CN209216602U - 一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于快中子反应堆技术领域，公开了一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置。该装置包括气瓶、干燥管、流量阀、鼓泡器、温度计、压力控制装置、混气罐、水分仪、烧结炉及控制柜，其中气瓶内为氢氩混合气体，气瓶出口通过连接管与干燥管连接，以干燥氢氩混合气体中的水分；流量阀分为第一流量阀和第二流量阀；干燥管远离气瓶的一端通过两路连接管线分别与第一流量阀和第二流量阀的一端连接，其中第一流量阀的另一端与混气罐入口端连接，第二流量阀的另一端与鼓泡器连接。该装置具有氧势控制准确、结构和控制过程简单、经济性高且能满足批量生产的有益效果。
Description
技术领域
本实用新型属于快中子反应堆技术领域，具体涉及一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置。
背景技术
快堆MOX芯块制造时，芯块氧金属比O/M是非常重要的技术指标，要求氧金属比在1.96～1.99之间。因为氧金属比会影响燃料芯块的多种热物理性能，包括热导率、热扩散系数、密度等，还对包壳与芯块间相互作用产生重要影响。过高的氧金属比会加速包壳与芯块接触点的氧扩散速率，加速腐蚀包壳，降低MOX组件服役时间；过低的氧金属比会导致MOX芯块内产生第二相，第二相的产生同会使芯块整体的热导率、热扩散等热物性发生变化，影响堆内服役行为。因此，在烧结MOX芯块时，控制氧金属比是非常关键的工作。
理论上，氧势的表达式为式子R为气体常数，T为温度，PO2为氧分压，在一定温度下，氧势与氧分压存在确定关系，技术人员通常就是通过烧结气氛的氧势来控制O/M。工艺上通用的方法是在烧结气氛中添加一定量的水气或氧气，进而达到控制气氛氧势的目的。其中添加氧气必须进行复杂的计算并且较难控制烧结过程，因为高温下氧气和氢气会发生发应；目前各国技术人员广泛使用的方法是将一定量的水气添加至氢-氩混合气体钢瓶中，但是水气可能会腐蚀气体钢瓶，只能使用造价更高的铝合金气瓶。而且根据水含量的不同，气体装瓶压力也远小于干燥气体(干燥气体10MPa，含水800ppm的湿气只能4～5MPa，压力过高会导致水气液化)，装瓶压力的减少，则气体量也相应减少，无法满足生产时大批量的需求。同时，还要严格控制使用温度，温度低也会使水气液化。因此，目前需要寻找一种新的控制烧结气氛氧势的装置。
实用新型内容
(一)实用新型目的
根据现有技术所存在的问题，本实用新型提供了一种氧势控制准确、结构和控制过程简单、经济性高且能满足批量生产的氧势控制装置。
(二)技术方案
为了解决现有技术所存在的问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置，该装置包括气瓶、干燥管、流量阀、鼓泡器、温度计、压力控制装置、混气罐、水分仪、烧结炉及控制柜，其中气瓶内为氢氩混合气体，气瓶出口通过连接管与干燥管连接，以干燥氢氩混合气体中的水分；流量阀分为第一流量阀和第二流量阀；干燥管远离气瓶的一端通过两路连接管线分别与第一流量阀和第二流量阀的一端连接，其中第一流量阀的另一端与混气罐入口端连接，第二流量阀的另一端与鼓泡器连接；
所述鼓泡器为密封结构，鼓泡器上端设置有进气管和出气管，其中进气管的一端与第二流量阀连接，另一端伸入至鼓泡器内纯水的液面之下；出气管从鼓泡器液面上方上行至混气罐入口端并与混气罐入口端连接；
所述混气罐出口端通过管线与水分仪连接，以对混气罐中的水分精确测定，水分测定满足需求则进入烧结炉进行芯块烧结；若不满足设计需求则通过调节第一流量阀和第二流量阀的流量进而控制混气罐中的水分，以实现烧结氧势的控制。
优选地，所述混合氧化物芯块为UO2-PuO2、Gd2O3-UO2或UO2-CeO2芯块。
