АППАРАТ ДЛЯ РАСТВОРЕНИЯ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Советский патент 1995 года по МПК G21C19/42 

Изобретение относится к технике переработки облученного топлива и обработки твердых радиоактивных отходов, а именно растворения названных материалов, и рекомендуется для использования в радиохимическом производстве, а также в химической промышленности.

К растворению ядерного топлива предъявляют определенные требования:
высокая степень растворения ядерного топлива, чтобы не допустить потери делящихся материалов с нерастворимым осадком;
полнота растворения не должна приводить к сильному разбавлению растворов и получению большого объема разбавленных растворов;
получение максимально концентрированных растворов не должно создавать опасность возникновения цепной ядерной реакции (ЦЯР), т.е. условия проведения процесса должны обеспечивать ядерную безопасность.

Заданной полноты растворения можно добиться подачей большого количества растворителя, но при этом будет получен большой объем разбавления растворов, которые надо будет хранить в больших емкостях, либо перерабатывать в установках с большой нагрузкой.

Сокращая количество растворителя, но добиваясь заданной полноты растворения, можно прийти к получению максимально концентрированных растворов, могущих создавать опасность возникновения ЦЯР, т.е. ядерную опасность. Предотвращение последней особенно важно при переработке ядерного топлива, но в то же время обеспечение полноты растворения его не менее важная задача.

Следует отметить, что, кроме указанных условий, необходимо учитывать и режим технологического процесса. В практике радиохимических заводов и установок растворение и выщелачивание ядерного топлива осуществляют в перио- дическом, полунепрерывном и непрерывном режимах. Для каждого из них разработаны соответствующие конструкции аппаратов-растворителей, но любая конструкция должна удовлетворять следующему обязательному условию обеспечение свободной циркуляции раствора и необходимого для растворения времени контакта.

Известен аппарат периодического действия для растворения ядерного топлива, содержащий кольцеобразный корпус, в котором расположены каналы с перфорированными корзинами для ядерного топлива.

Куски твэлов, разрезанные вместе с оболочкой, загружают в перфорированные корзины из нержавеющей стали, которые погружают в каналы аппарата, заполненные растворителем. По окончании растворения корзину с кусками оболочек вынимают из растворителя, промывают последовательно разбавленной азотной кислотой и водой, куски оболочек перегружают в контейнер для захоронения, а корзину вновь используют для растворения. Растворение облученного окисного топлива в азотной кислоте протекает 10-12 ч при 82^оС.

Такие аппараты зарекомендовали себя в процессе эксплуатации как простые и надежные конструкции, отсутствует опасность возникновения ЦЯР, и необходимое для растворения время контакта выдерживается, однако процесс растворения идет очень медленно, причиной чего является отсутствие циркуляции. Недостаток этот является и причиной низкой производительности аппарата.

Более совершенны аппараты, реализующие полунепрерывный процесс растворения, который отличается от периодического тем, что загрузку и выгрузку корзины с ядерным топливом производят периодически, а раствор ядерного топлива частично перемешивается (пульсационно) между камерой для растворения ядерного топлива и дополнительной камерой, являющейся буферной емкостью.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является аппарат для растворения облученного ядерного топлива, содержащий вертикальные камеру давления и камеру растворения одинакового диаметра, которые соединены между собой верхним и нижним трубопроводами. Камера растворения имеет перфорированную корзину, обе камеры снабжены тепловыми рубашками. Аппарат имеет устройство для подачи газа в камеру давления и трубу для отвода из камеры растворения газа, образующегося при растворении топлива.

Место соединения верхнего трубопровода с камерой растворения расположено выше места соединения этого же трубопровода с камерой давления.

В этой конструкции топливо растворяется неинтенсивно, поэтому производительность не может быть повышена. Кроме того, она снизится за счет потерь раствора с уходящими газами из камер. Более того, в камере растворения возникает противоток двух сред: газ устремляется вверх к трубе, а в это время раствор начинает двигаться вниз. При противоположном движении уменьшается поверхность взаимодействия раствора с массой топлива за счет "отталкивания" его частицами газа от поверхности топлива, что также снижает производительность.

