Установка для получения при переработке облученного ядерного топлива диоксида плутония, пригодного для приготовления мох-топлива

Установка для получения при переработке облученного ядерного топлива диоксида плутония, пригодного для приготовления МОХ-топлива. Использование: на предприятиях, перерабатывающих отработавшее ядерное топливо. Сущность полезной модели: Установка для осуществления способа содержит аппарат для осаждения плутония, патронный фильтр и печь для сушки и прокалки осадка. Установка отличается тем, что патронный фильтр снабжен устройством для разделения осадка на слои, расположенным между фильтрующим патроном и переносным корпусом фильтра с зазором к последнему, а печь для сушки и прокалки осадка выполненная в виде печи косвенного нагрева, оснащена устройством для подачи кислорода в корпус патронного фильтра, устанавливаемым в центральную полость печи после фильтрации. Установка отличается и тем, что устройство для разделения осадка на слои выполнено в виде закрепленной в корпусе фильтра этажерки, каждый ярус которой образован установленными один в другом усеченными конусами, при этом внутренний прямой усеченный конус большим основанием соединен с меньшим основанием. Кроме того, устройство для подачи кислорода размещено по оси корпуса фильтра, установленного в центральной полости печи.

Полезная модель относится к ядерной энергетике и может быть использована на предприятиях, перерабатывающих облученное ядерное топливо (ОЯТ) с целью извлечения из него плутония.

Плутоний нарабатывается в процессе эксплуатации ядерных реакторов на урановом топливе, а потому является компонентом образующегося при этом облученного ядерного топлива. И уже в 60-х годах прошлого века интерес к рециклированию плутония непрерывно возрастал по мере того, как становилось очевидным неизбежное образование избытка плутония.

В связи с этим возникла проблема извлечения плутония из облученного ядерного топлива и дальнейшего гражданского использования плутония путем рециклирования в ядерных реакторах, т.е. использования его в качестве компонента свежеприготовленного ядерного топлива для энергетических ядерных реакторов.

В разработанной Министерством Российской федерации по атомной энергии (Минатом РФ) Программе по утилизации плутония предполагается использовать энергетический и высвобождающийся оружейный плутоний в качестве компонента при изготовлении смешанного оксидного уран-плутониевого ядерного топлива (МОХ-топлива) для энергетических реакторов. Более того, выполненные специалистами научно-исследовательских институтов Минатом РФ исследования подтверждают, что технически возможно и экономически целесообразно использовать плутоний не только в быстрых реакторах типа БН-600 и БН-800, но и в реакторах типа ВВЭР-1000.

Последнее обстоятельство поставило перед специалистами исследовательских институтов Минатом РФ задачу по разработке технологии и оборудования для получения диоксида плутония такого качества, которое бы обеспечивало сходство поведения смешанного оксидного уран-плутониевого топлива с поведением уранового топлива в действующих ядерных энергетических реакторах.

При решении указанной задачи было выявлено, что диоксид плутония должен иметь керамическое качество, минимизирующее пыление порошкообразного диоксида плутония и предопределяющее успешное таблетирование - спекание смешанного уран-плутониевого оксидного топлива. Кроме того, специалистами было установлено, что при получении диоксида, пригодного для приготовления МОХ-топлива, необходимо минимизировать содержание углерода, негативно влияющего на развитие пористости (пустотности) при выгорании топлива в ядерном реакторе и на прочностные характеристики оболочек тепловыделяющих элементов, вызывая растрескивание или прожоги их.

Следует отметить, что наличие углерода в диоксиде плутония обусловлено необходимостью использования веществ, содержащих углерод, на предшествующих фильтрации, сушке и прокалке стадиях переработки облученного ядерного топлива (растворении, экстракции и проч.). Однако на стадии сушки и прокалки, когда происходит образование диоксида плутония, должны быть обеспечены все условия для достижения керамического сорта диоксида плутония и содержания в нем углерода не выше допустимого технологическим регламентом МОХ-топлива значения.

