動(dòng)力堆乏燃料后處理溶解液澄清技術(shù)研究

王 鎮(zhèn)，李 飛，王樹生

（中核四○四有限公司，甘肅 蘭州 732850）

動(dòng)力堆乏燃料后處理溶解液澄清技術(shù)研究

王 鎮(zhèn)，李 飛，王樹生

（中核四○四有限公司，甘肅 蘭州 732850）

用于乏燃料后處理溶解料液澄清的主要設(shè)備是沉降離心機(jī)。離心機(jī)研究過程中出現(xiàn)下軸承溫升過高、酸置換效果不理想、降速和沖渣過程中有含渣料液進(jìn)入清液等問題，從而影響離心機(jī)的料液分離效果。針對存在的問題，對離心機(jī)軸承降溫；取消酸置換；在清液管道上增加緩沖罐和返回料液槽的空氣提升器，防止渣水進(jìn)入清液槽；改善沖渣效果等技術(shù)改進(jìn)后，滿足工藝要求，實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。

沉降離心機(jī)；軸承溫度；酸置換；降速；含渣料液；沖渣

乏燃料溶解液是一種不透明的褐色溶液，其中懸浮著高度分散的微小的不溶性固體殘?jiān)?，其量達(dá)0．1%～1%，多數(shù)為球形，也有棒狀和針狀呈合金狀態(tài)［1］。因此，在進(jìn)入萃取分離循環(huán)之前，必須進(jìn)行澄清工序，否則不溶性固體顆粒不僅會(huì)堵塞管道、加速溶劑輻解、增加界面污物、降低某些裂變產(chǎn)物的去污系數(shù)，使萃取設(shè)備的水力學(xué)性能變壞，甚至?xí)斐膳R界事故［1］。

1 后處理溶解液澄清的常用方法

澄清溶解液中不溶物的主要方法有離心沉降、過濾澄清及結(jié)合絮凝劑的方法［2］。一般后處理廠采用燒結(jié)不銹鋼過濾器，其孔徑為20μm左右，如：美國的漢福特工廠采用離心過濾、愛達(dá)荷工廠采用燒結(jié)不銹鋼過濾器等［2］。

我國自主研發(fā)了撓性軸、倒杯式轉(zhuǎn)鼓、下進(jìn)料方式的沉降離心機(jī)。通過模擬料液、冷鈾及熱料液負(fù)載試驗(yàn)，表明沉降離心機(jī)能夠較好地實(shí)現(xiàn)固液分離功能，分離出的清液質(zhì)量較高，但發(fā)現(xiàn)酸置換不合格、降速過程中有含渣料液進(jìn)入清液槽等問題，為確保料液整體分離效果，進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)后滿足工藝要求，實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。

2 離心沉降法的基本原理

將分散在懸浮液中的顆粒，利用固—液兩相的密度差，采用離心運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分離。顆粒在液體中的沉降規(guī)律是顆粒沿著離心力方向 （徑向）沉降［3］。

3 主要工藝過程和技術(shù)指標(biāo)

溶解料液澄清的主要工藝過程包括：用沉降離心機(jī)對溶解液進(jìn)行沉降離心，接著用0．3mol／L的硝酸對離心機(jī)供料槽進(jìn)行酸置換，而后用高壓去離子水沖洗離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行排渣；對沉降離心后的清液要求不溶固體顆粒物含量≤5mg／L，且其顆粒物粒徑≤1．5μm；對離心機(jī)軸承溫升要求≤60℃等［3］。

4 研究過程

4．1 模擬料液負(fù)載試驗(yàn)

4．1．1 模擬料液的選擇

考慮真實(shí)乏燃料元件溶解液的特性，選用氧化鋁作為料液的不溶懸浮固體，以硝酸鍶調(diào)節(jié)液相密度和粘度，構(gòu)成 Al2O3－Sr（NO3）2水模擬體系，用以模擬溶解料液。

