工程设计的Voloxidizer双船体分离的反应堆乏燃料棒

文摘

voloxidizer与双反应器能够处理几十公斤的HM /批核乏燃料开发的去壳和voloxidation rod-cuts船体和颗粒通过UO的转换₂球到U₃O₈粉。在这项研究中,我们的工程设计优化voloxidizer改善其hull-recovery比率。首先,我们的氧化性能测试设备原型和评估各种机械和化学voloxidizing方法的有效性。结果的基础上,我们选择了screw-and-rotation方法双转鼓。接下来,我们推导出的理论公式计算最优为各种rod-cut反应堆体积重量和长度,然后验证方程使用厘米级丙烯酸反应堆和船体。随后,我们模块化的主要部件,如加热器,效用,电机,反应堆,阀门,和结构。双反应器外壳的初步分离测试和粉末。此外,hull-separation voloxidizer反应器的性能测试的装载50公斤嗯/批处理。最后,远程模块的组装和拆卸可能性实验优化。

1。介绍

乏燃料是不可避免和高放射性副产品使用核反应堆发电。然而,它可以是一个资产有效回收。乏燃料积累在韩国,发展的可靠和有效的方法管理乏燃料已成为优先考虑的韩国原子能研究院(KAERI)。因此,相当大的努力正在致力于开发一种管理技术,提高了环境友好扩散阻力和使用可用的能源资源(1,2]。自1997年以来KAERI发展高温冶金加工。高温冶金加工由前端流程、电化学过程和废物处理流程。高温冶金加工等优势水过程扩散的风险较少,治疗与相对较高的热量和放射性核废料,和紧凑的设备。高温冶金加工的目的是测试过程的单元过程性能,远程操作的设备,集成单元过程,扩大的过程,和小型化的设备。同时,扶轮voloxidizer前端过程中需要获得非常高的去壳效率(3]。此外,KAERI正在开发一种机械高端高温冶金加工过程,需要拆卸,rod-extraction, rod-cutting, voloxidation,乏燃料组件的压实。此外,voloxidizing设备能够处理几十公斤的HM /批处理正在开发供应₃O₈粉末压实过程。

提高船体和粉末的采收率voloxidizer和远程可操作性在有限的空间里,反应堆的设计优化和模块化。为此,本研究调查了voloxidizer工程设计的四个阶段:机制设计、反应器设计、模块化设计和性能测试。首先,提高采收率的氧化装置,当前设备原型的氧化性能进行了测试。接下来,设计主要voloxidizing机制,我们评估各种机械和化学voloxidizing方法。结果的基础上,我们选择了双转鼓screw-and-rotation方法(4]。对于反应堆设计,体积常数得到各种管长度,使用一个理论公式推导。随后,三维(3 d)反应堆模型被设计使用的理论方程和SolidWorks设计软件。验证测试的丙烯酸船和zircaloy-4 (zry-4)管的各种重量和长度显示发达模型高度准确,误差只有0.02% - -0.04%。

对于设备的模块化设计,我们选择的主要组件,即加热器,效用,电机,反应堆,阀门,和结构,和远程分析了所选组件组装和拆卸的可能性等因素的可见性、干扰,方法,和重量来获取模块化设计最适合的目标模块。

与双反应器voloxidizer将所有提出的改进设计和制造。确定其hull-recovery比率,第二个hull-separation preperformance进行了测试使用30 mm的船体和模拟粉(球)50公斤HM /批处理的负荷。最后,远程模块的组装和拆卸可能验证使用起重机和操纵者。

2。设计Voloxidizer双反应器

2.1。前端的过程

图1是一个流程图的前端的过程。前端流程技术、高温冶金加工的关键技术之一治疗氧化物燃料,已经有了显著的进步,因为它提出了KAERI年代末。高温处理的主要目标是降低热负荷,放射性,体积的乏燃料处理的发热元件和金属氧化物燃料转化成燃料处理和/或回收(5]。这个过程是由两个独立的进程:voloxidation和压实。在voloxidation阶段,丸形乏燃料粉吹气下通过氧化;这个流删除一些挥发性裂变产物产生的₃O₈粉(6]。随后,在压实阶段,₃O₈在压实机形成U粉处理₃O₈球团矿。压实过程的回收效率取决于hull-powder分离能力。

