用于遠(yuǎn)程制造含有高度放射性元素的高密度芯塊的激光燒結(jié)系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]1.
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及激光系統(tǒng)和方法，其特別對(duì)于遠(yuǎn)程制備包括陶瓷基體材料和高度放射性元素的高密度芯塊是有用的。
[0003]2.相關(guān)技術(shù)的說(shuō)明
[0004]在世界各地，作為從商業(yè)核電廠的操作產(chǎn)生的用過的核燃料的再處理的結(jié)果，產(chǎn)生了高水平的核燃料廢物。為了處理這種廢物，有必要回收并減少包含在其中的長(zhǎng)壽命高度放射性的元素。長(zhǎng)壽命的高度放射性的元素可以包括镅(Am)，鋦(Cm)，钚(Pu)，镎(Np)，鏷(Pa)，锎(Cf)，鈾(U)，鉦(Th)和某些裂變產(chǎn)物，如锝(Tc)-99，碘(I)-129，鋯(Zr)-93，砸(Se) -79和錫(Sn) -126。U可被U-232和/或U-234污染和Th可被Th-228污染。這些核燃料元素的某些同位素具有很高的穿透力和輻射場(chǎng)。由于積聚的Th-228，U-232和相關(guān)聯(lián)的衰變產(chǎn)物，當(dāng)再循環(huán)Th和U時(shí)輻射場(chǎng)甚至進(jìn)一步增加。此外，可出現(xiàn)具有典型地形成在裂變反應(yīng)堆中的放射性裂變產(chǎn)物的進(jìn)一步污染?？梢酝ㄟ^形成含有這些高度放射性元素的氧化物，硅化物，氮化物，或碳化物以及釷或鈾或鋯的氧化物，硅化物，氮化物或碳化物基體的芯塊，然后將芯塊暴露到核反應(yīng)堆的強(qiáng)烈中子譜(這將最終通過嬗變成穩(wěn)定的裂變產(chǎn)物減少這些放射性元素的含量)降低高水平廢物的放射性。高度放射性元素的高穿透性輻射場(chǎng)要求制造工藝在高度屏蔽位置遠(yuǎn)程完成。
[0005]基于用于商用核電廠的操作要求，該燃料芯塊應(yīng)當(dāng)具有高密度(例如，大于85%的有效理論密度)，以便提供令人滿意的性能。在本領(lǐng)域中已知的用于生產(chǎn)高密度燃料的復(fù)雜芯塊制造和燒結(jié)設(shè)備和工業(yè)芯塊的制造技術(shù)不適用于高度屏蔽，遠(yuǎn)程操作的制造單元。
[0006]因此，在本領(lǐng)域中有必要設(shè)計(jì)和開發(fā)在強(qiáng)屏蔽、遠(yuǎn)程操作區(qū)域中用于燒結(jié)和芯塊制造的高密度(例如大于85%有效理論密度)、含高度放射性元素的芯塊的系統(tǒng)和工藝。另夕卜，期望的是，可以從遠(yuǎn)程位置例如強(qiáng)屏蔽區(qū)內(nèi)，使用在其整個(gè)壽命需要最小維護(hù)并且允許簡(jiǎn)單的過程自動(dòng)化的設(shè)備進(jìn)行燒結(jié)和芯塊制造工藝。
[0007]發(fā)明概述
[0008]在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了遠(yuǎn)程制備用于核反應(yīng)堆的燃料芯塊的激光燒結(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括進(jìn)料組合物，該進(jìn)料組合物包括至少一種高度放射性元素和陶瓷基體材料，高度放射性元素為選自其氧化物、硅化物、氮化物、碳化物及其混合物的形式。進(jìn)料組合物為干燥的形式。該系統(tǒng)還包括屏蔽間，該屏蔽間具有設(shè)置在其中的平坦表面以接納和保持進(jìn)料組合物的層。該系統(tǒng)還包括至少一個(gè)激光器，其構(gòu)造成引導(dǎo)光束以在進(jìn)料組合物的層中燒結(jié)至少一個(gè)圖案并形成芯塊。在屏蔽間的外面設(shè)置該至少一個(gè)激光器的控制器。至少一個(gè)圖案對(duì)應(yīng)于芯塊的預(yù)定形狀。
