CN110299212B

CN110299212B - 一种用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器

Info

Publication number: CN110299212B
Application number: CN201910508461.2A
Authority: CN
Inventors: 于宁文; 罗志福; 邓新荣; 吴宇轩; 梁积新
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2039-06-12
Also published as: CN110299212A

Abstract

本发明公开了一种用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，包括旋转台架、旋转台、靶件夹具、纵向导轨、定位架、切割刀具固定架和切割刀具；靶件夹具安装在旋转台上且能够随旋转台旋转以带动靶件旋转；切割刀具固定架安装在定位架上；切割刀具安装于切割刀具固定架上且能够对靶件产生挤压力；定位架能够沿纵向导轨移动以使所述切割刀具固定架上的切割刀具相对于所述靶件运动；所述旋转台安装于所述旋转台架上且所述旋转台架与所述纵向导轨位置相对固定；所述切割刀具为无齿轮刀具。本发明的有益效果如下：本发明的刀具为无齿刀具，通过刀具作用于靶件上的挤压力，配合靶件旋转挤压剪切靶件包壳或其它圆柱形物件，避免粉尘和碎屑，降低放射性污染风险。

Description

一种用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器

技术领域

本发明涉及核化工领域，具体涉及一种用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器。

背景技术

⁹⁹Mo是一种人工放射性核素，半衰期为66h，衰变得到^99mTc。^99mTc药物是现代核医学中应用最广泛的放射性诊断药物。

虽然有多种途径和技术可以生产，得到高比活度产物的主要途径是反应堆辐照铀-235通过裂变反应生成⁹⁹Mo和其他产物，⁹⁹Mo占裂变产物的6.1％(质量百分比)。铀靶(²³⁵U)入堆后在热中子的作用下会发生裂变反应，反应截面为586b。裂变反应方程式为：

²³⁵U+n→²³⁶U+⁹⁹Mo+¹³⁴Sn+3n

使用低浓铀靶件与高浓铀靶件生产裂变⁹⁹Mo的主要区别在于要保持⁹⁹Mo产率和纯度，保证经济效益，U量的增大给制靶解靶工作带来了难题。铀箔靶件是将LEU(²³⁵U富集度19.75％)制成较薄的铀箔夹裹在内外两个环状铝筒之间。铀箔靶在制备的时候，要将铀箔和内外靶筒胀接，使靶件内筒变形达到与铀箔和外筒密封和紧固的连接，以达到保持好的热传导性。胀接紧密的靶件经辐照后需要专门设计专门的解靶设备，达到快速去除外筒和内筒，取出铀箔，进入溶解过程，为后续分离纯化得到裂变⁹⁹Mo的打下基础。

放射性核素制备是将比如U、Te等辐照原料装入包壳内制成靶件，放入核反应堆或加速器中进行一定的时间辐照后，将靶件从核反应堆或加速器中取出，装入屏蔽铅罐转运至放射性热室内，进行解靶取出辐照后原料，提取制备所需要的放射性核素。根据在反应堆中热中子的经济性，靶件包壳通常使用铝或锆作为靶件的包壳材料，为了保证在反应堆中辐照期间的释热要求和放射性操作的需要，靶件包壳制作成圆筒形式，将辐照原料装入圆筒状包壳内，焊接密封制作成靶件。

辐照后的靶件有很强的放射性辐射剂量，必须装入屏蔽铅罐转运至放射性热室内，切割解靶取出辐照后原料进行化学工艺处理。辐照后靶件的解靶必须在热室中进行。放射性热室是进行高放射性试验和操作的箱室，由铅、铸铁或重混凝土进行屏蔽，与周围环境密闭隔离，箱室内的操作由机械手完成。因为进行某些放射性核素的操作会产生放射性气溶胶，一旦泄漏出室外会对热室外环境造成放射性污染，热室的气体排放必须经热室排风过滤器净化排放，为减小热室内放射性气溶胶的产生，要求箱室内的放射性试验和操作不产生粉尘和碎屑。因此，在热室中需安装适用于热室内机械手操作，热室外远距离控制专用的切割装置。

