[发明专利]电磁感应炉和所述炉用于熔化金属和氧化物的混合物的用途，所述混合物代表堆芯熔融物

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁感应炉，旨在熔化至少一种导电材料，例如氧化物和/或金属，其包括具有至少一匝的至少一个感应器和适于至少冷却所述感应器的至少一个冷却回路。

本发明尤其涉及一种新的传热流体在至少一个冷却回路中的用途。

本发明特别针对的一种炉是被称为冷坩埚炉的炉，也被称为自坩埚炉。

尽管参照冷坩埚炉描述，本发明也适用于任何电磁感应炉，无论它是用坩埚，即用限定容器的物理壁，如由耐火材料或金属材料制成的坩埚生产的还是不用坩埚生产的。

所针对的一个特别有利的应用是金属和氧化物，如氧化铀UO₂的混合物的熔化，所述混合物代表堆芯熔融物，目的是研究所述堆芯熔融物与传热流体如液态水或钠的相互作用。堆芯熔融物是熔融材料(UO₂、ZrO₂、Zr、钢)的混合物，其在严重的核事故情况下，在核燃料和核控制棒组件的熔化过程中能够形成。

尽管参照堆芯熔融物的熔化描述，本发明也适用于其中需要冷却回路的任何导电材料的电磁感应熔化。因此，本发明特别适用于在铸造或冶金中使用的炉。

背景技术

在铸造或冶金领域中，材料的生产通常要求它们被熔化并保持在其液体状态足够长的时间，以获得相对于各种成分液体的均化或温度的均化或使化学反应在液体内实施。为了做到这一点，重要的是，湍流混合搅拌液体。因此，在这些领域中，用于实施大量金属的熔化的很常见的方法是在坩埚炉中的电磁感应加热。这种方法的主要优点是其使用简单，其效率和它避免了热能的源和金属之间的任何接触的事实。

图1中示出的是感应炉1，其包括坩埚2，其旨在容纳装料3，也就是说一定质量和体积的导电材料。坩埚2被在一定的高频下提供交流电的感应器4包围，为了通过电磁感应加热容纳在坩埚中的装料3。

如在图1中示出的，坩埚的壁由耐火材料，例如石墨制成。这些坩埚的一个缺点是，它们的壁上升到装料的温度。因此，构成这些壁的耐火材料和其中包含的杂质能够扩散到装料中，这在坩埚旨在容纳高反应性的材料，例如基于钛或硅的合金的情况下尤其麻烦，处理其旨在提供非常高纯度的产物。这也是本发明人在具体实施的领域中的麻烦：特别是他们已经面临着需要实施金属和氧化物的混合物-代表堆芯熔融物(UO₂、ZrO₂、Zr、钢)-的熔化。然而，不仅出现耐火材料向装料扩散的同样问题，而且用于熔化堆芯熔融物达到的温度约是3000K，UO₂的熔点为该数量级。由于高温金属的存在，除氧化钍(ThO₂)(由于钍(Th)的放射性性质，使得提供其是不可能的)之外，没有耐火材料能够承受该温度。

因此，用于使用耐火材料和/或具有非常高熔点的材料实施反应材料的熔化的可能的解决方案在于使用一种使用电磁感应加热的相同原理，但被称为冷坩埚或其他冷壁坩埚的坩埚。文献中还提到自坩埚型的感应炉，因为，在炉的内周上，靠着冷壁形成装料的实际材料的凝固层，其可被认为构成坩埚的内壁。冷坩埚炉已经少量地行之有效，典型的是几十公斤的金属装料。

在图2中作为顶视图表示的是这样的冷坩埚1’：坩埚2是由导电材料制成的壁形成，垂直地划分成若干个空心，相互电绝缘的纵向段20。这些段20通常由金属，如具有低电阻率和具有良好的热传导品质的优点的铜制成。此外，这些段内部通过冷却剂(未示出)，通常为水的流。该冷却剂使得有可能使段20的内表面与液体装料在远低于装料的熔点，通常低于300℃的温度下保持接触。

该坩埚2被布置在感应器4的内部，感应器4提供有在段20中产生感应电流I的交流电I，电流I由通过坩埚的内壁的流关闭且它们在其中产生磁场。因此，在感应器4中流过的高频电流在每个段20中产生周电流。在每个段20的内壁上的供给为类似于在感应器中流过的电流的电流I乘以感应器的匝数。在每个段20的内周上的所有电流产生适合于加热坩埚容纳的装料的电磁场。实际上，在这样的坩埚中的任何导电材料是感应电流的场所，感应电流与感应器4产生的磁场相互作用，导致被称为拉普拉斯力的电动势的出现。因此，感应电流使得将装料的材料加热直至发生熔化和液体装料由于拉普拉斯力而混合成为可能。

由于冷却回路，段20的内表面的温度远低于熔融装料的温度，且熔融材料的快速凝固发生在其与坩埚2的段20以及与炉的底部(也称为底板)接触时，这创建了固体扩散阻挡层防止段的材料和熔融材料之间的任何反应。换言之，通过装料的凝固创建了几毫米之上的薄外壳。