БАРАБАННАЯ МЕЛЬНИЦА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОБЛУЧЕННОГО ИЛИ БРАКОВАННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2012 года по МПК G21C19/42 B02C17/02 

Заявляемое изобретение относится к устройствам для осуществления процессов в технологии регенерации ядерного топлива, а именно к устройствам для переработки облученного в энергетическом реакторе ядерного топлива или произведенного, но забракованного ядерного топлива.

Изобретение может быть использовано в радиохимической промышленности, занятой переработкой (регенерацией) облученного уранового топлива, смешанного уран-плутониевого топлива и мононитридного топлива.

Регенерация ядерного топлива является основной задачей радиохимической технологии переработки отработавших тепловыделяющих элементов ядерных энергетических реакторов и представляет собой процесс осуществления большого числа разных технологических операций, как то: демонтаж тепловыделяющих сборок из ядерного реактора, освобождение тепловыделяющих элементов от конструкционных элементов тепловыделяющей сборки, разрушение защитных металлических оболочек тепловыделяющих элементов и отделение ядерного топлива от конструкционного материала. А затем уже начинается собственно процесс комплексной регенерации ядерного топлива, когда из облученного или бракованного ядерного топлива - уранового, уран-плутониевого, мононитридного - в результате проведения множества физических, химических, пирохимических, электрохимических и других операций извлекают остатки невыгоревшего урана и накопившегося плутония, которые затем направляют на изготовление новых тепловыделяющих элементов.

Следует отметить, что при регенерации ядерного топлива производят не только выделение урана и плутония, но и очистку их от большого количества радиоактивных продуктов деления на всех стадиях для того, чтобы:

- исключить попадание в повторно используемое ядерное топливо нейтроно-поглощающих нуклидов, которые могут препятствовать развитию цепной реакции в ядерном реакторе;

- изолировать биосферу от радиоактивных продуктов деления;

- сохранить большое количество весьма ценных радионуклидов (стронций, цезий технеций, редкоземельные и платиновые элементы, нептуний, америций, кюрий и т.п.), которые могут быть широко использованы в малой ядерной энергетике (радиоизотопные источники тепла для термогенераторов электроэнергии), а также для изготовления источников ионизирующего излучения различного назначения;

- максимально освободить облученное ядерное топливо от основной массы радиоактивных газов ксенона, криптона, йода и др., особенно от весьма опасного трития, образующего тритиевую воду, которую трудно отделить от обычной воды.

Из вышеизложенного следует, что на каждом этапе технологической переработки должны быть соблюдены все условия для очистки урана и плутония от радиоактивных продуктов деления при минимизации потерь и урана, и плутония, и радиоактивных продуктов деления.

В настоящее время сформировалось устойчивое мнение, что регенерация отработавшего ядерного топлива должна быть безводной с целью наилучшего освобождения топлива от основной массы радиоактивных газов. Такая концепция стимулировала осуществление процесса предварительной обработки ядерного топлива, получившей название окислительной перекристаллизации, при котором таблетки облученного ядерного топлива подвергаются окислению газообразным реагентом при температуре 450-500°С. Функцию окислителя может выполнять кислород O₂ для уранового и уран-плутониевого оксидного топлива и азот N₂ для мононитридного ядерного топлива. В условиях окислительной перекристаллизации происходит массообменный процесс с разрушением структуры решетки облученного или бракованного ядерного топлива, в результате чего идет диспергирование таблетки с образованием мелкодисперсного порошка. После перекристаллизации облученного ядерного топлива получается разрыхленный продукт определенного гранулометрического состава с растворимостью в кислотах, расплавах и при галогенировании в три и более раз выше, чем исходное облученное ядерное топливо, из-за изменения химической природы и увеличения общей поверхности частиц. В то же время возникает и нежелательный результат - во время процесса окисления на таблетках накапливается слой продуктов реакции, что затрудняет и замедляет диффузию газообразного окислителя через этот слой к поверхности непрореагировавшей части таблетки, а значит, и снижает скорость окисления. В результате снижается производительность процесса перекристаллизации ядерного топлива.

Заявляемое техническое решение исключает возникновение такой ситуации.

Авторами заявляемого технического решения создано устройство, позволяющее проводить процесс перекристаллизации таблеток ядерного топлива одновременно с их измельчением в барабанной стержневой мельнице до такого размера, когда окисление частиц таблеток будет происходить быстрее, не будет накопления продуктов окисления на таблетках, благодаря чему не случится и замедления диффузии газообразного окислителя к поверхности таблеток.

Но предварительно рассмотрим известные барабанные мельницы, предназначенные для переработки твердых материалов, и проанализируем возможно ли в них осуществление перекристаллизации ядерного топлива.

