本發(fā)明涉及一種球形燃料元件解體裝置，屬于核燃料元件后處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
高溫氣冷堆(HTGR)以其固有安全性好、發(fā)電效率高、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)受到了世界各國，特別是發(fā)展中國家的重視，有望作為第四代先進(jìn)反應(yīng)堆型之一得以廣泛應(yīng)用。高溫氣冷堆屬于模塊式球床堆，其球形燃料元件的直徑為60mm，是由包覆燃料顆粒(直徑約為0.92mm)和基體石墨粉混合壓制成燃料芯球(直徑為50mm)，再在燃料芯球外面壓制5mm厚的基體石墨殼構(gòu)成，每個球含鈾約5-7g。球形燃料元件在高溫氣冷堆內(nèi)運(yùn)行，燃耗達(dá)到一定要求后排出成為乏燃料球，其中含有鈾、裂變產(chǎn)物、超鈾元素等。為了進(jìn)一步提高高溫氣冷堆安全性，改進(jìn)燃料元件的設(shè)計(jì)和制造水平，亟需開展球形燃料元件輻照后性能研究，探索包覆顆粒在堆內(nèi)和事故狀態(tài)下的破損機(jī)制。這就需要將輻照后的燃料元件解體，獲得與石墨基體分離并且結(jié)構(gòu)完整的包覆顆粒樣品；同時，還需要保留顆粒在元件中的相對位置信息，為包覆燃料的破損研究提供更多線索。目前，將球形燃料元件中解體并分離出包覆顆粒的方法有很多種，例如氧化法、燃燒法、機(jī)械破碎法、電解法等。其中，氧化法采用強(qiáng)氧化性物質(zhì)(如液Br2)腐蝕燃料元件的石墨層，但是強(qiáng)氧化劑對常規(guī)設(shè)備的腐蝕性使該方法的應(yīng)用受到很大限制；直接燃燒法和機(jī)械破碎法耗能高、污染大、容易破壞包覆顆粒的層結(jié)構(gòu)，而且無法得到顆粒的位置信息。專利CN1885439A及CN101252028A公開了一種基于電解插層氧化法對基體石墨球剝離和破碎的方法，在適當(dāng)?shù)碾娊怆娏骷半娊庖簵l件下能夠?qū)崿F(xiàn)石墨球的解體破碎。電化學(xué)解體方法條件溫和、易于控制，但在上述兩個專利文獻(xiàn)中無法獲得包覆顆粒的位置信息，且不適合在密閉的屏蔽室，如熱室或手套箱中通過機(jī)械手進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提出一種球形燃料元件解體裝置，以適用于高溫氣冷堆球形燃料元件輻照后性能的研究。本發(fā)明提出的球形燃料元件解體裝置，包括底座、門形立柱、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、升降模塊、旋轉(zhuǎn)模塊、懸臂支架、電解池、絲杠電機(jī)、標(biāo)尺、網(wǎng)狀陰極、滾珠絲杠、絲母、滑座、夾具、連接架、直流電源、限位開關(guān)、導(dǎo)軌和開口槽；所述的門形立柱的一側(cè)固定在底座1上，立柱上有開口槽，旋轉(zhuǎn)模塊與門形立柱的另一側(cè)相對固定；所述的懸臂支架的短臂與旋轉(zhuǎn)模塊的輸出軸聯(lián)動，旋轉(zhuǎn)電機(jī)固定在懸臂支架的長臂的端部；所述的升降模塊固定在門形立柱一側(cè)的上部或下部；所示的電解池通過連接架與絲母相對固定；在升降模塊的作用下，絲母帶動電解池沿著開口槽在滾珠絲杠上做豎直上下運(yùn)動，并通過滑座和導(dǎo)軌的結(jié)合作用保持穩(wěn)定；電解池中設(shè)有網(wǎng)狀陰極，網(wǎng)狀陰極與直流電源的負(fù)極相連接；待解體燃料元件通過夾具與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸聯(lián)動，輸出軸與直流電源的正極相連接。本發(fā)明提出的球形燃料元件解體裝置，其優(yōu)點(diǎn)是，能夠?qū)差w粒從石墨基體中逐步剝離出來，且能從外到內(nèi)在元件不同半徑處取樣，用于輻照后燃料元件中包覆顆粒的破損機(jī)理研究和燃耗及裂變產(chǎn)物的分析。由于輻照后的燃料元件具有很強(qiáng)的放射性，該裝置還易于在密閉的屏蔽室內(nèi)通機(jī)械手進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作。