CN205160897U - 一种用于处理核设施固体废物的等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于处理核设施固体废物的等离子体发生器，包括：阴极；依次同轴串联的至少三个阳极，所述至少三个阳极中的第一阳极与所述阴极同轴相连，所述至少三个阳极均为套层结构；所述阴极和所述第一阳极之间通过高频高电压击穿而建立电弧，并逐级切换至第三阳极，使得电弧稳定维持在所述阴极和所述第三阳极之间，工作气体分别从所述阴极与所述第一阳极之间、所述第一阳极与第二阳极之间、所述第二阳极与所述第三阳极之间喷入，被电弧加热后从所述第三阳极出口喷出形成等离子体射流。本实用新型能够用于在百万千瓦级核电厂的中低放射性的核固体废物处理，通过采用特殊材料和部件结构，延长了等离子体发生器的单次连续运行寿命。

Description

一种用于处理核设施固体废物的等离子体发生器

技术领域

本实用新型涉及核废物处理领域，尤其涉及一种用于处理核设施固体废物的等离子体发生器。

背景技术

核设施在运行与维护中会产生大量低中水平放射性固体废物，如废过滤器、废石棉布、浓缩液、污泥、废树脂等。现行的处理方法通常为：分类、压缩（超级压缩）、水泥固化和混凝土固定。这些方法因技术成熟而被国内核电站广泛采用，但是处理工艺复杂、处理速度慢、废物包容率低、压缩后的废物核素浸出率高。

随着我国核电的发展，核电站低中放固体废物处理问题将日益突出。为了进一步提高废物处理处置的安全性和经济性，发展能够显著减容且产物长期稳定的技术变得更加紧迫。热等离子体处理废物时，废物中的有机成分在惰性和还原性气氛中被热解为小分子，无机成分熔融冷却后形成稳定的固化体，使用同一装置同时完成废物的减容减量和放射性核素的固定，处理过程不受处理对象的限制，处理速度快。国外的研究和应用表明，热等离子体技术是处理放射性废物最可靠的技术之一。

目前，国内市场的等离子体发生器因单次连续工作时间无法超过1000小时，且使用材料无法达到核电标准等原因，使其无法直接应用至国内的核电厂废物处理。国外的等离子体发生器制造单位出于技术保密等原因，并未将其具体的寿命等指标公布。故此，在国内市场的等离子处理中低放废物的技术，面临着核心设备的缺失。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种用于处理核设施固体废物的等离子体发生器，能够用于在百万千瓦级核电厂的中低放射性的核固体废物处理，结构简单，运行时间长。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于处理核设施固体废物的等离子体发生器，包括：

阴极；

依次同轴串联的至少三个阳极，所述至少三个阳极中的第一阳极与所述阴极同轴相连，所述至少三个阳极均为套层结构；

所述阴极和所述第一阳极之间通过高频高电压击穿而建立电弧，并逐级切换至第三阳极，使得电弧稳定维持在所述阴极和所述第三阳极之间，工作气体分别从所述阴极与所述第一阳极之间、所述第一阳极与第二阳极之间、所述第二阳极与所述第三阳极之间喷入，被电弧加热后从所述第三阳极出口喷出形成等离子体射流。

其中，所述阴极包括桶形铜合金外壳及包裹在所述桶形铜合金外壳内的纳米合成铈钨合金棒。

其中，所述阴极和所述第一阳极之间、所述第一阳极与所述第二阳极之间以及所述第二阳极与第三阳极之间均设有耐辐照、耐高温的绝缘材料，所述绝缘材料在径向上设有用于喷入工作气体的通孔。

其中，所述第一阳极整体结构为空心环状，内部设有用于流通冷却水的通道，还包括圆台状的中心顶部，所述中心顶部与所述铈钨合金棒共轴。

其中，所述铈钨合金棒的中心面的圆心到所述中心顶部的第一边界距离L1为2~20mm，第二边界距离L2为5~25mm，其中，所述第一边界是指所述中心顶部的圆台顶面与侧面相交处，所述第二边界是指所述中心顶部的圆台底面。

其中，所述第三阳极内部为筒状结构，包括渐缩部、直筒部和渐扩部，所述渐缩部的内壁与所述第三阳极的轴线之间形成渐缩角α1，所述渐扩部的内壁与所述第三阳极的轴线之间形成渐扩角α2。

