СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ХОЛОДНОЙ ЛОВУШКИ Советский патент 1994 года по МПК G21C19/313 

Изобретение относится к способам регенерации холодных ловушек и может быть использовано в атомной промышленности на реакторных установках с жидкометаллическим теплоносителем.

Известен способ регенерации холодной ловушки от примесей (по авт. св. N 601763, кл. G 21 C 15/00, 14.12.77), заключающийся в том, что из ловушки удаляют максимально возможное количество расплавленного щелочного металла, выдавливая его инертным газом по обрез трубы ввода в ловушку циркулирующего жидкометаллического теплоносителя. Охлаждают ловушку до комнатной температуры и оставшийся в недренируемом отстойнике холодной ловушки щелочной металл и накопленные в ней примеси растворяют циркулирующим водным 48-50% -ным раствором щелочи при периодическом введении в раствор воды для поддержания процесса растворения.

Недостатком способа является повышенная пожаро- и взрывоопасность процесса. Так, при наличии в отстойнике остатков щелочного металла раствор щелочи активно взаимодействует прежде всего со щелочным металлом, что приводит к выделению большого количества тепла и водорода. При введении в раствор щелочи воды процесс растворения может принять нерегулируемый характер, а выделение тепла и водорода может способствовать взрыву газовой смеси. Недостатком способа является и низкая растворимость примесей (оксидов, гидридов щелочных металлов) в растворе щелочи, т. е. низкая производительность процесса. Таким образом, анализ аналога изобретения показывает, что недостаток способа регенерации холодной ловушки от примесей в растворе щелочи обусловлен прежде всего наличием в отстойнике ловушки наряду с примесями достаточного количества жидкометаллического теплоносителя.

Известен газово-дистилляционный способ регенерации холодной ловушки (Козлов Ф. А. и др. Жидкометаллические теплоносители ЯЭУ: очистка от примесей и их контроль. Энергоатомиздат, 1983, с. 85), заключающийся в том, что ловушку разогревают до 350-400^оС и удаляют при вакуумировании водород. Затем при 500-550^оС вакуумной дистилляцией отгоняют остатки жидкометаллического теплоносителя (до 80-90% ). Оставшиеся в отстойнике холодной ловушки примеси растворяют этиловым спиртом и водой.

Недостатком способа является низкая производительность процесса, т. к. обвязка ловушки даже нагревателями повышенной мощности позволяет отогнать не более 80-90% остатков теплоносителя. Дальнейшая обмывка внутреннего объема ловушки спиртом и водой также ведет к ее разогреву и выделению большого количества водорода. Поэтому в данном способе тоже сохраняется высокая взрыво- и пожароопасность процесса.

Известен также способ очистки холодной ловушки (патент N 2443270, Франция, кл. G 21 C 19/30), при котором в ловушку вводят расплавленную гидроокись натрия, растворяющую примеси с образованием раствора H₂ и O₂ в натрии и раствора H₂ и O₂ в гидроокиси натрия. Очистка проводится при температурах ниже 410^оС.

Недостатки данного способа - высокая пожаро- и взрывоопасность в результате образования водорода и невысокая производительность процесса, т. к. растворение примесей в гидроокиси - довольно длительный процесс. Кроме того, возможна щелочная коррозия материала ловушки в результате длительного воздействия расплава щелочи.

Наиболее близок к предлагаемому способ регенерации холодных ловушек примесей щелочно-металлических теплоносителей (авт. св. СССР N 473221, кл. G 21 C 19/30), заключающийся в том, что вначале из ловушки удаляют основное количество теплоносителя. Ловушку нагревают до 500-550^оС и вводят в нее вещество, гидрирующее окись, например водород или расплав гидроокиси металла, для получения гидроокиси щелочного металла.

Недостатком данного способа является высокая пожаро- и взрывоопасность с использованием водорода для гидрирования примесей. Этим же недостатком обладает и использование для регенерации ловушки расплава гидроокиси щелочного металла. Как известно, полное дренирование натрия из ловушек невозможно. Таким образом, при заполнении ловушки расплавом гидроокиси возможно протекание следующих реакций:
2Na+NaOH Na₂O+NaH (1)
NaH Na+1/2H₂ (2)
Реакция (2) идет интенсивно при температуре выше 410^оС. При температуре выше 500^оС равновесие по реакции (1) смещается влево, т. е. образуются щелочь и металлический натрий. В то же время известно (Бердичевский Н. И. , Марачевский А. Г. Ж. прикл. химии, 1968, 41, N 5, с. 1021-10241), что при высоких температурах значительная часть металлического натрия растворяется в гидроокиси. Максимум растворимости приходится на 500^оС (20 мол. % ). Наличие такого большого количества натрия в гидроокиси затрудняет ее полное удаление из ловушки, а также дальнейшую переработку образующихся отходов, например, парогазовой смесью или водой, т. к. в процессе выделяется водород.

