ЛОДОЧКА ДЛЯ СИНТЕЗА НИТРИДНОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к атомной энергетике, и предназначена для производства спрессованного таблетированного нитридного ядерного топлива.
Известна металлическая лодочка для печей спекания по патенту РФ №2133425, дата приоритета 22.10.1997, опубл. 20.07.1999, кл. МПК F27D 5/00 для спекания спрессованных из порошка диоксида урана топливных таблеток для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Лодочка состоит из дна и съемной обечайки, состоящей из двух и более частей, соединенных между собой с зазором, причем перемещение обечайки относительно дна и частей обечайки относительно друг друга фиксируется ограничителем перемещений, обеспечивающим компенсацию неравномерных температурных расширений.
Недостатками известной металлической лодочки для печей спекания является низкая технологичность при изготовлении лодочки, небольшой срок службы, плохая ремонтопригодность, большая материалоемкость. Термоциклы способствуют накоплению необратимых деформаций (формоизменений), тем самым снижая ресурс лодочки, что увеличивает зазоры между стенками и дном лодочки.
В процессе синтеза нитридного ядерного топлива наблюдается образование порошкообразного продукта синтеза - нитридов урана и плутония, что приводит к загрязнению печного пространства радиоактивными, высокотоксичными материалами.
Дополнительно следует иметь в виду, что отсутствие перфорации всех стенок лодочки затрудняет доступ газового потока в зону гетерогенной реакции синтеза нитридного ядерного топлива, что ухудшает кинетические параметры процесса, увеличивает продолжительность процесса, увеличивает экономические затраты, ухудшает свойства конечного продукта (рост зерна относительно весового содержания углерода и кислорода).
Известна лодочка из молибдена для спекания топливных таблеток по заявке на изобретение РФ №2002123435, дата приоритета 30.08.2002, опубл. 27.04.2004, кл. МПК G21C 21/02.
Лодочка из молибдена предназначена для спекания топливных таблеток. Данная лодочка содержит днище и прикрепленные к нему и между собой стенки с перфорацией, отличается тем, что стенки в местах стыков двух П-образных заготовок снабжены двумя L-образными накладками из молибдена, закрепленными своей вертикальной частью с внешней стороны каждого стыка заклепками и винтами с центровочной зенковкой на винте и в отверстиях с внешней стороны каждой накладки и гайками овальной формы с внутренней поверхности стенок, а в днище с двух противоположных сторон выполнены посадочные места для горизонтальных частей двух L-образных накладок, закрепляемых аналогичными винтами с центровочной зенковкой с нижней части днища и гайками овальной формы с внутренней поверхности лодочки из молибдена.
Лодочка отличается сложностью конструкции, многочисленными деталями, скрепление которых обеспечивает сохранение геометрических размеров лодочки. В условиях синтеза нитридного ядерного топлива из-за различия в мольных объемах исходных оксидных спрессованных таблеток с углеродом, наблюдается образование порошкообразного продукта. При наличии разъемов в конструкции лодочки, порошкообразный продукт, который всегда имеет место в процессе синтеза нитридного топлива, будет попадать в печное пространство, что приведет к загрязнению установки радиоактивными материалами.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является лодочка для спекания по патенту РФ №2181221, дата приоритета 31.01.2000, опубл. 10.04.2002, кл. МПК G21C 21/02, G21C 3/62. Лодочка для спекания топливных таблеток выполнена из молибдена, и содержит днище, перфорированные стенки и ложное перфорированное днище, размещенное на некоторой высоте от днища. В днище лодочки выполнены два ряда отверстий с расстоянием между рядами, равными ширине шагающего пода печи.
Лодочка предназначена для использования технологии спекания спрессованных таблеток оксидного ядерного топлива в печах с движущимся подом и не может применяться для синтеза таблетированного нитридного топлива. В днище лодочки имеются отверстия, через которые порошкообразный продукт будет поступать в печную зону и загрязнять ее радиоактивными, токсичными материалами.