切割装置由热室内切靶器、热室外PLC程序自动化控制仪和压缩空气泵等组成。热室中的切割解靶器由热室外压缩空气泵提供驱动力，操作人员在热室外通过设置PLC程序自动化控制仪，对每个动力单元进行分别设置、控制提供驱动力。切割装置可用于靶件或其它的放射性物品的切割，比如放射性靶件的包壳、放射性金属或非金属的切割。反应堆根据热中子的经济性和热工安全，靶件包壳材料多采用铝A1，镁Mg，锆Zr，在常温下A1的抗拉强度205MPa，受拉屈服强度55.2MPa，布氏硬度HB126；金属Mg的抗拉强度250MPa，受拉屈服强度150MPa，布氏硬度HB80，锆Zr的抗拉强度533MPa，受拉屈服强度361MPa，布氏硬度HB210。靶件切割器也可用于切割其它放射性物品的包壳，如304不锈钢(抗拉强度620MPa，受拉屈服强度310MPa，布氏硬度HB187)；316不锈钢(抗拉强度520MPa，受拉屈服强度205MPa，布氏硬度HB200)，因此，相对于要切割较硬的金属包壳，切割刀片选用材料为碳化钛基的钨W硬质合金的无齿轮的圆形刀片减小热室内的气溶胶的产生，要求切割时不产生粉尘和碎屑，避免热室内产生放射性碎屑物质造成放射性污染，尽量保证热室内环境安全。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，解决用锯切割或齿轮切割解靶过程中易产生粉尘和碎屑，造成放射性气溶胶和热室内放射性废物的问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，包括旋转台架、旋转台、靶件夹具、纵向导轨、定位架、切割刀具固定架和切割刀具；所述靶件夹具安装在所述旋转台上且能够随所述旋转台旋转以带动靶件旋转；所述切割刀具固定架安装在所述定位架上；所述切割刀具安装于所述切割刀具固定架上且能够对所述靶件产生挤压力；所述定位架能够沿所述纵向导轨移动以使所述切割刀具固定架上的切割刀具相对于所述靶件运动；所述旋转台安装于所述旋转台架上且所述旋转台架与所述纵向导轨位置相对固定；所述切割刀具为无齿轮刀具。

进一步地，上述的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，所述切割刀具为碳化钛基的钨硬质合金。

进一步地，上述的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，所述切割刀具为两件，对称设置于所述切割刀具固定架两侧。

进一步地，上述的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，所述定位架通过轴承安装于所述纵向导轨上。

进一步地，上述的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，所述纵向导轨顶部设置有限位板。

进一步地，上述的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，所述旋转台、靶件夹具、定位架和切割刀具固定架分别连接有动力汽缸以分别提供运作动力。

进一步地，上述的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，压缩空气源通过控制器与所述动力汽缸连接。

进一步地，上述的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，所述控制器为PLC模块化控制器。

进一步地，上述的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，所述PLC模块化控制器根据不同的靶件包壳材料输出不同的动力气压以控制旋转台转速和切割刀具的夹紧力。

本发明的有益效果如下：

本发明的刀具为无齿刀具，通过刀具作用于靶件上的挤压力，配合靶件旋转挤压剪切靶件包壳或其它圆柱形物件，避免粉尘和碎屑，降低放射性污染风险。

附图说明

图1为本发明的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器的结构示意图。

图2为本发明的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器的另一角度示意图。

图3为本发明的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器的驱动示意图。

上述附图中，1、固定底板；2、旋转台架；3、旋转台；4、靶件夹具；5、旋转台动力汽缸；6、切割刀具；7、切割刀具固定架；8、定位架；9、纵向导轨；10、靶件；11、定位架动力汽缸；12、靶件夹具动力汽缸；13、切割刀具动力汽缸；14、轴承；15、限位板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1和图2所示，本发明提供了一种用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，包括旋转台架2、旋转台3、靶件夹具4、纵向导轨9、定位架8、切割刀具固定架7和切割刀具6；所述靶件夹具4安装在所述旋转台3上且能够随所述旋转台3旋转以带动靶件10旋转；所述切割刀具固定架7安装在所述定位架8上；所述切割刀具6安装于所述切割刀具固定架7上且能够对所述靶件10产生挤压力；所述定位架8能够沿所述纵向导轨9移动以使所述切割刀具固定架7上的切割刀具6相对于所述靶件10运动；所述旋转台3安装于所述旋转台架2上且所述旋转台架2与所述纵向导轨9位置相对固定；所述切割刀具6为无齿轮刀具。通过刀具作用于靶件10上的挤压力，配合靶件10旋转挤压剪切靶件包壳或其它圆柱形物件，以冷挤压的方式提供切割动力，同时刀具采用无齿刀具，避免粉尘和碎屑，降低放射性污染风险。切割刀具6对称设置于所述切割刀具固定架7两侧。如此，可平衡作用于靶件10上的剪切力，实现有效切割。

