1、引 言
    目前國(guó)際上對(duì)原子能反應(yīng)堆的安全性提出了越來越高的要求。高溫氣冷堆作為固有安全性好、熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好的新型反應(yīng)堆正受到廣泛的關(guān)注。包
覆燃料顆粒是高溫氣冷燃料元件中最重要的組成部分。包覆燃料顆粒的鍍層是阻擋反應(yīng)堆中裂變產(chǎn)物逸出的最主的屏障，對(duì)保證反應(yīng)堆的安全起著至關(guān)重要的作用。
    包覆燃料顆粒由二氧化鈾核心和四層包覆鍍層組成。包覆燃料顆粒彌散到石墨基體里，經(jīng)過壓制、成形、加工、熱處理等多道工序，最后制成核反應(yīng)堆的燃料元件。為保證燃料元件的質(zhì)量，在制造燃料元件時(shí)要求每個(gè)元件的含鈾量滿足設(shè)計(jì)要求，這樣不僅對(duì)包覆燃料顆粒各鍍層的密度等物性有明確的設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)鍍層厚度和顆粒的尺寸也有極嚴(yán)格的要求．刊。因此包覆燃料顆粒在生產(chǎn)中要進(jìn)行篩分，這是提高燃料元件質(zhì)量的重要工序之一。作者對(duì)包覆燃料顆粒的篩分設(shè)備和工藝進(jìn)行了研究。
2、顆粒篩分的要求
    包覆燃料顆粒的二氧化鈾核芯是用溶膠凝膠方法制造的，因此，生產(chǎn)出的燃料核芯顆粒直徑大小不同，也不是絕對(duì)的圓球型。用這樣的燃料核芯在流化床沉積爐中用化學(xué)氣相沉積方法制造包覆燃料顆粒時(shí)．幾百萬個(gè)顆粒在流化床沉積爐中噴動(dòng)并依次沉積上4層鍍層，每個(gè)顆粒鍍層的厚度不會(huì)完全一致，因而生產(chǎn)出的包覆燃料顆粒的直徑就有差別。每爐生產(chǎn)的包覆燃料顆粒中除符合設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品外，還有尺寸偏大或偏小的次品。顆粒直徑過小，通常是碎片、芯球直徑小或鍍層過薄造成的，這樣的顆粒極易破損或已經(jīng)破損；顆粒直徑過大，可能是芯球直徑大或鍍層過厚造成的。包覆燃料顆粒生產(chǎn)過程中由于機(jī)械損傷會(huì)造成極少量顆粒的破碎，也會(huì)產(chǎn)生～些粉末及片狀沉積物，并混有脫落下的流化床壁上的沉積碎片。這樣的次品顆粒如混^燃料元件的壓制生產(chǎn)線中，不僅影響燃料元件中含鈾量的準(zhǔn)確性．而且易在壓制生產(chǎn)時(shí)造成包覆燃料顆粒的破損，影響燃料元件的質(zhì)量，必須篩選除去。
    根據(jù)高溫氣冷堆包覆燃料顆粒的設(shè)計(jì)規(guī)范，應(yīng)篩選出直徑在0.8mm～l*o mm之間的包覆燃料顆粒產(chǎn)品，除去不符合設(shè)計(jì)要求的次品包覆燃料顆粒、粉末及片狀沉積物，在篩分時(shí)還要盡量減少顆粒的沖擊及磨損，盡可能地降低顆粒損失，提高回收率，以便減少鈾的損失。在保持較高的篩分效率的前提-下，要努力提高篩分工序的生產(chǎn)率。
    篩分過程一般用篩分效率來評(píng)價(jià)。篩分效率是反映篩分過程質(zhì)量的一個(gè)重要的綜合指標(biāo)，通常影響篩分效率的因素有物料性質(zhì)、篩分設(shè)備性能及篩分操作的工藝條件。因此，為了提高篩分效率，要選擇合適的篩分設(shè)備并優(yōu)化操作的工藝。
3、包覆燃料顆粒性質(zhì)
    包覆的工藝條件決定包覆燃料顆粒的形狀不可能是標(biāo)準(zhǔn)的球形。如果顆粒的長(zhǎng)短軸相差過大，就有可能一些顆粒以短軸尺寸擠出透到篩下，而一些顆粒由于長(zhǎng)軸尺寸大干篩孔尺寸而留在篩上。這樣篩分成品中會(huì)夾有偏大或偏小的次品顆粒，而次品顆粒中也會(huì)混入少量合格的產(chǎn)品，各種情況都可能出現(xiàn)，這些都會(huì)影響篩分效率。
