專利名稱：用于處理升華物質(zhì)的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于處理升華物質(zhì)的裝置，具體地涉及凝華和收集已升華提純的六氟化鈾(UF6)的裝置。
目前，當(dāng)制造UF6時或再處理經(jīng)輻射的鈾燃料時，處理循環(huán)中一個常用的步驟是使從蒸氣相中將UF6氣體凝華成固體，然后通過在增壓下加熱而轉(zhuǎn)變成液體。目前所使用的裝置采用較大的熱交換容器，其具有許多內(nèi)部管子和冷卻管套，例如乙二醇冷卻劑可泵入其中并且藉由許多固定到管子上的擋板而使UF6在其周圍走迂回路線。在管子外部UF6冷凝，當(dāng)熱交換器的內(nèi)部空間被冷凝的UF6充滿而堵住UF6氣體進(jìn)一步通過時，處理過程停止。盡管如此，由于裝置和處理方法的特性，熱交換器可能在其整體空間被冷凝氣體充滿之前早已堵塞以使其它UF6不能通過，從而導(dǎo)致處理過程失效。
然后，通過由閥密封熱交換器、采用熱的熱交換流體加熱內(nèi)容物以及使熱交換容器中的升華的UF6壓力升至2巴以上而使冷凝UF6氣體轉(zhuǎn)換成液態(tài)，這樣UF6液化，并且最終作為UF6成品流出以便貯藏，或者進(jìn)入下一再處理鈾的加工步驟中。
目前設(shè)備的另一個缺點(diǎn)是，制造熱交換器需要許多焊接點(diǎn)，但熱循環(huán)疲勞而會使焊縫容易發(fā)生機(jī)械事故。焊接缺陷會引起冷卻劑的污染，而需要對冷卻劑本身進(jìn)行處理并且其費(fèi)用極高。
目前裝置的另一個明顯缺點(diǎn)是乙二醇熱傳遞液體需要復(fù)雜而昂貴的自身處理和再循環(huán)輔助設(shè)備。
GB-A-1 381 892揭示了一種用于使可升化物質(zhì)凝華的方法和裝置。該裝置和方法從總體上來說涉及對物質(zhì)的凝華，這種物質(zhì)在常溫和常壓下通常是固態(tài)的，并且在相對較高的溫度下可升華。這篇文獻(xiàn)主要涉及防止已凝華的蒸氣聚集在凝華容器的內(nèi)壁上，即通過在容器中設(shè)置有氣孔的內(nèi)壁，氣體可從中通過以防止已凝華的物質(zhì)沉積于其上。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種一般來說用于UF6的處理設(shè)備，其運(yùn)作和制造成本明顯降低并且不具有上述現(xiàn)有設(shè)備所存在的運(yùn)作堵塞問題。本發(fā)明進(jìn)一步的目的在于提供一種一般用于UF6處理的裝置，它幾乎沒有現(xiàn)有設(shè)備中易發(fā)生疲勞事故的焊接。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于通過使升華氣態(tài)物質(zhì)的凝華成為固體并隨后收集和液化所述已凝華物質(zhì)的裝置，該裝置包括
用于將冷卻劑液體輸送到處理容器裝置中的裝置；用于將所述升華物質(zhì)輸送到所述容器中的裝置；用于使所述冷卻劑液體與所述升華物質(zhì)直接接觸并混合的裝置，以將所述升華物質(zhì)的溫度減小到其結(jié)露點(diǎn)；所述容器裝置包括一下罐部分，固體凝華物質(zhì)落入其中；所述容器裝置還包括至少在所述罐部分的加熱裝置；閥裝置可使所述容器裝置密封以使所述容器裝置中壓力升高；管子裝置，在靠近所述罐部分下端的一個位置上具有一第一端，以便浸入由所述凝華物質(zhì)液化反應(yīng)所產(chǎn)生的液體中，以及遠(yuǎn)離所述第一端伸出所述容器外部并且連接到裝置上的一第二端，以容納所述液化物質(zhì)；以及所述管子裝置具有可控制所述液化物質(zhì)排出的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種用來通過使升華氣態(tài)物質(zhì)凝華成為固體并隨后收集和液化所述凝華物質(zhì)的方法，所述方法包括如下步驟通過與處理容器裝置中的冷卻流體的直接混合而將升華物質(zhì)冷卻到一低于所述升華物質(zhì)的結(jié)露點(diǎn)以下的溫度，以使所述升華物質(zhì)凝華成固體；使所述固體沉積并收集在所述處理容器裝置的收集罐部；加熱所述容器裝置中的所述凝華物質(zhì)并且使所述容器中的壓力升高，所述加熱和所述壓力升高的混合作用使所述處理容器裝置中的所述凝華物質(zhì)液化。
