СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНОГО ЩЕЛОЧНОГО МЕТАЛЛА Российский патент 2015 года по МПК G21G4/04 

Изобретение относится к радиохимии и методам переработки радиоактивных щелочных металлов.

Известен способ окисления щелочных металлов (Na, K, Rd, Cs) при взаимодействии расплавленного щелочного металла с водой или щелочным раствором (Локшин Э.П., Громов О.Г., Кузьмин А.П. Получение гидроксидов щелочных металлов // Теплофизика - 2002. Тепломассоперенос и свойства жидких металлов: Тез. докл. Рос. межотрасл. конф. 29-31 октября 2002 г. - Обнинск, 2002. - Матер. конф. - T.1. - С.237).

Способ применяется для получения особо чистых гидроксидов К, Rb, Cs.

Недостаток известного способа заключается в отсутствии апробации применительно к переработке радиоактивных щелочных металлов.

Наиболее близким по технической сущности является способ, описание которого изложено в патенте США №6,120,745. Дата патента: 19 сентября 2000.

В известном способе окисление распыляемого расплавленного натрия газом-реагентом осуществляют в кипящем слое оксидных частиц, находящемся внизу верхней камеры химического реактора. Для формирования кипящего слоя через реактор прокачивают аргон. Способ реализуют в режиме разовых загрузок оксидных частиц для кипящего слоя. Натрий распыляют распылителем, установленным на конце трубопровода подачи расплавленного щелочного металла и снабженным набором калиброванных отверстий. Для предотвращения уноса потоком аргона частиц кипящего слоя, размер которых больше 5 микрометров, в химическом реакторе установлен циклон.

Известный способ включает подачу газа-реагента в нижнюю камеру химического реактора, заполнение верхней камеры химического реактора газом-реагентом из нижней камеры через газопроницаемую перегородку, подачу радиоактивного расплавленного щелочного металла в верхнюю камеру химического реактора, распыление расплавленного щелочного металла в верхней камере химического реактора, взаимодействие в верхней камере химического реактора распыленного щелочного металла и газа-реагента с получением твердых продуктов переработки, накопление твердых продуктов переработки в нижней части верхней камеры и их извлечение.

Недостатки известного способа:

- циклический характер способа переработки и, как следствие, низкая производительность;

- калиброванные отверстия распылителя могут забиваться окисными продуктами, содержащимися в радиоактивном щелочном металле;

- возможен унос радиоактивных частиц кипящего слоя потоком аргона, который прокачивают через химический реактор.

Технический результат изобретения заключается в разработке более производительного периодического способа переработки радиоактивного щелочного металла, отсутствии калиброванных забивающихся отверстий для подачи расплавленного щелочного металла, в отсутствии циркуляции газа через химический реактор и уноса из него с газом радиоактивных частиц.

Для достижения технического результата в способе переработки радиоактивного щелочного металла, включающем подачу газа-реагента в нижнюю камеру химического реактора, заполнение верхней камеры химического реактора газом-реагентом из нижней камеры через газопроницаемую перегородку, подачу радиоактивного расплавленного щелочного металла в верхнюю камеру химического реактора, распыление расплавленного щелочного металла в верхней камере химического реактора, взаимодействие в верхней камере химического реактора распыленного щелочного металла и газа-реагента с получением твердых продуктов переработки, накопление твердых продуктов переработки в нижней части верхней камеры и их извлечение, предлагается расплавленный щелочной металл распылять отбойником струи щелочного металла в верхней части верхней камеры и при взаимодействии щелочного металла с газом-реагентом постоянно поддерживать избыточное давление газа-реагента в верхней камере химического реактора.

В частных случаях реализации способа предлагается:

- при переработке радиоактивного щелочного металла через проточную часть рубашки охлаждения химического реактора прокачивать охлаждающую среду,

- в качестве газа-реагента использовать закись азота или смесь кислорода от 50 об.% до 80 об.% и диоксида углерода от 50 об.% до 20 об.%.

Сущность изобретения поясняется примерной конструкцией химического реактора для реализации способа, представленной на фиг.1.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - верхняя камера химического реактора, 2 - газопроницаемая перегородка, 3 - запорный вентиль, 4 - манометр, 5 - напорный трубопровод охлаждающей среды, 6 - нижняя камера химического реактора, 7 - отбойник струи щелочного раствора, 8 - патрубок, 9 - рубашка охлаждения, 10 - сливной трубопровод охлаждающей среды, 11 - трубопровод вытяжной спецвентиляции, 12 - трубопровод подачи газа-реагента, 13 - трубопровод подачи расплавленного щелочного металла, 14 - шибер с электроприводом.

Данный химический реактор применяют для реализации способа переработки радиоактивного щелочного металла.

Способ включает следующие операции: подачу газа-реагента в нижнюю камеру 6 химического реактора, заполнение верхней камеры 1 химического реактора газом-реагентом из нижней камеры 6 через газопроницаемую перегородку 2, подачу радиоактивного расплавленного щелочного металла в верхнюю камеру 1 химического реактора, распыление расплавленного щелочного металла отбойником 7 струи щелочного металла в верхней части верхней камеры 1, взаимодействие в верхней камере 1 химического реактора распыленного щелочного металла и газа-реагента при постоянном поддерживании избыточного давления газа-реагента в верхней камере 1 с получением твердых продуктов переработки, накопление твердых продуктов переработки в нижней части верхней камеры 1 и их извлечение.