在这项研究中,double-reactor voloxidizer在四个阶段:优化机制设计、反应器设计、模块化设计和性能验证(图2)。此外,我们检查了hull-recovery设备的效率。

2.2。机制设计

提高hull-recovery比氧化装置,首先,hull-separation当前设备样机的性能测试使用炉循环在132 rpm和Zry-4船体50毫米的长度和重量2.5公斤(132:船体)负载在500°C(图3)。测量hull-recovery比率为98%。剩下的2%不可能恢复船体走进复苏容器在氧化前完成;这是由于高加速度,45°进口角,和旋转的离心力反应堆以及不同的热膨胀sus - 304螺丝和锆合金棒夹在反应堆。

第二,设计主要voloxidation机制,我们评估各种机械methods-slitting、球磨、辊整理和化学methods-muffle炉和旋转窑voloxidation [7,8]。结果的基础上,我们选择了双转鼓的screw-and-rotation方法增加hull-recovery比率。如图4rod-cuts中,通过这种方法,颗粒很容易氧化在500°C,氧化后,船体可以分开使用的不赞同机制螺丝。因此,我们推导出voloxidizing机制去壳高采收率的乏燃料棒利用double-reactor机制,在反应堆内部和外部的反应堆是用于获得稳定的氧化物粉末同时分离颗粒和船体。

在这种方法中,double-reactor voloxidizer对去壳包括反应堆乏燃料棒与double-reactor结构模块,加热器加热反应堆模块的模块,驱动模块驱动反应堆模块(9]。double-reactor由内部反应堆的乏燃料棒被加载,和外部反应堆形式的外圆周表面内部的反应堆。第一和第二传输部分的内表面上形成的内部和外部的反应堆,分别和乏燃料棒进入第一和第二传输部分和氧化时,内部和外部的反应堆是旋转,分别。

反应堆首次在顺时针方向旋转8 h,在内部反应堆的乏燃料棒加载朝着输入部分由第一运输部分和氧化;随后,反应堆内部的棒移动通过重力外部反应堆内部网格,完全氧化。接下来,反应堆是逆时针方向旋转8 h,在此期间氧化棒移向驱动模块和分为颗粒和船体。换句话说,当反应堆是顺时针方向旋转,乏燃料棒是搬到内部的一端反应堆和氧化;在这个运动,棒不通过内部网格。后,燃料棒被通过内部网格和由重力移动到外部反应堆。接下来,当反应堆是逆时针方向旋转时,完全氧化铀棒被搬到另一端的外部反应堆和排放颗粒和船体通过各自的渠道。

voloxidizer的新设计是利用SolidWorks热机械分析主题,设计软件包,和COSMOSWorks,分析软件包(数字5- - - - - -7)。一些组件的材料,如轴、网格、和加热器模块,受到热分析(10]在如下边界条件:反应堆材料=铬镍铁合金601,温度= 500°C,和压力等于大气压力。

优化反应器的温度,我们测量温度的变化改变加热器之间的差距和反应堆(25、35和45厘米)。结果表明,35毫米的间隙保护下阀组件。此外,我们分析了传热特征的范围250 - 750°C(图6)[11reactor-heater差距的35毫米。结果表明,保持最佳温度(500°C)反应堆,反应堆的出口温度应该超过600°C。

我们进行了变形分析来确定适当的转轴直径下如下边界条件:(1)反应堆材料=铬镍铁合金601;(2)组件的重量,包括燃料、固定在转轴= 95公斤的分布式负载;(3)最大轴表面温度= 800°C;(4)轴承两端的轴是固定的,和(5)轴直径= 50 mm。分析结果呈现在图7表明,直径50毫米的轴有足够的结构强度,是安全的。

2.3。反应堆设计

获得rod-cuts恒定体积,我们使用rod-cut维度年轻Gwang乏燃料中使用的模型(压水式反应堆:压水反应堆,16×16;外直径= 9.5毫米)。

我们测量了大部分(无振动)和紧凑的20分钟(振动)体积变化长度不同的音管(2、3、5、7、9和10厘米)使用一个两升的烧杯和通过应用(1)和(2),分别为(表1和图8): 哪里管体积总量管并排堆积。