[0009]屏蔽間可以具有在從1000°C至2000°C的范圍內(nèi)的溫度。
[0010]可以通過設(shè)置在平坦表面上方的反射裝置引導(dǎo)該至少一個(gè)激光器的光束。
[0011]在某些實(shí)施方案中，至少一種高度放射性元素選自镅、鋦、钚、镎、鏷、锎、鈾、釷、在再加工核燃料材料中發(fā)現(xiàn)的裂變產(chǎn)物，及其混合物。鈾可能被U-232和/或U — 234污染和釷可能被Th — 228污染。裂變產(chǎn)物可以選自銫、鍶、锝、釕、及其混合物。陶瓷基體材料可以選自氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、及其混合物。另外，陶瓷基體材料可以選自鈾、釷、鋯、鏷、钚的氧化物、氮化物、碳化物、和硅化物及其混合物。芯塊可以具有約85%的密度或更大的理論密度。另外，進(jìn)料組合物可以是粉末形式。
[0012]此外，該層可以在從5至100微米的范圍內(nèi)具有基本均勻的厚度。
[0013]此外，該至少一個(gè)圖案可以是圓的形狀以產(chǎn)生圓柱形芯塊。
[0014]在某些實(shí)施方案中，基體材料選自氧化釷、氧化鋯、氧化鈾及其混合物。
[0015]在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了用于遠(yuǎn)程制備用于核反應(yīng)堆的燃料芯塊的激光燒結(jié)方法。該方法包括:制備干燥的形式的進(jìn)料組合物，該進(jìn)料組合物包括至少一種高度放射性元素和陶瓷基體材料，該高度放射性元素為選自氧化物、硅化物、氮化物、碳化物及其混合物的形式。該方法還包括獲得具有設(shè)置在其中的平坦表面的屏蔽間，將進(jìn)料組合物分配到平坦表面上從而形成第一層，使用至少一個(gè)激光器和引導(dǎo)該至少一個(gè)激光束朝向進(jìn)料組合物的第一層，其中從位于屏蔽間外面的控制器來(lái)操作至少一個(gè)激光器，并且在第一層內(nèi)形成至少一個(gè)圖案，其中至少一個(gè)圖案的形狀對(duì)應(yīng)于芯塊的預(yù)定形狀。
[0016]在某些實(shí)施方案中，重復(fù)上述方法用于將第二層分配和燒結(jié)到第一層上用于制備具有增加的高度的芯塊。此外，可以重復(fù)上述方法多次用于在第一層上順序地形成多個(gè)層，直至實(shí)現(xiàn)芯塊的預(yù)定高度。多個(gè)層中的每個(gè)可具有在從5至100微米的范圍內(nèi)的厚度。
[0017]附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0018]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，可以從以下優(yōu)選實(shí)施方案的描述來(lái)獲得本發(fā)明的進(jìn)一步理解，其中:
[0019]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案用于制造含有放射性元素的芯塊的遠(yuǎn)程激光制造方法的不意圖。
[0020]圖2示出根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施方案的具有燒結(jié)芯塊的形狀和未燒結(jié)粉末的進(jìn)料組合物料盤的俯視圖的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明涉及用于制造含高度放射性元素的燃料芯塊的遠(yuǎn)程操作的激光燒結(jié)系統(tǒng)和方法。高度放射性的元素可以來(lái)自使用的或用過的核燃料。例如，可以從得自使用的核燃料的再處理的材料中回收長(zhǎng)半衰期的高度放射性的元素，并且其可以包括裂變產(chǎn)物污染物。在本發(fā)明中，將這些放射性元素與陶瓷基體材料組合以形成芯塊。在一般情況下，所得到的芯塊可以用在運(yùn)行的核反應(yīng)堆例如壓水核反應(yīng)堆，沸水反應(yīng)堆，重水反應(yīng)堆，降低慢化反應(yīng)堆或快速反應(yīng)堆中的燃料棒中。
