Способ переработки отработавшего ядерного топлива (оят) и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к ядерной технике и технологии, преимущественно для переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), а также для фторирования и хлорирования. Способ переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) включает переработку ОЯТ химическими средствами. В качестве исходных реагентов используют химически активные газы. Перерабатываемое ОЯТ в виде, например, отработавших тепловыделяющих сборок (ТВС) сдвигают внутри технологического реактора навстречу друг другу вдоль общей продольной оси до образования между торцевыми поверхностями ТВС технологического зазора. В указанном зазоре создают электроискровые процессы, инициирующие технические реакции. Для дополнительного инициирования таких реакций и одновременного проведения в том же технологическом реакторе переработки любых других радиоактивных материалов и отходов, в том числе и бесформенных, используют лазерное излучение. Устройство для переработки отработавшего ядерного топлива содержит наружный защитный корпус и технологические секции, а также системы подачи исходных химических реагентов и вывода образующихся веществ. Герметичный корпус технологического реактора снабжен двумя противоположно и соосно расположенными технологическими ветвями управляемой встречной подачи перерабатываемых ТВС. Каждая технологическая ветвь включает секции: токоподвода, охлаждения, стыковочной сварки ТВС и шлюзовую систему с транспортными механизмами. Корпус реактора снабжен узлами ввода лазерных излучений с обеспечением их сканирования. В нижней части под основной технологической зоной корпус технологического реактора снабжен узлом ввода контейнеров. Эти контейнеры заполняются любыми перерабатываемыми радиоактивными материалами и отходами, поступающими через смонтированную для этого дополнительную шлюзовую систему вертикального типа. Изобретение позволяет создать более экологически чистую технологию переработки ТВС, повысить эффективность переработки ТВС и ядерную безопасность процессов переработки ОЯТ и других радиоактивных материалов и отходов. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области ядерной техники и технологии, преимущественно для переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), а также для фторирования или хлорирования любых других радиоактивных и/или нерадиоактивных материалов.

Из патентной литературы известен способ фторирования ядерных материалов и устройство для его осуществления, включающее обработку ядерных материалов фтором (патент 2111169 от 04.02.1997; патент 2143940 от 10.01.1999).

Сущность изобретения.

Способ переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) включает его переработку химическими средствами, отличается тем, что в качестве исходных реагентов используют химически активные газы, а само перерабатываемое ОЯТ в виде, например, отработавших тепловыделяющих сборок (ТВС) сдвигают внутри технологического реактора навстречу друг другу вдоль общей продольной оси до образования между торцевыми поверхностями ТВС технологического зазора, в котором создают электроискровые процессы, инициирующие химические реакции, а также для дополнительного инициирования таких реакций и одновременного проведения, в том же технологическом реакторе переработки любых других радиоактивных материалов и отходов, в том числе бесформенных, используют лазерное излучение.

В качестве исходных газовых реагентов используют фтор, хлор и другие галогениды в их смеси и/или в их химическом соединении, например BrF₃ и ClF₃, а также водород, оксид углерода и другие газовые окислители.

В основной технологической зоне используют электроискровые разряды и/или тлеющий электрический заряд с напряжением от 100 вольт и более в зависимости от размера технологического зазора между перерабатываемыми ТВС и величины давления внутри технологического реактора.

Сканирование лазерных лучей осуществляют в пределах внешних размеров контейнеров с перерабатываемым материалом.

В зоне сканирования лазерных лучей осуществляют вращение контейнеров с перерабатываемым материалом.

Перерабатываемые ТВС перемещают навстречу друг другу непрерывно или поочередно с соблюдением соответствия их геометрии торцевых поверхностей основной технологической зоне с возможным при этом вращением перерабатываемых ТВС.

Исходные перерабатываемые ТВС предварительно сваривают однотипными торцами с образованием единой заготовки, а затем осуществляют дополнительную стыковочную сварку таких спаренных ТВС уже перед их вводом в технологический реактор, обеспечивая непрерывность основного технологического процесса в целом.

