一种在热室内调节镎、钚价态的装置及方法
阅读说明：本技术 一种在热室内调节镎、钚价态的装置及方法 (Device and method for adjusting valence states of neptunium and plutonium in hot chamber ) 是由 李峰峰 何辉 唐洪彬 叶国安 蒋德祥 刘金平 刘占元 李斌 申震 常尚文 郭建华 于 2020-04-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种在热室内调节镎、钚价态的装置,所述装置包括内筒、夹套筒、进样系统、出料系统、样品在线分析系统、调料鼓泡系统、液位测量系统、温度测量系统、压力测量系统。本发明所提供的装置适合于放射性、强腐蚀性场所使用,并且可以在热室内直接测量样品的吸光值,利用不同物质的光谱吸收峰来判断料液中的离子价态等信息。(The invention discloses a device for adjusting valence states of neptunium and plutonium in a hot chamber, which comprises an inner cylinder, a jacket cylinder, a sample feeding system, a discharging system, a sample online analysis system, a seasoning bubbling system, a liquid level measurement system, a temperature measurement system and a pressure measurement system. The device provided by the invention is suitable for places with radioactivity and strong corrosivity, and can directly measure the light absorption value of a sample in a hot chamber and judge information such as the ionic valence state in the feed liquid by using the spectral absorption peaks of different substances.)
技术领域
本发明涉及乏燃料后处理领域，具体涉及一种在热室内调节镎、钚价态的装置及方法。
背景技术
核燃料水法后处理是用沉淀、溶剂萃取、离子交换等在水溶液中进行的化学分离方法处理辐照核燃料的工艺过程，是核燃料后处理中通用的一类方法，一般包括以下三个步骤：第一步是先用机械法或化学法脱去燃料元件的外壳，将元件芯体(金属或氧化物)溶于硝酸中，这一步骤称为首端处理；对不锈钢或锆合金包壳燃料元件则采用切断－浸取的方法，即将元件切成小段，然后用硝酸将芯体浸取，而外壳不溶解。第二步是溶解液进入分离过程，分离过程是核燃料后处理的核心环节，它的作用是除去裂变产物，回收未用尽的和新生成的核燃料物质并进行分离。第三步是将分离纯化后的中间产品进行补充净化、浓缩及转化为所需的最终形态，称为尾端处理。
水法后处理流程中，靶材料经过溶解后，目标物离子进入溶液当中，需通过萃取工艺将其分离和纯化。为了得到要求的分离纯度，往往要经过多次的萃取(将目标元素萃入有机相)和反萃(将目标元素萃入水相)。不同价态的目标物离子，在有机相和水相中的分配系数不一样，为了实现萃取、反萃的过程，需要将目标物离子调成要求的价态，并破坏液流中过量的还原剂，以便逐步分离和纯化。
同时，热试验工艺研究调价过程需要在热室中完成。热室是具有强放射性和强腐蚀性场所，而调价实验过程通常使用简易的容器进行上述操作，存在一定的安全隐患及不确定性，因此需要设计一种适合于放射性、强腐蚀性场所使用的调价装置，并且可以及时在线监测反应釜内目标物质离子的价态等，以对调价反应过程有实时的监测与控制。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种在热室内调节镎、钚价态的装置及方法，以适合于放射性、强腐蚀性场所使用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种在热室内调节镎、钚价态的装置，所述装置包括内筒、夹套筒、进样系统、出料系统、样品在线分析系统、调料鼓泡系统、液位测量系统、温度测量系统、压力测量系统；
所述内筒包括内筒主体、上封头、下封头，内筒主体和上封头、下封头可拆卸地连接；
所述夹套筒设置在内筒主体下部的***，夹套筒与内筒主体之间填充有冷却水；