В свою очередь, унесенный с газом растворитель загрязняет газовую магистраль.

Целью изобретения является повышение производительности за счет осуществления циркуляции раствора через растворяемое топливо и уменьшения количества уносимого с отходящими газами раствора ядерного топлива.

Указанная цель достигается тем, что аппарат, включающий соединенные трубопроводом вертикальные камеру давления и камеру растворения и устройство для подачи газа, снабжен камерой эмульгирования раствора и дополнительной камерой растворения, причем низ камеры эмульгирования соединен трубопроводом с низом камеры давления, а дополнительная камера растворения установлена в ряд с основной камерой растворения и соединена с ней и с камерой эмульгирования трубопроводами, при этом место соединения камеры давления с трубопроводом от основной камеры растворения расположено выше места соединения камеры эмульгирования с трубопроводом от дополнительной камеры растворения, а устройство для диспергирования расположено в нижней части камеры эмульгирования.

При заявленном конструктивном решении аппарата для растворения достигается положительный эффект повышается производительность аппарата благодаря тому, что процесс проходит динамично и интенсивно с соблюдением обязательного условия циркуляции раствора через корзину с растворяемым ядерным топливом, но при этом нет уноса с уходящим из аппарата газом учитываемого ядерного топлива. Циркуляция обусловлена камерой эмульгиро- вания, в нижней части которой установлено устройство для подачи газа, оснащенное средством для диспергирования, а также связями с камерой давления и камерами растворения. Уноса учитываемого топлива в канализацию не будет потому, что газ по всей линии растворения движется с раствором, не противодействуя при этом процессу растворения топлива в камере растворения.

На чертеже показана схема предложенного аппарата.

Аппарат содержит вертикальные камеру 1 давления, камеру 2 растворения и устройство 3 для подачи газа. Камеры 1 и 2 соединены трубопроводом 4. Аппарат снабжен камерой 5 эмульгирования раствора и дополнительной камерой 6 растворения. При этом низ камеры 5 соединен трубопроводом 7 с низом камеры 1, а дополнительная камера 6 растворения установлена в ряд с основной камерой 3 растворения и соединена с основной камерой 2 трубопроводом 8, а с камерой 5 трубопроводом 9. Место 10 соединения камеры 1 давления с трубопроводом 4 от основной камеры 2 растворения расположено выше места 11 соединения камеры 5 эмульгирования с трубопроводом 9 от дополнительной камеры 6 растворения. Устройство 3 для подачи газа, оснащенное средством 12 для диспергирования, расположено в нижней части камеры 5 эмульгирования и снабжено вентилем 13.

Камера 1 давления снабжена тепловой рубашкой 14 и устройствами 15 и 16 соответственно, выдачи раствора и отвода образующегося при растворении топлива газа. Камера 5 также снабжена тепловой рубашкой 17. Камеры 2 и 6 имеют крышки 18 и 19, загрузочные люки 20 и 21, а концы трубопроводов 8 и 9 опущены до дна камер 2 и 6.

Аппарат работает следующим образом.

В камеры 2 и 6 через крышки 19 и 18 загружается ядерное топливо, затем через камеру 6 или камеру 2 подается растворитель (неорганические кислоты или их смеси). Благодаря тому, что камеры 1, 2, 5 и 6 сообщены между собой, растворитель заполняет камеры 1 и 5 и трубопровод 7 между ними. В рубашки 17 и 14 подается соответственно, теплоноситель и хладагент.

По устройству 3 для подачи газа через вентиль 13 к средству для диспергирования 12 поступает газ (воздух). Чаще всего это инертный газ, так как при растворении ядерного топлива в соляной или смеси соляной и азотной кислот образуется значительный объем газовой среды, в которой концентрация водорода превышает 4% Это выше нижнего предела взрываемости. И потому подача инертного газа исключит возникновение взрывоопасной ситуации.

