模拟转轮式连续溶解器液汽两相交替腐蚀的实验装置

1.本实用新型涉及乏燃料后处理装置领域，具体涉及一种模拟转轮式连续溶解器液汽两相交替腐蚀的实验装置。


背景技术：

2.乏燃料后处理过程中，转轮式连续溶解器要借助大转轮上的戽斗将剪碎后的乏燃料带入高温硝酸中进行溶解，因而不可避免造成设备材料的腐蚀。为保证乏燃料的充分溶解，大转轮的转速要非常低，约为30
°
/小时；同时，在转轮转动过程中，大转轮及戽斗等部件材料并非一直浸没在硝酸中，而是周期性地承受亚沸腾/沸腾硝酸的腐蚀以及硝酸蒸汽的腐蚀，表现为一种液汽两相交替的高温硝酸腐蚀模式。尽管，国内外学者已经对一些材料在高温硝酸中的腐蚀行为开展过系统研究，但少有学者针对这种转轮式液汽两相交替工况进行过材料腐蚀行为的详细研究。同时，现有的设备也无法模拟高温硝酸液汽两相交替下的腐蚀过程，因而无法深入理解相关材料的腐蚀机制，更无法明确该环境下设备材料的选用原则。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种模拟转轮式连续溶解器液汽两相交替腐蚀的测试实验装置，所述实验装置包括腐蚀测试系统、转速调节系统、传动系统、加热系统，还可以包括电化学测试系统。
4.腐蚀测试系统包括大转轮、反应釜，大转轮为一轮轴结构，其转轴穿过反应釜，大转轮通过穿过反应釜的转轴悬于反应釜中，大转轮上还设置有样品槽用于安装样品。
5.传动系统包括电机和传动杆，转速调节系统为转速调节器，电机动力输出端与转速调节系统一端相连，传动杆与转速调节系统的另一端相连；传动杆的一端连接转速调节系统，另一端与大转轮的转轴连接。实验时，通过转速调节系统将电机输出的转速调节到实验需要的转速，再通过传动系统的传动杆带动大转轮转动，大转轮上固定的样品也会随大转轮一起转动，实现液汽两相交替下的硝酸腐蚀测试。
6.转速调节器为能够实现将电机输出转速调至需要转速的装置，可以是能够实现这一功能的任意装置，例如可以包含转速调节齿轮，转速调节齿轮可将转速调节到实验所需的转速，并传递给另一端的转动杆。可以通过转速调节系统调节电机输出的转速，使其达到实际乏燃料后处理过程中，转轮式连续溶解器的转轮真实转速，实现低转速条件下大转轮的液汽两相交替腐蚀测试。
7.加热系统包括加热装置和温度传感器。温度传感器设置在反应釜中。加热装置设置在反应釜周围或反应釜中，例如包裹在反应釜周围的加热套，或者设置在反应釜中的电热丝等。实验时通过加热套加热反应釜内的硝酸，通过温度传感器反馈反应釜内硝酸的温度，达到控制反应釜内硝酸温度的目的，从而可以模拟不同温度下的硝酸腐蚀测试。
8.所述大转轮上的样品槽可以包括以下三种中的一种或几种：(1)片状样品槽，设置
在大转轮周向侧面，可插入片状样品并通过螺栓等方式固定，片状样品与硝酸接触面积大，用于模拟转轮式连续溶解器大转轮周向侧面材料的腐蚀过程。(2)圆环状样品槽，设置在大转轮的轴向端面，和大转轮同心，可以在置入圆环形样品后，通过螺栓等方式固定，用于模拟转轮式连续溶解器的轴向端面材料的腐蚀过程。(3)销孔样品槽，设置在大转轮轴向端面，可置入销柱状样品，可用于模拟转轮式连续溶解器戽斗材料的腐蚀过程。
9.如果要进行样品的电化学测试，则装置还需要加入电化学测试系统，电化学测试系统包括导线、对电极、参比电极和电化学工作站，同时装置的大转轮内部和大转轮的转轴需为空心，还需要在大转轮上设置电化学样品槽，所述电化学样品槽为空心的大转轮轴向端面或/和周向侧面上的通孔，在通孔向大转轮内部一侧设置密封圈，导线一端穿过密封圈伸入电化学样品槽，另一端通过空心的大转轮和转轴穿出反应釜，与电化学工作站连接。
10.实验过程中，电化学样品置于电化学样品槽中，并固定于密封圈上，导线伸入电化学样品槽的一端连接于样品上，电化学样品即构成电化学工作站的工作电极。优选地，电化学样品的截面形状与通孔的形状相同。可以在密封圈上设置与电化学样品底面形状相同的固定槽，或者将电化学样品与密封圈通过加热等方式形成粘接，或其他任何可能的形式，只要能实现电化学样品穿过通孔，并固定于密封圈之上即可。