В результате проведенных заявителем патентных исследований были выявлены известные технические решения, аналогичные по конструкции и по назначению заявляемому устройству, а именно мельницы по авторским свидетельствам СССР №297384, 398268 и 578101). Ограничительные части формул известных изобретений полностью совпадают. Все технические решения содержат корпус, внутри которого концентрично размещены два вращающихся (связанные с приводом вращения) и закрытых с торцев перфорированных барабана, внутренний из которых заполнен мелющими телами в виде стержней, патрубок загрузки перерабатываемого материала во внутренний барабан и патрубок выгрузки переработанного материала из корпуса. Цели известных изобретений - предотвращение переизмельчения материалов и увеличение выхода гранул заданной фракции, повышение производительности и срока службы мельницы, повышение производительности путем снижения налипания влажного материала на рабочие органы.

Достоинством известных мельниц является получение измельченного до требуемого размера частиц твердого материала.

Как было указано ранее, перед создателями нового технического решения стояла новая задача - повысить эффективность и производительность процесса перекристаллизации измельченного облученного или бракованного ядерного топлива за счет исключения снижения скорости окисления ядерного топлива газообразным окислителем - кислородом О₂ в случае переработки уранового и уран-плутониевого оксидного топлива и азотом N₂ при переработке мононитридного топлива.

Кроме того, в конструкции устройства должны присутствовать признаки, обеспечивающие минимизацию потерь урана, плутония и радиоактивных продуктов деления.

В изобретениях по авт. свид. СССР №297384, 398268, 578101 поставленные задачи недостижимы, так как отсутствуют конструктивные признаки, отвечающие за решение этих задач.

На основании вышеизложенного в качестве прототипа заявителем выбрана мельница-гранулятор по авт. свид. СССР №297384, как основополагающее изобретение для последовавшего развития таких мельниц.

Заявляемая барабанная мельница для переработки облученного или бракованного ядерного топлива, как и прототип, содержит корпус, внутри которого концентрично размещены связанные с приводом вращения и закрытые с торцев перфорированный и ситовый барабаны, причем последний заполнен мелющими телами в виде стержней, патрубок загрузки ядерного топлива в ситовый барабан на переработку и патрубок выгрузки переработанного ядерного топлива.

Отличается заявляемая барабанная мельница тем, что она снабжена патрубком подачи газообразного окислителя в ситовый барабан, закрепленный изнутри на перфорированном барабане, а дно кожуха, выполненное плоским и наклонным, снабжено присоединенным к нему контейнером, при этом патрубок выгрузки переработанного ядерного топлива размещен в контейнере и сообщен с системой вакуумирования.

Данное изобретение отвечает всем условиям патентоспособности.

Изобретение является новым, так как оно не известно из уровня техники. При проведении патентных исследований заявителем не обнаружена известная барабанная мельница, идентичная заявляемой по совокупности существенных признаков.

Изобретение промышленно применимо, так как оно может быть использовано в промышленности. Заявляемое техническое решение охарактеризовано конкретными конструктивными признаками, каждый из которых воспроизводим и не противоречит применению барабанной мельницы в промышленных условиях. Вся совокупность существенных признаков изобретения и каждый признак в отдельности направлен на достижение ожидаемого технического результата - осуществление процесса перекристаллизации при исключении снижения скорости окисления ядерного топлива и потерь урана, плутония и радиоактивных продуктов деления.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как для специалиста он явным образом не следует из уровня техники. Заявителем не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. Кроме того, благодаря совокупности существенных известных и отличительных признаков, а также их достаточности и взаимодействию достигается технический результат, недостижимый в известных технических решениях аналогичного назначения.

Подтверждение тому - приведенное ниже описание конструкции заявляемой барабанной мельницы и ее работы.

Изобретение иллюстрируется представленными чертежами. На фиг.1 - общий вид заявляемой барабанной мельницы в разрезе; на фиг.2 - сечение А-А.

Барабанная мельница содержит корпус 1, внутри которого концентрично размещены связанные с приводом вращения (на чертеже не показан) и закрытые с торцев перфорированный барабан 2 и ситовый барабан 3, причем ситовый барабан 3 заполнен мелющими телами в виде стержней 4, патрубок 5 загрузки ядерного топлива в ситовый барабан 3 на переработку и патрубок 6 выгрузки переработанного ядерного топлива. Барабанная мельница снабжена патрубком 7 подачи газообразного окислителя в корпус 1. Ситовый барабан 3 закреплен на перфорированном барабане 2 изнутри. Дно 8 корпуса 1, выполненное плоским и наклонным, снабжено присоединенным к нему контейнером 9, в котором размещен патрубок 6 выгрузки переработанного ядерного топлива, при этом патрубок 6 сообщен с системой вакуумирования (на чертеже не показана). Корпус 1 мельницы оснащен патрубком 10 для отвода газообразных продуктов в систему очистки и патрубком 11 для возврата твердых частиц в корпус 1 из системы очистки газообразных продуктов.