所述旋转台3、靶件夹具4、定位架8和切割刀具固定架7分别连接有动力汽缸以分别提供运作动力。本实施例中，所述动力汽缸包括旋转台动力汽缸5、定位架动力汽缸11、靶件夹具动力汽缸12和切割刀具动力汽缸13。压缩空气源通过控制器与所述动力汽缸连接。所述控制器为PLC模块化控制器。所述PLC模块化控制器根据不同的靶件包壳材料输出不同的动力气压以控制旋转台3转速和切割刀具6的夹紧力。

具体而言，旋转台架2和纵向导轨9固定安装在固定底板1上，旋转台架2上面固定安装旋转台，下面安装旋转台动力汽缸5和靶件夹具动力汽缸12。旋转台3侧面配装旋转台动力汽缸5，为旋转台3旋转提供动力。靶件夹具固定安装在旋转台3上用于固定夹紧靶件10随旋转台一起旋转切割靶件10。旋转台架2底部安装靶件夹具动力汽缸12，用于给靶件夹具4提供动力夹紧靶件10及其它被切割物。靶件夹具4装配于旋转台3上随旋转台3一起旋转纵向导轨9为对称的两根直径3cm的圆不锈钢柱，安装在切割器靠边一侧，纵向穿过旋转台架2固定在固定底板1上，用于安装定位架8，定位架8两端使用滑动轴承14套装在纵向导轨9上，可上下自由移动调整上下位置。纵向导轨9上端设置有限位板15，起到限制位置的作用。定位架8上下自由移动的动力，由安装在定位架8上的切割刀具定位架动力汽缸11提供动力，调整确定定位架8的上下位置。切割刀具6及切割刀具动力汽缸13安装在切割刀具固定架7上，随切割刀具固定架7安装在定位架8上，由定位架8的上下移动调整确定切割刀具6的切割位置。切割刀具6由切割刀具动力汽缸13提供动力，使切割刀片夹紧靶件10及被切割物。

为获得更佳的切割效果，切割刀具6采用碳化钛基的钨硬质合金，是以TiC为主要成分的硬质合金，具有很高的硬度，布氏硬度HB810仅次于金刚石；热硬性好，1000℃时硬度仍保持在HB600；抗弯强度高5100MPa，具有良好的抗冲击韧性和抗腐蚀性极高的化学惰性。两个切割刀具6左右对称安装，切割时两刀具相对冷挤压对称切割。被切割物由机械手放置到旋转台3上由安装在旋转台3上得靶件夹具4夹紧，随旋转台3旋转完成切割。

为了解决屏蔽热室内操作的放射性辐射剂量大，辐射电离场强对电动设备的驱动干扰问题，本发明的旋转、夹紧和移动的驱动动力采用气动提供动力。受控的多汽缸由热室外压缩空气泵通过PLC程序自动化控制仪控制提供每个动力单元供驱动力，准确控制，完成夹紧和旋转等操作。旋转台3由旋转台动力汽缸5提供动力进行旋转，靶件夹具4和切割刀具6也是分别由各自的动力汽缸提供动力夹紧靶件10，切割刀具6是由定位架动力汽缸11提供动力进行上下移动确定切割刀具6的纵向位置。