的体积和体积压缩比率rod-cuts可以获得使用(3)和(4),分别为: 在哪里是总体积不变,是体积压实常数,和是设在拦截,和倾斜,切割长度。

大部分rod-cut体积可以计算如下。

首先,rod-cut之一是得到的体积乘以其剪截面积 和rod-cut长度()。第二,获得的总体积堆rod-cuts乘以rod-cuts的数量(),每个rod-cut的体积 。然后,rod-cut的散装总额可以通过乘以rod-cut堆总额 和rod-cut体积常数()。最后,rod-cut的实际总体积()可以通过添加rod-cut的批量总量 和轴卷 所示(5)和图9。在这里,出口直径rod-cut乏燃料组件的类型不同。然而,即使乏燃料组件的类型变化、体积常数rod-cut仍然是固定的 在哪里rod-cuts的实际总体积,rod-cuts体积不变,是rod-cut长度,rod-cuts数量, 每个rod-cut的剪截面积, 是总rod-cuts的总体积, 轴截面积,轴长度。

使用rod-cut体积方程,3 d模型的反应堆和丙烯酸容器被设计利用SolidWorks各种rod-cut长度和重量12(数据)在下列反应堆设计条件10和11):(1)边界条件:内径= 300毫米。(2)反应堆充满rod-cuts 50%。(3)乏燃料= 5、20、50、100公斤。(4)船身长度= 3、5、7、10厘米。

来验证这个理论方程,厘米级反应堆和船体用给定的重量和长度表示上面有(图制造12)从丙烯和9.5毫米zry-4管,分别。丙烯的船体是反应堆和被占领的卷测量作为他们的重量和长度的函数。结果表明,理论公式的错误只有0.02% - -0.04%(图13)。

2.4。模块化设计

我们回顾了文献在模块化设计和发现,一般来说,模块化设计过程很难适用于所有设备(13,14]。因此,只有主要组件,即加热器、效用、电机、反应堆,阀门,和结构(数据(14日)- - - - - -14 (b)),被选为模块化和修改。此外,我们分析了远程voloxidizer的可操作性和可维护性。远程组装和拆卸的可能性选择模块的可见性等因素,分析了干扰,方法,和重量,我们相应地开发最终的模块化设计。这些components-some的模块化的商用(如螺栓、法兰、电机和阀门),其中一些是独一无二的(例如,反应堆)——之前分析(15,16]。

voloxidizer建模利用SolidWorks,如图15。新double-reactor voloxidizer乏燃料处理提供了一种机制,能够粉碎rod-cuts使用空气和热;其模块化结构使它易于维护和远程维修,和运营商可以保持远离高放射性热细胞。

建模voloxidizer有以下组件:voloxidizer能够处理50公斤的乏燃料,模块反应堆乏燃料的放置和氧化,加热模块反应堆加热模块温度高,实用程序模块来控制反应堆的内部条件模块,支持模块支持反应堆加热模块和模块,驱动模块反应堆内的乏燃料模块移动,阀模块控制放电反应堆乏燃料的模块,并收集容器模块收集排放废弃的核燃料。相应的模块可以拆卸和组装17]。

3所示。结果与讨论

3.1。初步分离试验

图(16日)提出了一种去壳double-reactor结构,产生一个改进的船体和粉采收率和颗粒氧化效率。如图,rod-cuts进入入口插入旋转反应器和反应在500°C;rod-cuts内的颗粒氧化,粉滴反应堆B形成均匀、稳定的氧化粉末。接下来,在逆时针方向旋转双反应堆,粉和船体分离。图16 (b)显示的改进和模块化voloxidizer长度1500毫米,宽度1200毫米,高1600毫米。

改进voloxidizer接受初步船体和粉分离检测和回收比率测量使用53削减zry-4船体(∅9.5×30毫米),对应于1公斤的乏燃料。铜球(∅1毫米,110克)被用作替代粉末。在中山教授等人的研究4),氧化实验后,大约95 - 99 wt %的最初指控燃料的总量仍在voloxidizer。然而,在改善voloxidizer粉和hull-recovery比率是100%,恢复时间大约是150年代(数字(17日)- - - - - -17 (c))。

