Устройство для растворения измельченного ядерного топлива

 

Использование: ядерная промышленность для регенерации отработавшего ядерного топлива. Сущность изобретения: устройство представляет собой вибрационный кольцевой двухъярусный аппарат, внутри которого оболочки измельченного ядерного топлива, пройдя один цикл растворения в первом уровне подвижного ротора, в зависимости, от полноты извлечения ценных элементов, с помощью направляющего элемента могут быть направлены во второй раз по этому же циклу, либо могут быть переведены на следующий уровень - уровень промывки. В результате в одном устройстве реализуется как периодическое, так и непрерывное растворение при обеспечении ядерной и радиационной безопасности процесса. 5 ил.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для регенерации отработавших тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов.

Аналогом данного изобретения является "Устройство для растворения ядерного топлива" а. с. N 755054 G 21 C 19/42 СССР, содержащее наружный и внутренний корпусы, образующие кольцевую щель (внутри которой находятся вертикальные перегородки), центральный канал выгрузки, сопловую решетку, расположенную внутри реакционной полости, нагревательную и охладительную рубашки, а также систему подвода и отвода растворов и газов.

Недостатком этого устройства является то, что выгрузка нерастворимых оболочек ТВС из аппарата производится с помощью импульсов сжатого воздуха, что приводит к повышению давления в аппарате-растворителе и является весьма опасным фактором с точки зрения радиационной безопасности процесса. Вторым недостатком является невозможность использования данного устройства для непрерывного процесса переработки ядерного топлива. Отсюда - низкая производительность данного аппарата.

Следующим аналогом заявляемого изобретения является "Устройство для растворения ядерного топлива" а.с. N 1628738 G 21 C 19/42 СССР, отличающееся от предыдущего аналога тем, что в нем изменена геометрия распределительного конуса с целью повышения равномерности загрузки топлива и полноты выгрузки нерастворимых оболочек.

Для этого устройства характерны все недостатки первого аналога.

Анализ зарубежных устройств-аналогов: а.с. N 1599130, G 21 C 19/46 Великобритания; а. с. N 2386888, G 21 C 19/46 Франция; а.с. N 2732546, G 21 C 19/46 ФРГ не выявил преимуществ данных устройств перед заявляемым.

Прототипом изобретения является "Растворитель вибрационный горизонтальный РВГ" проект 653-00.000 ВНИИпромтехнологии, состоящий из неподвижного основания, горизонтально расположенного трубчатого корпуса (линейного ротора), системы подачи жидкости растворителя и отвода раствора, системы нагрева и охлаждения, узла подвески корпуса и приводной станции, генерирующей механические колебания.

Недостатком данного аппарата является то, что в нем можно реализовать лишь непрерывный процесс растворения, и в случае недостаточно полного извлечения ценных элементов из оболочек нет возможности провести операцию дорастворения. Второй недостаток - большие габаритные размеры устройства (длина 16 м). Третий недостаток - для осуществления процесса промывки оболочек ТВС после процесса растворения необходимо дополнительное устройство, аналогичное данному. В конструкции прототипа применены сильфонные соединения, обладающие низкой надежностью в условиях механических колебаний (частота 13 Гц, амплитуда 3 мм).

Цель изобретения: обеспечение возможности ведения в одном устройстве как циклического (периодического), так и непрерывного процессов растворения, при осуществлении всех технологических этапов процесса растворения в одном устройстве, при обеспечении ядерной и радиационной безопасности процесса.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для растворения измельченного ядерного топлива представляет собой вибрационный кольцевой двухъярусный аппарат, внутри которого оболочки измельченных ТВС, пройдя один цикл (круг) в верхнем уровне, в зависимости от полноты извлечения ценных элементов, могут быть направлены снова по этому же циклу (до достижения необходимой полноты растворения), либо могут быть переведены на следующий уровень - уровень промывки. Благодаря этой возможности процесс растворения может быть организован и непрерывным и циклическим (периодическим).