Устройство для переработки отработавшего ядерного топлива содержит наружный защитный корпус и технологические секции, а также системы подачи исходных химических реагентов и вывода образующихся веществ, отличающееся тем, что корпус технологического реактора выполнен герметичным и снабжен двумя противоположно и соосно расположенными технологическими ветвями управляемой встречной подачи перерабатываемых ТВС, причем каждая технологическая ветвь включает секции: токоподвода, охлаждения, стыковочной сварки ТВС и шлюзовую систему с транспортными механизмами, при этом корпус технологического реактора снабжен узлами ввода лазерных излучений с обеспечением их сканирования, а в нижней части под основной технологической зоной корпус технологического реактора снабжен узлом ввода контейнеров, заполняемых любыми перерабатываемыми радиоактивными материалами и отходами, поступающих через смонтированную для этого дополнительную шлюзовую систему вертикального типа.

Секция стыковочной сварки перерабатываемых ТВС снабжена узлами технического обеспечения процессов, например, электростыковой и/или ультразвуковой, или металлотермической сварки.

Корпус технологического реактора снабжен тангенциальным подводом основных технологических и/или вспомогательных нейтральных газов в вихревую камеру.

Достигаемый технический результат: - повышение эффективности переработки ТВС за счет использования химически активных газовых реагентов; - создание более экологически чистой технологии переработки ТВС; - повышение ядерной безопасности процессов переработки ОЯТ и других радиоактивных материалов и отходов.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства по сечению А-А; на фиг.2 - сечение по Б-Б на фиг.3; на фиг.3 - сечение по В-В на фиг.1; на фиг.4 - сечение по Д-Д на фиг.2; на фиг.5 - сечение по Е-Е на фиг.3.

Устройство для переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) содержит следующие основные конструктивные элементы: корпус 1 технологического реактора; левая ветвь 2 перерабатываемой тепловыделяющей сборки (ТВС); центральный узел 3 ввода лазерного излучения; основная технологическая зона 4; правая ветвь 5 перерабатываемой ТВС; защитное покрытие 6 (например, фторопласт) внутренней поверхности технологического реактора; электроизоляционный слой 7; токоподвод 8 к перерабатываемым ТВС; штуцера 9 подвода и отвода охладителя; корпус 10 секции охлаждения; узлы 11 технического обеспечения стыковой сварки ТВС; зона 12 стыковой сварки ТВС; ролики 13 узла подачи ТВС; привод 14 узла подачи ТВС; корпус 15 приемной камеры для перерабатываемой ТВС; концевая часть 16 ТВС; толкатель 17 ТВС; шток 18 толкателя ТВС; гидравлический привод 19 телескопического типа; корпус 20 торцевой секции с гидравлическим приводом; толкатель 21 контейнера (в выдвинутом положении); контейнер 22 с перерабатываемым материалом (ПМ); 23 - толкатель 21 в исходном положении; привод 24 толкателя контейнера; штуцера 25 подачи и вывода технологического газа; боковой узел 26 лазерного излучения; условно показанное направление 27 сканирующего лазерного луча; подвижное уплотнение 28, например типа сильфона; защитный канал 29 выхода лазерного луча; штуцера 30 тангенциального подвода технологического и/или вспомогательного нейтрального газа; узел фиксации 31 контейнера в неподвижном положении на период шлюзования; контейнер 32 с ПМ в рабочем положении (в зоне переработки); контейнер 33 с ПМ в подготовительном положении; толкатель 34 подачи контейнера с перерабатываемым материалом в рабочее положение (в зону переработки); привод 35 толкателя 34; электропривод 36; условно показанный механизм подачи 37 контейнеров с ПМ в шлюзовую камеру; толкатель 38 контейнера с ПМ внутри шлюзовой системы (в верхнем положении); условно показанный торец 39 перерабатываемой ТВС; шлюзовой затвор 40; условно показанная граница 41 зоны сканирования лазерных лучей; уплотнение 42 герметизирующего стакана системы шлюзования; условно показанное вертикальное перемещение 43 контейнера с ПМ; герметизирующий стакан 44 системы шлюзования; условно показанное вращательное движение 45 контейнера с ПМ; исходное положение 46 контейнера с ПМ перед шлюзованием; положение 47 толкателя контейнера с ПМ в промежуточном шлюзовом положении; толкатель 48 герметизирующего стакана в верхнем положении; привод толкателя 49 контейнера с ПМ системы шлюзования; привод толкателя 48 в крайнем верхнем положении 50; толкатель контейнера с ПМ в исходном положении 51; герметизирующий стакан 44 в нижнем положении 52; толкатель 48 в нижнем положении 53; привод 54 толкателя 48; корпус 55 исходного размещения приводов 54 и 49; условно показанная подача 56 ТВС на вход в шлюзовую систему; концевая часть 57 ТВС на входе в шлюзовую систему; приемная камера 58 шлюзовой системы левой ветви переработки ТВС; толкатель 59 ТВС в рабочем положении; концевая часть 60 ТВС в исходном положении перед подачей на переработку; толкатель 59 ТВС в исходном положении 61; приемная камера 62 шлюзовой системы правой ветви переработки ТВС; кольцевая часть 63 ТВС в приемной камере системы шлюзования; входной шлюзовой затвор 64 правой ветви переработки ТВС; расположения концевой части 65 ТВС в камере шлюзования; выходной шлюзовой затвор 66 правой ветви переработки ТВС; боковой толкатель 67 узла подачи ТВС на вход в правую ветвь переработки; шток 68 толкателя 67; кольцевая часть 69 ТВС в положении выхода из системы шлюзования; привод толкателя 67.