Главная роль в обеспечении вышеназванных условий принадлежит оборудованию, используемому для получения диоксида плутония.

Авторами полезной модели по настоящей заявке создано решение, представляющее собой установку, которая решает задачу получения диоксида плутония керамического качества, содержащего минимальное количество углерода. Прежде, чем описать полезную модель, рассмотрим известные из мирового уровня техники решения, аналогичные заявленным, и проанализируем их, чтобы определить, какие условия созданы ими для получения диоксида плутония надлежащего качества.

Известна установка для получения двуокиси плутония (см. кн. «Переработка ядерного горючего». Атомиздат, Москва, 1964; с.620-621, рис.9.7., статьи «Оксалат плутония» и «Непрерывное осаждение»; с.624 «Двуокись плутония», с.626 «Оборудование непрерывного процесса»).

Установка содержит аппарат для осаждения оксалата плутония (в аналоге - «сосуд, содержащий перемешиваемую пульпу оксалата плутония»), фильтр (в аналоге - «барабанный фильтр с фильтрующей тканью Дайнель Д-2000»), печь для сушки и прокаливания осадка (в аналоге - «Оборудование для обжига представляет собой лоток... (нагреваемый снизу электропечами), над которыми расположен медленно вращающийся шнек; он захватывает влажный оксалат в начале лотка и выгружает в другом конце готовую двуокись»).

Установка с большой вероятностью обеспечивает керамическое качество диоксида плутония благодаря тому, что сушка и прокалка осуществляется в тонком слое оксалата плутония, находящегося на лотке и шнеке. Процесс термического разложения происходит в полном объеме до полного превращения оксалата плутония в диоксид плутония в результате постепенного изменения кристаллической структуры от почти аморфного состояния до хорошо кристаллизованной РuO₂. Такой структурный переход сопровождается снижением реакционной способности диоксида плутония, что положительно влияет на керамическое качество получаемого продукта.

Но в то же время использование в составе установки лотка и шнека для сушки и прокалки отрицательно сказывается на соблюдении мер безопасности при работе с радиотоксичным плутонием, исключении потерь плутония и эксплуатации установки для получения диоксида плутония. Просыпание порошка при опорожнении лодочек, при захватывании оксалата плутония шнеком и при дальнейшей выгрузке со шнека в лоток предопределяют постоянный

сбор просыпавшегося плутония во избежание накопления плутония в защитных боксе или камере, непроизводительную очистку от прилипших к поверхности барабанного фильтра частиц перерабатываемого продукта и, в конечном счете, возможные потери продукта. Перечисленные обстоятельства усложняют эксплуатацию, увеличивая тем самым затраты как материальных, так и финансовых средств.

Кроме того, в описываемой известной установке отсутствуют узлы, способствующие удалению из перерабатываемого материала углерода, наличие которого выше предельного значения недопустимо. Отсюда использование описываемой установки получения диоксида плутония, пригодного для производства МОХ-топлива, не представляется возможным.

Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности является установка для получения диоксида плутония, принятая в качестве прототипа (см. статью И.М.Балакина, Е.Г.Дзекуна, Б.В.Маркова, А.Г.Тюльпы, Н.И.Малкова, В.М.Старикова, Р.С.Каримова «Установка получения диоксида плутония на заводе РТ-1». Труды Свердловского научно-исследовательского института химического машиностроения. Серия: Оборудование для оснащения технологических производств. Выпуск 4 (68). Екатеринбург. 1997, с.11-15.УДК 66.067.037).

Установка содержит аппарат для осаждения оксалата плутония (в прототипе - пульсационный реактор для химического осаждения оксалата плутония), патронный фильтр (в прототипе - патронный фильтр «Капелла» для разделения полученной суспензии) и печь для сушки и прокалки осадка (см. журнал производственного объединения «Маяк» «Вопросы радиационной безопасности». №2, 1997, с.27-30).