所述进样系统包括进料管和设置在内筒主体上的料液进口，进料管伸入内筒主体内，且出口朝下；
所述出料系统包括出料管和设置在上封头上的出料口，出料管一端伸入内筒底部，另一端连接真空系统进行抽料；
所述样品在线分析系统包括取样管和设置在上封头上的取样口，取样管穿过取样口，一端伸入内筒底部，另一端连接在线测量样品池，在线测量样品池后接有真空装置；在线测量样品池上设有光纤接口，可在线测量样品的吸光度；
所述调料鼓泡系统包括进气管、设置在上封头上的鼓泡器接口，进气管穿过鼓泡器接口底端连接有鼓泡环形管，进气管另一端与送气装置相连；
所述液位测量系统基于差压法来测液位，包括设置在上封头上的三个液位测量口，三个取压管分别穿过液位测量口伸入内筒主体内，取压管伸出上封头的一端分别接有吹气装置及差压变送器；
所述温度测量系统包括设置在上封头上的温度测量口及温度传感器；
所述压力测量系统包括设置在上封头上的压力测量口及压力测量装置。
进一步地，所述夹套筒上设置有冷却水进口、冷却水出口。
进一步地，所述鼓泡环形管水平放置，位置与下封头齐平。
进一步地，所述鼓泡环形管中心圆直径为220mm，等距开直径为2mm的小孔30个，开孔朝向正下方。
进一步地，所述上封头上设置有备用泄压口。
进一步地，所述上封头的顶部设置有放空口。
进一步地，所述下封头底部设置有排净口。
进一步地，所述压力测量口及压力测量装置均设置两个。
进一步地，所述出料管上装有阀门；所述在线测量样品池与真空装置之间设有中间罐。
本发明还提供了一种利用上述的装置调节镎、钚价态的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)通过进样系统将待调价的料液送入装置；
(2)对样品在线分析系统进行测试：连接样品在线分析系统的管路，通过在线测量样品池上的光纤接口，将样品池与分光光度计连接；将样品池串联在管路上，在线取样对样品进行吸光度分析；
以空白样或者不含目标物的硝酸溶液作参比，设定积分时间，根据朗伯-比尔定律，多次检测取平均值，在特定波长处出现了不同价态Np、Pu离子的特征吸收峰，则表明样品在线分析系统可在线测量不同价态Np、Pu离子的浓度；
(3)通过调料鼓泡系统，向待调价的料液中送入氮氧化物，将料液中的Np、Pu离子氧化；反应过程监测料液温度、压力和液位；调料过程和调料结束后分别测试料液中的离子价态和还原剂的含量；
(4)氧化调价结束后，采用空气鼓泡方式搅拌，将溶液中过量的亚硝酸脱除掉；通过负压或者隔膜泵将料液打入样品池，在线测量样品的吸光值。
(5)调料工艺结束后，取样分析料液的酸度，如不满足后续萃取分离工艺要求，可通过进料口逐渐加入计算量的硝酸，直至料液的酸度满足后续工艺要求，并取样分析目标物质浓度等。
本发明的有益效果在于：
(1)该实验装置在温和可控的反应条件下将含Np、Pu料液中的还原剂氧化；该实验装置可用于含Np、Pu料液中离子价态的调节并实现在线测量离子的价态及浓度；该实验装置可调节釜内料液酸度到工艺需求酸度；
(2)该实验装置能实时监测液位高度、反应釜内压力、温度等信息；
(3)该实验装置耐腐蚀、耐辐射，性能可靠，使用寿命长；管线、阀门等用快接方式，方便机械手操作，适用于在热室中使用。
附图说明
图1为本发明在热室内调节镎、钚价态的装置的结构示意图；
图2为本发明的装置的样品在线分析系统原理示意图；
图3为本发明的装置的液位测量系统原理示意图；
其中：1-上封头；2-下封头；3-内筒主体；4-进料管；5-出料管；6-冷却水进口；7-排净口；8-进气管；9-鼓泡环形管；10-小孔；11-第一取压管；12-第二取压管；13-第三取压管；14-密封套管；15-放空口；16-夹套筒；17-冷却水出口。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种在热室内调节镎、钚价态的装置，所述装置包括内筒、夹套筒、进样系统、出料系统、样品在线分析系统、调料鼓泡系统、液位测量系统、温度测量系统、压力测量系统；所述内筒包括内筒主体3、上封头1、下封头2，内筒主体3和上封头1、下封头2可通过法兰、螺栓可拆卸的连接。
所述进样系统包括进料管4和设置在内筒主体上的料液进口，进料管伸入内筒主体内，且出口朝下。料液由升液管进入气液分离罐后经进料管流入内筒中，料液的流量为210L/h，此时进料管的管径为25mm，料液进口的直径也为25mm。
所述调料鼓泡系统包括进气管8、设置在上封头上的鼓泡器接口，进气管8穿过鼓泡器接口底端连接有鼓泡环形管9，进气管另一端与送气装置相连；所述鼓泡环形管9水平放置，位置与下封头齐平；鼓泡环形管中心圆直径为220mm，等距开直径为2mm的小孔10，共30个，开孔朝向正下方。调价鼓泡器有两个用途，一方面，N2O4与空气的混合气可以通过鼓泡器分布后与料液进行反应；另一方面，反应后，通过鼓泡器引入吹扫空气，用于除去溶液中过量的亚硝酸(HNO2)。