本發(fā)明提出的球形燃料元件解體裝置，設(shè)備緊湊，操作方便，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，能夠明確破損包覆顆粒在燃料元件中的具體位置,非常有利于輻照后或熱處理后燃料元件中包覆顆粒的破損機(jī)理研究和燃耗及裂變產(chǎn)物的分析，并有效避免各批次樣品間的干擾及污染。附圖說明圖1是本發(fā)明提出的球形燃料元件解體裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1所示的球形燃料元件解體裝置的右視圖。圖3是圖1所示的球形燃料元件解體裝置中升降模塊為旋轉(zhuǎn)手柄、旋轉(zhuǎn)模塊為懸臂支架手動弧形旋轉(zhuǎn)時的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖1所示的球形燃料元件解體裝置中升降模塊為絲杠電機(jī)、旋轉(zhuǎn)模塊為旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明提出的球形燃料元件解體裝置二步電解的示意圖。圖1—圖4中，1為底座，2為門形立柱，3為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，4為懸臂支架，5為待解體燃料元件，6為電解池，7為升降模塊，8為旋轉(zhuǎn)模塊，9為標(biāo)尺，10為網(wǎng)狀陰極，11為滾珠絲杠，12為絲母，13為滑座，14為夾具，15為連接架，16為直流電源，17為限位開關(guān)，8為導(dǎo)軌，19為開口槽。具體實(shí)施方式本發(fā)明提出的球形燃料元件解體裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括底座1、門形立柱2、旋轉(zhuǎn)電機(jī)3、升降模塊7、旋轉(zhuǎn)模塊8、懸臂支架4、電解池6、絲杠電機(jī)7、標(biāo)尺9、網(wǎng)狀陰極10、滾珠絲杠11、絲母12、滑座13、夾具14、連接架15、直流電源16、限位開關(guān)17、導(dǎo)軌18、開口槽19。門形立柱2的一側(cè)固定在底座1上，立柱上有開口槽19，旋轉(zhuǎn)模塊8與門形立柱2的另一側(cè)相對固定。懸臂支架4的短臂與旋轉(zhuǎn)模塊8的輸出軸聯(lián)動。旋轉(zhuǎn)電機(jī)3固定在懸臂支架4的長臂的端部。升降模塊7固定在門形立柱2一側(cè)的上部或下部。電解池6通過連接架15與絲母12相對固定；在升降模塊7的作用下，絲母12帶動電解池6沿著開口槽19在滾珠絲杠11上做豎直上下運(yùn)動，并通過滑座13和導(dǎo)軌18的結(jié)合作用保持穩(wěn)定。電解池6中設(shè)有網(wǎng)狀陰極10，網(wǎng)狀陰極10與直流電源16的負(fù)極相連接。待解體燃料元件通過夾具14與旋轉(zhuǎn)電機(jī)3的輸出軸聯(lián)動，輸出軸與直流電源16的正極相連接。以下結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明提出的球形燃料元件解體裝置的工作原理和工作過程：本球形燃料元件解體裝置包括電機(jī)系統(tǒng)和電解系統(tǒng)兩部分。所述電機(jī)系統(tǒng)包括底座1、門型立柱2和帶動待解體燃料元件5沿軸心線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)電機(jī)3、固定旋轉(zhuǎn)電機(jī)3的懸臂支架4。懸臂支架4安裝在門型立柱2上；懸臂支架4與定位軸鉸接，可以以定位軸為中心弧形旋轉(zhuǎn)，弧形運(yùn)動可以通過與定位軸相連的旋轉(zhuǎn)模塊8實(shí)現(xiàn)。門形立柱2上裝有限位開關(guān)17，用于控制旋轉(zhuǎn)模塊8帶動懸臂支架4旋轉(zhuǎn)位置，包括水平和豎直兩種狀態(tài)。連接于旋轉(zhuǎn)電機(jī)3軸上的待解體燃料元件5的球心與定位軸軸心線在同一直線上；旋轉(zhuǎn)電機(jī)3的轉(zhuǎn)速范圍0.5-30rpm。