Исходный раствор азотнокислого плутония заливается в реактор, где происходит пульсационное перемешивание исходного раствора и дозируемого раствора щавелевой кислоты - осадителя. Образовавшуюся суспензию направляют в патронный фильтр, где происходит разделение суспензии на осадок и фильтрат, причем последний сливается в приемный бак, а осадок оксалата плутония остается в корпусе фильтрата. По окончании фильтрования осадок срезается с фильтрующей перегородки патронного фильтра в корпус фильтра, который транспортируют в печь для сушки и прокалки. В процессе прокалки оксалат плутония превращается в диоксид плутония. Корпус фильтра извлекается из печи, готовый продукт - диоксид Рu пересыпают в транспортный контейнер и отправляют на склад или в цех по производству МОХ-топлива.

Рассмотренная установка более совершенна, чем описанные выше аналоги заявляемой установки.

Использование вместо барабанного фильтра патронного фильтра, корпус которого, заполненный срезанным внутри фильтра осадком оксалата плутония, переносят в печь сушки и прокалки, и осуществление прокалки материала в этом же корпусе сокращает число операций по пересыпке осадка,

а значит исключает просыпание и последующий сбор его для предотвращения потерь ценного и небезопасного продукта.

Упрощается технология переработки и эксплуатация установки и, как положительное следствие, снижаются затраты материальных и финансовых средств.

Однако усложнение решаемой задачи, а именно, получение диоксида плутония с минимальным содержанием углерода и надлежащего керамического качества, что обусловливает пригодность получаемого продукта для приготовления МОХ-топлива, выявило некоторые недостатки установки, принятой в качестве прототипа заявляемой полезной модели.

Использование патронного фильтра на стадии фильтрации приводит к увеличению объема получаемого осадка оксалата плутония, что положительно сказывается на повышении производительности и процесса, и установки по диоксиду плутония, но в то же время увеличение объема осадка затрудняет процесс высушивания и прокалки осадка. Необходимо затратить много времени и электроэнергии, чтобы высушить и прокалить весьма толстый слой (равный высоте патрона фильтра) оксалата плутония для получения качественного диоксида плутония. А чем дольше будет идти процесс, тем больше из оксалата плутония будет выделяться углерода, который необходимо удалять. В установке - прототипе не предусмотрены средства для удаления углерода.

Из вышеуказанного следует, что использование известного решения не позволяет получить диоксид плутония, годный для приготовления МОХ-топлива.

В заявляемой установке эти недостатки отсутствуют.

Заявляемая установка также, как и установка - прототип содержит аппарат для осаждения оксалата плутония, патронный фильтр и печь для сушки и прокалки осадка.

Отличия установки от прототипа заключаются в том, что выполненный переносным корпус патронного фильтра снабжен устройством для разделения осадка на слои, а печь для сушки и прокалки осадка, выполненная в виде печи косвенного нагрева, оснащена устройством для подачи кислорода в корпус патронного фильтра, устанавливаемого в центральную полость печи после фильтрации.

В соответствии с п.2 формулы полезной модели устройство для разделения осадка на слои выполнено в виде этажерки, каждый ярус которой образован установленными один в другом усеченными конусами, при этом внутренний прямой усеченный конус большим основанием соединен с меньшим основанием внешнего обратного усеченного конуса.

В соответствии с п.3 формулы полезной модели устройство для подачи кислорода размещено по оси корпуса патронного фильтра, установленного в центральной полости печи.

Заявляемая установка соответствует всем критериям патентоспособности.

Она обладает новизной, так как из уровня техники заявителем не выявлены технические решения, характеризуемые такими же совокупностями признаков, о чем свидетельствует приведенный анализ известных устройств.

Установка промышленно применима. Установка в целом, а также отдельные конструктивные признаки установки выполнимы и воспроизводимы; ничто в предлагаемом техническом решении не противоречит и не мешает использованию его в промышленном производстве с достижением ожидаемого технического результата.