Общий вид предлагаемого аппарата-растворителя представлен на фиг. 1, где 1 - неподвижное основание аппарата; 2 - подвижный ротор аппарата, совершающий колебательные движения с заданными параметрами; 3 - узел подвески ротора, представляющий собой набор кронштейнов и наклонных упругих стержневых элементов (рессор), расположенных по окружности относительно оси ротора; 4 - приводная станция (генератор магнитных колебаний), расположенная над перекрытием помещения установки аппарата и доступная для технического обслуживания; 5 - привод перемещения направляющего элемента (желоба); 6 - тракт загрузки измельченного ядерного топлива; 7 - герметичная оболочка аппарата; 8 - линия отвода газов, выделяющихся в процессе растворения; 9, 10, 11, 12 - линии подачи жидкости-растворителя, выдачи раствора, подачи и выдачи воды от промывки оболочек; 13 - магнитная пята рабочего органа; 14 - магнитная муфта привода направляющего элемента (желоба); 15 - дренажная линия герметичной оболочки аппарата; 16 - нагревательная (паровая) рубашка; 17 - измельченное ядерное топливо; 18 - раствор топливной композиции ТВС; 19 - промываемые оболочки ТВС; 20 - промывочная вода. На фиг. 2 изображен разрез по оси верхнего (первого) уровня ротора аппарата, где 21 - горизонтальный участок верхнего уровня; 22 - наклонный участок верхнего уровня; 23 - колодец, обеспечивающий переход оболочек ТВС с верхнего уровня на нижний; 24 - направляющий элемент (желоб) - имеет два возможных положения, определяющих передачу оболочек ТВС по двум разным направлениям. На фиг. 3 изображен разрез по CD в развернутом виде, где 25 - канал выгрузки промытых оболочек; 26 - лабиринтное уплотнение канала выгрузки оболочек; 27 - патрубок отвода раствора топливной композиции; 28 - патрубок отвода воды после промывки оболочек ТВС; γ - угол наклона участка осушки оболочек. На фиг. 4 изображен ступенчатый разрез ротора по EF, где 29 - узел развязки линии выдачи раствора топливной композиции; 30 - узел развязки линии выдачи промывочной воды. На фиг. 5 изображена схема действия вибротранспортера, где G - направление вектора колебаний корпуса; L - направление перемещения слоя оболочек; α - угол наклона упругих элементов подвески; β - угол наклона вектора колебаний.

Устройство для растворения измельченного ядерного топлива работает следующим образом.