优选地，所述干燥管是放置的是无水氯化钙或氧化钙。
优选地，所述鼓泡器是通过低温水槽进行温度控制的。
优选地，所述压力控制装置安装于鼓泡器上方，用于测量鼓泡器内的压力，压力控制装置中包含压力计，精确度为1Pa。
优选地，所述烧结炉的材质是金属材料发热体钨或钼，以降低水气对发热体的腐蚀。
优选地，所述第一流量阀、第二流量阀和水分仪是通过控制柜控制的。
优选地，所述第一流量阀、第二流量阀的流量控制范围不应低于3000ml/min。
优选地，所述鼓泡器内的温度控制为环境温度或环境温度以下。
(三)有益效果
通过本实用新型提供的氧势控制装置，该装置通过设置第一和第二流量阀及鼓泡器，利用鼓泡器生成的水气向混气罐中提供水气，并非采用传统技术直接向气瓶中加入水气的技术方案，避免了气体钢瓶的腐蚀和使用造价更高的铝合金气瓶。同时，也避免了传统技术带来的气瓶压力减少的问题，可以满足连续生产的需要。
另外，本装置通过合理的设计第一流量阀和第二流量阀，可以通过流量及公式初步确定气体比例及调节方法。
还有重要的一点为，本申请设计了低温水槽，避免了气体中水分含量的不可控。具体理由为低温水槽的作用是控制鼓泡器的温度，而水的饱和蒸气压跟温度正相关，通过鼓泡器的温度低于环境温度，因为，如果鼓泡器温度高于环境温度，水汽出来后温度降低，饱和蒸气压降低，水汽就会冷凝，从而影响控制精度，使用低温水槽则很好的解决了此问题。
利用本装置进行氧势控制时可以先通过计算得出气氛氧势与水含量V水之间关系，确定所需的水含量，为便于表述，将氢氩混合气流经第一流量阀的流量称为ν干，把流经第二流量阀的流量称为ν湿。
先根据关系式(1)，确定湿干气体流量比值k；
式中，ν湿为湿气流速，即第一流量阀的读数；ν干为干气流速，即第二流量阀的读数；P5为鼓泡器内的压力，即压力控制装置的读数；P饱和为温度T，即温度计所指示温度下水的饱和蒸气压(可查表得出)，V水是所需的气氛水含量。
然后根据烧结气体所需的总流量ν总，ν总＝ν湿+ν干，可以确定干、湿气体流量ν湿、ν干设定值。
通过公式(2)和公式(3)得出湿气和干气流速调节第一流量阀和第二流量阀的流量，然后再看是否与水分仪显示的水含量吻合，如若不吻合则通过调节第一流量阀和第二流量阀的开度，直至水分仪中显示的水分含量与所需V水吻合为止。
附图说明
图1是混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置示意图；
其中1是气瓶；2是干燥管；3是第一流量阀；4是第二流量阀；5是鼓泡器；6是温度计；7是压力控制装置；8是混气罐；9是水分仪；10是烧结炉；11是控制柜；12是低温水槽。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本申请作进一步阐述。
实施例1
一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置，该装置包括气瓶1、干燥管2、流量阀、鼓泡器5、温度计6、压力控制装置7、混气罐8、水分仪9、烧结炉10及控制柜11，其中气瓶1内为氢氩混合气体，气瓶1出口通过连接管与干燥管2连接，以干燥氢氩混合气体中的水分，所述干燥管2是放置的是无水氯化钙或氧化钙。所述烧结炉10的材质是金属材料发热体钨或钼，以降低水气对发热体的腐蚀。
流量阀分为第一流量阀3和第二流量阀4；干燥管2远离气瓶1的一端通过两路连接管线分别与第一流量阀3和第二流量阀4的一端连接，其中第一流量阀3的另一端与混气罐8入口端连接，第二流量阀4的另一端与鼓泡器5连接；所述第一流量阀3、第二流量阀4和水分仪9是通过控制柜控制的。所述第一流量阀3、第二流量阀4的流量控制范围不应低于3000ml/min。