靶件10转移进热室后，使用热室机械手抓取垂直放入切靶器的旋转台3中，靶件夹具动力汽缸12通入压缩空气，由热室压缩空气泵提供动力使靶件夹具4夹紧靶件10；定位架动力汽缸11通入的压缩空气，提供动力移动定位架8，调整切割刀具6到切割位置；切割刀具动力汽缸13通入的压缩空气，提供动力使切割刀具6夹紧靶件10；以上各部夹紧和切割刀具6位置调整完成后，根据切割旋转速度需要，调整通入旋转台汽缸的压缩空气，提供动力使旋转台3及旋转台3上靶件夹具4夹紧的靶件10一起旋转，随着旋转台3不断的旋转由切割刀具6逐渐的将靶件10切开。

本实施例中，夹紧、移动、切割各分部汽缸工作时所需的驱动气压各不相同，当夹紧空心的不同材料不同厚度的被切割物，如铝Al或锆Zr时所需得夹紧力是各不相同，如果夹紧力过大会使被切割物变形，造成无法切割。切割是切割刀片夹紧切割物，对被切割物施加剪切应力挤压切割靶件10，被切割金属在剪切应力作用下发生局部变形产生固体塑性流动，如果金属瞬间变形，变形化程度高、时间短会产生大量的热，导致被切割靶件10温度升的很高，使被切割靶件10变形，对靶件10内辐照物造成不利的影响，同时也会产生气溶胶。旋转切割速度太快，切割刀片与被切割金属的摩擦也导致被切割靶件10温度升的很高，对切割工作造成不利的影响。所以，切割旋转速度根据被切割物设置，以切割时被切割物表面温度保持在室温为宜，从而对被切割物施加剪切应力冷挤压切割靶件10。当靶件10被切透后，为避免对靶件10内辐照物造成破坏，需要及时停止切割。

本实施例的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器操作如下：

开启屏蔽热室外的作为压缩空气源的压缩空气泵17，提供压缩空气到PLC模块化控制器16(如图3所示为本实施例的压缩空气泵和模块化控制器的一种连接方式)；使用屏蔽热室机械手抓取靶件10或被切割物，放置到旋转台3中心，设定靶件夹具动力汽缸12所需要的动力气压给PLC模块化控制器16，输出一路动力气压给靶件夹具动力汽缸12，驱动靶件夹具4夹紧靶件。在PLC模块化控制器16设定输出另一路动力气压给定位架动力汽缸11提供动力，上下移动定位架8，调整确定切割刀具6的切割位置。按照所切割的材料设定PLC模块化控制器16，再输出一路动力气压给切割刀具动力汽缸13，提供动力使切割刀具6夹紧靶件或被切割物。最后，设定PLC模块化控制器16，输出一路动力气压给旋转台动力汽缸5，提供动力使旋转台3旋转，切割靶件。

所要切割的靶件的包壳是圆筒状的，材料和壁厚各不相同，所施加的夹紧力各不相同，如铝包壳或靶件包壳较薄，夹紧力过大可能会导致包壳变形，对切割造成困难。根据不同的靶件包壳材料和壁厚设定PLC模块化控制器16，使靶件夹具动力汽缸12一路的输出动力气压满足夹紧力不能导致靶件包壳变形。如铝包壳或较薄的靶件包壳，设定PLC模块化控制器16输出不超过3a tm大气压，如果是锆或不锈钢，则根据壁厚调整设定PLC模块化控制器16输出7a tm大气压，夹紧靶件。切割实心的切割物时，则需要输出7a tm-10a tm大气压给靶件夹具动力汽缸12，夹紧被切割物。

切割不同材料的靶件包壳，所要施加给切割刀具6的夹紧力各不相同，根据所要切割的靶件包壳材料，设定PLC模块化控制器16输出切割刀具动力汽缸13的一路的动力气压，使切割刀具6夹紧被靶件或被切割物，进行切割。如切割铝包壳，设定PLC模块化控制器16输出3a tm大气压，如果切割锆或不锈钢，则调整设定PLC模块化控制器16输出不超过5a tm大气压。因为要避免在切割过程中，因切割刀具6与所被切割物的摩擦产生高温，所以，输出给切割刀具动力汽缸13的动力气压不能过大，采用控制适当切割时间冷挤压方式进行切割。

