摘要:溶膠凝膠工藝是高溫氣冷堆核燃料元件UO2核芯制備的關鍵工藝，硝酸鈾銑膠液流量是影響UO2核芯畸形顆粒和產品合格率的關鍵工藝參數。硝酸鈾銑膠液的流量控制要求十分嚴格，硝酸鈾銑膠液流量較低，控制精度為士1 g/min。因膠液勃度大、流量小，國內現有調節閥和質量流量計控制精度不能滿足要求。高溫氣冷堆核電示范工程燃料元件生產線在調試過程中，膠液實際流量控制精度達到士1 g/min十分困難，且設備故障率高。按照原設計手動調節閥門的生產方式，膠液流量波動大，無法實現士1 g/min的工藝要求，并需要一名操作人員不停的調整閥門才能盡量減小流量波動，同時功率放大器不能穩定提供100 Hz的輸出頻率，生產出的凝膠球畸形顆粒多，批次合格率為80%左右甚至更低。針對以上問題，重新選擇調節閥和質量流量計，并設計流量自動調節系統，實現膠液流量的自動調節控制，同時合并功率放大器和信號發生器的功能，重新設計一臺數字混合儀，從而實現硝酸鈾酞溶膠液的工業化控制。系統改造后，膠液流量控制精度在士0. 7 g/min以內，凝膠球的直徑和球形度明顯優于以前，批次產品平均合格率提高到83%左右。
    核芯制備采用溶膠凝膠工藝制備，工藝參數控制十分嚴格，控制精度高，這給工藝設備選型和調試帶來很大的困難。因高溫氣冷堆核電示范工程燃料元件生產線與清華大學實驗線生產方式不同，設備選型及結構也與清華大學不同，如何將清華大學實驗室設備轉化為工業化設備，能夠滿足凝膠球的批量生產，提高UO2核芯的合格率，是高溫氣冷堆核燃料元件工業化生產的前提。
1、溶膠凝膠工藝：
1.1溶、膠凝膠原理：
    溶膠凝膠法是用含高化學活性組分的化合物做前驅體，在液相下將這些原料均勻混合，并進行水解、縮合化學反應，在溶液中形成穩定的溶膠體系，溶膠經陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網絡結構的凝膠，凝膠網絡間充滿了失去流動性的溶劑，從而形成凝膠。
1. 2、溶膠凝膠工藝：
    UO2核芯采用溶膠凝膠法制備，UO2核芯制備工藝過程主要包括溶解、溶膠凝膠、干燥、燒結等工藝，UO2核芯直徑工藝要求為0.45~0. 55 mm。將配制好的膠液以一定的流量、壓力輸送到分散器噴嘴上，噴嘴以一定的頻率振動將膠液滴人膠凝柱內的濃氨水中，液滴在氨水內反應固化生成多鈾酸按凝膠球。溶膠凝膠工藝示意圖見圖1至圖3a    溶膠凝膠工藝參數控制十分嚴格。為控制凝膠球的尺寸和畸形顆粒，需嚴格控制膠液流量、溫度和壓力。凝膠液壓力和溫度要求恒定，凝膠液流量較小，控制精度要求為士1 g/min，要實現高豁度、小流量液體的高精度控制十分困難。

圖1溶膠凝膠工藝示意圖

圖2分散過程圖3凝膠球

2、溶膠凝膠使用設備：
2. 1、分散柱：
    分散柱為非標設計設備，上部采用有機玻璃材質，下部采用不銹鋼，雙柱結構，中間聯通，氨水在柱內循環，溶膠凝膠液經激振器分散成凝膠球后，滴人分散柱內進行反應。
2. 2、信號控制系統：
    信號控制系統包括激振器、功率放大器、示波器和信號發生器。信號控制系統主要作用是為激振器提供穩定的100 Hz的振動頻率，由信號發生器發出100 Hz的頻率，再由功率放大器進行放大到滿足激振使用要求的頻率，示波器用于顯示100 Hz的波形。控制系統設備型號及參數見下表。

2. 3、流量控制系統：
    流量控制系統包括調節閥和質量流量計。膠液從壓力罐中流出，經質量流量計計量流量，再經調節閥門開度控制溶膠凝膠液的流量，調試過程中使用的閥門和質量流量計見圖4至圖6。

圖4設計使用閥門 圖5清華調節閥 圖6質量流量計
3、溶膠凝膠工藝存在的問題：
3. 1、膠液流量控制問題：
    原有溶膠凝膠工藝使用普通不銹鋼球閥和質量流量計進行膠液流量控制，調試過程中發現，普通不銹鋼球閥無法精準控制膠液流量，經過反復更換各類針形閥和調節閥仍不能精準控制膠液流量，無法制備出合格的凝膠球。更換清華大學現場使用調節閥和安徽天康的質量流量計后(見圖5、圖6),膠液流量波動范圍控制在士5 g/min，個別時刻波動大于士16 g/min(見圖7)，基本滿足工藝技術的要求，但在實際操作中，需操作人員頻繁手動調節閥門才能將流量控制穩定。膠液流量控制受操作人員操作水平的影響較大，操作人員控制較好的時候，產品成品率為80%左右，控制不好的時候只有70%左右(見圖8)，甚至會導致整個批次生產不合格，這嚴重制約了UO2核芯的合格率，無法實現UO2核芯的工業化生產。