Цель изобретения - повышение безопасности процесса за счет исключения образования водорода и упрощения последующей переработки образующихся отходов.

В предлагаемом способе регенерации холодной ловушки, включающем удаление основного количества жидкометаллического теплоносителя и промывку после удаления основного количества вещества, например, выдавливанием его инертным газом, ее нагревают до температуры выше температуры плавления теплоносителя, ловушку заполняют расплавом смеси галогенидом щелочных металлов промывают ловушку этим расплавом при 300-500^оС в течение 8-12 ч, удаляют его, например, также инертным газом, охлаждают ловушку до комнатной температуры и промывают водяным паром и водой.

Использование расплава галогенидов щелочных металлов обусловлено тем, что в интервале температур 300-500^оС проявляется неожиданное свойство - низкая растворимость щелочного металла в солевом расплаве без их взаимодействия. Нижняя граница обусловлена минимальной температурой плавления смесей галогенида. При повышении температуры выше 500^оС возрастает взаимодействие натрия с галогенидами, что усложняет последующую переработку солевого плава и снижает безопасность этого процесса, а также нецелесообразно экономически.

Отмывание примесей в отстойнике холодной ловушки от жидкометаллического теплоносителя осуществляют либо выдержкой солевого расплава в холодной ловушке 8-12 ч, либо перемешиванием солевого расплава барботированием через него инертного газа (аргона). Время, необходимое для завершения процесса вымывания щелочного металла из поверхностного слоя пор примесей солевым расплавом, рассчитывали по гидродинамической формуле Стокса. Расчет показывает, что при времени контакта солевого расплава с поверхностным слоем примесей меньше 8 ч не произойдет полного отмывания примесей от остатков жидкометаллического теплоносителя, а время промывки примесей свыше 12 ч экономически нецелесообразно.

Без отмывания примесей отстойной зоны от жидкометаллического теплоносителя солевым расплавом поставленная цель не достигается. Кроме того, отмывание примесей от жидкометаллического теплоносителя солевым расплавом повышает производительность процесса регенерации холодной ловушки за счет сокращения непроизводительного времени на растворение остатков теплоносителя, не удаленного из отстойной зоны ловушки.

Для удаления солевого расплава из холодной ловушки его выдавливают из объема ловушки инертным газом.

Для последующей промывки ловушки водяным паром ее охлаждают до комнатной температуры, так как взаимодействие конденсата водяного пара с расплавом солей может привести к взрыву за счет вскипания и испарения конденсата при контакте с расплавом. Кроме того, снижаются потери тепла на регенерацию ловушки.

Для обеспечения безопасности процесса отстойник холодной ловушки отмывают водяным паром от твердых примесей жидкометаллического теплоносителя и остатков солевого плава. Процесс контролируют по показаниям термопар, размещенных в отстойнике холодной ловушки. В результате паровой промывки в отстойнике собирается щелочной раствор солей, для удаления которого холодную ловушку промывают водой. Удаляют сжатым воздухом из холодной ловушки воду и, нагревая корпус ловушки, сушат ее внутреннюю поверхность сжатым воздухом.

Отходы щелочных растворов, направляемых на захоронение, нейтрализуют предварительно раствором кислоты до pH = 7.

Таким образом, поставленная цель достигается тем, что перед обработкой примесей водяным паром и водой их сначала промывают расплавом смеси галогенидов щелочных металлов при 300-500^оС в течение 8-12 ч, который замещает натрий в порах примесей, а затем выдавливается вместе с натрием из ловушки инертным газом.

Анализируя признаки предлагаемого способа и известных аналогов (см. табл. 1), необходимо отметить, поставленная цель достигается благодаря тому, что в предлагаемом способе предусмотрены следующие отличия:
- заполнение ловушки расплавом смеси галогенида щелочных металлов;
- отмывка примесей в ловушке от жидкометаллического теплоносителя расплавом при 300-500^оС в течение 8-12 ч;
- промывка ловушки паром после удаления расплава и охлаждения ловушки.

