[發明專利]用于在可變范圍的顆粒尺寸上產生液滴的方法和設備

有效

• 申請號: 201180059420.1
• 申請日: 2011-11-29
• 公開（公告）號: CN103249493A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: M·布羅捷;D·穆利尼耶
• 申請（專利權）人: 原子能和能源替代品委員會
• 主分類號: B05B1/26
• 分類號: B05B1/26;B05B1/36;B05B17/06;B22F9/02;B22F9/08;C01G43/025;B01J2/02;B05B7/00;B05B15/02;B05B15/12;G21C3/62;B01J19/10
• 代理公司: 北京戈程知識產權代理有限公司 11314
• 代理人: 程偉;王錦陽

技術領域

本發明的領域為用于特別是在合成核燃料材料的小球體（或球體）的應用中產生液滴的方法和設備。

背景技術

這種類型的方法/設備可通常包括在用于利用溶膠-凝膠技術（即，利用沉淀反應的技術）制造核燃料的更普遍的方法中。這種類型的方法可能限制在生產燃料材料的小球體/球體的方法中潛在的放射性/污染物物質的分散，這些受控尺寸和形狀的球體本身隨后被（潛在地）包括在可能利用沉積技術潛在地制造的燃料元件中（例如，TRISO/VHTR類型的燃料），在例如“VHTR周期”的表述中的縮寫VHTR代表“超高溫反應堆”以及在“TRISO燃料”的表述中的縮寫TRISO代表三向同性，TRISO燃料為特定類型的燃料微粒。TRISO燃料的顆粒具有由在其中央的UOx（有時為UC或UCO）構成的裂變材料的小球體，該中央小球體涂覆有四層三向同性材料。該四層為由碳制成的多孔緩沖層、熱解碳的內部致密層（PyC）、用于在高溫下保持裂變產物并且加強TRISO顆粒的結構完整性的陶瓷層SiC、以及外部致密PyC層。還可能并且優選使用振動壓實技術以產生所述球體，在后一種情況下的目標顆粒尺寸的范圍更寬并且可能更難以實現。

因此，已經開發利用傳統GSP（凝膠負載沉淀，gel?supported?precipitation）溶膠-凝膠方法沉淀的在液相中溶解的燃料的液滴，這些液滴具有適合于后續合成的可用于例如如圖1中所示的用于產生核燃料的更廣泛的方法中（與忍受相對大的小球體直徑（即，大于300μm的直徑）的V/HTR應用相比，主要應用于振動壓實）的固體球體的性能和生產條件（在球形度、液滴尺寸、產生速度等方面），圖1示出所有以下步驟：

-步驟1：準備包含溶解的燃料的溶液；

-步驟2：產生受控尺寸和形狀的液滴；

-步驟3：使用凝膠負載溶膠-凝膠方法；

-步驟4：產生固體球體；

-步驟5：沉積所述球體，或在步驟5a中：利用振動壓實以填充燃料包殼；以及

-步驟6：產生V/HTR燃料元件，或在步驟6a中：產生通過振動壓實獲得的燃料。

在現有技術中，通過多個設備/方法產生液滴。然而，在上述情況的情境中（產生用于制造核燃料的球體），一定數量的特定限制/目的意味著必須選擇某些現有技術。將注意到的是，由于溶膠-凝膠沉淀方法不使用放射性粉末，因此溶膠-凝膠沉淀方法是限制污染物擴散的風險的有效方法。相反，在該技術中，必須如圖2所示的控制沉淀以隨后用于更廣泛的制造方法的固體球體的堵塞的風險以及尺寸和形狀，圖2示意性地示出了當液滴撞擊給定的液面S時（通常沉淀溶液）液滴G_ou經歷的變形，或更準確地說，分別平行和垂直于所述撞擊表面的兩個方向中的直徑比D_max/D_min隨時間的變化，并且示出了球形度的變化Δ。

因此，液滴本身必須具有：

-受控的尺寸和形狀（通常在可從幾十到幾百微米的范圍并且具有小于1.1的球形度比(D_max/D_min)的范圍內）；以及

-液滴產生速率必須理想地為低（當液滴撞擊包含能夠在溶膠-凝膠方法的情境下沉淀的元件的液體時，以限制液滴的變形（通過上述球形度比表征））。

一般而言，以下為現有技術中可識別的用于產生液滴的主要技術：

-利用氣體噴射流的霧化：

該技術相當普遍并且被用于各種行業。該技術使用通過氣體的相對運動（相對于將粉碎的液體）產生高剪切力而傳遞的動能使得液體粉碎，并因此產生后續所需的粉碎。在專利申請US2010/0078499和EP1888250中特別描述了該技術的示例。這種類型的技術的主要缺點在于，它使用對核工業不利的氣體噴射流（由于氣體噴射流與污染物接觸，氣體噴射流是需要過濾的氣態廢料的來源）。而且，由于需要液體出料口具有限制的截面以不增加用于霧化液體的氣體的流速，這些類型的液滴產生器經常變得阻塞。該限制導致高風險的阻塞，該阻塞對核工業非常不利，必須對用于處理放射性材料的設備進行維修/保養工作（就ALARA原則而言：ALARA原則是電離輻射保護的基本原則之一。目的在于，減少核服務供應商的人員所遭受的個人和集體劑量）。

-利用振動噴射器產生液滴：