升華氣體可以是UF6，但也可以包括廣泛的化學(xué)領(lǐng)域中的其它適當(dāng)氣體。例如，這些氣體包括四氟化鋯、五氧化磷、萘和碘。
當(dāng)用于生產(chǎn)幾乎無放射性的新純UF6流時，本發(fā)明是特別有益的。
當(dāng)處理容器裝置中發(fā)生凝華時，物質(zhì)可形成顆粒而落入收集罐部，且其高度逐漸升高，而不會發(fā)生象現(xiàn)有裝置中那樣的堵塞。
一旦處理容器裝置的收集罐部裝有所需量的固體UF6顆粒時，可關(guān)閉容器、加熱，關(guān)閉容器中所產(chǎn)生的壓力升高可使固體UF6液化，然后流入單獨(dú)的存儲容器中以便將來使用，或者根據(jù)需要進(jìn)一步加工處理。
另外，通過使加壓的惰性氣體進(jìn)入可使容器加壓，惰性氣體也可推動液體排出容器。
冷卻液可以是一種液化氣體、如氮?dú)狻?br> 較佳地，處理容器還在其上端還具有第一橫截面積減小部，通過可在其中進(jìn)行混合的體積減小部分，可加強(qiáng)進(jìn)入的升華氣體與冷的冷卻液的混合，并因此而冷卻。
較佳地，容器還包括用于加熱其外部的裝置和將熱量從所述容器壁引到其內(nèi)部的裝置，從而加熱固體UF6以促使進(jìn)行更有效的液化。加熱裝置可以是通過感應(yīng)加熱的，并且可包括一個或多個繞在容器周圍的感應(yīng)加熱線圈，該容器例如可用鎳合金制成。導(dǎo)熱裝置可包括擋條，擋條可伸過容器內(nèi)部，并與容器壁以及容器內(nèi)所裝的固體UF6接觸。
以下根據(jù)加工處理UF6來作描述。然而，根據(jù)需要也可處理其它化學(xué)物質(zhì)。
例如，冷或液化惰性流體可包括氮?dú)?、氬氣、氦氣、氖氣、氪氣、氧氣或其它適當(dāng)?shù)目梢夯瘹怏w中選出的至少一種。
處理容器還可包括在其底端的橫截面積減小的第二部分，并低于收集罐部，導(dǎo)管可伸入其中。導(dǎo)管的另一端可伸到容器上部高于UF6最終停留的高處。導(dǎo)管可在處理容器內(nèi)部或外部經(jīng)過。固體UF6通過在壓力條件下轉(zhuǎn)換成液體而從容器中排出。同現(xiàn)有處理過程一樣，關(guān)閉容器并用外部加熱裝置使其溫度升高。當(dāng)固體UF6開始升華時，容器中的壓力逐漸增加到2巴以上，在該壓力條件下，固體UF6熔融并且在大約75℃形成液體。一旦所有UF6液化，在連接到第二或底部橫截面積減小部分的導(dǎo)管上的閥打開，容器中高于UF6液體高度的UF6氣體壓力迫使液體流出容器進(jìn)入存儲容器以備使用，或在UF6是從再處理的輻射燃料中凝華出來的情況下再進(jìn)入再一處理步驟。因而，在本發(fā)明中，沒有機(jī)械泵或任何類似裝置，只有相當(dāng)簡單的閥以打開和關(guān)閉導(dǎo)管和控制流量。
在容器內(nèi)固體被加熱和升華而不是被液化時，連接到第二橫截面積減小部分上的導(dǎo)管也可起到一用于惰性氣體的入口的作用。
用于將液化惰性氣體引入容器中的裝置可以是一適當(dāng)?shù)膶?dǎo)管和噴射噴口。
用于使UF6進(jìn)入容器的裝置可以是適當(dāng)尺寸的導(dǎo)管。
當(dāng)UF6是新制造的時，其可以基本上純凈形態(tài)進(jìn)入容器。當(dāng)UF6氣體是從輻射燃料的再處理中生成時，其可在進(jìn)入容器之前與惰性攜帶氣體混合以控制放熱反應(yīng)。