所述電解系統(tǒng)包括直流電源16、電解池6、以及與位于電解池中的網(wǎng)狀陰極10。直流電源16的正極與待解體燃料元件5相連形成陽極，負(fù)極與網(wǎng)狀陰極10相連作為陰極。電解池6位于待解體燃料元件正下方，可以上下移動。電解池6的上下移動通過與之相連的滾珠絲杠11完成，滾珠絲杠11垂直于底座，滾珠絲杠11的傳動通過升降模塊7帶動絲母12、滑座13、連接架16實(shí)現(xiàn)電解池6的上下移動。在立柱上裝有標(biāo)尺9，用于判斷電解池的行程距離，以控制電解元件的長度。直流電源16的正極與旋轉(zhuǎn)電機(jī)3的軸以滑環(huán)形式接觸。網(wǎng)狀陰極的材料為Pt，或Pt與銥合金，尺寸為(0.5-1cm)×(0.5-1cm)。其中，升降模塊7可通過旋轉(zhuǎn)手柄(如圖3中所示)或絲杠電機(jī)(如圖4中所示)實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)模塊8可通過支架4以定位軸為中心手動弧形旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)(如圖3所示)，也可通過與定位軸相連的旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)(如圖4所示)。燃料元件解體分為水平解體與豎直解體兩步，如圖5所示。首先，令待解體燃料元件5軸線與電解池6內(nèi)電解質(zhì)液面呈相對平行位置，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)3帶動燃料元件球緩慢旋轉(zhuǎn)，燃料元件球進(jìn)入電解池6中的部分逐漸被電解，直到待解體燃料元件5成為所需尺寸的柱狀樣品，至此為一步電解。隨后，使一步電解后得到的待解體燃料元件5的柱狀樣品軸心線與電解池內(nèi)硝酸液面呈相對垂直位置，通過電解池6再次向上移動，緩慢電解燃料元件柱狀體，隨著柱狀體解體過程的進(jìn)行，延柱狀樣品軸向方向分段取樣，可獲得在燃料元件球不同半徑處的包覆顆粒樣品.直至元件包覆顆粒完全解離為止，至此為二步電解。以下是采用本裝置將球形燃料元件解體的例子。電解初始，通過旋轉(zhuǎn)模塊8使懸臂支架4、旋轉(zhuǎn)電機(jī)3及待解體燃料元件5旋轉(zhuǎn)至水平位置，調(diào)節(jié)升降模塊7使燃料元件浸入至硝酸電解液面1cm左右，開啟直流電源，燃料元件作為陽極與電解池中電解液的陰極形成電場，在電壓6V、電流6A、電機(jī)1轉(zhuǎn)速為2rpm、電解池升高速度為1cm/h的條件下，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)3帶動燃料元件5緩慢旋轉(zhuǎn)，開始進(jìn)行解體，燃料元件進(jìn)入電解池中的部分逐漸被電解。通過控制升降電機(jī)7使電解池逐漸向上移動，3h后停止電解池升高，直至待解體燃料元件5與硝酸液面脫離接觸后，切斷直流電源?？刂粕惦姍C(jī)7帶動電解池逐漸向下移動至最底端，收集解體后樣品待檢。將解體后得到的基體石墨粉、燃料元件包覆顆粒以及電解池中的硝酸電解液抽取至樣品瓶中，標(biāo)記為樣品1。此后，啟動旋轉(zhuǎn)模塊8使懸臂支架4、旋轉(zhuǎn)電機(jī)3及待解體燃料元件5旋轉(zhuǎn)至待解體燃料元件5柱狀樣品與電解池中的硝酸液面呈豎直位置，向電解池中補(bǔ)入硝酸電解液10mL，啟動升降模塊7升高電解池，至柱狀燃料元件最下端浸入硝酸液面0.6cm。開啟直流電源，在電壓6V、電流6A的條件下，對柱狀燃料元件進(jìn)行解體，直至燃料元件與硝酸液面脫離接觸后，啟動升降模塊7使電解池逐漸向上移動電解燃料元件柱狀體，每上升0.6cm取樣一次，切斷直流電源，將解體石墨粉、包覆顆粒及硝酸電解液抽取至樣品瓶中。每次取樣后向電解池內(nèi)補(bǔ)足新鮮電解液。電解池每次提升和下降的位移用標(biāo)尺來確定。以此往復(fù)10次后，將所得解體樣品標(biāo)記為樣品2-11。所得樣品待進(jìn)一步分析檢測。通過上述解體操作，將燃料元件中的包覆顆粒從石墨基體中逐步剝離出來，且能從外到內(nèi)在元件不同半徑處取樣，保留了燃料顆粒在元件內(nèi)的位置信息。