一种高放射性粉末自动取样装备的研制

2022-03-06艾利君周国梁邓锡斌

设备管理与维修 2022年2期

艾利君，周国梁，邓锡斌

（中核四○四有限公司，甘肃嘉峪关 735100）

0 引言

铀资源短缺和巨量的乏燃料贮存，制约着国家核能产业的发展。加快乏燃料后处理能力，建设先进的核燃料（MOX 燃料）循环体系，实现核燃料的“闭式循环”，是推动中国核电可持续发展“必经之路”。

在核燃料生产中，核素粉末的取样分析是极其重要的环节。通过及时监控粉末的化学组份和物理特性，实时掌握粉末在各工序的变化情况，为工艺控制及核安全管理提供必要的分析数据，从而有效保障核电厂安全运行及稳定生产。常规压水堆核电站采用的U 燃料，因其放射性剂量低，通常采用人工取样。而MOX 燃料（U、Pu 混合氧化物燃料）是利用后处理提取的工业钚，通过粉末冶金方式制造、用于快中子增殖堆的新型燃料。其中，工业钚具有高毒、强放射性（放射性比活度q 是传统U燃料的近万倍）、易变性等特点，使得工业规模的MOX 燃料生产过程中，必须采取自动化方式取样。国外MOX 燃料厂针对MOX 粉体高放射特性研发了专用取样设备，或采取相关的替代方法。而我国目前仅在实验操作中摸索出了人工取样的经验，暂无自动化解决方案。此外，整条MOX 燃料生产线必须置于密封、负压的手套箱环境，其自动化设备存在工作空间狭小、全流程密闭等技术难题。因此，研制一套高效、安全、易维护的高放射性粉末全自动取样系统，并在工业规模MOX 燃料生产线上实现工程应用是十分紧迫、必要的。为此，结合核燃料生产设计标准，基于“翻转取样，分体密封”思路，设计并研制一套放射性粉末自动取样装备，以符合MOX 技术发展需要。

1 设计需求及方案选择

1.1 取样对象分析

设计的自动取样系统应用于密封、强放射性环境，应用对象为MOX 粉末，MOX 粉末有如下特点。

（1）强放射性与毒性。MOX 粉末同位素成分复杂，放射性剂量高，MOX 燃料生产时，初始粉末需密封存放在特殊的容器中，利用容器罐口的密封阀体进行转运，且在取样全过程保持密封。

（2）MOX 粉末中的工业PuO2物料来源单一，极为稀少珍贵，废料难以处理，必须按需精确控制取样量，根据燃料制备过程，如混丰、球磨、制粒、混合球化等多个工序进分析标准，确定单次取样量≤5 g，精度控制±0.3 g。

1.2 设计要求及难点

针对取样对象和特殊的工程应用环境，设计要求为：在设备满足核安全性与可靠性的前提下，实现自动取样与定量控制，并确保取样过程全密封。具体难点：①自动化实现技术难点：取样设备功能单元与机械结构要求围封在狭小、密闭的手套箱环境，且受制于容器“ㄅ”形结构通道布局和AB 阀复杂的开合方式，使得自动化实现起来较为困难；②取样密封技术难点：保证取样过程密封（取样+物料转移），即实现粉末转运容器（40 kg 装载量）与采样瓶（10～100 g 装载量）之间密封，且在取样完毕后，采样瓶的拆卸、转移过程要求避免核素粉末洒料造成污染。

2 自动取样装备设计及关键问题解决方案

2.1 取样自动化解决方案

本文采用“翻转定容取样”的思路开发MOX 粉末自动取样系统，装备设计如图1 所示。该方式主要优点为：①通过定容积样槽控制样品量，主体机械结构简单，易实现自动化；②装备模块化设计，工作单元及气缸机械动作单元置于手套箱内，电机及控制系统等动力装置在手套箱外部，提升电子元器件在放射性环境下使用寿命，方便检修维护及备件更换；③设备尺寸小，有效运动路径短，满足手套箱的使用要求。

图1 取样自动化装备总成

自动取样装备主要由提升机构、翻转机构、夹持机构、对接机构、密封AB 阀、分体式取样阀、电控系统、取样料仓系统等组成。

2.2 取样密封问题解决

基于翻转取样自动化实现模式，取样机构采用“分体密封”方案（图2）：该取样机构包括阀座、驱动气缸、机械锁紧、采样瓶+防护，以及2 个半球阀瓣。所谓“分体密封”是将球阀整体设计为可自动拆合的两个半球阀结构，上半球为完整半球，集成在过渡管上，实现密封；下半球设有取样沉槽，集成在采样瓶上，实现采样瓶密封。作业时，两个半球阀锁紧合一，气缸控制球阀整体旋转到落料位置，粉末在重力作用下沉降到取样沉槽，而后球阀旋转到取样位置，粉末落入采样瓶中，完成物料取样。复位后半球脱离分开，下半球作为采样瓶密封装置随瓶转运至分析岗位，粉末的取样和转移全程保持密封，解决了物料洒落和泄漏问题。在取样机构与过渡管连接处设置气源振动装置，取样完成后提供高频次振荡，以防止粉末沾污在容器壁上。

图2 取样机构三维模型

2.3 定量取样技术问题解决

取样沉槽容积计算：取样控制是通过“定容”实现“定量”，即m=ρV，准确得出粉末在锥口部分的密度ρs，即可确定出容积体积。根据模拟中粉末流的运动分布及实际取样经验，沉槽V1中的密度近似振实密度，轨迹V2的密度需进行修正，结合MOX 研究经验，可获得经验密度的经验修正系数ρ=ρ1k1，k=0.8，即实际密度ρ实等于MOX 粉末振实密度ρ振的0.8。图3 为取样量计算示意，以Al2O3粉末作为实验标定量，5 g 粉末合适的取样体积V1=2.91 cm3，V2=0.53 cm3，m=ρ振V1+kρ振V2。

图3 取样阀结构原理及尺寸

2.4 模拟物料取样验证实验及结果分析

基于上述研究，加工制备工程样机（图4）。以模拟物料Al2O3粉末进行取样精确度和代表性（粒度偏析率）验证实验。Al2O3粉末粒度范围7～14 μm（1200 目），取样沉槽实际加工体积为3.27 cm3，计算得出设计取样值为4.845 g。

图4 MOX 自动取样设备工程样机

2.4.1 取样精确性实验

本文提供15 批次的取样实验数据，称量设备为梅特勒ME203TE 电子天平，结果见表1。分析可知：①单次取样量较为稳定，波动较小，去除异常5.128 g 后，最大为4.852 g，最小为4.593 g，平均为4.744 g，实际取样量与设计值偏0.101 g，偏差度2.1%，符合技术指标；②取样量在12 批次出现一次料量增幅，为5.128 g，原因是每次取样时都会有一定的物料附着在沉槽口和密封胶圈上，当粉末聚集体的最大主应力超过粉体开放屈服强度时，粘附的粉末聚集体发生崩溃，落进取样瓶，导致所取粉末质量增大，因此需要进一步对沉槽和密封胶圈的表面进行改性，降低沾污。

表1 取样实验数据

2.4.2 取样代表性分析

表2 给出了Al2O3粉末取样前后粒度分析数据，分析设备为MALVERN2000。取样前的Al2O3粉末平均粒度7.483 μm；取样后的Al2O3粉末平均粒径7.478 μm。结果表明，取样后平均粒度较取样前增加很小，偏析率低，平均误差0.205%，说明气源振荡与翻转落料等工序对于超细粉末的物理代表性影响较小，满足使用要求。