[发明专利]一种分离燃料颗粒的核芯和包覆层的系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于核物理领域，具体涉及一种高温气冷堆包覆燃料颗粒的包覆层与核芯的分离与回收的系统和方法。

背景技术

包覆燃料颗粒主要由燃料核芯和包覆层构成，包覆层材料主要有热解炭、碳化硅、碳化锆等，主要功能是阻止核芯裂变产物的释放。其包覆层形式有单层和复合层两种，采用流态化化学气相沉积的方法在陶瓷核芯表面依次沉积形成。目前使用的燃料元件的包覆颗粒中，核芯依次被疏松热解炭层、内致密热解炭层、碳化硅或碳化锆层和外致密热解炭层包覆。由于制造工艺的局限性和偶然性，包覆燃料颗粒的制备存在一定的不合格品，回收这些不合格品内的燃料核芯对核材料的最大化利用具有重大意义。另外，辐照燃料研究中对样品的解剖及高温堆运行后产生的乏燃料的处理都可能需要将包覆层与核芯剥离。

由于包覆颗粒中的热解炭层很容易通过高温氧化法去除，因而不合格燃料颗粒的处理回收过程主要是分离SiC或ZrC层与燃料核芯。目前，将包覆燃料颗粒的包覆层（主要是SiC层）和核芯分离的方法有：机械压碎法(I.J.V.D.Walt,J.T.Nel,P.L.Crouse,et al,Journal of Nuclear Materials413,159～161(2011).)、熔融法、含氟等离子体刻蚀（赵云峰，陈靖,原子能科学技术42(5),416～422(2008).）、氟化法（D.Hittner,E.Bogusch,M.Futterer,S.d.et al,Nuclear Engineering and Design241,3490-3504(2011).）、和高压脉冲电流法（M.A.Futterer,F.v.d.Weid and P.Kilchmann,Proceedings of ICAPP'10,10219(2010).）等。

机械压碎法即是使用外力将包覆层压碎同时保证核芯的完整，从而将二者分离。由于不合格燃料颗粒在颗粒尺寸、SiC的厚度、强度上有较大的差别，因而使用压碎法过程中，力度不易控制且对设备的磨损较为严重。熔融法是使SiC在高温熔融盐中反应去除的方法。氟化法是使SiC在高温下与氟气或氯气中反应去除的方法。这两种方法均需要在在高温下进行，且具有极强的腐蚀性，对设备有较高的要求及高昂的维护成本。高压脉冲电流法是在水中通入高压/高强度脉冲,此时固体表面能够产生电弧并穿过固体进行传播，在很短的时间内产生高温、高压，从而将包覆层破碎。等离子体刻蚀则是利用氟等离子体与SiC能够生成气态产物的原理出去SiC层。这两种方法目前尚属于实验研究阶段，与工业应用尚有很大距离。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服上述现有技术的不足、能实现燃料元件的包覆颗粒核芯与包覆层分离“连续批量、简单易控”的方法及实现该方法的设备。

实现本发明目的的技术方案为：

一种分离燃料颗粒的核芯和包覆层的系统，其包括喷射装置、挡板、旋风分离器、除尘器；

所述喷射装置设置有物料入口和喷射出口，所述喷射出口垂直于挡板平面，喷射出口与挡板的距离为5-15cm；

所述旋风分离器设置有物料进口、气体出口、颗粒出口，所述气体出口与除尘器连接。旋风分离器配有风机，可以通过阀门及挡板调节风压和气速。

其中，所述颗粒出口还连接有颗粒收集容器，所述颗粒收集容器内设置有筛网，所述筛网的孔径大小为0.5-0.6mm。

其中，所述颗粒收集容器侧壁和底部均设置有出口，侧壁的出口位于筛网上方，其连接有颗粒容器；底部的出口连接有核芯容器。

其中，所述喷射装置内径为2-20mm，长度为5-20cm,优选内径为4-8mm,长度为10-15cm

优选地，所述喷射出口与挡板的距离为8-10cm。

其中，所述挡板的下方还设置有集料容器，所述集料容器与旋风分离器物料进口连接。其中，所述除尘器为布袋除尘器、静电除尘器、脉冲滤桶除尘器或降尘室中的一种。

一种分离燃料颗粒的核芯和包覆层的方法，其包括步骤：

用气流载带燃料颗粒，通过喷射装置喷射到挡板上，燃料颗粒被冲击破碎后进入旋风分离器，旋风分离进口风速为20-55m/s，优选为25-45m/s。风压为700-1800Pa,优选为800-1500Pa，旋风分离器分离出的颗粒经过筛网被分离为未破碎完全的颗粒和核芯；旋风分离器排出的气体经过除尘器净化。

其中，所述载带燃料颗粒的气流为非易燃易爆气体的气流，选自氮气、氩气、空气或其混合气；载带的气流气压为0.4-1.2MPa。