Для осуществления предложенного способа, как и в прототипе, используют холодную ловушку системы очистки теплоносителя установки с жидкометаллическим натриевым теплоносителем, имеющую следующие технологические характеристики: объем холодной ловушки по щелочному металлу 1 м³, номинальный паспортный расход теплоносителя 2-6 м³/ч, количество уловленных примесей до 260 кг.

Холодную ловушку, заполненную щелочным металлом и примесями, отключают от жидкометаллического контура и устанавливают температуру выше температуры плавления щелочного металла. Подают в сливную линию ловушки инертный газ и выдавливают из нее жидкометаллический теплоноситель до проскока инертного газа. В ловушке остается до 40 кг металлического натрия и примесей. Подключают холодную ловушку к емкости с расплавом смеси хлоридов натрия, калия и лития с температурой плавления 284^оС и плотностью 2 кг/дм³. Заполняют ловушку этим расплавом. Промывают примеси в отстойнике ловушки расплавом при 300-500^оС. В результате проникновения солевого расплава в поры примесей происходит вымывание остатков жидкометаллического теплоносителя из объема примесей. Время промывки 8-12 ч. Инертным газом выдавливают из холодной ловушки вымытый на поверхность жидкометаллический теплоноситель и солевой расплав до проскока инертного газа. Охлаждают ловушку до комнатной температуры. Подают в холодную ловушку пар, промывают примеси жидкометаллического теплоносителя и остаток солевого расплава до полного их перевода в раствор. Промывают отстойник холодной ловушки обессоленной водой до вывода из нее растворенных веществ. Нейтрализуют щелочной раствор, направляемый на захоронение, раствором кислоты до pH = 7.

В качестве базы для сравнения принят прототип. В табл. 2 приведено сравнение предлагаемого способа с прототипом.

Предварительная отмывка слоя примесей от жидкометаллического теплоносителя в холодной ловушке расплавом смеси галогенидов щелочных металлов позволят обеспечить безопасный характер процесса регенерации холодной ловушки паром и водой, а при необходимости значительно, в два раза, повысить производительность процесса растворения примесей.

Анализ показателей позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ регенерации холодной ловушки безопаснее. При использовании солевых расплавов галогенидов щелочных металлов не наблюдается заметного коррозионного воздействия на конструкционный материал. Предлагаемый способ может быть широко использован в процессах регенерации различных ловушек на реакторах и установках с натриевым теплоносителем. (56) Патент Франции N 2443270, кл. G 21 C 19/80, 1980.

Авторское свидетельство СССР N 473221, кл. G 21 C 19/30, 1973.

Использование: в атомной промышленности на реакторных установках с жидкометаллическим теплоносителем. Сущность изобретения: удаляют из ловушки основное количество жидкометаллического теплоносителя путем выдавливания его инертным газом. Затем ловушку нагревают до температуры выше температуры плавления теплоносителя и заполняют расплавом смеси галогенидов щелочных металлов. Выдерживают расплав в ловушке 8 - 12 ч при 300 - 500С. Затем расплав смеси галогенидов вместе с вытесненными им остатками жидкометаллического теплоносителя и примесями удаляют из ловушки инертным газом, после чего ловушку охлаждают и промывают паром и водой. 3 з. п. ф-лы, 2 табл.

1. СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ХОЛОДНОЙ ЛОВУШКИ, включающий частичное удаление жидкометаллического теплоносителя инертным газом, промывание ловушки веществом с плотностью, большей, чем плотность жидкометаллического теплоносителя, удаление из объема ловушки этого вещества с остатками жидкометаллического теплоносителя и примесями инертным газом, отличающийся тем, что, с целью повышения безопасности процесса за счет исключения образования водорода и упрощения последующей переработки образующихся отходов, в качестве промывающего вещества используют расплав смеси галогенидов щелочных металлов, а процесс ведут в интервале температур 300 - 500^oС. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью полного удаления теплоносителя из пор примесей, расплав выдерживают в ловушке 8 - 12 ч. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве промывающего вещества используют смесь хлоридов натрия, калия и лития с температурой плавления 284^oС. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью полного удаления остатков расплава и примесей, после удаления расплава смеси галогенидов ловушку охлаждают и промывают паром и водой.