4．1．2 模擬料液沉降離心

在高轉(zhuǎn)速分離時(shí)，清液中的含固量最大為2．87mg／L，小于1．5μm 的不溶物占100%，滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在降速過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)約有4～26．5L的含渣料液進(jìn)入清液中 （見表1），其含渣量較高，影響了離心機(jī)整體分離效果。

表1 降速過程中進(jìn)入清液中的含渣料液體積Table 1 The volume of the liquid flowing into the clear liguid tank during deceleration

4．1．3 “酸”置換

在使用允許最大體積的去離子水對離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行置換后，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)殘留料液仍含有較高濃度的硝酸鍶，置換效果不理想，詳見圖1。

圖1 水置換前后轉(zhuǎn)鼓內(nèi)料液密度對比Fig．1 The comparison of feed liquid density before and after water replacement

4．1．4 沖渣

沉降離心完畢后，將離心機(jī)降速至20rpm進(jìn)行正反轉(zhuǎn)沖渣。沖渣結(jié)束后通過拆裝檢查轉(zhuǎn)鼓，表明其內(nèi)壁清潔，無沉渣，說明沖渣效果達(dá)到要求。但在沖渣過程中，有含渣料液自清液口排出，該部分排出液含固量較高，影響清液質(zhì)量。

4．2 軸承溫升驗(yàn)證試驗(yàn)

沉降離心機(jī)在負(fù)載運(yùn)行過程發(fā)現(xiàn)下軸承溫度持續(xù)上升，溫升達(dá)64．4℃ （環(huán)境溫度20℃，見圖2）。需要采取有利的措施對下軸承進(jìn)行降溫。

圖2 未采取冷卻措施時(shí)設(shè)備運(yùn)行過程中上、下軸承溫度Fig．2 The upper and lower bearing temperature during equipment operation without cooling

4．3 冷鈾負(fù)載試驗(yàn)

4．3．1 冷鈾沉降離心

離心機(jī)在冷鈾工況下運(yùn)行正常，分離效率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但在降速過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)約有4～26．5L的含渣料液進(jìn)入清液中 （見表2），降速后冷鈾清液的含固量約為降速前的2．5倍，其小于1．5μm的粒徑平均僅達(dá)到70．3%，不滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 降速過程中進(jìn)入清液中的含渣料液體積Table 2 The volume of the liquid flowing into the clear liguid tank during deceleration

4．3．2 酸置換

冷鈾料液沉降分離后，用允許最大體積0．3mol／L的硝酸進(jìn)行置換，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)殘留料液仍含有較高濃度的硝酸鈾酰 （約100g／L），置換效果不滿足要求。

4．3．3 沖渣

冷鈾料液沉降離心后，進(jìn)行正反轉(zhuǎn)沖渣，沖渣效果達(dá)到要求。但在沖渣過程中，有含渣料液自清液口排出，該部分排出液含固量較高，影響清液質(zhì)量。

5 問題分析與改進(jìn)

（1）下軸承溫升過高

緊挨下軸承有一個(gè)塑料密封軸套和不銹鋼密封軸套，離心機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，下軸承熱量被兩個(gè)密封套阻隔，散發(fā)不出去，造成其局部溫度過高。

為避免溫度過高損壞軸承，通過引入0．3MPa壓空至下軸承處，對其進(jìn)行冷卻。改進(jìn)后，下軸承在長時(shí)間的運(yùn)行過程中，最大溫升44℃，滿足設(shè)計(jì)要求見圖3。

圖3 增加冷卻后的下軸承溫度Fig．3 The lower bearing temperature after increasing cooling

（2）酸置換效率低

由于溶解液鈾濃度較高，且料液槽內(nèi)殘留鈾體積相對較大，使得置換酸與殘留液混合后鈾濃度仍然偏高。若增加置換酸體積，則會(huì)造成清液濃度不滿足運(yùn)行要求。

為避免轉(zhuǎn)鼓內(nèi)殘存物料損失，在渣水槽增加了取樣點(diǎn)和蒸汽噴射泵，可將較高濃度料液輸送至料液槽進(jìn)行再次離心。同時(shí)，取消了酸置換工序，節(jié)省了運(yùn)行時(shí)間。

