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的制作方法
【技术领域】
[0001] 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。
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 所针对的一个特别有利的应用是金属和氧化物，如氧化铀1]〇2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（U02、Zr02、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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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（U02、Zr02、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，U02的熔点为该数量级。由于高温金属的存在，除氧化钍（Th02)(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。
[0010]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。
[0011] 在图2中作为顶视图表示的是这样的冷坩埚Γ: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°C的温度下保持接触。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 因此，冷坩埚炉具有如上所述的耐火坩埚感应炉的所有优点，如在高温下使用，此 外由于没有坩埚的污染具有装料的高纯度，实施混合使得熔融液体装料的组分均匀并改善 了传热，并因此提高了温度均匀性。
[0015] 冷坩埚炉，被称为悬浮炉，也可以根据悬浮原理运行。具体而言，坩埚的内壁可具 有朝向底部的圆锥形状以使后者的横截面在底部比在顶部更小。然而，原则上，磁场和坩埚 的横截面的乘积在坩埚的轴线上基本上是恒定的。因此，这样的结果是从坩埚的顶部到底 部磁场大大增加。由于放置在坩埚中的导电性材料中感应的排斥力，即拉普拉斯或洛伦兹 力在该材料的底部非常高并朝向上部减小，这种配置非常适合于材料的悬浮。因此，固体或 液体形式的导电材料在这样的坩埚中可保持稳定的悬浮。由于坩埚是冷的，任何电力中断 是不危险的，因为溅入坩埚中的液体凝固。切换回感应器使得有可能再熔化所述材料和恢 复悬浮。在悬浮状态中，材料可被放置与受控气氛接触，以便不经受降解。此外，电磁力在 熔融液体中引起湍流混合。因此，可以实现为了获得高纯度的熔化条件：在没有接触下发生 熔化并且通过辐射在材料和坩埚之间发生热交换：因此它们仍然非常有限。
[0016] 也存在没有坩埚的根据悬浮原理运行的炉。在图3中表示的是这样的无坩埚的悬 浮炉1"。如图所示，这样的炉1"的唯一的感应器（感应线圈）4由六匝41、42、43、44、45、 46组成，从而使放置在感应器内的导电材料的电磁悬浮通过拉普拉斯力适当地发生，感应 器（线圈）4必须具有圆锥形状，在底部变窄，因此具有具有增加的直径的下部匝41、42、43 的卷绕形状。因此，当线圈4在交流电下驱动时，通过下部匝41、42、43限定的圆锥形式使 得出现的拉普拉斯力（其推动待熔化的装料3)，如在图3中以球的形式表示的，充分地向 上。这些拉普拉斯力量对抗重力。为了使装料3不被喷射出线圈4,另外需要创建将其向 下带回的力。为了做到这一点，装料3之上的电流通过在卷绕中形成环而反转：因此，如图3中所示，匝44在其他匝的卷绕轴的外侧形成环路44i。然后电流以相反方向在该段流动， 并在装料3中创建将它向下推动的其他拉普拉斯力。因此，通过确保匝41、42、43、44、45、46 以及用于反转电流的环路44i的精确成形，创建应用于装料3上的朝上的力和朝下的力之 间的均衡，以便使其能够进行悬浮。
[0017] 此外，这样的无坩埚的悬浮炉1"包括穿过感应器4内部的冷却回路。因此，如图 3中所示，匝41-46是中空的，并且作为传热流体的水，在下端穿透进入到进料口50中并经 由排出口51从其离开。因此，流过感应器4的水流能够在其运行期间冷却它。
[0018] 到现在为止，水已被用作冷却剂用于坩埚和/或刚刚描述的感应炉的感应器。实 际上，水对于期望熔化的导电材料的熔点温度在很大程度上是足够的。
[0019] 本发明人正面临这样的需要：由于已经在前面部分提到的原因，在感应炉的冷却 回路中寻找另一种传热流体以取代水（通常为去离子水）。
[0020] 因此，不仅本发明人曾提出用于熔化堆芯熔融物的实际步骤的设备，而且该设备 还必须使得，特别是，研究熔融堆芯熔融物与钠的相互作用成为可能。因此，提供这种设备 使得通过从炉排出到填充有钠的容器中来提取熔融堆芯熔融物。然而，如众所周知的，钠与 水反应剧烈。因此，有关安全标准的规则禁止在钠存在下任何水的使用，因此，这也适用于 本发明人所针对的设备。
[0021] 专利EP1419 675B1公开了一个解决方案，其在于使用热管作为冷却元件以减少 在冷坩埚炉的冷却回路中的水量。所述公开的解决方案不能应用到本发明人所针对的设备 中，因为在热管内存在的流体仍然是水，因此这是所述规则严格禁止的。
[0022] 为了响应所述规则