一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置的制作方法

本发明属于核污染防治技术领域，涉及一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置。

背景技术：

高温气冷堆(htr，hightemperaturegas-cooledreactor)被称为“具有第四代核能系统特征”的先进反应堆堆型。由于采用耐高温的石墨作为慢化剂，采用优异热工性能的氦气和陶瓷型包覆颗粒燃料，使得htr具有很高的运行温度(750-900℃)和热效率(40％-60％)。目前，我国的htr由于使用球形燃料元件，例如，清华大学的10mw高温气冷试验堆(htr-10)和山东石岛湾高温气冷堆核电站示范工程(htr-pm)均使用球形燃料元件，因此被归类为球床式高温气冷堆(以下简称“球床堆”)。

在球床堆中，石墨材料由于具有热中子吸收截面小、耐高温和慢化能力强等优点得到广泛使用。以htr-10为例，反应堆堆芯由65吨石墨材料堆砌而成；燃料元件中的石墨基体材料占到燃料元件体积的90％以上；除去少量控制材料外，基本上全都为石墨类材料。球床堆的燃料装卸采用不停堆的连续装卸方式，这是利用了球形燃料元件可以滚动的特点，从而形成了一个具有流动性的球床堆芯，使得新燃料元件的补给和乏燃料的卸出可以在不停堆的情况下连续进行。

球床堆中的燃料元件在循环过程中会自身以及与其它的石墨构件发生摩擦磨损，并产生石墨粉尘，这些石墨粉尘会对球床堆的安全与正常运行带来一系列的影响。粒度相对比较大的石墨颗粒会在重力作用下，在球床堆堆芯底部堆积，影响燃料元件循环；而粒度相对较小的石墨颗粒，会在氦气冷却剂的携带下，在球床堆反应堆一回路流动，并在一回路的表面和流动死区沉积，从而对设备的维护和检修带来不便。此外，石墨粉尘还会影响蒸发器换热管、发电机、氦风机和压缩机等球床堆设备的工作效率和使用寿命。

裂变产物在石墨颗粒上的滞留实验表明，当反应堆堆芯温度超过1200℃时，从燃料中溢出的裂变碎片将吸附在石墨粉尘颗粒的表面，导致粉尘中铯、锶、碘和氚的含量较高。这不仅使得球床堆的维护变得复杂，而且当反应堆发生破口事故时，一定量的放射性粉尘会在氦气流场的作用下，被携带到堆芯外部，对环境造成放射性污染。

综上所述，有必要对球床堆中石墨粉尘的防治问题进行研究，解决好石墨粉尘的去污问题，这对于球床堆在国内外的进一步推广与应用具有非常积极的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置，以能够有效的捕集球床高温气冷堆在装填和运行过程中产生的石墨粉尘，解决球床高温气冷堆独有的石墨粉尘污染问题。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置，所述的捕集装置外形为球形，自内向外包括内核、过滤层、支撑体、外壳，

所述的内核为实心球体，可调节和平衡所述的捕集装置的重量；

所述的过滤层包覆在所述的内核的外部，由过滤颗粒填充而成，用于过滤所述的石墨粉尘；

多个所述的支撑体连接所述的过滤层与所述的外壳，用于支撑所述的外壳和创造所述的捕集装置的内部空间；

所述的外壳表面均匀的开有孔洞。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置，其中所述的捕集装置的质量和大小尺寸与所述的球床高温气冷堆的燃烧元件相同或相近(相近是捕集装置的质量和大小尺寸与燃料元件相差不超过±20％)。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置，其中所述的捕集装置的直径为50-70mm，质量为170-230g。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置，其中所述的内核的直径为6-10mm，质量为0.8-3g。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置，其中所述的过滤层由4-8层不同大小的过滤颗粒填充而成，且尺寸小的过滤颗粒填充在内。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置，其中所述的过滤颗粒的直径为0.5-4mm。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置，其中所述的过滤层的外围直径为13-18mm。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置，其中所述的支撑体横截面尺寸为(1-5)mm×(1-5)mm，长度为15-25mm，数量为10-40根。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置，其中所述的外壳厚度为5-10mm；所述的孔洞直径为4-10mm，数量为10-30个。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置，其中所述的捕集装置的材质为碳化硅或碳化硼。

本发明的有益效果在于，利用本发明的用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置，能够有效的捕集球床高温气冷堆在装填和运行过程中产生的石墨粉尘，解决球床高温气冷堆独有的石墨粉尘污染问题。