3.2。Voloxidizer测试

voloxidizer性能进行了测试,如图(18日);没有观察到反应器气体泄漏,核反应堆旋转操作,进口和出口阀操作,和远程操作测试都有利的500°C的反应堆温度16 h。如图18 (b)升温速率,直到它稳定在500°C,是3.3°C /分钟(约150分钟)。然而,一个过电压最初观察到。此外,在输入氧气浓度(O₂)的50%和5%,分别为反应堆饱和时间37和150分钟。

3.3。Hull-Separation测试

确定的采收率反应堆,反应堆和测量系统进行了测试,如图19,负载50公斤HM /批处理在下列条件:反应堆自转速率= 3 - rpm无振动。复苏比率为100%的范围在3 - 10转10 - 50公斤rod-cuts(数字20(一个)- - - - - -20 (c)和表2)。然而,当转速超过20 rpm,外壳没有分开。找出失败的原因,一个丙烯反应堆是根据三维模型制造和测试。测试结果显示,船体未能退出反应堆由于离心力(图20 (d))。

3.4。模块化测试

远程组装和拆卸的可能性模块化反应堆和乏燃料负载测试验证HM 50公斤/批(图21)使用起重机和操纵者。模块的组装和拆卸时间之间的变化(表53和72分钟没有任何困难3)。

4所示。结论

voloxidizer与双反应器能够处理几十公斤的HM /批核乏燃料一直由KAERI去壳和voloxidation rod-cuts船体和颗粒通过UO的转换₂球到U₃O₈粉。在这项研究中,double-reactor voloxidizer在四个阶段:优化机制设计、反应器设计、模块化设计和性能验证。此外,我们检查了hull-recovery设备的效率。设计的主要voloxidizing机制,我们评估各种机械和化学voloxidizing方法。结果的基础上,我们选择了screw-and-rotation方法双转鼓。使用rod-cut体积方程,3 d模型的反应堆和丙烯酸容器被设计利用SolidWorks各种rod-cut长度和重量。结果表明,理论公式的错误只有0.02% - -0.04%。随后,我们模块化的主要模块,即加热器,效用,电机,反应堆,阀门,和结构,和远程组装和拆卸的可能性选择模块的可见性等因素,分析了干扰,方法,和重量来获取模块化设计最适合的目标模块。确定的采收率反应堆,反应堆和测量系统进行了测试,如图19,负载50公斤HM /批处理在下列条件:反应堆自转速率= 3 - rpm无振动。复苏比率为100%的范围在3 - 10转10 - 50公斤rod-cuts。然而,当转速超过20 rpm,外壳没有分开。找出失败的原因,一个丙烯反应堆是根据三维模型制造和测试。测试结果显示,船体未能退出反应堆由于离心力。此外,远程组装和拆卸的可能性模块化反应堆和乏燃料负载测试验证HM 50公斤/批(图21)使用起重机和操纵者。模块的组装和拆卸时间不同53至72分钟没有任何困难。这个设计过程可以帮助进一步优化设计的紧凑voloxidizer效率高。

缩写

嗯:	重金属
转:	转每分钟
KAERI:	韩国原子能研究院
UO2,你3O8:	氧化铀
SUS:	钢使用不锈钢
压水式反应堆:	压水反应堆
:	总体积常数
:	压缩体积常数
和 :	设在拦截
和 :	偏
:	切割长度
:	实际rod-cuts的总体积
:	rod-cuts体积不变
:	Rod-cut长度
:	长度
:	rod-cuts数量
:	每个rod-cut的剪截面积
:	rod-cuts批量总量
:	轴截面积
:	轴的长度
例如:	例如。

信息披露

部分本文在进行印刷KNS 2015春季会议(济州岛,韩国,可能7 - 8,2015)。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关出版研究的这篇文章。

确认

这项研究是2012年由格兰特m2a8a5025696韩国国家研究基金会,这是由科学技术部,韩国。

引用

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