一種球形燃料元件解體裝置的製造方法

2023-12-11 01:20:27

本發明涉及一種球形燃料元件解體裝置，屬於核燃料元件後處理技術領域。

背景技術：
高溫氣冷堆(HTGR)以其固有安全性好、發電效率高、用途廣泛等優點受到了世界各國，特別是發展中國家的重視，有望作為第四代先進反應堆型之一得以廣泛應用。高溫氣冷堆屬於模塊式球床堆，其球形燃料元件的直徑為60mm，是由包覆燃料顆粒(直徑約為0.92mm)和基體石墨粉混合壓製成燃料芯球(直徑為50mm)，再在燃料芯球外面壓制5mm厚的基體石墨殼構成，每個球含鈾約5-7g。球形燃料元件在高溫氣冷堆內運行，燃耗達到一定要求後排出成為乏燃料球，其中含有鈾、裂變產物、超鈾元素等。為了進一步提高高溫氣冷堆安全性，改進燃料元件的設計和製造水平，亟需開展球形燃料元件輻照後性能研究，探索包覆顆粒在堆內和事故狀態下的破損機制。這就需要將輻照後的燃料元件解體，獲得與石墨基體分離並且結構完整的包覆顆粒樣品；同時，還需要保留顆粒在元件中的相對位置信息，為包覆燃料的破損研究提供更多線索。目前，將球形燃料元件中解體並分離出包覆顆粒的方法有很多種，例如氧化法、燃燒法、機械破碎法、電解法等。其中，氧化法採用強氧化性物質(如液Br2)腐蝕燃料元件的石墨層，但是強氧化劑對常規設備的腐蝕性使該方法的應用受到很大限制；直接燃燒法和機械破碎法耗能高、汙染大、容易破壞包覆顆粒的層結構，而且無法得到顆粒的位置信息。專利CN1885439A及CN101252028A公開了一種基於電解插層氧化法對基體石墨球剝離和破碎的方法，在適當的電解電流及電解液條件下能夠實現石墨球的解體破碎。電化學解體方法條件溫和、易於控制，但在上述兩個專利文獻中無法獲得包覆顆粒的位置信息，且不適合在密閉的屏蔽室，如熱室或手套箱中通過機械手進行遠距離操作。