11.参比电极和对电极设置于反应釜中，通过导线与电化学工作站连接。参比电极为高温参比电极，例如可以采用盐桥结构；对电极可采用铂电极。
12.密封圈通过螺栓等方式固定于大转轮内部，并封堵住电化学样品槽通孔，用于防止硝酸进入大转轮内部。
13.在实验过程中，反应釜中要置入硝酸，并使硝酸达到沸腾，制造液汽两相环境，因此要求反应釜、大转轮、传动杆等结构能够承受长期腐蚀。从长期使用及安全性角度出发，大转轮和密封圈优选采用聚四氟乙烯材料，传动杆优选采用耐蚀的钛合金材料，反应釜优选采用高温玻璃材料，如果要采用螺栓固定样品或密封圈，相应的螺栓可以采用聚四氟乙烯螺栓。各部分结构也可以采用其他能够耐高温硝酸腐蚀的合适材料。
14.采用上述装置进行实验时，先将不同形态的样品各自安装到大转轮的相应位置上，再向反应釜内注入适量硝酸，例如使硝酸没过大转轮三分之一，或者根据要模拟的转轮式连续溶解器的实际工况调整硝酸的高度。然后打开加热系统加热反应釜内的硝酸，待硝酸到达实验温度后，开启电机，经转速调节器调节电机转速后，通过传动杆带动大转轮转动，样品也随大转轮转动，周期性地浸入硝酸液相环境和离开硝酸进入硝酸蒸汽环境，实现样品在液汽两相交替下的腐蚀测试。
15.当装置包含电化学测试系统时，可以在大转轮转动的同时进行电化学测试，在测试前需将电化学样品安装到电化学样品槽中，与伸入电化学样品槽通孔的导线连接。这样电化学样品、对电极、参比电极均连接电化学工作站，构成三电极体系，可进行电化学样品在液汽两相交替腐蚀下的电化学测试。
16.本实用新型的装置在模拟乏燃料后处理连续式溶解器大转轮工况条件下，研究大转轮材料在沸腾硝酸中液汽两相交替下的腐蚀行为和电化学行为，可精确控制硝酸溶液温度、大转轮转速等试验参数及模拟材料液汽两相交替下的硝酸腐蚀。
17.本实用新型中的装置的提出是基于实际工程问题：在乏燃料后处理过程中，转轮式连续溶解器内部的大转轮在低速运转过程中要周期性地承受亚沸腾/沸腾硝酸的腐蚀以
及硝酸蒸汽的腐蚀，但因缺少相应的腐蚀模拟装置，无法对其开展有效研究。因此，本实用新型提出了一套模拟乏燃料后处理转轮式连续溶解器液汽两相交替腐蚀的实验装置，可实现乏燃料后处理过程中大转轮及戽斗在液汽两相交替环境下的硝酸腐蚀模拟，探究大转轮及戽斗材料在液汽两相交替下的腐蚀作用机制，明确不同服役工况下材料的选用原则，积累相关材料的腐蚀基础数据，为相关设备的选材及耐蚀新材料的研发提供理论和数据支撑。
18.本实用新型具有如下优点及有益效果：
19.1.本实用新型的装置可模拟乏燃料后处理转轮式连续溶解器液汽两相交替硝酸腐蚀的工况，能够实现相关设备材料在高温硝酸环境下液汽两相交替腐蚀行为的系统研究。
20.2.本实用新型的装置通过对大转轮不同位置的片状样品、销柱状样品以及圆环状样品的腐蚀测试，可以同时实现对溶解器大转轮周向侧面和轴向端面材料以及戽斗材料的硝酸腐蚀测试，并且可以同时实现多种不同材料的样品的测试。
21.3.本实用新型的装置可实现大转轮不同转速的调节及精确控制。
22.4.本实用新型的装置可以通过加热装置对硝酸溶液进行加热，通过温度传感器进行反馈，实现在不同温度下的腐蚀测试。
23.5.本实用新型的装置中的主体(大转轮)可以采用聚四氟乙烯材料，在保证安全的前提下，控制了成本，提高经济效益。
24.6.本实用新型的装置采用了模块化设计，装置的每一部分均可以方便地拆卸、组合以及进行再改造。
25.7.本实用新型可实现电化学测试，测试不同材料在液汽交替下的硝酸腐蚀行为。
附图说明
26.图1为本实用新型具体实施方式中的装置结构轴视图。
27.图2为本实用新型具体实施方式中的装置的截面示意图。
28.图3为本实用新型电化学样品及样品槽示意图。
29.图中：1.电机；2.转速调节器；3.传动杆；4.销柱状样品；5.片状样品；6.圆环状样品；7.反应釜；8.转轴；9.加热套；10.大转轮；11.电化学样品；12.电化学样品槽(通孔)；13.密封圈；14.导线；15.电化学工作站。
