[发明专利]一种回收燃料元件生胚中包覆颗粒和基体材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于核物理领域，具体涉及一种石墨基体燃料元件中包覆颗粒和基体材料的回收方法。 

背景技术

包覆型核燃料颗粒主要由陶瓷核芯和包覆层构成，包覆层材料主要有热解炭、碳化硅、碳化锆等，主要功能是阻止核芯裂变产物的释放。正因为此特性，包覆型核燃料已经在高温气冷堆成熟应用，而且在压水堆、熔盐堆中也有潜在应用前景。 

目前高温气冷堆所用燃料元件结构因堆芯结构不同主要分为球形和菱柱状两种。其结构都是球形核燃料颗粒经过多层包覆后弥散在石墨基体中，其中包覆颗粒粒径分布在0.80-1.0mm之间，平均粒径为0.92mm。制造工艺为基体石墨粉与包覆颗粒均匀混合后模压成型，然后经过车削、炭化、纯化处理。未经炭化处理的元件因此被称为“燃料元件生坯”。石墨基体粉通常由石墨粉和液态树脂均匀混合后造粒、干燥、粉碎而成。其中所用树脂在压制过程中作为粘合剂，炭化后形成强度较大的玻璃态炭保证元件的力学性能。树脂采用热塑性酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛、脲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、聚胺脂树脂、及其一定配比的混合物等。模压成型的燃料元件生坯具有致密的结构，尤其是球形结构的生胚具有更好的抗压能力，不容易破碎。 

在高温堆燃料球形燃料元件生产中，产生燃料元件生坯次品的原因主要包括压制过程中颗粒掉进无燃料区、燃料区偏心以及车削过程中产生的偏心和表面缺陷。燃料元件生坯次品需要回收，尤其含有核材料的包覆颗粒必须回收利用，减少放射性废物的产生。从 缺陷产生来看，上述缺陷都产生于热处理前，也就是说元件为树脂未经炭化的生坯。目前，回收燃料元件中包覆颗粒所采用的方法一般为与氧气灼烧，例如专利CN102105943A公开的方法，在1000℃以上将石墨氧化后得到包覆颗粒，该方法能耗大、存在污染且会同时将包覆颗粒外层的热解炭层氧化掉，回收的包覆颗粒不能直接回用。另外，生坯基体材料内所含石墨和树脂都是核纯级别，价格昂贵，氧化灼烧掉甚为可惜。而且基体材料氧化除了耗能，还会向大气中排放CO₂，与当前提倡的节能减排理念背道而驰。 

发明内容

针对本领域存在的问题，本发明的目的是提出一种回收燃料元件生胚中包覆颗粒和基体材料的方法，保证生坯内所有材料都能回收再利用，并实现CO₂零排放。 

实现本发明目的的技术方案为： 

一种回收燃料元件生胚中包覆颗粒和基体材料的方法，包括步骤： 

a.醇溶剂浸泡燃料元件生坯5-38小时，醇溶剂与燃料元件生坯的体积比为0.8-5:1，将生坯完全解体，得到固液混合物，其中固形物包括石墨粉和包覆颗粒，液相为树脂的醇溶液； 

b.通过两级过滤，过滤步骤a得到的混合物，得到包覆颗粒和石墨粉；第一级分离出包覆颗粒，第二级分离出石墨粉； 

c.醇溶剂逐级淋洗包覆颗粒和石墨粉，去除包覆颗粒表面粘附的石墨粉和石墨粉表面的树脂，得到树脂的醇溶液； 

d.分别烘干包覆颗粒和石墨粉； 

e.步骤a和c所得树脂的醇溶液混合后浓缩。 

其中，所述步骤a中醇溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙烯醇中的一种或多种的水溶液，所述水溶液的质量浓度为50-100%，溶剂与燃料元件生坯的体积比为1-5:1，所述浸泡在密闭容器中进行。 

优选地，所述步骤a中醇溶剂为无水甲醇和/或无水乙醇，醇溶剂与燃料元件生坯的体积比为2:1；所述浸泡在密闭容器中进行。更优选地，所述步骤a中醇溶剂为无水甲醇和无水乙醇，无水甲醇和无水乙醇体积比为1-3:8。 

优选地，所述步骤a中醇溶剂浸泡燃料元件生坯5-12小时，浸泡的温度为55-65℃。 

其中，所述步骤b所用两级过滤中，第一级用于截留包覆颗粒，过滤使用孔径0.1-0.75mm的筛网，保证能截留包覆颗粒的同时石墨粉能顺利随液体带走，进入第二级过滤。 

其中，所述第二级过滤采用滤纸或滤膜过滤，所述滤膜为微滤膜（孔径0.01-10微米），滤膜过滤压力为0-0.8MPa。或采用滤纸为过滤介质，真空过滤或常压过滤，真空过滤的真空度为-0.2至-0.8MPa。 

其中，所述步骤c中醇溶剂与步骤a中的醇溶剂相同。 

其中，所述步骤d中烘干采用真空加热，真空度0-0.9Mpa，温度为75-100℃，烘干时间1-2小时。回收的包覆颗粒可以直接用于燃料元件生产的穿衣、压制工序。石墨粉可以直接用于燃料元件基体材料的制备中。