一种可再生复用的液态重金属用净化装置的制作方法

1.本发明涉及核工业及核技术领域，特别涉及一种可再生复用的液态重金属用净化装置。


背景技术：

2.液态重金属铅基合金(pb，lbe-lead bismuth eutectic，pb83li17)，具有优良的中子性能、热物理性质以及化学性质，是先进核能系统(加速器驱动的次临界系统(ads)，铅冷快堆，聚变堆，产氚堆)的冷却剂重要候选材料和系统功能材料(ads中的散裂靶和聚变堆中的氚增殖)。
3.在上述先进核能系统中使用液态重金属作为冷却剂材料和功能材料，面临的一个重要的问题是液态铅基合金由于各种原因持续产生杂质，比如：与结构材料的腐蚀所产生的杂质，铅合金原料、密封性失效、检修、装卸料中引入的杂质，中子辐照活化产物等。一方面，这些杂质伴随着反应堆冷却剂传质于整个系统，进而由于温度效应沉积在堆内关键设备(堆芯燃料包壳、主回路换热器、包层)表面，影响核能系统的传热与传质，另一方面，杂质沉积导致流道堵塞，严重威胁反应堆的安全运行。
4.为保证反应堆的安全运行，必须对冷却剂进行持续净化，保证冷却剂的化学纯度。对此，中国专利201310542237.8提供了一种用于捕获液态金属冷却集中磁性杂质的磁阱，该净化装置的工作原理，在不导磁不锈钢盒体中竖直安装铁磁柱体，在铁磁柱的外侧设置场源系统，由磁场场源系统通过铁磁柱体在盒体中形成具有设定磁场强度和梯度的磁性杂质分选空间。对携带磁性杂质的液态金属进行净化。但是该装置对液态重金属纯化存在不足：首先该装置只能捕集磁性杂质，对于液态重金属中主要的非磁性杂质无捕集作用；其次铁磁柱体结构吸附磁性杂质一定量后，磁性吸引作用和液态金属的冲刷作用达到平衡，不能对磁性杂质进行持续净化，容易达到饱和；最后，由于杂质密度小于液态重金属，装置中液态金属下进上出，使的流动液态重金属极易带走杂质，净化效果降低。经前期实验研究发现，现有的净化装置后的液态重金属中仍然含有大量溶解元素ni，这是由于ni元素在液态重金属中溶解度高，大部分以非磁性存在，且随着温度降低析出不明显。
5.因此，研发一种高效对磁性杂质和非磁性杂质都具有捕集作用的净化装置势在必行。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种可再生复用的液态重金属用净化装置，有效的克服了现有技术的缺陷。
7.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
8.一种可再生复用的液态重金属用净化装置，包括密闭的净化仓，上述净化仓设有对其内部进入的重金属液搅动的离心搅拌机构。
9.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
10.进一步，上述净化仓的进液部位设有用于将液态重金属内ni元素析出的杂质滤出部件。
11.进一步，上述净化仓设有液态重金属进液管，上述杂质滤出部件设置在上述液态重金属进液管内部或管口处。
12.进一步，上述离心搅拌机构包括搅拌轴和搅拌单元，上述搅拌轴竖直设置，并可转动的装配于上述净化仓的顶壁中部，上述搅拌单元位于上述净化仓中，并与上述搅拌轴连接固定，上述净化仓顶部设有与上述搅拌轴上端连接并驱使其旋转的动力装置。
13.进一步，上述净化仓设有吸附重金属液内部磁性杂质的永磁吸附件。
14.进一步，上述永磁吸附件设置于上述搅拌单元上。
15.进一步，上述净化仓的进液部位设有冷却装置。
16.进一步，上述净化仓顶部设有用于捕捉液态重金属液面处杂质的捕捉装置。
17.进一步，上述捕捉装置包括手套箱和漏勺，上述净化仓顶部开有安装孔，上述手套箱密封固定在上述安装孔处，上述漏勺挂置在上述手套箱底部。
18.进一步，上述净化仓还设有液位监测器。
19.本发明的有益效果是：设计合理，采用ni元素析出及离心搅拌的共同作用促进液态重金属中杂质的析出集聚，实现杂质的及时清理及净化装置的连续运行，提高了液态重金属杂质纯化效率。
附图说明
20.图1为本发明的可再生复用的液态重金属用净化装置的结构示意图。
21.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
22.1、净化仓；2、离心搅拌机构；3、架体；4、加热保温装置；5、冷却装置；6、动力装置；7、捕捉装置；8、液位监测器；9、杂质滤出部件；11、液态重金属进液管；13、出液口；14、惰性气体入口；15、搅拌室；16、杂质收集室；21、搅拌轴；22、搅拌单元；23、永磁吸附件；71、手套箱；72、漏勺。
具体实施方式
23.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