在主容器上部的第一橫截面積減小部分將引起直接混合，所以可使UF6氣體快速冷卻并成為固體。液化惰性氣體較佳地可以噴射方式進(jìn)入容器，即通過設(shè)置在面積減小部分中的一個噴嘴進(jìn)入。
所有進(jìn)入和排出容器的導(dǎo)管都可設(shè)有閥裝置，這樣容器可與外部和其它相關(guān)的工廠或設(shè)備相密封關(guān)閉。
在UF6已經(jīng)冷卻和固化之后，用于抽取惰性氣體的裝置可以是容器壁中的另一導(dǎo)管。一旦UF6已經(jīng)由液化惰性氣體冷卻，其可轉(zhuǎn)換成“雪狀”固體物質(zhì)，其可停留于處理容器底部收集罐部內(nèi)。開始時，進(jìn)入的液氮溫度例如約為77°K，進(jìn)入的UF6溫度約為305°K、一旦UF6凝華，氮的溫度將上升到約135°K，在該溫度下液氮?dú)饣腆wUF6顆粒實(shí)際具有零蒸氣壓力，因此，固體UF6顆粒沉積在容器底部。然而，用于氣氮的排出導(dǎo)管較佳地具有一過濾器以捕獲小的UF6顆粒，這些顆粒由氣體流夾帶并帶出導(dǎo)管。較佳地，過濾器置于一基本上垂直的導(dǎo)管段上方并且具有外部加熱裝置，這樣任何捕獲到的UF6與處理容器中的大量固體UF6同時熔化，并且自然向下排入容器。該過濾器可以是，例如一燒結(jié)的鎳粉過濾器。
由于液氮或氬成本非常低，一旦氣化了的液化氣體已經(jīng)排出容器并經(jīng)過任何適用的過濾系統(tǒng)和除氣器而將由任何原因造成的雜質(zhì)去除后，都可以通到大氣中，而不象現(xiàn)有技術(shù)采用乙二醇處理那樣需要隨后的再循環(huán)或處理，因而使本發(fā)明的裝置明顯地更經(jīng)濟(jì)和易于操作。
本發(fā)明裝置的另一非常重要的優(yōu)點(diǎn)是除了閥以外沒有移動部分，因而免除了這方面的服務(wù)或維護(hù)。尤其重要的是，所處理的UF6是從輻射燃料中衍生出的，具有較高的放射性。而且，本發(fā)明的裝置除了不具有需要維護(hù)的部件之外，容器結(jié)構(gòu)還相當(dāng)簡單，因?yàn)槠渌哂械南蟋F(xiàn)有技術(shù)裝置的熱交換器式結(jié)構(gòu)中那樣的焊縫相當(dāng)少。因而，本發(fā)明裝置的容器具有比現(xiàn)有技術(shù)容器更好的整體性并且發(fā)生疲勞破裂的可能更少。
為了更充分地理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖對一個實(shí)例進(jìn)行描述，其中

圖1示出了本發(fā)明裝置的縱向剖面圖；圖2示出了沿圖1中線2-2的剖面圖；圖3示出了圖1中處理容器的主視圖；圖4示出沿圖3中箭頭方向所示的容器的俯視圖；現(xiàn)參見各附圖，圖中相同的部件采用共同的標(biāo)號表示。
下文所述的裝置是以液化UF6為例的。然而，也可以類似方式處理其它化學(xué)物質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的此裝置總的由標(biāo)號10示出。該裝置包括一存放和沉積容器12，該容器在其頂部具有一橫截面積漸縮的第一部分14以及在其底部具有一橫截面積漸縮的第二分部16(也稱為“靴部”)。一導(dǎo)管18從靴部16伸過容器12的主體部分20，并且伸出容器主體部分20的上壁22。一使已氣化的液體冷卻劑逸出的通氣管24也設(shè)置在上壁22上。通氣口24還具有一過濾器26以捕獲逸出氣體流中所攜帶的固體UF6的小顆粒。橫截面積縮小的第一部分14設(shè)有一入口管28以使氣態(tài)UF6(或者基本純凈的或是與如氮?dú)饣驓鍤獾南♂寶怏w相混合)進(jìn)入容器。與入口管28相對的是另一用來將如液體氮或氬的液態(tài)氣體送到容器12中的管子30。另一管子32設(shè)置于容器上以使加壓氣體進(jìn)入容器，這將在下文中介紹。一感應(yīng)加熱線圈34包圍容器主體部分20的外部以使容器能夠在外部被加熱。布置成十字形的多個擋條36設(shè)置在主體部分20下部以將熱量從容器的被感應(yīng)加熱壁引導(dǎo)到UF6上，這些UF6沉積在主體部分中并且包圍擋條36(這將在下文中詳細(xì)介紹)。