（3）降速時(shí)含渣料液進(jìn)入清液槽

沉降離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)殘留料液在高速運(yùn)行下形成平衡液面，大部分不溶物固體附著在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁。而轉(zhuǎn)鼓在降速過程中使得平衡液面被打破，尤其是經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)鼓震動(dòng)較大，使轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁附著的殘?jiān)行〔糠钟种匦逻M(jìn)入料液。因而，使得自清液口流入清液槽的料液（4～26．5L）不溶物固體含量較高。

為此，在清液管道上增加緩沖罐和返回料液槽的空氣提升器，用來接收降速時(shí)的含渣料液，防止渣水進(jìn)入清液槽。改進(jìn)表明，在未破壞設(shè)備的前提下，從根本上解決了降速過程中含渣料液進(jìn)入清液槽的問題，使沉降分離效果達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。

（4）沖渣水進(jìn)入清液槽

經(jīng)試驗(yàn)，用0．5～0．7MPa（表壓）的去離子水進(jìn)行沖渣，渣水不再進(jìn)入清液槽 （見表3）。說明沖渣水壓力在0．5～0．7MPa （表壓）時(shí)沖渣效果滿足工藝要求。

表3 改變沖渣水壓力后的數(shù)據(jù)對比Table 3 Data comparison between before and after the pressure of flush slag water was changed

6 熱料負(fù)載試驗(yàn)驗(yàn)證

乏燃料熱試驗(yàn)及熱運(yùn)行期間，通過熱料液的沉降離心，驗(yàn)證了沉降離心機(jī)的下軸承溫升小于60℃的工藝要求，同時(shí)不再有含渣料液進(jìn)入清液槽，所得清液滿足溶解清液各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

7 結(jié)論

通過技術(shù)改進(jìn)和熱料負(fù)載試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了沉降離心機(jī)下軸承溫度過高、酸置換效率低、降速時(shí)含渣料液進(jìn)入清液槽及沖渣水進(jìn)入清液槽等問題，實(shí)現(xiàn)了沉降離心機(jī)的工程應(yīng)用。

［1］王俊峰，章澤甫，張?zhí)煜?．動(dòng)力堆核燃料后處理工學(xué) ［M］．北京：中國原子能出版社，2013．

［2］任鳳儀，周鎮(zhèn)興 ．國外核燃料后處理 ［M］．北京：中國原子能出版社，2006．

［3］《化學(xué)工程手冊》編委會(huì) ．化學(xué)工程手冊 ［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989．

Study on Clarification Technology of Spent Fuel Reprocessing Dissolved Solution in Power Reactor

WANG Zhen，LI Fei，WANG Shu－sheng
（The 404Company Limited，CNNC，Lanzhou，Gansu Prov．732850，China）

The main equipment used for the clarification of spent fuel reprocessing dissolved solution is the settling centrifuge，In the process of centrifuge study，the temperature rise of the bearing is too high，and acid replacement effect is not ideal．In the deceleration and flush scraps process，scrapS－containing liquid flows into the clear liquid，so that the separation effect of the centrifuge is influenced．In view of the existing problems，the air compressor cooling under the centrifuge is used，acid replacement is cancelled，a buffer tank and air lift returning to liquid tank are added in the pipeline，to prevent the slag water from into the liquid tank．After improvement of slag flushing effect，process requirements are met，and engineering application is realized．

settling centrifuge；bearing temperature；acid replacement；deceleration；scrapS－containing liquid；flush scraps

TL24 Article character：A Article ID：1674－1617 （2017）03－0421－04

TL24

A

1674－1617 （2017）03－0421－04

10．12058／zghd．2017．03．421

2017－05－14

王 鎮(zhèn) （1979—），男，湖北十堰人，工程師，現(xiàn)主要從事化工工程與工藝工作 （E－mail：582895373＠qq．com）。

（責(zé)任編輯：白佳）