切割刀具动力汽缸13的驱动切割刀具6夹紧被靶件或被切割物后，设定PLC模块化控制器16输出旋转台3一路动力气压给旋转台动力汽缸5，提供动力使旋转台3带动被切割物一起旋转，进行切割。要避免在切割过程中，因切割刀具6与所被切割物的摩擦产生高温，一要控制切割刀具6夹紧力；二要控制切割转速；根据不同的靶件包壳材料，通过调整设定PLC模块化控制器16动力气压的输出，旋转台3转速控制在20-60/分。

定位架8上下移动的一路动力气压，设定PLC模块化控制器16输出3a tm大气压给定位架动力汽缸11，即可保证定位架8的上下移动。

PLC模块化控制器16是采用西门子高端控制***S7-1500***，逻辑编程控制PID输出，对每一路输出的动力气压进行控制。在切割刀具固定架7上装有感应器，当切割完成会及时自动感应到被切割物不再受力，PLC模块化控制器16迅速响应，断开各路动力气压，停止切割。S7-1500***的响应时间192ns，感应器的响应时间1us，切割完成后可及时停止切割，避免对靶件内辐照材料造成破坏。每一路动力汽缸装有可缓冲气压的进气阀和泄气阀，通过设定PLC模块化控制器16的设定，可自动调整每一路动力汽缸的工作气压。

本发明的技术方案具有如下特点：

1、结构紧凑，适用于放射性热室内操作。

该发明结构紧凑，适用于放射性热室中工作。操作简单，适用于辐照后靶件切靶解靶工艺，保证靶件外靶筒合理切开，也适用于其它放射性物品的切割。

2、无齿刀具，气动切割，降低放射性污染风险

远距离操作，气动动力操纵无齿刀具，采用冷挤压的方式挤压剪切靶件包壳或其它圆柱形物件，避免粉尘和碎屑，降低放射性污染风险

3、精确定位，保障实现切割工艺要求

采用压缩空气驱动汽缸提供动力，夹紧、移动和旋转完成切割工作。切割器安装有多个汽缸分别用于被切割物的夹紧、旋转；切割刀具6的移动和夹紧，每个汽缸由屏蔽热室外PLC(数字运算可编程逻辑)模块化控制器控制分别输入不同的工作气压完成切割工作。保证对被切割靶件或其它物品的切割，符合切割工艺的安全要求和避免对热室产生放射性污染。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，其特征在于：包括旋转台架（2）、旋转台（3）、靶件夹具（4）、纵向导轨（9）、定位架（8）、切割刀具固定架（7）和切割刀具（6）；所述靶件夹具（4）安装在所述旋转台（3）上且能够随所述旋转台（3）旋转以带动靶件（10）旋转；所述切割刀具固定架（7）安装在所述定位架（8）上；所述切割刀具（6）安装于所述切割刀具固定架（7）上且能够对所述靶件（10）产生挤压力；所述定位架（8）能够沿所述纵向导轨（9）移动以使所述切割刀具固定架（7）上的切割刀具（6）相对于所述靶件（10）运动；所述旋转台（3）安装于所述旋转台架（2）上且所述旋转台架（2）与所述纵向导轨（9）位置相对固定；所述切割刀具（6）为无齿轮刀具；

所述旋转台（3）、靶件夹具（4）、定位架（8）和切割刀具固定架（7）分别连接有动力汽缸以分别提供运作动力；

压缩空气源通过控制器与所述动力汽缸连接；

PLC模块化控制器根据不同的靶件包壳材料输出不同的动力气压以控制旋转台（3）转速和切割刀具（6）的夹紧力。

2.如权利要求1所述的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，其特征在于：所述切割刀具（6）为碳化钛基的钨硬质合金。

3.如权利要求2所述的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，其特征在于：所述切割刀具（6）为两件，对称设置于所述切割刀具固定架（7）两侧。

4.如权利要求1所述的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，其特征在于：所述定位架（8）通过轴承（14）安装于所述纵向导轨（9）上。

5.如权利要求1所述的用于辐照铀箔靶件的切靶解靶器，其特征在于：所述纵向导轨（9）顶部设置有限位板（15）。