圖7   09 :58- 10 : 38膠液流量統計圖

圖8畸形凝膠球 圖9溶膠凝膠系統
    根據膠液流量統計圖(見圖7)中的數據顯示，膠液瞬時流量偏差在士16 g/min內，膠液流量偏差大使得凝膠球尺寸偏差較大、畸形顆粒多，產品合格率低(見圖8)。膠液流量控制不穩主要產生以下幾個問題: 
  (1)調節閥和質量流量計調節精度不夠，膠液流量波動大; 
  (2)手動調節膠液流量波動大，引起凝膠球直徑偏差大; 
  (3)膠液流量控制受操作人員技術水平的限制，需要一名操作人員時刻緊盯質量流量計，根據瞬時流量時刻調節閥門，從而使流量穩定在目標值上; 
  (4)膠液流量受鋼平臺振動影響大，即使人在鋼平臺上走動，也會影響流量。
3. 2、振動頻率控制問題：
    振動頻率控制系統主要為分散頭提供穩定的100 Hz的振動頻率，使膠液在經過分散頭后變成一顆顆的凝膠球。振動頻率控制系統主要包括激振器、功率放大器、示波器和信號發生器。在調試和生產過程中，經常出現功率放大器頻率波動大，不能穩定在100 Hz的情況，使得凝膠球直徑偏差過大。功率放大器一旦出現頻率不穩現象，就需要將功率放大器返廠維修，因該功率放大器輸出功率小，國內暫時未找到能替換現有功率放大器的設備。在調試和生產的4個月內，已返廠維修超過3次，返廠設備數量超過6臺。
4、膠液流量自動化控制：
4. 1、膠液流量系統的控制：
4.1.1、質量流量計和調節閥選型：
   膠液流量調節閥須具有手動和自動兩種控制形式，既可以通過手動微調實現膠液流量的控制，也可通過自動控制來實現膠液流量的調節。經過調研，國內沒有滿足工藝要求的質量流量計和調節閥。為滿足工藝要求，調節閥和質量流量計的選型十分困難，經過反復與Fisher調節閥工程師更換調節閥和現場試驗，Fisher提供的微型調節閥滿足了工藝要求。質量流量計選用橫河rotamass 3系列質量流量計，并經過現場反復試驗和更換不同型號的測量管，橫河質量流量計可以滿足小流量膠液的控制。
4. 1. 2、設計安裝支架：
    根據溶膠凝膠工藝現場設備管道安裝情況，重新設計質量流量計和調節閥的安裝支架，***大限度的減小因鋼平臺振動、設備運行振動等因素引起的流量波動。利用10號槽鋼制作一個安裝支架，固定在屋頂的橫梁上，要求垂直安裝。
4.1.3、設計膠液流量控制程序：
    常用PID控制程序控制精度不高，比例、微分和積分參數調節較慢，且波動較大，無法滿足膠液流量要求控制精度為士1 g/min的要求。重新設計一套步進調節程序，要求實測流量值與設定流量值時刻做比較，如果小于設定值則按照一定的調節開度打開調節閥，如果大于設定值，則按照一定的開度關閉調節閥。調節閥的控制精度為1/1 000，將以上程序與現場DCS連接，利用現場DCS實現控制。經實驗驗證，此控制程序符合控制要求。
4. 2、振動頻率系統的控制:
    自行設計制作一臺小功率型數字混合儀，該設備同時具備信號發生器和功率放大器的功能，設備上的操作按鈕按照工藝操作要求進行設置，該設備投人使用后，對于促進溶膠的均勻分散起到了重要作用，頻率振動系統將減少一臺設備，振動頻率控制穩定，不會出現頻率波動問題，也不會出現頻繁損壞的現象。目前，該設備已制作完成，經過工藝試驗，數字混合儀頻率控制穩定且符合工藝使用要求，該設備在生產線上投人使用后，至今未出現異常現象。
5、膠液流量工業化控制效果：
    膠液流量穩定的才能獲得理想的凝膠球形狀和性能，包括膠滴的自由成形與預膠凝以及準膠凝的穩態流化與深度膠凝。膠液流量實現工業化自動控制后，將膠液通人流量計和調節閥進行試驗，時間段15:43-16:29，按照每分鐘記錄一次數據，每十分鐘記錄一組數據，試驗結果統計在圖10中。

圖1.0  15:43一16:29膠液流量統計圖
    根據圖10中膠液的瞬時流量統計，膠液瞬時流量值***大偏差在士0. 7 g/min以內，較以前的膠液流量士16 g/min大幅縮小，滿足工藝要求的士1 g/min。根據投濃料生產若干批次的結果，通過顯微鏡觀察凝膠球的直徑和球形度，膠球的直徑和球形度均明顯優于以前，Un:核芯平均合格率較以前的80%左右提高到90%左右。膠液流量實現工業化控制后，膠液瞬時流量控制更加精準，膠液流量不再受崗位人員操作水平的限制，也不需要崗位人員時刻緊盯質量流量計的顯示值調節調節閥，設備操作更加單，節省了一名操作員工，可以滿足凝膠球的批量化工業生產的要求。