具体实施方式
30.如图1和图2所示，本实用新型的模拟乏燃料后处理转轮式连续溶解器液汽两相交替腐蚀的实验装置，具有腐蚀测试系统、转速调节系统、传动系统、加热系统。腐蚀测试系统的高温玻璃反应釜7安放在加热系统的加热套9中，反应釜7内部装有聚四氟乙烯制成的大转轮10，大转轮10的转轴8与传动系统的传动杆3一端连接，传动杆3另一端与转速调节系统连接；实验时，通过转速调节系统(转速调节器)内部的转速调节齿轮将电机1输出的转速调节到实验需要的转速，再通过传动系统的传动杆3带动与传动杆3连接的大转轮10转动，同时大转轮上的样品4、5、6随之转动，实现液汽两相交替下的硝酸腐蚀测试。
31.实验装置的具体结构如下：
32.腐蚀测试系统包括高温玻璃反应釜7、聚四氟乙烯大转轮10，大转轮10通过穿过反应釜7的转轴8悬于反应釜中，大转轮10上设置片状、圆环状、销孔状三种样品槽，片状样品5装在大转轮周向侧面的片状样品槽中，通过聚四氟乙烯螺栓固定，圆环状样品6安装在大转轮轴向端面的与转轴同心的圆环状样品槽中，销柱状样品4插入大转轮另一轴向端面的销孔样品槽中。
33.传动系统包括电机1和传动杆3，转速调节系统为转速调节器2。电机1动力输出端与转速调节器2一端相连，传动杆3与转速调节器2的另一端相连；传动杆3的一端连接转速调节器，另一端与大转轮10的转轴连接。实验时，通过转速调节器将电机输出的转速调节到实验需要的转速，再将转速传递给传动杆3，通过传动杆3带动大转轮10转动，大转轮上固定的样品会随转轮一起转动。
34.加热系统由加热套9和温度传感器组成，反应釜7放置于加热套内部，温度传感器置于反应釜7内，实验时通过加热套9加热反应釜7内的硝酸，通过温度传感器反馈并控制硝酸的温度。
35.如果要进行样品的电化学测试，则装置还需要加入电化学测试系统，电化学测试系统包括导线、对电极、参比电极和电化学工作站，同时装置的大转轮10内部和大转轮10的转轴8需为空心，还需要在大转轮10上设置电化学样品槽12。如图3所示，电化学样品槽12为空心的大转轮10轴向端面或周向侧面上的通孔，在通孔面向大转轮内部一侧设置密封圈13，导线14一端穿过密封圈13伸入电化学样品槽12，另一端通过空心的大转轮10和转轴8穿出反应釜7，与电化学工作站15连接。实验过程中，电化学样品11置于电化学样品槽12中，并固定于密封圈13上，导线14伸入电化学样品槽12的一端连接于样品11上，电化学样品11即构成电化学工作站15的工作电极。
36.图中未画出的参比电极和对电极设置于反应釜中，通过导线14与电化学工作站15连接。参比电极为高温参比电极，例如可以采用盐桥结构；对电极可采用铂电极。
37.密封圈13通过螺栓等方式固定于大转轮10内部，并完全封堵住电化学样品槽12通孔，用于防止硝酸进入大转轮10内部。
38.实验时，先将不同形态的样品各自安装到大转轮10的相应位置上，如果样品包括电化学样品11，将电化学样品11固定于电化学样品槽12内、密封圈13上，再向反应釜7内注入适量硝酸，使硝酸没过大转轮10三分之一，然后打开加热套9加热釜体7内的硝酸，硝酸到达合适实验温度后，开启电机1，经转速调节器2降低转速后，通过传动杆3带动大转轮10转动，实现样品液汽两相交替下的腐蚀测试。电化学测试时，由电化学样品11、对电极和参比电极构成三电极体系，进行电化学测试。本实用新型中的装置可以在模拟乏燃料后处理连续式溶解器大转轮工况条件下，研究大转轮材料在沸腾硝酸中液汽两相交替下的腐蚀行为，可精确控制硝酸溶液温度、大转轮转速等试验参数及模拟材料液汽两相交替下的硝酸腐蚀，实现腐蚀样品的失重测试及原位电位测试，并可进行形貌观察。
39.以上所述，仅是本实用新型的较佳的案例，并非对本实用新型作任何限制。凡是根据实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。