    流化床包覆爐生產(chǎn)出的包覆燃料顆粒直徑尺寸呈現(xiàn)正態(tài)分布，如物料中較多的顆粒直徑尺寸接近篩網(wǎng)尺寸時(shí)，顆粒會(huì)堵塞篩孔，使篩子的有效篩分面積降低，篩分效率會(huì)明顯降低。包覆燃料顆粒的性質(zhì)直接影響篩分效率。因而，要不斷改進(jìn)包覆工藝，盡量減少包覆燃料顆粒直徑尺寸的偏差，制備出尺寸均勻、球型度好的高質(zhì)量的包覆燃料顆粒。
    經(jīng)過對(duì)包覆工藝的研究，嚴(yán)格控制各工藝參數(shù)，現(xiàn)生產(chǎn)的包覆燃料顆粒的球形度已達(dá)到0.86以上，其直徑尺寸的偏差小于72μm。
4、篩分機(jī)的選擇
    篩分機(jī)可分為固定篩和運(yùn)動(dòng)篩2大類，固定篩的篩面按一定傾角放置，物料在重力作用下通過篩面，傾角越大，處理量越高，篩分效率越低。固定篩對(duì)顆粒作用力最小，但篩分效率很難提高，且物料易堵塞。
    運(yùn)動(dòng)篩又可以分為圓筒篩、搖動(dòng)篩、振動(dòng)篩、共振篩等等。實(shí)驗(yàn)室中常用的振動(dòng)分級(jí)篩對(duì)顆粒的作用力大，生產(chǎn)率低，而且篩面易被物料堵塞，不易清理。圓筒篩對(duì)顆粒有磨損，但振動(dòng)小，顆粒受外力小，而且筒外裝滾刷，篩面可在篩分的同時(shí)清掃，不易堵塞，篩分效率高，機(jī)械裝置簡(jiǎn)單，占地小，適合于在放射性工作場(chǎng)所使用。
    根據(jù)包覆燃料顆粒設(shè)計(jì)技術(shù)要求，在生產(chǎn)中選用WTS250型圓筒篩，兩個(gè)篩筒的網(wǎng)孔尺寸分別選為0.8 mm和1.0mm。篩網(wǎng)是用不銹鋼絲編織而成，金屬絲有一定的彈性，在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生微小的顫動(dòng)，顆粒不易卡住，減少了堵塞網(wǎng)孔現(xiàn)象。圓筒篩內(nèi)加裝螺旋導(dǎo)流板，改善顆粒在篩面的分布并可延長(zhǎng)顆粒通過篩面的時(shí)間，提高篩分效率。篩分時(shí)，包覆燃料顆粒由中心均勻進(jìn)入0.8 mm篩筒中，先篩出直徑偏小的次品顆粒，篩上顆粒再通過1.0 mm的篩筒透篩出成品顆粒，未透過篩面被排出的顆粒就是直徑偏大的出品顆粒。
5、篩分工藝
    正確地選擇篩分操作工藝條件是提高篩分效率的關(guān)鍵。理論上小于篩孔的物料應(yīng)能全部通過篩孔，但由于顆粒尺寸的不規(guī)則及篩孔的偏差，篩下產(chǎn)物中．會(huì)混有大于篩孔尺寸的顆粒。篩上產(chǎn)物中，也會(huì)混有小于篩孔尺寸的顆粒。因此測(cè)定篩分效率時(shí)，需要分別測(cè)定篩下產(chǎn)物中小于篩孔粒級(jí)的產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，和篩上產(chǎn)物中小于篩孔粒級(jí)產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后和篩分的物料中實(shí)際小于篩孔粒級(jí)產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)做比較和計(jì)算得出。測(cè)定篩分效率是很復(fù)雜和煩瑣的。在對(duì)包覆燃料顆粒篩分的操作工藝進(jìn)行研究時(shí)，鑒于包覆工藝比較穩(wěn)定，產(chǎn)品顆粒的尺寸分布也相對(duì)接近。經(jīng)反復(fù)研究測(cè)定得出，在成品率很高的情況下，篩分效率和包覆燃料顆粒的篩分產(chǎn)率數(shù)值接近。而篩分工藝中測(cè)定和計(jì)算包覆燃料顆粒的篩分產(chǎn)率比較方便，因此，可用篩出的包覆燃料顆粒成品的篩分產(chǎn)率來評(píng)價(jià)包覆燃料顆粒的篩分工藝。成品顆粒的篩分產(chǎn)率即成品顆粒的重量對(duì)篩分顆粒的總重量的比值。