Осуществление способа и работа устройства.

Перерабатываемые ТВС подаются в технологический реактор 1 с двух противоположных сторон встречно вдоль общей оси из левой 2 и правой 5 ветвей технологического обеспечения процесса переработки с образованием между торцами ТВС зазора в основной технологической зоне 4. Исходные газовые реагенты, например фтор и/или другие активные газообразные окислители, подаются в зону 4 через штуцера 25 и 30. В дальнейшем к перерабатываемым ТВС через токоподвод 8 подключается высокое напряжение, например, от источника электроискровых разрядов для специального инициирования именно в зоне 4 необходимых химических процессов, в частности фторирования всех веществ, входящих в состав перерабатываемых ТВС. При этом для обеспечения гарантированной равномерности химических процессов по торцам перерабатываемых ТВС, в дополнение к использованию электроискровых разрядов вводится воздействие лазерными лучами 27, обеспечивающими при их сканировании "химическое срезание" каких-либо возможных выступов на торцевых поверхностях ТВС в зоне 4. Одновременно сканирующие лазерные лучи осуществляют интенсификацию соответствующих химических процессов переработки материалов, подаваемых с нижней части технологического реактора в специальных контейнерах 32, 46, о чем детальнее будет сообщено ниже.

Для осуществления указанных процессов переработки ТВС их предварительно состыковывают парами, например, сваркой однотипных концевых частей с образованием исходной, перерабатываемой заготовки теперь уже с однотипными концевыми частями. Именно такая спаренная заготовка их двух исходных ТВС в последующем изложении для кратности будет называться просто перерабатываемая ТВС.

Перерабатываемая ТВС на выходе из системы шлюзования (описание которой дается ниже) поступает в корпус приемной камеры 15 в положение 60, из которого толкателем 17 (исходно находящимся в положении 61) ТВС перемещают в зону роликового узла 13 с приводом 14 дальнейшей подачи ТВС в секцию торцевой сварки 12, снабженную узлами 11 технического обеспечения стыковой сварки с предыдущей ТВС для обеспечения непрерывности технологии переработки в целом. Затем ТВС перемещают в корпус 10 секции охлаждения со штуцерами 9 подвода и отвода охладителя и далее в зону 4 осуществления основного технологического процесса. Аналогичная последовательность технологических действий осуществляется и в противоположной левой ветви переработки ТВС. При этом для обеспечения непрерывности основного технологического процесса в зоне 4 (на период осуществления дополнительной сварки ТВС в правой ветви и соответствующей остановки в ней движения ТВС) осуществляют только одностороннее перемещение ТВС в левой ветви и наоборот.

Процесс шлюзования ТВС в камеру 15 осуществляется следующим образом. Условно показанным питателем 56 ТВС (57) подают в приемную камеру 58 шлюзовой системы до захвата роликами 13 узла подачи ТВС с приводом 14 так, что концевая часть ТВС устанавливается в положение 63 перед входным шлюзовым затвором 64. Далее процесс шлюзования ТВС осуществляется известными приемами с завершающей подачей ТВС в положение 69. После чего боковым толкателем 67, снабженным приводом 70, перерабатываемая ТВС подается в исходное положение 60 и далее процесс повторяется по вышеописанной схеме.

В нижней части технологического реактора 1 смонтирована шлюзовая система вертикального типа для подачи на соответствующую переработку контейнеров 46 с самыми различными материалами, в том числе бесформенными.