Приведенное ниже описание конкретного выполнения установки - подтверждение тому.

Представленные чертежи иллюстрируют установку в целом и ее отдельные технологические части в соответствии с п.п.1, 2, 3 формулы изобретения: на фиг.1 - общий вид установки; на фиг.2 - разрез А-А в увеличенном масштабе, на фиг.3 - разрез Б-Б печи в состоянии осуществления технологического процесса сушки и прокалки осадка оксалата плутония до диоксида плутония.

Установка содержит аппарат 1 для осаждения оксалата плутония, патронный фильтр 2 и печь 3 для сушки и прокалки плутония, представляющая собой печь косвенного нагрева.

Для обеспечения безопасности условий работы обслуживающего персонала оборудование установки размещено в герметичных помещениях (на фиг.1 они условно обозначены штрих - пунктирной линией).

Аппарат 1 представляет собой кольцевой пульсационный реактор для химического осаждения оксалата плутония.

Аппарат 1 снабжен штуцерами: 4 - подачи азотнокислого раствора плутония, 5 - подачи осадителя - щавелевой кислоты, 6 - выдачи полученной суспензии оксалата плутония, 7 - для соединения аппарата 1 с источником пульсаций (на чертеже не показанным).

Основными конструктивными элементами патронного фильтра 2 (см. фиг.2) являются корпус 8, головка 9, на которой закреплен патрон 10 с керамической фильтрующей перегородкой, круговой нож 11 для срезания осадка с патрона 10, при этом нож 11 соединен спицами 12 с корпусом 8. Головка 9 снабжена штуцерами 13 и 14, соответственно, для подвода суспензии и отвода фильтрата. Корпус 8 устанавливают на подъемном столике 15, перемещаемом приводом (на чертеже не показанным). На время фильтрации корпус 8 поджимают подъемным столиком 15 к головке 9. Патронный фильтр 2 снабжен устройством 16 для разделения осадка на слои, расположенным между фильтрующим патроном 10 и переносным корпусом 8 фильтра 2 с зазором к корпусу 8. Одним из вариантов выполнения устройства 16 для разделения осадка на слои является этажерка 16, каждый ярус которой образован установленными один в другом усеченными конусами, соответственно, 17 и 18, при этом внутренний прямой усеченный конус 17 большим основанием соединен (например, сваркой) с меньшим основанием внешнего обратного усеченного конуса 18. Соединенные между собой усеченные

конусы 17 и 18 образуют кольцевой кювет для размещения срезанного ножом 11с фильтрующего патрона 10 осадка оксалата плутония. Этажерка 16 закреплена в верхней части корпуса 8 посредством соединенных со спицами 12 ножа 11 стоек 19, на которых кольцевые кюветы дистанцированы по высоте корпуса 8.

Печь 3 для сушки и прокалки осадка оксалата плутония до его диоксида, являющаяся печью периодического действия, представляет собой печь косвенного нагрева, например, муфельную печь (см. фиг.3). В ее составе - теплоизолированный корпус 20, муфель 21, охватывающий его нагреватель 22, размещенное по оси устройство 23 для подачи кислорода и штуцер 24 для отвода парогазовой смеси.

Штуцер 6 аппарата 1 соединен трубопроводом 25 со штуцером 13 патронного фильтра 2. Для переноса корпуса 8 патронного фильтра 2 к печи 3 для проведения сушки и прокалки осадка в установке предусмотрены тележка 26 или манипулятор. Под печью 3 установлено подъемное устройство 27 со столешницей 28.