所有入口和出口管都設(shè)有適當(dāng)?shù)拈y(未示)，這樣任何輸送或產(chǎn)品流動都可以任意地停止，并且如果需要的話還可關(guān)閉容器12。
在運(yùn)作過程中，UF6氣體經(jīng)過管子28進(jìn)入部分14，在該處與由管子30進(jìn)入的液化氣混合，體積縮小部分14使兩種進(jìn)入液體流緊密地混合。進(jìn)入的UF6流由液體氣冷卻，而液化氣自身氣化，UF6固體化而形成一“雪狀”固體，落入容器12的主體部分20并沉積在容器底部，圍繞擋條36均勻堆高。主體部分20的上部分是一有效的未污染部分，它使UF6顆粒從經(jīng)過出口管24和過濾器26逸出的氣化冷卻劑中凝華出來。在通到大氣中之前，逸出氣體還經(jīng)過其它已知清潔設(shè)備(未示)。一旦容器中充滿所需量的固體UF6，UF6輸送管28、液體氣管30和通氣口24都關(guān)閉，并且由感應(yīng)線圈34加熱容器12。過濾器26也可具有其本身的加熱裝置(未示)。固體UF6在約75℃時升華，而使密封容器12中的壓力上升并且一旦壓力已上升到約2巴，UF6又成為液體，并且排到容器12底部而充滿靴部16。通過擋條36熱量被傳遞到沉積的固體UF6中，擋條36可傳遞來自感應(yīng)被加熱容器壁的熱量。繼續(xù)加熱，直至所有UF6熔融并且排到容器12的底部。另外，容器12也可通過經(jīng)過管子32進(jìn)入的惰性氣體而加壓以在容器中建立起最小為約2巴的壓力，其中UF6加熱熔化而非原本的升華。此時，液體UF6因管子18上的閥(未示)打開而流出管子，液體UF6藉由容器中的氣體壓力而射出，并且還可得助于經(jīng)管子32流過的其它惰性氣體。管子18或是連接到存貯裝置(未示)上，或者連接到處理設(shè)備上(未示)，這取決于所處理的UF6的種類以及如上所述的情況。
權(quán)利要求
1．一種用來通過使升華氣態(tài)物質(zhì)凝華而成為固體，并隨后收集和液化所述凝華物質(zhì)的裝置，所述裝置包括用于將冷卻劑液體輸送到處理容器裝置中的裝置；用于將所述升華物質(zhì)輸送到所述容器中的裝置；用于使所述冷卻劑液體與所述升華物質(zhì)直接接觸并混合的裝置，以將所述升華物質(zhì)的溫度減小到其結(jié)露點(diǎn)；所述容器裝置包括一下罐部分，固體凝華物質(zhì)落入其中；所述容器裝置還包括至少在所述罐部分的加熱裝置；閥裝置可使所述容器裝置密封以使所述容器裝置中壓力升高；管子裝置，在靠近所述罐部分下端的一個位置上具有第一端，以便浸入由所述凝華物質(zhì)液化反應(yīng)所產(chǎn)生的液體中，以及遠(yuǎn)離所述第一端伸出所述容器外部并且連接到裝置上的第二端，以容納所述液化物質(zhì)；以及所述管子裝置具有可控制所述液化物質(zhì)排出的裝置。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述升華氣體是UF6。
3．如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述容器還包括用于將來自所述容器壁的熱量傳遞到其內(nèi)部以加熱固體化UF6的裝置。
4．如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，加熱裝置是感應(yīng)加熱。
5．如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述冷卻劑液體是液化氣。