Процесс шлюзования контейнеров 46 осуществляется следующим образом. В исходном положении условно показанным механизмом подачи 37 контейнер перемещают в позицию над толкателем 51. Далее приводом 54 контейнер совместно с герметизирующим стаканом 44 перемещают в верхнее положение до стыковки с уплотнением 42. Затем открывается шлюзовой затвор 40 и приводом 49 контейнер вводят в верхнее положение в системе шлюзования. Из этого положения 22 контейнер перемещают толкателем 21 в горизонтальном направлении до его установки над толкателем 34. После чего приводом 35 исходный контейнер 46 с перерабатываемыми материалами подают непосредственно в саму зону технологической переработки. После химической переработки и самого контейнера, и его содержимого до определенного минимального объема он фиксируется узлом 31 в неподвижном состоянии, а толкатель 34 опускается для приема очередного контейнера из системы шлюзования, и далее цикл повторяется.

Для равномерной переработки материалов в указанном контейнере 32 его вращают (45) с помощью приводов 35 и 36 и тем самым обеспечивают соответствующее равномерное воздействие лазерного излучения на всю торцевую поверхность перерабатываемых материалов.

Формула изобретения

1. Способ переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), включающий его переработку химическими средствами, отличающийся тем, что в качестве исходных реагентов используют химически активные газы, а само перерабатываемое ОЯТ в виде, например, отработавших тепловыделяющих сборок (ТВС), сдвигают внутри технологического реактора навстречу друг другу вдоль общей продольной оси до образования между торцевыми поверхностями ТВС технологического зазора, в котором создают электроискровые процессы, инициирующие химические реакции, а также для дополнительного инициирования таких реакций и одновременного проведения в том же технологическом реакторе переработки любых других радиоактивных материалов и отходов, в том числе бесформенных, используют лазерное излучение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходных газовых реагентов используют фтор, хлор и другие галогениды в их смеси и/или в их химическом соединении, например, BrF₃ и СlF₃, а также водород, оксид углерода и другие газовые окислители.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в основной технологической зоне используют электроискровые разряды и/или тлеющий электрический разряд с напряжением от 100 В и более в зависимости от размера технологического зазора между перерабатываемыми ТВС и величины давления внутри технологического реактора.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что осуществляют сканирование лазерных лучей в пределах внешних размеров контейнеров с перерабатываемым материалом.

5. Способ по пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что в зоне сканирования лазерных лучей осуществляют вращение контейнеров с перерабатываемым материалом.

6. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что перерабатываемые ТВС перемещают навстречу друг другу непрерывно или поочередно с соблюдением соответствия их геометрии торцевых поверхностей в основной технологической зоне с возможным при этом вращением перерабатываемых ТВС.

7. Способ по пп.1, 2 и 6, отличающийся тем, что исходные перерабатываемые ТВС предварительно сваривают однотипными торцами с образованием единой заготовки, а затем осуществляют дополнительную стыковочную сварку таких спаренных ТВС уже перед их вводом в технологический реактор, обеспечивая непрерывность основного технологического процесса в целом.

8. Устройство для переработки отработавшего ядерного топлива, содержащее наружный защитный корпус и технологические секции, а также системы подачи исходных химических реагентов и вывода образующихся веществ, отличающееся тем, что корпус технологического реактора выполнен герметичным и снабжен двумя противоположно и соосно расположенными технологическими ветвями управляемой встречной подачи перерабатываемых ТВС, причем каждая технологическая ветвь включает секции: токоподвода, охлаждения, стыковочной сварки ТВС и шлюзовую систему с транспортными механизмами, при этом корпус технологического реактора снабжен узлами ввода лазерных излучений с обеспечением их сканирования, а в нижней части под основной технологической зоной корпус технологического реактора снабжен узлом ввода контейнеров, заполняемых любыми перерабатываемыми радиоактивными материалами и отходами, поступающих через смонтированную для этого дополнительную шлюзовую систему вертикального типа.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что секция стыковочной сварки перерабатываемых ТВС снабжена узлами технического обеспечения процессов, например, электростыковой и/или ультразвуковой или металлотермической сварки.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что корпус технологического реактора снабжен тангенциальным подводом основных технологических и/или вспомогательных нейтральных газов в вихревую камеру.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4