Лодочка отличается сложностью конструкции, из-за наличия перфорации в днище лодочки. Тем более что доступ реакционного газа через перфорации в днище лодочки затруднен, так как лодочка дном опирается на консоль движущегося пода печи. Газовый поток в большей степени будет протекать через свободную зону печного пространства, и конструкция лодочки не обеспечивает фильтрацию реакционного газа через загрузку таблетированного ядерного топлива внутри лодочки.
Заявляемая полезная модель «Лодочка для синтеза нитридного топлива» содержит днище, заднюю и переднюю стенки, боковые стенки и ложное перфорированное дно, размещенное на некоторой высоте от днища, и отличается от прототипа тем, что днище и боковые стенки лодочки выполнены неперфорированными, а также в передней и задней стенках лодочки расположены отверстия для потока реакционного газа, расположенные ниже уровня ложного перфорированного дна. Также лодочка содержит упоры для установки ложного дна, либо боковые стенки могут имеют разнотолщинность на уровне ложного перфорированного дна для его установки.
Технической задачей является интенсификация процесса спекания таблетированного ядерного топлива.
Технический результат достигается благодаря тому, что днище и боковые стенки лодочки выполнены неперфорированными, а также в передней и задней стенках лодочки расположены отверстия для потока реакционного газа, расположенные ниже уровня ложного перфорированного дна.
Для подтверждения указанного выше представляем описание конкретного конструктивного выполнения заявленного устройства и его работы.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется следующими чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид лодочки. На фиг. 2 изображен общий вид заявляемой лодочки в разрезе. На фиг.3 изображен поперечный разрез лодочки с установленным ложным перфорированным дном. На фиг. 4 график зависимости скорости газа внутри лодочки в центре засыпки от радиальной координаты в лодочке без ложного дна (G - расход газа на готовый продукт, G=100 л/кг). На фиг. 5 график зависимости скорости газа внутри лодочки в центре засыпки от радиальной координаты в лодочке с ложным дном и продувкой азотом.
Лодочка для синтеза нитридного топлива содержит днище (1), переднюю и заднюю стенки (2), отверстия для потока реакционного газа (3), боковые стенки лодочки (4), ложное перфорированное дно (5), упоры для установки ложного дна (6).
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Спрессованные таблетки из нитридного топлива в смеси с углеродом загружаются в лодочку из молибдена на ложное перфорированное дно (5). Встречные потоки газообразного азота поступают внутрь лодочки в объем под ложным перфорированным дном (5) и фильтруются через загрузку таблетированного ядерного топлива.
В процессе спекания таблетированного ядерного топливного материала происходит удаление газообразных продуктов разложения стеарата цинка (связующего при прессовании таблеток ядерного топлива) и газообразных продуктов синтеза нитридного ядерного топлива, образующихся за счет взаимодействия с оксидами урана и плутония углерода азота.
Скорости газовых потоков существенно неоднородны внутри засыпки как по длине, так и по ширине и высоте лодочки. Возможно образование застойных зон с повышенным содержанием газообразных продуктов реакции. Поэтому конструкция лодочки, обеспечивающая фильтрацию газового потока азота через загрузку таблетированного ядерного топлива, в значительной степени (в несколько десятков раз) снижает парциальное давление продуктов реакции (см фиг. 4 - график зависимости скорости газа внутри лодочки без ложного дна от радиальной координаты, и фиг 5 - график зависимости скорости газа внутри лодочки с ложным дном и продувкой азотом сквозь отверстия для потока реакционного газа), G - расход газа на готовый продукт.
Расчеты скоростей газовых потоков выполнены с помощью пакета программ ANSYS, аттестованного Госатомнадзором (регистрационный номер ПС в ЦОЭП при РНЦ КИ - 490, регистрационный номер паспорта аттестации ПС - 145, дата регистрации 10.09.2002).
При использовании заявляемого устройства возникают следующие технические преимущества:
- увеличение производительности печи;
- повышение качества таблетированного ядерного топлива;
- повышение технологичности изготовления лодочки;
- увеличение срока службы лодочки и ее ремонтопригодности.
Кроме того, к преимуществам заявляемого устройства можно отнести также конструктивную простоту, простоту в обслуживании и экономичность.