24.实施例：如图1所示，本实施例的可再生复用的液态重金属用净化装置包括密闭的净化仓1，上述净化仓1设有对其内部进入的重金属液搅动的离心搅拌机构2。
25.具体净化过程如下：
26.液态重金属经入净化仓1内，在离心搅拌机构2的搅动下，于净化仓1内形成均匀的离心场，提供均匀离心场(提供紊流环境)，在离心场的作用下，促进重金属液体中的杂质之间的湍流碰撞，使得杂质集聚长大，并上浮至重金属液面，整体实现杂质的及时清理及净化装置的连续运行，提高了液态重金属杂质纯化效率。
27.更具体地，液态重金属和杂质在旋转搅拌的作用下由于密度不同会产生不同的运动。液态金属与杂质在一起作旋转运动，二者在同一半径上，切向速度相同，与角速度成正比。然而液态金属与杂质的径向速度不同，二者的速度差由下式表示：
[0028][0029]
δvr——液态金属与夹杂物在径向的速度差，m/s；
[0030]
d——液态金属的半径，m；
[0031]
r——杂质颗粒的半径，m；
[0032]
ve——液态金属与杂质颗粒同一半径上的切向速度，m/s；
[0033]
ρl——液态金属的密度,kg/m3；
[0034]
ρs——杂质的密度,kg/m3；
[0035]
杂质与液态金属密度不同，导致径向速度不同，密度大的液态金属向外运动，密度小的杂质向中心运动，最后由于浮力作用上浮至液态重金属的液面，实现液态重金属的净化，多次实验表明，目前设计杂质去除效率最高，可达90％以上。
[0036]
作为一种优选的实施方式，上述净化仓1的进液部位设有用于将液态重金属内ni元素析出的杂质滤出部件9。
[0037]
上述实施方案中，重金属在进入净化仓1时，经过杂质滤出部件9，促使ni有效析出，再配以后续的离心搅拌，使得析出的杂质聚集长大，并上浮重金属液面，从而使得杂质有效的析出。
[0038]
上述杂质滤出部件9采用金属mn过滤网，液态重金属在流经金属mn过滤网时，其中溶解的ni元素与mn结合形成mnni合金，促使ni有效析出。
[0039]
当然，杂质滤出部件9也可以采用其他能够有效析出ni元素的过滤网。
[0040]
本实施例中，在净化仓1一侧侧壁的上部设置液态重金属进液管11，在另一侧侧壁的底壁处设置出液口13，将杂质滤出部件9设置在上述液态重金属进液管11内部或管口处。
[0041]
本实施例中，还配置有架体3，上述净化仓1安装在上述架体3上，架体3对整个净化仓1起到支撑作用。
[0042]
作为一种优选的实施方式，上述净化仓1外部设有加热保温装置4。
[0043]
上述实施方案中，加热保温装置4保证液态金属处于设定温度，确保液态重金属处于较好的净化状态。
[0044]
本实施例中，加热保温装置4可以采用盘绕在净化仓1外表面的电加热管，实现均匀的加热，或是电加热管直接设置在净化仓1的侧壁夹层中。
[0045]
作为一种优选的实施方式，上述净化仓1内包含上下贯通的搅拌室15和杂质收集室16，上述杂质收集室16位于上述搅拌室15的上方，上述搅拌室15为圆筒状，上述杂质收集室16与上述搅拌室15连接的一段设为椭球形。
[0046]
上述实施方案中，液态重金属进液管11连接在搅拌室15的侧壁上部，在液态重金属杂质析出后，杂质处于杂质收集室16中，杂质收集室16设计的下段设计为椭球状，能够增加杂质的收集容量。
[0047]
作为一种优选的实施方式，上述离心搅拌机构2包括搅拌轴21和搅拌单元22，上述搅拌轴21竖直设置，并可转动的装配于上述净化仓1的顶壁中部，上述搅拌轴21的下端伸入上述净化仓1内，上述搅拌单元22位于上述净化仓1中，并与上述搅拌轴21连接固定，上述净化仓1顶部设有与上述搅拌轴21上端连接并驱使其旋转的动力装置6。
[0048]
上述实施方案中，动力装置6带动搅拌轴21旋转，从而带动搅拌单元22旋转对液态
重金属进行搅拌，使得净化仓1内重金属液体产生稳定的离心场，促使杂质杂质集聚长大，进而分离，其整体结构设计简单，使用稳定。
[0049]
本实施例中，上述动力装置6采用常规的伺服电机或步进电机即可。
[0050]
本实施例中，上述搅拌单元22设有多组，并间隔环绕在上述搅拌轴21外围，多组搅拌单元22的设计使得搅拌区域更宽泛，提升搅拌效果。
[0051]
作为一种优选的实施方式，上述净化仓1设有吸附重金属液内部磁性杂质的永磁吸附件23。
[0052]
上述实施方案中，永磁吸附件23能够吸附净化仓1内重金属液体中的磁性杂质，使得磁性杂质和非磁性杂质均得到清理。
[0053]
作为一种优选的实施方式，上述永磁吸附件23设置于上述搅拌单元22上。
[0054]
上述实施方案中，在搅拌的过程中，使得永磁吸附件23与重金属液体中的磁性杂质充分接触吸附，离心搅拌机构2在整个过程中提供紊流环境，增加了杂质之间的湍流碰撞，促进杂质的集聚长大；同时吸附杂质的磁性介质为磁性杂质成长集聚的提供场所，当饱和时吸附力不足以吸住，磁性杂质会脱落，此时搅拌离心净化就会发挥净化作用。