Приводная станция 4, генерируя в своем сердечнике магнитные колебания определенной частоты (вектор магнитной индукции направлен вертикально), воздействует на магнитную пяту 13 ротора 2 и приводит его в колебательное движение, траектория которого определяется конструкцией узла подвески 3. При этом частота вынуждающих колебаний совпадает с частотой собственных колебаний ротора. Угол наклона упругих стержневых элементов подвески 3 (в нашем случае α = 35^o) и их расположение - по окружности относительно оси ротора - определяют направление механических колебаний: ротор получает возможность перемещения вдоль своей оси при одновременном повороте относительно этой же оси в пределах упругой деформации изгиба стержневых элементов подвески 3. Таким образом, механические колебания ротора носят винтообразный характер. Ротор 2 и узел подвески 3 заключены в герметичную оболочку 7. Измельченное ядерное топливо, проходя через тракт загрузки 6, попадает в верхний (первый) уровень ротора, где под действием колебаний заданного направления начинает перемещаться по горизонтальному участку верхнего уровня в направлении К (фиг. 2). Поток жидкости-растворителя, подаваемой через линию 9, перемещается навстречу топливу (принцип противотока) и в виде уже насыщенного раствора топливной композиции отводится из аппарата самотеком через патрубок 27, узел развязки 29 и затем через линию 10. Уровень раствора в растворительном тракте определяется высотой патрубка 27 и является величиной постоянной. Перемещаясь в направлении K, оболочки ТВС в конце своего пути попадают на наклонный участок верхнего уровня (γ = 5^o), перемещаясь по которому поднимаются над уровнем раствора и осушаются. Затем оболочки попадают на направляющий элемент (желоб) 24, с помощью которого они могут попасть, в зависимости от положения последнего, по двум возможным адресам: либо - в начало верхнего уровня (т. е. остаться на этом же уровне аппарата и пройти еще раз цикл растворения), либо через передающий колодец 23 перейти с первого уровня на второй (нижний) уровень аппарата. Таким образом, процесс растворения может проходить как в непрерывном режиме - после одного цикла растворения оболочки непрерывно передаются на второй уровень, так и в циклическом (периодическом) - после многократного прохождения первого уровня - уровня растворения, т.е. после достижения необходимой полноты растворения ОЯТ, производится переключение на выдачу оболочек во второй уровень - уровень промывки. Процесс промывки оболочек по реализации во многом подобен растворению. Ввод-вывод промывочной воды производится через линии 11 и 12. Реализован тот же принцип противотока. Уровень воды в промывочном тракте определяется высотой патрубка 28 и является величиной постоянной. Оболочки ТВС после осушения на наклонном участке нижнего уровня, проходя через лабиринтное уплотнение 26 и канал выгрузки 25, удаляются из аппарата. Линии выдачи растворов 10 и 12 из ротора имеют узлы развязки 29 и 30 для разделения подвижных и неподвижных частей аппарата. Линии подвода растворов 9, 11, тракт загрузки 6 и канал отвода газов 8 входят в ротор с зазором, компенсирующим амплитуду колебаний. Тракт выгрузки оболочек сочленяется с ротором посредством лабиринтного уплотнения, имеющего зазор, превышающий величину колебаний. Таким образом, все подвижные и неподвижные элементы технологических связей механически разделены. Герметичность аппарата достигается с помощью герметичной оболочки 7.

Траектория колебаний ротора аппарата винтообразна, поэтому поверхность перемещающегося по кольцу ротора слоя оболочек описывается в сечении отрезком параболы (фиг. 1). Параметры этой параболы определяются геометрией аппарата (диаметром и шириной кольца ротора), а также частотой и амплитудой колебаний. На фиг. 5 изображена общеизвестная схема вибротранспортера, реализованная в предлагаемом устройстве.

Технический результат изобретения заключается в создании устройства, обеспечивающего как циклический (периодический) процесс растворения отработавшего ядерного топлива, так и непрерывный, при этом исключается возможность выдачи из аппарата недорастворенного топлива вместе с оболочками (при надежном оперативном контроле за полнотой растворения). Для предлагаемого устройства характерен также высокий уровень радиационной и ядерной безопасности. Ядерная безопасность обеспечивается кольцевой схемой аппарата и определенной величиной кольцевого зазора. А радиационная - герметичностью аппарата и тем, что он работает всегда под разрежением. Конструкция аппарата обеспечивает высокую надежность в процессе эксплуатации.

Формула изобретения

Устройство для растворения измельченного ядерного топлива, включающее неподвижное основание, герметичную оболочку, подвижный ротор, совершающий колебательные движения, узел подвески ротора, приводную станцию, отличающееся тем, что ротор аппарата имеет кольцевую форму, два уровня по высоте, сообщающиеся через передающий колодец, направляющий элемент в форме желоба, имеющий возможность фиксации в двух положениях, обеспечивающих перемещение топлива в начале тракта растворения или через колодец на нижний уровень ротора, причем ротор аппарата совершает колебания, траектория которых определяется узлом подвески ротора, представляющим собой набор кронштейнов и наклонных упругих стержневых элементов, расположенных по окружности относительно оси ротора, с помощью которых ротор крепится к неподвижному основанию и получает возможность перемещения вдоль свой оси при одновременном повороте относительно этой же оси в пределах упругой деформации изгиба наклонных стержневых элементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5