其中，所述渐缩角α1的范围为0~30°，所述渐扩角α2的范围为0~30°。

其中，所述第三阳极的外表面敷设有0.2~2mm抗高温、抗腐蚀的合金材料。

其中，还包括自动更换阴极装置，用于在所述阴极损耗后自动更换新的阴极。

其中，所述自动更换阴极装置包括安装圆盘，在径向上均布若干个阴极安装位，所述若干个阴极安装位分别用于安装所述阴极。

其中，还包括电极快换接头，所述电极快换接头包含所述阴极和所述各个阳极的接线，为螺栓压电缆线的结构。

其中，还包括水气管快换接头，包含冷却水接嘴和工作用气接嘴，所述冷却水接嘴为快速接头结构，进水与出水都在同一接嘴内部，所述工作用气接嘴为快速接头结构，进气与出气都在同一接嘴内部。

其中，所述冷却水接嘴还用于当从炉体抽出所述等离子体发生器后，插入吹扫接嘴的喷入口，送入热空气，将所述等离子体发生器冷却层中的残余水吹出。

其中，所述等离子体发生器具备非转移弧和转移弧交替使用的模式。

本实用新型实施例的有益效果在于，能够用于在百万千瓦级核电厂的中低放射性的核固体废物处理。通过采用特殊的材料和部件结构，保证了等离子体发生器的单次连续运行寿命能够超过1000小时。通过采用增设电极快换接头、水气管快换接头等方式，能够使得运行维修人员在最短的时间完成工作，并使得受辐射剂量最小。同时，通过在转移弧和非转移弧之间运行模式的转换，实现能量的高效利用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例一种用于处理核设施固体废物的等离子体发生器的结构示意图。

图2是本实用新型实施例中自动更换阴极装置的结构示意图。

图3是本实用新型实施例中阴极和第一阳极的结构示意图。

图4是本实用新型实施例中第三阳极的结构示意图。

图5为本实用新型实施例中非转移弧的工作模式示意图。

图6为本实用新型实施例中转移弧的工作模式示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本实用新型可以用以实施的特定实施例。本实用新型所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本实用新型，而非对本实用新型保护范围的限制。

本实用新型实施例用于处理核设施固体废物的等离子体发生器中，核设施是指核动力厂（包括核电厂、核热电厂、核供汽供热厂等）及其它反应堆（包括研究堆、实验堆、临界装置等）。

请参照图1和图2所示，本实用新型实施例提供一种用于处理核设施固体废物的等离子体发生器，包括：

阴极1和依次同轴串联的至少三个阳极，所述至少三个阳极中的第一阳极2与所述阴极1同轴相连，所述至少三个阳极均为套层结构，工作时，首先在阴极1和第一阳极2间通过高频高电压击穿，使其间建立电弧，并将工作气体电离（简称起弧阶段），随后逐级切换至第三阳极4，使得电弧稳定维持在阴极1和第三阳极4之间，工作气体从阴极1与第一阳极2、第一阳极2与第二阳极3之间、第二阳极3与第三阳极4之间喷入，被电弧加热后从第三阳极4出口喷出形成等离子体射流。

具体来说，阴极1包括桶形铜合金外壳11及包裹在桶形铜合金外壳11内的纳米合成铈钨合金棒12。铈钨合金棒12的铈元素的载体为氧化铈（CeO2），氧化铈在铈钨合金中的比例为0.5~4%。铈钨合金棒12的制作方法为纳米级粉末合成方法，其特点为晶粒更加细小，铈在基体钨中的分布更弥散、均匀；晶粒细化加强了铈向表面扩散的能力，使得表层铈存在于较宽的温度范围内；高温下表层含有超额铈的活性层厚度增大，超额铈的含量也增多，纳米铈钨发射材料的铈氧的活性层更厚，因此热发射性能也更为优异，使得阴极工作性能更稳定，寿命更长。阴极1的外部还设有冷却水外套，该外套的材料为不锈钢材料0Cr18Ni9Ti，其中Co含量小于0.2%。

第一阳极2的材料为铜合金，其外部也设有冷却水外套，该外套的材料为不锈钢材料0Cr18Ni9Ti，其中Co含量小于0.2%。第一阳极2的作用在于引弧。首先利用阴极1和第一阳极2之间的高频高压进行短暂击穿，保证其间的气体充分电离，形成局部等离子体。第一阳极2整体结构为空心环状，内部设有用于流通冷却水的通道20，还包括圆台状的中心顶部21（图2所示其截面为倒梯形）。第一阳极2的中心顶部21与阴极1的铈钨合金棒12共轴。阴极1和第一阳极2之间、第一阳极2与第二阳极3之间以及第二阳极3与第三阳极4之间均设有绝缘材料5，能够耐辐照、耐高温。通常所使用的聚四氟乙烯、聚四氯乙烯类材料不适合在核设施范围内所使用。绝缘材料5在径向上均设有通孔50，用于喷入工作气体。