Заявляемая установка для получения диоксида плутония, пригодного для приготовления МОХ-топлива, работает следующим образом. Полученный на предшествующих получению диоксида плутония стадиях переработки (растворения, экстракции и проч.) облученного ядерного топлива азотнокислый реэкстракт плутония подают в кольцевую реакторную полость аппарата 1. Включают пульсатор для подачи сжатого воздуха импульсами в штуцер 7, в результате чего идет перемешивание раствора. В этот раствор через штуцер 5 подают малыми дозами щавелевую кислоту для осаждения оксалата плутония. По окончании процесса осаждения полученная суспензия по штуцеру 6 выдается в трубопровод 25, по которому ее транспортируют к патронному фильтру 2. По штуцеру 13 суспензия поступает в полость фильтра 2, и на фильтровальной керамической перегородке патрона 10 происходит разделение суспензии на жидкую (фильтрат) и твердую (осадок оксалата плутония) фазы. Фильтрат из внутренней полости патрона 10 через штуцер 14 отводят из фильтра 2 на дальнейшую обработку. Сформированный на патроне 10 осадок необходимо удалить и направить его на сушку и прокалку в печь 3. Для этого корпус 8 опускают с помощью столика 15, при этом нож 11, двигаясь с корпусом 8, срезает с патрона 10 осадок, который по мере продвижения ножа 11 сверху вниз, ссыпается в кольцевые кюветы этажерки 16, чем и достигается разделение осадка на слои. Когда весь осадок срезан с фильтровальной перегородки патрона 10 и размещен на ярусах этажерки 16, а корпус 8 опущен столиком 15 ниже патрона 10, то его необходимо перенести в печь 3 для сушки и прокалки с помощью транспортной тележки 26, либо манипулятором. Корпус 8 помещают на столешницу 28 подъемного устройства 27 и вводят корпус 8 с находящимися на ярусах этажерки слоями осадка в центральную полость муфеля 21. Прижимом подъемного устройства 27 к печи 3 снизу герметизируют ее полость.

Сначала осадок сушат при температуре 270°С, после чего переходят на температурный режим 600°С, при котором происходит переход оксалата плутония в диоксид плутония. Разделенный на слои оксалат плутония высушивается полностью, равномерно и намного быстрее, чем толстый неразделенный слой продукта в прототипе. В процессе сушки и прокалки через устройство 23 по оси и корпуса 8, и муфеля 21 печи 3 подают кислород (или воздух) для сжигания углерода, выделяющегося при сушке влажного оксалата плутония и прокалке при рекомбинации оксалата в диоксид плутония.

По окончании прокалки корпус 8 с помощью подъемного устройства 27 извлекается из печи 3 и порошок диоксида плутония пересыпают в транспортный стакан.

Использование заявляемой установки в народном хозяйстве обеспечит получение диоксида плутония с требуемыми параметрами качества - высокие керамические свойства и отсутствие углерода в составе продукта. Достижение такого результата обеспечивает пригодность диоксида плутония для приготовления МОХ-топлива, которое, в сою очередь, экономически целесообразно использовать не только в реакторах на быстрых нейтронах, но и в реакторах ВВЭР-1000. А если учесть, что потребность в ядерном топливе для действующих в России и странах СНГ атомных станций с энергетическими ядерными реакторами ВВЭР-1000 большая, то экономическая эффективность полезной модели по настоящей заявке достаточно высока.

1. Установка, содержащая аппарат для осаждения оксалата плутония, патронный фильтр и печь для сушки и прокалки осадка, отличающаяся тем, что патронный фильтр снабжен устройством для разделения осадка на слои, расположенным между фильтрующим патроном и переносным корпусом фильтра с зазором к последнему, а печь для сушки и прокалки осадка, выполненная в виде печи косвенного нагрева, оснащена устройством для подачи кислорода в корпус патронного фильтра, устанавливаемым в центральную полость печи после фильтрации.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство для разделения осадка на слои выполнено в виде закрепленной в корпусе фильтра этажерки, каждый ярус которой образован установленными один в другом усеченными конусами, при этом внутренний прямой усеченный конус большим основанием соединен с меньшим основанием внешнего обратного усеченного конуса.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство для подачи кислорода размещено по оси корпуса фильтра, установленного в центральной полости печи.