    采用相同工藝條件下生產(chǎn)的包覆燃料顆粒．在顆粒的給料速率為7.5 kg/h～l00 kg/h和篩分機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)速為15 r/min～40 r/min的條件下進(jìn)行篩分工藝參數(shù)試驗(yàn)。篩分后的包覆燃料顆粒分為成品顆粒(0.8mm～1.O mm)，偏大顆粒(>1.0mm)和偏小顆�！�0.8 mm)3類，分別用天平稱重，計(jì)算出各類顆粒的篩分產(chǎn)率，并用光電測(cè)長(zhǎng)儀檢驗(yàn)各類顆粒的尺寸。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。
    由圖1可知，滾筒轉(zhuǎn)速及給料速率會(huì)影響成品顆粒的篩分產(chǎn)率。隨著滾筒轉(zhuǎn)速升高，篩分出的成品顆粒篩分產(chǎn)率降低。滾筒轉(zhuǎn)速高時(shí)，顆粒在滾筒內(nèi)受到較大的切向力，影響顆粒從篩孔中透篩落下，而且顆粒通過滾筒的速度較快，臺(tái)格的顆粒會(huì)混入偏大的顆粒中，因此成品顆粒的篩分產(chǎn)率較低。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速低于15r/min，同時(shí)給料速率又大于66kg/h時(shí)，成品顆粒的篩分產(chǎn)率高達(dá)99%。經(jīng)用光電測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)定，成品顆粒中有一些偏小的顆粒沒有篩出。由于紿料速率過大，轉(zhuǎn)速又低，顆粒在滾筒中運(yùn)動(dòng)慢，分散不開，堆積較厚，偏小的顆粒沒有全透篩出來，顆粒的篩分產(chǎn)高，但混有偏小的次品顆粒，篩分的效率實(shí)際上并不高，而且成品中混人偏小的包覆燃料顆粒時(shí)，會(huì)造成包覆燃料顆粒的破損率偏高�？傊�，篩分的顆粒在滾筒中的運(yùn)動(dòng)以及受力的狀態(tài)是很復(fù)雜的，和滾筒轉(zhuǎn)速、給料速率及顆粒的性質(zhì)都有關(guān)。
    為了選定篩分工藝參數(shù)，不僅要使成品顆粒的篩分產(chǎn)率高，而且要分別測(cè)定成品顆粒、偏大顆粒和偏小顆粒的尺寸，確認(rèn)絕大多數(shù)的合格顆粒在成品顆粒內(nèi)，使鈾的損失減到最�。煌瑫r(shí)為減少顆粒破損的概率，篩分的工藝參數(shù)要盡量使成品顆粒中不混入偏小的顆粒，而且要減輕顆粒相互的碰撞，減少篩分工序中造成的顆粒破損。在一定意義上來說，包覆燃料顆粒篩分的質(zhì)量最終要由測(cè)定包覆燃料顆粒的破損率來判別。
    經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，包覆燃料顆粒的最佳篩分工藝參數(shù)為：篩筒轉(zhuǎn)速15r／min，給料速率30  kg/h～40kg/h，其成品顆粒篩分產(chǎn)率高達(dá)98%以上，篩分效率也高，且破損率低達(dá)10-6數(shù)量級(jí)。滿足了包覆燃料顆粒設(shè)計(jì)技術(shù)要求。
6、結(jié)束語
    經(jīng)過篩分工藝試驗(yàn)，分析研究了包覆燃料顆粒篩分過程的各影響因素，得出了最佳的篩分工藝參數(shù)，篩選出合格的包覆燃料顆粒，破損率均在10 -數(shù)量級(jí)以下，篩選后的包覆顆粒成品篩分產(chǎn)率達(dá)98%以上．減少了鈾的損失。
    三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售的木屑滾筒篩主要和木屑顆粒機(jī)生產(chǎn)線配套使用。