阴极1和第一阳极2之间的工作气体通过绝缘材料5的径向通孔50喷入，气源由水气管快换接头8中的气管提供。喷入孔径吹出的气体的中心线形成切圆，达到形成旋风气流的效果，以稳定此段的等离子体流态。阴极1与第一阳极2之间的尺寸对于稳定电弧的作用非常重要，本实施例中，铈钨合金棒12的中心面的圆心到第一阳极2的中心顶部21的第一边界距离L1为2~20mm，第二边界距离L2为5~25mm，其中，第一边界是指第一阳极2的中心顶部21的圆台顶面与侧面相交处，第二边界是指第一阳极2的中心顶部21的圆台底面。

第一阳极2、第二阳极3至第三（N）阳极4，根据功率负荷和电源结构而设计。串联的阳极级数越高，则等离子体发生器的功率越高。本实施例以N=3为例，即包含三个阳极：第一阳极2、第二阳极3、第三阳极4。这些阳极的特点为套层结构：外层为不锈钢冷却水外套、内层为传热效果较好的铜合金。冷却水外套内设置有强化传热的特殊结构的方形连续螺纹。冷却水外套的材料为不锈钢0Cr18Ni9Ti，其中Co含量小于0.2%。第三阳极4插入等离子熔融炉。

请参照图3所示，第三阳极4内部为筒状结构，为形成一定长度的等离子高温火焰，筒的内壁采用喷管的渐缩和渐扩的结构，由此，第三阳极4包括渐缩部41、直筒部42和渐扩部43，其中，渐缩部41的内壁与第三阳极4的轴线之间形成渐缩角α1，本实施例中，渐缩角α1的范围为0~30°；直筒部的内径D2为15~50mm；渐扩部43的内壁与第三阳极4的轴线之间形成渐扩角α2，本实施例中，渐扩角α2的范围为0~30°。同时，为防止其不锈钢水冷套的外表面进一步受到腐蚀，在其表面敷设有0.2~2mm抗高温、抗腐蚀的合金材料。

请再参照图4所示，本实用新型实施例的等离子体发生器还包括自动更换阴极装置6。当等离子体发生器正常运行时，阴极为热电子发射机制。热电子发射机制的原理为阴极材料不断发射热电子，致使阴极表面的材料发生损耗，导致不断烧蚀。当长时间运行后，将导致阴极和阳极之间的电弧不稳定或者阴极部件发生损坏，无法产生稳定连续的等离子体，这也是目前许多等离子体发生器因为寿命原因而无法应用在核电放射性废物领域的重要原因之一。为解决该问题，本实用新型采用自动更换阴极装置6来自动更换阴极。自动更换阴极装置6包括安装圆盘60，在径向上均布若干个阴极安装位，阴极1则安装在安装位中，一共可以安装8个阴极1。阴极1的数目可以根据工作时间的增多或者减少。当某一阴极发生损耗后，安装圆盘60自动旋转至下一个完好的阴极，与第一阳极2重新建立电弧并产生稳定连续的等离子体。所有阴极都发生损耗后，则集中在检修期间更换所有8个阴极，残余的阴极材料回收。使用自动更换阴极装置6，能够极大的延长等离子体发生器单次连续运行的时间，降低维修的概率。针对自动更换阴极装置6，可以进一步研发出配套的专用工具，能够更快快捷的维修该装置及更换阴极，尤其是在阴极受到放射性沾污的条件下，更适于使用专用工具。自动更换阴极装置6上还配有冷却水和电接线装置。

本实用新型实施例的等离子体发生器还包括电极快换接头7和水气管快换接头8，其中电极快换接头7包含阴极1和各个阳极的接线，通过统一的快速更换接头，以保证运行与检修人员剂量，使得安装人员穿着气衣服能够简易操作、轻松维修。该部分接头可以使用螺栓压电缆线的结构。水气管快换接头8内包含冷却水接嘴和工作用气接嘴，其中，冷却水接嘴：为降低运行与检修人员受照剂量，使检修人员能够穿着气衣服操作与维修，该冷却水接嘴为快速接头结构，进水与出水都在同一接嘴内部。实施插拔操作即可完成水管线与等离子体发生器的分离。此外，冷却水接嘴具备另一个功能，即当从炉体抽出发生器后，在该处插入吹扫接嘴的喷入口，送入60℃的热空气，将发生器冷却层中的残余水吹出，以防止在检修期间残余水接触放射性粉尘及灰渣，形成二次污染物。工作用气接嘴：与冷却水接嘴设计相似，该接嘴为快速接头结构，进水与出水都在同一接嘴内部。实施插拔操作即可完成工作用气管线与等离子体发生器的分离。

