，第二反应容器400可以由各种在磁场作用下可以产生热量的材料形成，例如，金属，也就是说，在一些实施例中，第二反应容器400可以为金属容器，金属容器不易损坏，易于保存。
第二感应线圈130本身不发热，从而第二感应线圈130的寿命长，且无需检修，无维护更换成本，且具有易于控制温度及加热时间的优点，同时节能效果显著，大大降低了成本，并且预热时间短，大大提高了效率。
固化方法还可以包括：在放射性碳与反应物的反应的过程中，向第二反应容器400通入固化气体，以减少放射性碳与反应的空间中的氧气反应。
其中，固化气体可以为各种可以减少放射性碳与氧气反应的气体，例如，氮气等。本申请实施例提供的这种方法可以避免放射性碳生成气体泄漏至空气中，从而提高放射性碳的固化效果。
在本申请的一些实施例中，固化气体在流经混合物对应的区域后被排至第二反应容器400外。由此，可以及时排走气体，避免第二反应容器400承受压力，保证反应过程能顺利进行，且保护反应中所需要的各种装置。
图5是根据本申请第四个实施例的固化设备10的示意图(图中虚线表示磁感线，实线表示气体的流动方向)，如图5所示，固化气体可以通过第二通气装置500通入。
在一些实施例中，还可以在第一反应容器200或第二反应容器400内设置一个壳体，壳体用来放置混合物，壳体可以由ZrO2制成。
本申请实施例还提供了一种放射性碳的固化设备10，放射性碳的固化设备10包括加热器100，加热器100配置成对放射性碳与用于固化放射性碳的反应物混合成的混合物进行加热，以使混合物中的放射性碳与反应物开始反应以产生热量；在放射性碳与反应物的反应过程中的至少部分时刻加热器100配置成停止加热，该至少部分时刻的反应需要的热量由该至少部分时刻之前的反应产生的热量供给，以生成固化物。
在一些实施例中，在第一次停止加热后，放射性碳与反应物的任一时刻的反应需要的热量由该任一时刻之前的反应产生的热量供给。
在一些实施例中，固化设备10还包括第一反应容器200，第一反应容器200用于放置混合物。加热器100可以包括第一感应线圈110以及第一电源120，第一感应线圈110置于与第一反应容器200对应的位置，第一电源120配置成对第一感应线圈110通电，以使第一感应线圈110产生透过第一反应容器200后使放射性碳产生热量的磁场，以对混合物进行加热。
在一些实施例中，固化设备10还可以包括第一通气装置300，第一通气装置300配置成在放射性碳与反应物的反应的过程中，向第一反应容器200通入固化气体，以减少放射性碳与反应的空间中的氧气反应。
在一些实施例中，固化气体在流经所述混合物对应的区域后被排至第一反应容器200外。
在一些实施例中，固化设备10还可以包括第二反应容器400，用于放置所述混合物。加热器100包括第二感应线圈130以及第二电源140，第二感应线圈130置于与第二反应容器400对应的位置，第二电源140配置成对第二感应线圈130通电，以使第二感应线圈130产生使第二反应容器400产生热量的磁场，以对混合物进行加热。
在一些实施例中，固化设备10还可以包括第二通气装置500，第二通气装置500配置成在放射性碳与反应物的反应的过程中，向第二反应容器400通入固化气体，以减少放射性碳与反应的空间中的氧气反应。
在一些实施例中，固化气体在流经混合物对应的区域后被排至第二反应容器400外。
可以理解地，固化设备10中的第一电源120以及第二电源140可以为高频电源，关于固化设备10的第一感应线圈110、第二感应线圈130、第一反应容器200、第二反应容器400、第一通气装置300以及第二通气装置500的相关内容以及其他与固化相关的内容可以参照前述实施例，此处不再赘述。
本申请实施例提供的这种固化方法以及固化设备10，在放射性碳与反应物的反应过程中的至少部分时刻停止加热，该至少部分时刻的反应需要的热量由该至少部分时刻之前的反应产生的热量供给，以生成固化物，可以理解地，放射性碳可以为具有放射性的碳单质，例如具有放射性的碳黑、石墨等，也可以为其他的具有放射性的含碳物质。也就是说，在停止加热的时候，该反应也可以进行，而通过在反应过程中的至少部分时刻停止加热，避免温度过高而使得生成固化物的(单颗粒)体积较小，若在放射性碳与反应物的反应过程中持续加热会生成粉末状的固化物，即固化物的(单颗粒)体积较小，具有较大的比表面积。本本申请的实施例的这种方式使得生成的固化物的(单颗粒)体积较大，例如，可以为块状的固化物，由此，保证对放射性碳的固化效果。
对于本申请的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (16)
1.一种放射性碳的固化方法，其中，包括：
将所述放射性碳与用于固化所述放射性碳的反应物混合成混合物；
对所述混合物进行加热，以使所述混合物中的所述放射性碳与所述反应物开始反应以产生热量；且