Средство 12 диспергирует в растворитель (а в дальнейшем в раствор) в камере 5 эмульгирования газ, который, в свою очередь, осуществляет диспергирование растворителя, аэрируя последний. В результате этого образуется эмульсия, подогреваемая теплоносителем и имеющая плотность меньшую, чем плотность растворителя (а в дальнейшем раствора), находящегося в камере 1 и в трубопроводе 7.

В камере 5 создается разрежение, приводящее к возникновению разности давления между камерой 1 и 5, являющейся движущей силой, воздействующей на растворитель (а в дальнейшем раствор). Растворитель попадает в камеру 6 и, двигаясь в ней снизу вверх, растворяет топливо, попадает в трубу 8, по ней в камеру 2, и опять, двигаясь снизу вверх, растворяет топливо. Аэрированный раствор имеет развитую поверхность взаимодействия с ядерным топливом, а потому его растворяется в единицу времени большее количество, чем в ту же единицу времени в прототипе. Затем раствор, теряя напор, поднимается по трубопроводу 4 и перемещается в камеру 1 давления. Здесь газ спокойно, не унося с собой раствор (т. к. скорость движения мала, она потеряна при движении раствора вниз-вверх, вниз-вверх в камерах 6 и 2 и от места 11 до места 10) отводится через устройство 16, а раствор, охлаждаемый в камере 1, становясь тяжелее, опускается вниз, и затем через трубопровод 7 направляется в камеру 5 эмульгирования, и процесс снова повторяется. По мере приобретения раствором заданной концентрации по растворенному продукту осуществляется отбор раствора с помощью устройства 15 выдачи раствора на дальнейшую переработку (сорбцию, экстракцию, осаждение целевого компонента) при этом дополнительно вводится растворитель.

Использование заявленного технического решения в промышленном производстве дает ряд преимуществ по сравнению с прототипом: повышается производительность в 8-10 раз благодаря интенсивной циркуляции раствора по контуру, увеличению загрузки в установленные в ряд растворители; обеспечивается взрывобезопас- ность процесса, т.к. исключена опасность возникновения цепной реакции благодаря распределению единичной загрузки топлива по нескольким камерам растворения, а также разбавлению газа, образующегося при растворении топлива, газом, подаваемым через средство для диспергирования в малом количестве, но большого объема;
за счет исключения уноса газом капель и брызг раствора уменьшаются потери учитываемого продукта.

Аппарат для растворения ядерного топлива. Использование: техника переработки облученного ядерного топлива, радиохимическое производство. Сущность изобретения: аппарат содержит соединенные трубопроводом вертикальные камеру 1 давления и камеру 2 растворения и устройство 3 для подачи газа. Аппарат снабжен камерой 5 эмульгирования раствора и дополнительной камерой 6 растворения, причем низ камеры 5 эмульгирования соединен с низом камеры 1 давления трубопроводом 7, а дополнительная камера 6 растворения установлена в ряд с основной камерой 2 растворения и соединена с ней и с камерой 5 эмульгирования трубопроводами 8 и 9, при этом место 10 соединения камеры 1 давления с трубопроводом 4 от основной камеры 2 растворения расположено выше места 11 соединения камеры 5 эмульгирования с трубопроводом 9 от дополнительной камеры 6 растворения, а устройство 3 для подачи газа, оснащенное средством 12 для диспергирования, расположено в нижней части камеры эмульгирования. 1 ил.

АППАРАТ ДЛЯ РАСТВОРЕНИЯ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА, содержащий соединенные трубопроводом вертикальные камеру давления и камеру растворения и устройство для подачи газа, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности аппарата, аппарат снабжен камерой эмульгирования раствора и дополнительной камерой растворения, причем низ камеры эмульгирования соединен с низом камеры давления трубопроводом, а дополнительная камера растворения установлена в ряд с основной камерой растворения и соединена с ней и с камерой эмульгирования трубопроводами, при этом место соединения камеры давления с трубопроводом от основной камеры растворения расположено выше места соединения камеры эмульгирования с трубопроводом от дополнительной камеры растворения, а устройство для подачи газа, оснащенное средством для диспергирования, расположено в нижней части камеры эмульгирования.