[0022]的核燃料通常包括高度放射性和長(zhǎng)半衰期的元素。這些元素可以是其氧化物，硅化物，氮化物，碳化物及其混合物的形式。高度放射性和長(zhǎng)半衰期元素可以包括嬗變產(chǎn)品和裂變產(chǎn)物。如本文所用的術(shù)語(yǔ)“嬗變產(chǎn)品”是指由于中子被同位素吸收而形成在反應(yīng)堆中的材料。如本文所用的術(shù)語(yǔ)“裂變產(chǎn)物”是指由鈾原子的裂變形成的材料。放射性嬗變的產(chǎn)品可以包括镅(Am)、鋦(Cm)、钚(Pu)、镎(Np)、鏷(Pa)、锎(Cf)、鈾(U)和釷(Th)。在某些實(shí)施方案中，U可被U-232和/或U-234污染和釷可被Th-228污染。裂變產(chǎn)物可以包括銫(Cs)、鍶(Sr)、锝(Tc)、釕(Ru)、及其混合物。在某些實(shí)施方案中，裂變產(chǎn)物可以包括Tc-99、碘(1)-129、,告(Zr)-93,? (Se)_79 和錫(Sn)_126。
[0023]在本發(fā)明中，在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明包括至少一種放射性嬗變產(chǎn)物。在某些其他實(shí)施方案中，本發(fā)明除了至少一種放射性嬗變產(chǎn)物還包括至少一種放射性裂變產(chǎn)物。在某些其它實(shí)施方案，任選存在被U-232和/或U-234沾染的U和被Th-228污染Th。
[0024]在某些實(shí)施方案中，高度放射性的元素也可為潛在地放射性毒性的。
[0025]陶瓷基體材料可以包括氧化物，氮化物，硅化物，碳化物及其混合物。另外，陶瓷基體材料可包括增殖性或惰性材料的碳化物、氧化物、氮化物、和硅化物中的一種或多種。在某些實(shí)施方案中，陶瓷基體材料可包括U、Th、鋯(Zr)、Pa、Pu的氧化物，氮化物，硅化物或碳化物及其混合物。在某些實(shí)施方案中，基體材料可包括Th氧化物，U氧化物，Zr氧化物及其混合物。
[0026]將至少一種高度放射性元素與陶瓷基體材料結(jié)合以形成進(jìn)料組合物。該進(jìn)料組合物是干燥的形式，例如但不限于粉末。進(jìn)料組合物還可以包括在本領(lǐng)域中已知用于生產(chǎn)用在核反應(yīng)堆燃料棒中的芯塊的其它材料和添加劑。
[0027]將進(jìn)料組合物分布在平坦表面例如料盤上以在其上形成床或?qū)?。?yōu)選的是，進(jìn)料組合物中基本上均勻地分布在平坦平面上。此外，優(yōu)選的是，進(jìn)料組合物的位置使得它不在平坦平面上形成垛或堆。床或?qū)拥暮穸瓤梢宰兓?。在某些?shí)施方案中，該層是薄層，其厚度可以在從5至100微米或10至100微米的范圍內(nèi)。
[0028]由于本發(fā)明中使用的元素的高度放射性和潛在的放射性毒性，因此優(yōu)選的是，平坦表面或料盤設(shè)置在屏蔽間例如強(qiáng)屏蔽室內(nèi)。屏蔽間通常維持在升高的溫度，例如，高于環(huán)境溫度或室溫。在某些實(shí)施方案中，屏蔽間的溫度在從約1000°C至約2000°C的范圍內(nèi)。
[0029]使用一個(gè)或多個(gè)激光器來(lái)燒結(jié)進(jìn)料組合物。(一個(gè)或多個(gè))激光器可包括多種在本領(lǐng)域公知和商購(gòu)的產(chǎn)品。一個(gè)或多個(gè)激光器和/或與其相關(guān)的(一個(gè)或多個(gè))控制電動(dòng)機(jī)可以位于屏蔽區(qū)的外部，使得可以遠(yuǎn)程控制燒結(jié)過程。因此，可從屏蔽間的外部設(shè)置和操作(一個(gè)或多個(gè))控制器和/或(一個(gè)或多個(gè))激光器，同時(shí)(一個(gè)或多個(gè))激光束在屏蔽間的內(nèi)部是