在所述放射性碳与所述反应物的反应过程中的至少部分时刻停止加热，所述至少部分时刻的反应需要的热量由所述至少部分时刻之前的反应产生的热量供给，以生成固化物。
2.根据权利要求1所述的固化方法，其中，
在第一次停止加热后，所述放射性碳与所述反应物的任一时刻的反应需要的热量由：所述任一时刻之前的反应产生的热量供给。
3.根据权利要求1或2所述的固化方法，其中，所述对所述混合物进行加热，包括：
将所述混合物置于第一反应容器(200)内，将所述第一反应容器(200)置于与第一感应线圈(110)对应的位置；
对所述第一感应线圈(110)通电，以使所述第一感应线圈(110)产生透过所述第一反应容器(200)后使所述放射性碳产生热量的磁场，以对所述混合物进行加热。
4.根据权利要求3所述的固化方法，其中，还包括：
在所述放射性碳与所述反应物的反应的过程中，向所述第一反应容器(200)通入固化气体，以减少所述放射性碳与所述反应的空间中的氧气反应。
5.根据权利要求4所述的固化方法，其中，
所述固化气体在流经所述混合物对应的区域后被排至所述第一反应容器(200)外。
6.根据权利要求1或2所述的固化方法，其中，所述对所述混合物进行加热，包括：
将所述混合物置于第二反应容器(400)内，将所述第二反应容器(400)置于与第二感应线圈(130)对应的位置；
对所述第二感应线圈(130)通电，以使所述第二感应线圈(130)产生使所述第二反应容器(400)产生热量的磁场，以对所述混合物进行加热。
7.根据权利要求6所述的固化方法，其中，还包括：
在所述放射性碳与所述反应物的反应的过程中，向所述第二反应容器(400)通入固化气体，以减少所述放射性碳与所述反应的空间中的氧气反应。
8.根据权利要求7所述的固化方法，其中，
所述固化气体在流经所述混合物对应的区域后被排至所述第二反应容器(400)外。
9.一种放射性碳的固化设备(10)，其中，包括：
加热器(100)，配置成对所述放射性碳与用于固化所述放射性碳的反应物混合成的混合物进行加热，以使所述混合物中的所述放射性碳与所述反应物开始反应以产生热量；
在所述放射性碳与所述反应物的反应过程中的至少部分时刻所述加热器(100)配置成停止加热，所述至少部分时刻的反应需要的热量由所述至少部分时刻之前的反应产生的热量供给，以生成固化物。
10.根据权利要求9所述的固化设备(10)，其中，
在第一次停止加热后，所述放射性碳与所述反应物的任一时刻的反应需要的热量由：所述任一时刻之前的反应产生的热量供给。
11.根据权利要求9或10所述的固化设备(10)，其中，还包括：
第一反应容器(200)，用于放置所述混合物；所述加热器(100)包括：
第一感应线圈(110)，置于与所述第一反应容器(200)对应的位置；
第一电源(120)，配置成对所述第一感应线圈(110)通电，以使所述第一感应线圈(110)产生透过所述第一反应容器(200)后使所述放射性碳产生热量的磁场，以对所述混合物进行加热。
12.根据权利要求11所述的固化设备(10)，其中，还包括：
第一通气装置(300)，配置成在所述放射性碳与所述反应物的反应的过程中，向所述第一反应容器(200)通入固化气体，以减少所述放射性碳与所述反应的空间中的氧气反应。
13.根据权利要求12所述的固化设备(10)，其中，
所述固化气体在流经所述混合物对应的区域后被排至所述第一反应容器(200)外。
14.根据权利要求9或10所述的固化设备(10)，其中，还包括：
第二反应容器(400)，用于放置所述混合物；所述加热器(100)包括：
第二感应线圈(130)，置于与所述第二反应容器(400)对应的位置；
第二电源(140)，配置成对所述第二感应线圈(130)通电，以使所述第二感应线圈(130)产生使所述第二反应容器(400)产生热量的磁场，以对所述混合物进行加热。
15.根据权利要求14所述的固化设备(10)，其中，还包括：
第二通气装置(500)，配置成在所述放射性碳与所述反应物的反应的过程中，向所述第二反应容器(400)通入固化气体，以减少所述放射性碳与所述反应的空间中的氧气反应。
16.根据权利要求15所述的固化设备(10)，其中，
所述固化气体在流经所述混合物对应的区域后被排至所述第二反应容器(400)外。
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| CN202110684248.4A CN113421683A (zh) | 2021-06-21 | 2021-06-21 | 放射性碳的固化方法及固化设备 |
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- 2021-06-21 CN CN202110684248.4A patent/CN113421683A/zh active Pending
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