6．如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，液化氣是從氮?dú)?、氬氣、氦氣、氖氣、氪氣、氧氣或其它適當(dāng)?shù)目梢夯瘹怏w中的選出的至少一種。
7．如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述處理容器裝置在其上端具有橫截面減小的第一部分，以加強(qiáng)所述升華氣體和所述冷卻液體的混合作用。
8．如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述處理容器裝置還在其下端具有橫截面減小的第二部分，并且一管子伸入所述第二部分。
9．如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述管子伸出所述容器外以提供一用于液體凝華氣體的排出管。
10．前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述容器還具有另一管子以在壓力條件下向其上輸送惰性氣體。
11．一種用來通過使升華氣態(tài)物質(zhì)凝華成為固體并隨后捕獲和液化所述凝華物質(zhì)的方法，所述方法包括如下步驟通過與處理容器裝置中的冷卻流體的直接混合而將升華物質(zhì)冷卻到一低于所述升華物質(zhì)的結(jié)露點(diǎn)以下的溫度，以使所述升華物質(zhì)凝華成固體；使所述固體沉積并收集在所述處理容器裝置的收集罐部；加熱所述容器裝置中的所述凝華物質(zhì)并且使所述容器中的壓力升高，所述加熱和所述壓力升高的混合作用使所述處理容器裝置中的所述凝華物質(zhì)液化。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述升華氣體是UF6。
13．如權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述冷卻液是一種液化氣體。
14．如權(quán)利要求11-13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述壓力升高可用于從所述處理容器中排出液化凝華物質(zhì)。
15．如權(quán)利要求11-13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，由于加入的一種惰性氣體所產(chǎn)生的壓力升高可用于將液化的凝華物質(zhì)從所述處理容器排出。
16．一種參照附圖和說明書所述的用于捕獲和液化氣態(tài)UF6的裝置。
17．一種參照附圖和說明書所述的用于捕獲和液化氣態(tài)UF6的方法。
全文摘要
一種用來通過使升華氣態(tài)物質(zhì)凝華成為固體并且隨后捕獲和液化所述凝華物質(zhì)的裝置,所述裝置包括:用于將冷卻劑液體輸送到處理容器裝置中的裝置;用于將所述升華物質(zhì)輸送到所述容器中的裝置;用于使所述冷卻劑液體與所述升華物質(zhì)直接接觸并混合的裝置,以將所述升華物質(zhì)的溫度減小到其結(jié)露點(diǎn);所述容器裝置包括一下罐部分,固體凝華物質(zhì)落入其中;所述容器裝置還包括至少在所述罐部分的加熱裝置;閥裝置可使所述容器裝置密封以使所述容器裝置中壓力升高;管子裝置,在靠近所述罐部分下端的一個位置上具有:第一端,以便浸入由所述凝華物質(zhì)液化反應(yīng)所產(chǎn)生的液體中,以及遠(yuǎn)離所述第一端伸出所述容器外部并且連接到裝置上的第二端,以容納所述液化物質(zhì);以及所述管子裝置具有可控制所述液化物質(zhì)排出的裝置。
文檔編號F25J1/00GK1228818SQ9719747
公開日1999年9月15日 申請日期1997年8月14日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月30日
發(fā)明者尼爾·布魯?shù)聽?申請人:英國核燃料公共有限公司