所述出料系统包括出料管5和设置在上封头上的出料口，出料管5一端伸入内筒底部，另一端连接真空系统进行抽料；在管道上加装阀门控制压降或采用压空喷射器以控制真空度，防止料液被瞬时吸完。为腾出装置内空间，防止出料管与鼓泡环管过于靠近，出料管越小越好，但同时考虑管道弯头处堵塞的风险，管道不宜过小，此处选择直径为15mm的出料管，出料口的直径也为15mm。
如图2所示，样品在线分析系统包括取样管和设置在上封头上的取样口，取样管穿过取样口，一端伸入内筒底部，另一端连接在线测量样品池，在线测量样品池后接有真空装置；所述在线测量样品池与真空装置之间设有中间罐；在线测量样品池上设有光纤接口，可在线测量样品的吸光度。该样品池具有耐酸碱腐蚀、耐辐照、可通过机械手实现光纤与流通池的快速插拔等优点。样品在线分析过程如图2所示，需要测量样品时，用真空或者隔膜泵将料液提升到中间罐暂存，使得料液充满在线测量样品池。通过测量样品吸收峰的位置和测量值，获得样品中主要物质种类，价态组成和大致浓度范围。
所述液位测量系统基于差压法来测液位，包括设置在上封头上的三个液位测量口，如图3所示，第一取压管11、第二取压管12、第三取压管13分别穿过液位测量口伸入内筒主体内，取压管伸出上封头的一端分别接有吹起装置及差压变送器；差压测液位通过吹气法来实现，液位测量口和取压管的直径均为10mm。
所述温度测量系统包括设置在上封头上的温度测量口及温度传感器。温度传感器采用铠装芯(Φ6，316L，分度号PT100，带补强管)。温度测量口处设置密封套管14，套管材质为耐腐蚀材质，套管内径>6mm，温度传感器设置于套管内，与套管螺纹连接，可以方便从套管上在线拆卸下来，方便维护，而且可以全密封无泄漏。
所述压力测量系统包括设置在上封头上的压力测量口及压力测量装置。设备内压力微小，要采用差压变送器来测量。该调价过程反应剧烈，压力测量考虑冗余，设置差压变送器2台(测量元件316L，精度0.075级，接口1/2NPT)。为节约成本，采用吹气方式测量，在上封头上***10mm的取压管，压力测量口的尺寸也为10mm，而且取压管采用卡套连接，易于拆卸。
所述夹套筒16设置在内筒主体3下部的***，夹套筒16与内筒主体3之间填充有冷却水；所述夹套筒上设置有冷却水进口6、冷却水出口17。根据最大换热量为料液从75℃降至45℃放出的热量，换热速率qJ＝13957kJ/h，则通过计算可知所需冷却水量W水为0.667m3/h，冷却水进口、冷却水出口管口直径为20mm。
所述上封头的顶部设置有放空口15。放空设计尽量大，以降低气速，避免更多的液体被带入尾气处理系统。鼓泡器用气量Q＝5.0m3/h时，放空口取DN65，此时气体流速为0.38m/s。
所述下封头底部设置有排净口7。为了在试验阶段能够方便的将釜内料液排干净，故在釜底设置一个排净口，大小为DN25。在工程设备设计时取消，以避免泄漏。
所述上封头上还设置有备用泄压口，备用泄压口管口大小可取DN40。此口按满足压力泄放设计。该釜有可能引起超压的不利工况有：
a)N2O4进料失控，快速通入后反应短时间内放热，溶液沸腾、气化，引起超压；b)鼓泡吹扫时，主管上节流阀门全开，同时放空口被堵，气体无法顺利排出，造成超压。
利用上述的装置调节镎、钚价态的方法包括以下步骤：
(1)通过进样系统将待调价的料液送入装置；
(2)对样品在线分析系统进行测试：连接样品在线分析系统的管路，通过在线测量样品池上的光纤接口，将样品池与分光光度计连接；将一定光程的样品池串联在管路上，在线取样对样品进行吸光度分析；
以空白样或者不含目标物的硝酸作参比，设定积分时间，根据朗伯-比尔定律，多次检测取平均值，在特定波长处出现了Np、Pu离子不同价态络合物的特征吸收峰，则表明样品在线分析系统可在线测量不同价态Np、Pu离子的浓度；
(3)通过调料鼓泡系统，向待调价的料液中送入氮氧化物，将料液中的Np、Pu离子氧化；反应过程监测料液温度、压力和液位；调料过程和调料结束后分别测试料液中的离子价态和还原剂的含量；
(4)氧化调价结束后，采用空气鼓泡方式搅拌，将溶液中过量的亚硝酸脱除掉；通过负压或者隔膜泵将料液打入样品池，再次测量样品的吸光值。
(5)调料工艺结束后，取样分析料液的酸度，如不满足后续萃取分离工艺要求，可通过进料口逐渐加入计算量的硝酸，直至料液的酸度满足后续工艺要求，并取样分析目标物质浓度等。
实施例1
取一定体积含Pu料液，其中还原剂浓度0.1～0.3mol/L。用上述调价装置，将Pu调整为四价，硝酸浓度调整为2～3mol/L，料液中亚硝酸低于5mmol/L。
实验用N2O4鼓泡调离子价态，反应过程平稳，无爆沸和喷射状态，调料过程料液温度未超过50℃，调价过程和调价结束后分别测试料液中的离子价态和还原剂的含量和硝酸浓度，均符合下一步工艺要求。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。