目前，由于缺乏长期的运行数据，对于球床堆内部石墨粉尘的防治问题，尚无公开研究报道。传统的核用去污方式，由于受到球床堆内部特殊环境的限制，难以使用。通过分析石墨粉尘的产生原因和产生位置可以发现，在燃料元件的装填过程中，粉尘的产生量占到了总粉尘量的50％，而燃料元件在堆芯循环阶段所产生的粉尘则相对很少。因此，本发明提出使用一种石墨粉尘捕集装置，从燃料元件装填阶段就开始进行石墨粉尘的捕集，从源头减少粉尘量；同时，捕集装置随着燃料元件共同在一回路中循环运动，捕集循环阶段所产生的粉尘，从而实现石墨粉尘去污的目的。另外，捕集装置还为球床堆内部实时监控提供了可能性，例如，可以将捕集装置内部的结构换成相应的探测器，进行在线数据采集等工作。

附图说明

图1为示例性的本发明的用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置的立体径向剖视图。

图2为示例性的本发明的用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置的径向面的剖面图。

图3为示例性的本发明的用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置的过滤层的径向面的剖面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

示例性的本发明的用于球床高温气冷堆的石墨粉尘捕集装置如图1-2所示，其外形为球形，自内向外包括内核1、过滤层2、支撑体3、外壳4。

整个捕集装置的直径为60mm，质量为200.69g(与球床高温气冷堆的燃烧元件的直径和质量相同)，且随着燃料元件共同在一回路中循环运动，以捕集循环阶段所产生的石墨粉尘，从而实现石墨粉尘的去污。考虑到球床堆内部的高温、高压、强辐射和高纯氦气环境，捕集装置材质为碳化硅。在捕集装置整体尺寸和重量的约束下，首先保证过滤性能，即过滤层2的结构设计最为优先，其次考虑内核1、外壳4和支撑体3的的结构设计。

内核1作为捕集装置的地基，设计为实心球体，可调节和平衡捕集装置的重量。内核1的直径为8mm，总质量为1.7g。

过滤层2(结构见图3)包覆在内核1的外部，用于过滤石墨粉尘，其自内向外如下由6层过滤颗粒填充而成：第1层，过滤颗粒球径0.5mm，过滤颗粒数量1184个；第2层，过滤颗粒球径1mm，过滤颗粒数量405个；第3层，过滤颗粒球径1.5mm，过滤颗粒数量278个；第4层，过滤颗粒球径2mm，过滤颗粒数量236个；第5层，过滤颗粒球径3mm，过滤颗粒数量189个；第6层，过滤颗粒球径4mm，过滤颗粒数量185个。通过调整过滤颗粒的粒径、烧结后的孔径、孔隙率和颗粒层布局，可以实现对过滤介质的过滤能力进行调节。过滤层2的总质量为33.92g，外围直径为15mm。

支撑体3连接过滤层2与外壳4，用于支撑外壳4和创造捕集装置的内部空间。支撑体3的尺寸、数量可调，在此处横截面尺寸3mm×3mm，长度为20mm，数量为24根，总质量为13.71g。

外壳4厚度、其上孔洞直径和数量可调，但孔直径设计要求尽量偏大的同时，还要保证捕集装置外表面具有较高的球度，从而可以维持捕集装置正常的滚动。在此处外壳4厚度为6mm，表面均匀的开有26个直径为8mm的孔洞。外壳4质量为151.36g。

上述示例性的本发明的捕集装置用于捕集球床高温气冷堆中的石墨粉尘的原理/方法如下。

(1)通过球床堆装料装置，将捕集装置与燃料元件一起装入球床堆中运行。

(2)运行中，具有一定流速的，含有石墨粉尘的氦气会进入捕集装置内部，一部分石墨粉尘会在湍流沉积和热泳沉积的作用下，沉积在捕集装置的内表面；而另一部分石墨粉尘会进入过滤层2，被过滤颗粒和后期形成的粉饼所捕集；此外，少量小粒径的粉尘在捕集装置内部的狭小且复杂的空间中，会增加碰撞和凝并的几率，有利于形成大颗粒粉尘滞留在捕集装置内部，从而达到捕集的目的。

(3)捕集装置随燃料元件在球床堆内部循环多次后，通过卸料装置排出，作为放射性废物进行处置。

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，倘若对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。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。