Подача газа-реагента в нижнюю камеру 6 химического реактора, заполнение верхней камеры 1 химического реактора газом-реагентом из нижней камеры 6 через газопроницаемую перегородку 2 предназначены для равномерного поступления газа-реагента в верхнюю камеру 1. Подача радиоактивного расплавленного щелочного металла в верхнюю камеру 1 химического реактора предназначена для приведения в контакт расплавленного щелочного металла с находящимся в верхней камере 1 газом-реагентом. Распыление расплавленного щелочного металла отбойником 7 струи щелочного металла в верхней части верхней камеры 1 предназначено для увеличения площади взаимодействия щелочного металла и газа-реагента. Взаимодействие в верхней камере 1 химического реактора распыленного щелочного металла и газа-реагента при постоянном поддерживании избыточного давления газа-реагента в верхней камере 1 с получением твердых продуктов переработки предназначено для восполнения расходуемого в химической реакции газа-реагента и обеспечения непрерывности процесса в течение периода переработки. Накопление твердых продуктов переработки в нижней части верхней камеры 1 и их извлечение предназначено для определения конца периода переработки щелочного металла и начала выдачи продуктов переработки.

В частных случаях реализации способа:

Прокачка охлаждающей среды при переработке радиоактивного щелочного металла через проточную часть рубашки 9 предназначена для охлаждения химического реактора.

Использование закиси азота в качестве газа-реагента предназначено для и получения твердого продукта переработки в виде смеси нитрата MeNO₃, нитрита MeNO₂ и оксида Me₂O.

Использование в качестве газа-реагента смеси кислорода от 50 об.% до 80 об.% и диоксида углерода от 50 об.% до 20 об.% предназначено для получения твердого продукта переработки, карбоната щелочного металла Me₂CO₃.

Пример конкретной реализации способа.

Подают в нижнюю камеру 6 закись азота. Из нижней камеры 6 закись азота поступает через газопроницаемую перегородку 2 в верхнюю камеру 1. Устанавливают в химическом реакторе избыточное давление газа-реагента, равное 0,1 МПа по манометру 4. Подают струю расплавленного щелочного металла в верхнюю часть верхней камеры 1 и распыляют щелочной металл отбойником 7 струи щелочного раствора. Образующиеся частицы щелочного металла вступают в плотный контакт с закисью азота. Получаемый в результате химической реакции твердый продукт переработки, представляющий собой смесь нитрата MeNO₃, нитрита MeNO₂ и оксида Me₂O, в виде порошка оседает в нижней части верхней камеры 1 и накапливается в ней.

В процессе переработки осуществляют поддержание избыточного давления газа-реагента, который расходуется в процессе переработки. Подача газа-реагента снизу гарантирует окисление случайно не окислившегося щелочного металла в массе твердого продукта переработки. После наполнения нижней части химического реактора открывают дистанционно шибер 8 и высыпают твердый продукт переработки из химического реактора.

При соблюдении технологических параметров процесс протекает в регулируемом, периодическом, безопасном режиме.

Аналогичным будет переработка щелочного металла с использованием в качестве газа-реагента смеси кислорода от 50 об.% до 80 об.% и диоксида углерода от 50 об.% до 20 об.%.

Получен технический результат изобретения:

- разработан более производительный периодический способ переработки радиоактивного щелочного металла с окисными продуктами,

- отсутствуют забивания линии подачи расплавленного щелочного металла за счет использования для распыления отбойником 7 струи щелочного раствора,

- отсутствует унос из химического реактора радиоактивных частиц за счет отсутствия циркуляции газа через химический реактор.

Изобретение относится способу переработки радиоактивного щелочного металла. Заявленный способ включат подачу газа-реагента в нижнюю камеру (6) химического реактора, заполнение верхней камеры (1) химического реактора газом-реагентом из нижней камеры (6) через газопроницаемую перегородку (2) и подачу радиоактивного расплавленного щелочного металла в верхнюю камеру (1) химического реактора. Далее осуществляют распыление расплавленного щелочного металла отбойником (7) струи щелочного металла в верхней части верхней камеры (1), взаимодействие в верхней камере (1) химического реактора распыленного щелочного металла и газа-реагента при постоянном поддерживании избыточного давления газа-реагента в верхней камере (1) с получением твердых продуктов переработки. Накопление твердых продуктов переработки предусмотрено в нижней части верхней камеры (1) с возможностью их извлечения. Техническим результатом является повышение производительности периодического способа переработки радиоактивного щелочного металла, отсутствие калиброванных забивающихся отверстий для подачи расплавленного щелочного металла, а также отсутствие циркуляции газа через химический реактор и уноса из него с газом радиоактивных частиц. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ переработки радиоактивного щелочного металла, включающий:
- подачу газа-реагента в нижнюю камеру химического реактора,
- заполнение верхней камеры химического реактора газом-реагентом из нижней камеры через газопроницаемую перегородку,
- подачу радиоактивного расплавленного щелочного металла в верхнюю камеру химического реактора,
- распыление расплавленного щелочного металла в верхней камере химического реактора,
- взаимодействие в верхней камере химического реактора распыленного щелочного металла и газа-реагента с получением твердых продуктов переработки,
- накопление твердых продуктов переработки в нижней части верхней камеры и их извлечение, отличающийся тем, что расплавленный щелочной металл распыляют отбойником струи щелочного металла в верхней части верхней камеры и при взаимодействии щелочного металла с газом-реагентом постоянно поддерживают избыточное давление газа-реагента в верхней камере химического реактора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при переработке радиоактивного щелочного металла через проточную часть рубашки охлаждения химического реактора прокачивают охлаждающую среду.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-реагента используют закись азота или смесь кислорода от 50 об.% до 80 об.% и диоксида углерода от 50 об.% до 20 об.%.