技術實現要素：
本發明的目的是提出一種球形燃料元件解體裝置，以適用於高溫氣冷堆球形燃料元件輻照後性能的研究。本發明提出的球形燃料元件解體裝置，包括底座、門形立柱、旋轉電機、升降模塊、旋轉模塊、懸臂支架、電解池、絲槓電機、標尺、網狀陰極、滾珠絲槓、絲母、滑座、夾具、連接架、直流電源、限位開關、導軌和開口槽；所述的門形立柱的一側固定在底座1上，立柱上有開口槽，旋轉模塊與門形立柱的另一側相對固定；所述的懸臂支架的短臂與旋轉模塊的輸出軸聯動，旋轉電機固定在懸臂支架的長臂的端部；所述的升降模塊固定在門形立柱一側的上部或下部；所示的電解池通過連接架與絲母相對固定；在升降模塊的作用下，絲母帶動電解池沿著開口槽在滾珠絲槓上做豎直上下運動，並通過滑座和導軌的結合作用保持穩定；電解池中設有網狀陰極，網狀陰極與直流電源的負極相連接；待解體燃料元件通過夾具與旋轉電機的輸出軸聯動，輸出軸與直流電源的正極相連接。本發明提出的球形燃料元件解體裝置，其優點是，能夠將包覆顆粒從石墨基體中逐步剝離出來，且能從外到內在元件不同半徑處取樣，用於輻照後燃料元件中包覆顆粒的破損機理研究和燃耗及裂變產物的分析。由於輻照後的燃料元件具有很強的放射性，該裝置還易於在密閉的屏蔽室內通機械手進行遠距離操作。本發明提出的球形燃料元件解體裝置，設備緊湊，操作方便，易於實現遠程控制，能夠明確破損包覆顆粒在燃料元件中的具體位置,非常有利於輻照後或熱處理後燃料元件中包覆顆粒的破損機理研究和燃耗及裂變產物的分析，並有效避免各批次樣品間的幹擾及汙染。附圖說明圖1是本發明提出的球形燃料元件解體裝置的結構示意圖。圖2是圖1所示的球形燃料元件解體裝置的右視圖。圖3是圖1所示的球形燃料元件解體裝置中升降模塊為旋轉手柄、旋轉模塊為懸臂支架手動弧形旋轉時的結構示意圖。圖4是圖1所示的球形燃料元件解體裝置中升降模塊為絲槓電機、旋轉模塊為旋轉電機的結構示意圖。圖5是本發明提出的球形燃料元件解體裝置二步電解的示意圖。圖1—圖4中，1為底座，2為門形立柱，3為旋轉電機，4為懸臂支架，5為待解體燃料元件，6為電解池，7為升降模塊，8為旋轉模塊，9為標尺，10為網狀陰極，11為滾珠絲槓，12為絲母，13為滑座，14為夾具，15為連接架，16為直流電源，17為限位開關，8為導軌，19為開口槽。具體實施方式本發明提出的球形燃料元件解體裝置，其結構如圖1所示，包括底座1、門形立柱2、旋轉電機3、升降模塊7、旋轉模塊8、懸臂支架4、電解池6、絲槓電機7、標尺9、網狀陰極10、滾珠絲槓11、絲母12、滑座13、夾具14、連接架15、直流電源16、限位開關17、導軌18、開口槽19。門形立柱2的一側固定在底座1上，立柱上有開口槽19，旋轉模塊8與門形立柱2的另一側相對固定。懸臂支架4的短臂與旋轉模塊8的輸出軸聯動。旋轉電機3固定在懸臂支架4的長臂的端部。升降模塊7固定在門形立柱2一側的上部或下部。電解池6通過連接架15與絲母12相對固定；在升降模塊7的作用下，絲母12帶動電解池6沿著開口槽19在滾珠絲槓11上做豎直上下運動，並通過滑座13和導軌18的結合作用保持穩定。電解池6中設有網狀陰極10，網狀陰極10與直流電源16的負極相連接。待解體燃料元件通過夾具14與旋轉電機3的輸出軸聯動，輸出軸與直流電源16的正極相連接。以下結合附圖，詳細介紹本發明提出的球形燃料元件解體裝置的工作原理和工作過程：本球形燃料元件解體裝置包括電機系統和電解系統兩部分。所述電機系統包括底座1、門型立柱2和帶動待解體燃料元件5沿軸心線做旋轉運動的旋轉電機3、固定旋轉電機3的懸臂支架4。懸臂支架4安裝在門型立柱2上；懸臂支架4與定位軸鉸接，可以以定位軸為中心弧形旋轉，弧形運動可以通過與定位軸相連的旋轉模塊8實現。門形立柱2上裝有限位開關17，用於控制旋轉模塊8帶動懸臂支架4旋轉位置，包括水平和豎直兩種狀態。連接於旋轉電機3軸上的待解體燃料元件5的球心與定位軸軸心線在同一直線上；旋轉電機3的轉速範圍0.5-30rpm。所述電解系統包括直流電源16、電解池6、以及與位於電解池中的網狀陰極10。直流電源16的正極與待解體燃料元件5相連形成陽極，負極與網狀陰極10相連作為陰極。電解池6位於待解體燃料元件正下方，可以上下移動。電解池6的上下移動通過與之相連的滾珠絲槓11完成，滾珠絲槓11垂直於底座，滾珠絲槓11的傳動通過升降模塊7帶動絲母12、滑座13、連接架16實現電解池6的上下移動。在立柱上裝有標尺9，用於判斷電解池的行程距離，以控制電解元件的長度。直流電源16的正極與旋轉電機3的軸以滑環形式接觸。網狀陰極的材料為Pt，或Pt與銥合金，尺寸為(0.5-1cm)×(0.5-1cm)。其中，升降模塊7可通過旋轉手柄(如圖3中所示)或絲槓電機(如圖4中所示)實現。旋轉模塊8可通過支架4以定位軸為中心手動弧形旋轉實現(如圖3所示)，也可通過與定位軸相連的旋轉電機實現(如圖4所示)。燃料元件解體分為水平解體與豎直解體兩步，如圖5所示。首先，令待解體燃料元件5軸線與電解池6內電解質液面呈相對平行位置，由旋轉電機3帶動燃料元件球緩慢旋轉，燃料元件球進入電解池6中的部分逐漸被電解，直到待解體燃料元件5成為所需尺寸的柱狀樣品，至此為一步電解。隨後，使一步電解後得到的待解體燃料元件5的柱狀樣品軸心線與電解池內硝酸液面呈相對垂直位置，通過電解池6再次向上移動，緩慢電解燃料元件柱狀體，隨著柱狀體解體過程的進行，延柱狀樣品軸向方向分段取樣，可獲得在燃料元件球不同半徑處的包覆顆粒樣品.直至元件包覆顆粒完全解離為止，至此為二步電解。以下是採用本裝置將球形燃料元件解體的例子。電解初始，通過旋轉模塊8使懸臂支架4、旋轉電機3及待解體燃料元件5旋轉至水平位置，調節升降模塊7使燃料元件浸入至硝酸電解液面1cm左右，開啟直流電源，燃料元件作為陽極與電解池中電解液的陰極形成電場，在電壓6V、電流6A、電機1轉速為2rpm、電解池升高速度為1cm/h的條件下，由旋轉電機3帶動燃料元件5緩慢旋轉，開始進行解體，燃料元件進入電解池中的部分逐漸被電解。通過控制升降電機7使電解池逐漸向上移動，3h後停止電解池升高，直至待解體燃料元件5與硝酸液面脫離接觸後，切斷直流電源。控制升降電機7帶動電解池逐漸向下移動至最底端，收集解體後樣品待檢。將解體後得到的基體石墨粉、燃料元件包覆顆粒以及電解池中的硝酸電解液抽取至樣品瓶中，標記為樣品1。此後，啟動旋轉模塊8使懸臂支架4、旋轉電機3及待解體燃料元件5旋轉至待解體燃料元件5柱狀樣品與電解池中的硝酸液面呈豎直位置，向電解池中補入硝酸電解液10mL，啟動升降模塊7升高電解池，至柱狀燃料元件最下端浸入硝酸液面0.6cm。開啟直流電源，在電壓6V、電流6A的條件下，對柱狀燃料元件進行解體，直至燃料元件與硝酸液面脫離接觸後，啟動升降模塊7使電解池逐漸向上移動電解燃料元件柱狀體，每上升0.6cm取樣一次，切斷直流電源，將解體石墨粉、包覆顆粒及硝酸電解液抽取至樣品瓶中。每次取樣後向電解池內補足新鮮電解液。電解池每次提升和下降的位移用標尺來確定。以此往復10次後，將所得解體樣品標記為樣品2-11。所得樣品待進一步分析檢測。通過上述解體操作，將燃料元件中的包覆顆粒從石墨基體中逐步剝離出來，且能從外到內在元件不同半徑處取樣，保留了燃料顆粒在元件內的位置信息。