Заявляемая барабанная мельница работает следующим образом. Исходное облученное или бракованное ядерное топливо в виде таблеток дозированно загружают через патрубок 5 в ситовый барабан 3 на переработку, затем барабаны 2 и 3 приводят во вращение, благодаря чему таблетки ядерного топлива получают и вращательное, и продольное перемещение, распределяясь по всей длине барабана 3, а стержни 4, перекатываясь в ситовом барабане 3, измельчают таблетки. Одновременно с загрузкой в барабан 3 ядерного топлива в корпус 1 через патрубок 7 подают нагретый до температуры 450-500°С газообразный окислитель (кислород O₂ или азот N₂), проходящий через отверстия внутрь барабанов 2 и 3. Таблетки ядерного топлива, измельчаемые стержнями 4, в то же время вступают во взаимодействие с газообразным окислителем, завершающееся кристаллохимическими превращениями ядерного топлива, то есть перекристаллизацией. Образовавшийся мелкодисперсный порошок, являющийся продуктом перекристаллизации, под действием центробежной силы и ударов стержней удаляется с таблеток и их частей, вращающихся с барабанами 2 и 3. Полученный продукт просеивается через отверстия заданного размера ситового барабана 3 в нижнюю часть корпуса 1. В барабанах 2 и 3 процессы измельчения и перекристаллизации продолжаются до окончательной переработки всей порции загруженного ядерного топлива, а высыпающийся в корпус 1 мелкодисперсный порошок скатывается по плоскому наклонному дну 8 корпуса 1 мельницы и ссыпается в присоединенный к дну 8 контейнер 9, из которого по патрубку 6, сообщенному с системой вакуумирования, выгружается для транспортирования на следующий технологический передел.

Освобождающиеся в процессе перекристаллизации газообразные радиоактивные продукты деления через патрубок 10 уходят в систему их очистки от унесенного из мельницы твердого продукта, который может быть возвращен через патрубок 11.

Использование в радиохимическом производстве заявляемой барабанной мельницы для переработки облученного или бракованного ядерного топлива обеспечит следующие преимущества:

- проведение высокоэффективного процесса перекристаллизации за счет измельчения таблеток, что увеличивает поверхность взаимодействия ядерного топлива с газообразным окислителем (кислородом О₂ и азотом N₂), исключает накопление мелкодисперсного порошка на поверхности перерабатываемых таблеток и их частей ударным воздействием стержней 4, а также удалением его при вращении барабанов 2 и 3. Таким образом, обеспечивается постоянная диффузия газообразного окислителя к поверхности перерабатываемого ядерного топлива, а значит, и скорость процесса перекристаллизации, и производительность устройства не снизятся;

- совмещение в одном аппарате двух технологических процессов - измельчения исходного ядерного топлива и его перекристаллизации - позволит избежать дополнительных операций, связанных с транспортировкой измельченного в любой из известных, описанных выше, мельниц в специально создаваемое устройство для осуществления перекристаллизации, а также исключит потери перерабатываемого продукта и обеспечит максимальное выделение газообразных радиоактивных продуктов деления.

Изобретение может быть использовано в радиохимическом производстве для регенерации облученного ядерного топлива, а также для переработки изготовленного, но бракованного ядерного топлива. Барабанная мельница для переработки облученного или бракованного ядерного топлива содержит корпус, внутри которого концентрично размещены связанные с приводом вращения и закрытые с торцев перфорированный и ситовый барабаны. Последний заполнен мелющими телами в виде стержней. Мельница имеет патрубок загрузки ядерного топлива в ситовый барабан на переработку и патрубок выгрузки переработанного ядерного топлива. Барабанная мельница снабжена патрубком подачи газообразного окислителя в корпус. Ситовый барабан закреплен на перфорированном барабане изнутри, а дно корпуса, выполненное плоским и наклонным, снабжено присоединенным к нему контейнером. Патрубок выгрузки переработанного ядерного топлива размещен в контейнере и сообщен с системой вакуумирования. Совмещение в одном устройстве двух технологических процессов: измельчение исходного ядерного топлива и его перекристаллизация позволит исключить дополнительные операции, связанные с транспортировкой измельченного топлива. 2 ил.

Барабанная мельница для переработки облученного или бракованного ядерного топлива, содержащая корпус, внутри которого концентрично размещены связанные с приводом вращения и закрытые с торцев перфорированный и ситовый барабаны, причем последний заполнен мелющими телами в виде стержней, патрубок загрузки ядерного топлива в ситовый барабан на переработку и патрубок выгрузки переработанного ядерного топлива, при этом она снабжена патрубком подачи газообразного окислителя в корпус, ситовый барабан закреплен на перфорированном барабане изнутри, а дно корпуса, выполненное плоским и наклонным, снабжено присоединенным к нему контейнером, при этом патрубок выгрузки переработанного ядерного топлива размещен в контейнере и сообщен с системой вакуумирования.