所述鼓泡器5为密封结构，通过低温水槽12进行温度控制的。鼓泡器5上端设置有进气管和出气管，其中进气管的一端与第二流量阀4连接，另一端伸入至鼓泡器5内纯水的液面之下；出气管从鼓泡器5液面上方上行至混气罐8入口端并与混气罐8入口端连接；所述鼓泡器5内的温度控制为环境温度或环境温度以下。
所述混气罐8出口端通过管线与水分仪9连接，以对混气罐8中的水分精确测定，水分测定满足需求则进入烧结炉10进行芯块烧结；若不满足设计需求则通过调节第一流量阀3和第二流量阀4的流量进而控制混气罐中的水分，以实现烧结氧势的控制。
所述混合氧化物芯块为UO2-PuO2、Gd2O3-UO2或UO2-CeO2芯块。
所述压力控制装置安装于鼓泡器5上方，用于测量鼓泡器5内的压力，压力控制装置7中包含压力计，精确度为1Pa。
利用本申请提供的装置能够调节烧结气氛中的水气含量，进而控制气氛中的氧势，最终达到控制MOX芯块氧金属比且能满足批量生产的要求。
Claims (9)
1.一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置，其特征在于，该装置包括气瓶、干燥管、流量阀、鼓泡器、温度计、压力控制装置、混气罐、水分仪、烧结炉及控制柜，其中气瓶内为氢氩混合气体，气瓶出口通过连接管与干燥管连接，以干燥氢氩混合气体中的水分；流量阀分为第一流量阀和第二流量阀；干燥管远离气瓶的一端通过两路连接管线分别与第一流量阀和第二流量阀的一端连接，其中第一流量阀的另一端与混气罐入口端连接，第二流量阀的另一端与鼓泡器连接；
所述鼓泡器为密封结构，鼓泡器上端设置有进气管和出气管，其中进气管的一端与第二流量阀连接，另一端伸入至鼓泡器内纯水的液面之下；出气管从鼓泡器液面上方上行至混气罐入口端并与混气罐入口端连接；
所述混气罐出口端通过管线与水分仪连接，以对混气罐中的水分精确测定，水分测定满足需求则进入烧结炉进行芯块烧结；若不满足设计需求则通过调节第一流量阀和第二流量阀的流量进而控制混气罐中的水分，以实现烧结氧势的控制。
2.根据权利要求1所述的一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置，其特征在于，所述混合氧化物芯块为UO2-PuO2、Gd2O3-UO2或UO2-CeO2芯块。
3.根据权利要求1所述的一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置，其特征在于，所述干燥管是放置的是无水氯化钙或氧化钙。
4.根据权利要求1所述的一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置，其特征在于，所述鼓泡器是通过低温水槽进行温度控制的。
5.根据权利要求1所述的一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置，其特征在于，所述压力控制装置安装于鼓泡器上方，用于测量鼓泡器内的压力，压力控制装置中包含压力计，精确度为1Pa。
6.根据权利要求1所述的一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置，其特征在于，所述烧结炉的材质是金属材料发热体钨或钼。
7.根据权利要求1所述的一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置，其特征在于，所述第一流量阀、第二流量阀和水分仪是通过控制柜控制的。
8.根据权利要求1所述的一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置，其特征在于，所述第一流量阀、第二流量阀的流量控制范围不应低于3000ml/min。
9.根据权利要求1所述的一种混合氧化物芯块烧结气氛氧势控制装置，其特征在于，所述鼓泡器内的温度控制为环境温度或环境温度以下。
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