本实用新型实施例的等离子体发生器的炉体阳极采用铜合金材料，炉底阳极为水冷结构。

本实用新型实施例的等离子体发生器具备非转移弧和转移弧交替使用的模式，分别如图5、图6所示。在等离子炉温度较低或者尚未形成稳定的熔融物池期间，使用非转移弧的等离子火焰，喷射到核废物的表面将其热解或者熔融。当形成稳定的熔融物池后，转换至转移弧的运行模式，电弧通过熔融物池，将大部分能量传递至熔融物内，以达到能量的高效利用。该切换模式可以根据等离子发生器的多种布置方式的不同，而形成灵活的使用方式：若采用3只发生器同时工作，可以将其中2只使用转移弧的模式，1只使用非转移弧的模式。

通过上述说明可知，本实用新型的等离子体发生器能够用于在百万千瓦级核电厂的中低放射性的核固体废物处理。通过采用特殊的材料和部件结构，保证了等离子体发生器的单次连续运行寿命能够超过1000小时。通过采用增设电极快换接头、水气管快换接头等方式，能够使得运行维修人员在最短的时间完成工作，并使得受辐射剂量最小。同时，通过在转移弧和非转移弧之间运行模式的转换，实现能量的高效利用。

以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (14)

1.一种用于处理核设施固体废物的等离子体发生器，其特征在于，包括：

阴极；

依次同轴串联的至少三个阳极，所述至少三个阳极中的第一阳极与所述阴极同轴相连，所述至少三个阳极均为套层结构；

所述阴极和所述第一阳极之间通过高频高电压击穿而建立电弧，并逐级切换至第三阳极，使得电弧稳定维持在所述阴极和所述第三阳极之间，工作气体分别从所述阴极与所述第一阳极之间、所述第一阳极与第二阳极之间、所述第二阳极与所述第三阳极之间喷入，被电弧加热后从所述第三阳极出口喷出形成等离子体射流。

2.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，所述阴极包括桶形铜合金外壳及包裹在所述桶形铜合金外壳内的纳米合成铈钨合金棒。

3.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，所述阴极和所述第一阳极之间、所述第一阳极与所述第二阳极之间以及所述第二阳极与第三阳极之间均设有耐辐照、耐高温的绝缘材料，所述绝缘材料在径向上设有用于喷入工作气体的通孔。

4.根据权利要求2所述的等离子体发生器，其特征在于，所述第一阳极整体结构为空心环状，内部设有用于流通冷却水的通道，还包括圆台状的中心顶部，所述中心顶部与所述铈钨合金棒共轴。

5.根据权利要求4所述的等离子体发生器，其特征在于，所述铈钨合金棒的中心面的圆心到所述中心顶部的第一边界距离L1为2~20mm，第二边界距离L2为5~25mm，其中，所述第一边界是指所述中心顶部的圆台顶面与侧面相交处，所述第二边界是指所述中心顶部的圆台底面。

6.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，所述第三阳极内部为筒状结构，包括渐缩部、直筒部和渐扩部，所述渐缩部的内壁与所述第三阳极的轴线之间形成渐缩角α1，所述渐扩部的内壁与所述第三阳极的轴线之间形成渐扩角α2。

7.根据权利要求6所述的等离子体发生器，其特征在于，所述渐缩角α1的范围为0~30°，所述渐扩角α2的范围为0~30°。

8.根据权利要求7所述的等离子体发生器，其特征在于，所述第三阳极的外表面敷设有0.2~2mm抗高温、抗腐蚀的合金材料。

9.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，还包括自动更换阴极装置，用于在所述阴极损耗后自动更换新的阴极。

10.根据权利要求9所述的等离子体发生器，其特征在于，所述自动更换阴极装置包括安装圆盘，在径向上均布若干个阴极安装位，所述若干个阴极安装位分别用于安装所述阴极。

11.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，还包括电极快换接头，所述电极快换接头包含所述阴极和所述各个阳极的接线，为螺栓压电缆线的结构。

12.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，还包括水气管快换接头，包含冷却水接嘴和工作用气接嘴，所述冷却水接嘴为快速接头结构，进水与出水都在同一接嘴内部，所述工作用气接嘴为快速接头结构，进气与出气都在同一接嘴内部。

13.根据权利要求12所述的等离子体发生器，其特征在于，所述冷却水接嘴还用于当从炉体抽出所述等离子体发生器后，插入吹扫接嘴的喷入口，送入热空气，将所述等离子体发生器冷却层中的残余水吹出。

14.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征在于，所述等离子体发生器具备非转移弧和转移弧交替使用的模式。