[0055]
更佳的，上述搅拌单元22包括搅拌杆，上述搅拌杆竖向设置，且上端与上述搅拌轴21连接，上述搅拌杆上设有多个上下间隔分布的上述永磁吸附件23本实施例中。
[0056]
在上述方案的基础上，上述永磁吸附件23设置为树枝状的永磁构件。
[0057]
上述实施方案中，永磁吸附件23采用三维树枝状，搅拌杆的两侧分别对称安装一个永磁吸附件23，相互间隔120
°
，并且，上下间隔的设置有多对，三维树枝状结构的设计增加了磁性杂质与永磁构件接触几率，永磁构件主体与连接搅拌杆的角度呈60
°
，树枝角度向上；一方面磁场对磁性杂质吸引作用增强促使磁性杂质聚集结晶长大，进而吸附捕集磁性杂质，另一方面树枝状结构的永磁构件增加了液态金属流动阻力，增加液态金属驻留时间，促使磁性杂质充分吸附分离，再一方面三维树枝结构的永磁构件增加了液态金属与杂质向上的升力，利用液态金属和杂质密度不同，提高了液态金属与杂质的分离效率。
[0058]
作为一种优选的实施方式，上述净化仓1的进液部位设有冷却装置5。
[0059]
上述实施方案中，液态重金属进入净化仓1的时候，经冷却装置5冷却降温，降低了液态重金属内部杂质的溶解度，促使溶解的杂质成核-结晶-析出(冷却降温方法促使非磁性杂质和磁性杂质析出)，由于析出的杂质粒径较小，液态重金属变成携带大量颗粒杂质的悬浮液，再配以后续的离心搅拌机构2处理，能够大幅提升杂质析出的效果。
[0060]
最佳的，冷却装置5设置在液态重金属进液管11上，更具体地，上述冷却装置5为盘绕在上述液态重金属进液管11外的管路，该管路内循环通入冷却液，整体结构设计简单，通过冷却液的循环流动来对液态重金属进液管11流经的液态重金属进行降温，促使ni有效结晶析出。
[0061]
作为一种优选的实施方式，上述净化仓1顶部设有用于捕捉液态重金属液面处杂质的捕捉装置7。
[0062]
上述实施方案中，捕捉装置7的设计利于对净化仓1内液态重金属液面处的杂质进行收集去除。
[0063]
作为一种优选的实施方式，上述捕捉装置7包括手套箱71和漏勺72，上述净化仓1顶部开有安装孔，上述手套箱71密封固定在上述安装孔处，上述漏勺72挂置在上述手套箱
71底部。
[0064]
上述实施方案中，当液态重金属液面处的杂质到达一定量时，在净化仓1顶部及手套箱71内处于惰性气体环境保护，然后，打开法兰，用漏勺72将杂质捞出，实现液态金属的在线净化。
[0065]
最佳的，在上述手套箱71底部开有操作孔，上述操作孔处设有用于打开或盖住其的法兰，需要清理杂质时，打开法兰，使手套箱71充满惰性气体，然后操作漏勺72对重金属液面处的杂质进行清理即可。
[0066]
需要补充说明的是：整个净化装置采用上部进液，下部出液的布局，增加了液态金属在净化仓1中的滞留时间，实现液态金属的高效净化。整个净化装置液态金属流动的驱动力依靠装置外的液态金属驱动泵来提供动力即可。
[0067]
需要补充的是：在通过漏勺72将杂质捞出后，可以快速的打开捕捉装置7，或是在捕捉装置7的手套箱71上开设带有密封结构的杂质出口，方便取出漏勺72将杂质清理掉。
[0068]
作为一种优选的实施方式，上述净化仓1还设有液位监测器8。
[0069]
上述实施方案中，该设有液位监测器8采用光感液位传感器，安装在净化仓1的顶壁上；当液态重金属液面的杂质量达到设定的容量值时，液位监测器8监测到杂质已存储到设计位置，然后即可将信号反馈至与其连接的上位机，操作人员即可进行杂质的收集捕捉作业，实现杂质的在线处理。
[0070]
作为一种优选的实施方式，上述净化仓1顶部设有惰性气体入口14。
[0071]
上述实施方案中，惰性气体入口14的设计能够平衡净化仓1在重金属流入及流出过程中内部的压力，同时，在针对杂质进行清理时，使得清理过程中处于惰性气体氛围中，不会与外界空气接触。
[0072]
本实施例中，通入的惰性气体优选为氩气。
[0073]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0074]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0075]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0076]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0077]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0078]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。