УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСТВОРИМОСТИ СОЛЕЙ В СОЛЕВОМ РАСПЛАВЕ

Заявленное техническое решение относится к ядерной энергетике, преимущественно к технологии получения и регенерации ядерного топлива на основе актиноидов с делящимися изотопами с использованием солевых расплавов хлоридов и фторидов металлов, а также к жидкосолевым ядерным реакторам нового поколения и может быть использовано для определения растворимости вводимых в солевой расплав компонентов твердой соли. Полезная модель может быть использована в любых случаях, когда необходимо определить растворимость солей в солевых расплавах.
3
3
3
3
Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым техническим решением по наибольшему количеству существенных признаков, является устройство [Воложин М.В., Закиров Р.Я., Мушников П.Н., Субботин В.Г., Санников И.В., Наумов С.П. Растворимость CeF, PuF, в расплаве LiF-NaF-KF - Атомная энергия, т. 115, вып. 1, июль 2013], включающее экспериментальную ячейку, нагреватель (представляющий по своей сути шахтную печь), термопару, тигель для солевого расплава, помещенный в ячейку, которая герметично закрывается крышкой с уплотнителем; крышка снабжена шлюзами для ввода в расплав растворяемой соли, в верхней части ячейки имеются патрубки для подачи инертного газа аргона. Это устройство работает следующим образом. В тигель загружают соль-растворитель (например, LiF-NaF-KF), включают печь, расплавляют соль-растворитель, доводят ее до необходимой температуры, при которой нужно провести растворение и затем порциями добавляют растворяемую соль (например, CeF или PuF). Некоторое время проводят барботаж расплава инертным газом. Достижение насыщения, что соответствует растворимости, и которое
наступает через десять часов, определяют регистрацией интенсивности γ-квантов в определенном объеме расплава.
Недостатком прототипа является то, что для достижения насыщения необходимо длительное время, т.е мала производительность установки.
Указанный недостаток обусловлен тем, что в расплаве недостаточно интенсивно происходит контактное взаимодействие соли-растворителя с твердой солью и тем, что замедленно протекают диффузионные процессы, потоков растворенных молекул соли, движущихся через диффузионный слой от поверхности твердой соли вглубь расплава и встречных потоков молекул соли-растворителя, направленных к этой же твердой поверхности.
Задачей заявляемого технического решения является сокращение времени проведения процесса растворения солей в солевом расплаве.
Для этого устройство для растворения солей в солевом расплаве, включающее ампулу в виде ячейки, помещенную в печь, тигель для расплава соли, контрольную термопару, крышку, герметично закрывающую ячейку, питатель для подачи растворяемых таблеток соли в расплав, шлюз для ввода питателя, патрубки для ввода и вывода из ячейки инертного газа дополнительно снабжено съемными активаторами, задающими механические колебания низких и ультразвуковых частот питателю с твердыми растворяющимися солями, при этом ультразвуковой активатор фиксируется в гнезде, присоединяемом жестко к питателю, а активатор низкочастотных колебаний прикрепляется к какому-либо конструкционному элементу устройства, например, к фланцу ячейки. Питатель с растворяющимися таблетками соли снабжен сильфоном, обеспечивающим передачу низкочастотных колебаний.
Наличие активатора высокочастотных колебаний, создающего высокочастотную вибрацию, накладываемую на слой расплава, прилегающий непосредственно к питателю, через который диффундируют растворенные молекулы соли от поверхности твердой соли вглубь расплава, а также встречные потоки молекул соли-растворителя, диффундирующие в
обратном направлении к этой же твердой поверхности, приводит к тому, что толщина этого слоя резко уменьшается. В результате суммарная скорость диффузионных процессов возрастает и возрастает с этим и скорость растворения твердой соли в соли-растворителе.
Колебания ультразвуковой частоты 18 кГц, передаваемые твердой соли через питатель интенсифицируют взаимодействие твердой соли и расплава жидкой соли-растворителя. Энергия, передаваемая слоям расплава при таких колебаниях, способствует проникновению молекул соли-растворителя ко всем неровностям поверхности растворяемой твердой соли.
Наличие активатора низкочастотных колебаний, генерирующего низкочастотные механические колебания от 0,5 до 2 Гц, воздействуют на слои расплава, прилегающие непосредственно к питателю, вызывают интенсификацию конвективной диффузии, в результате чего растворенные молекулы соли мигрируют вглубь общей массы расплава соли, а оттуда к поверхности твердой соли доставляются новые порции соли-растворителя с меньшим содержанием растворенной соли.
Наличие активатора низкочастотных механических колебаний вносит свой вклад в интенсификацию процесса растворения соли, и при их отсутствии при наличии только ультразвуковых колебаний интенсификация растворения проходит в меньшей степени. Выбор типа активатора низкочастотных механических колебаний зависит от масштаба процесса и от других факторов, он может быть выполнен в виде электромеханической катушки с якорем, соединенной с вилкой через рычаг привода.
То, что активатор ультразвуковых колебаний фиксирован в гнезде, жестко присоединенном к питателю, дает наименьшее рассеивание ультразвуковых колебаний и позволяет эффективно передавать колебательную энергию для растворения.
Сильфонный узел шлюза дает возможность беспрепятственно передавать питателю вертикальные низкочастотные колебания от активатора низкочастотных колебаний, выполненного, например, в виде
электромеханической катушки с якорем и прикрепленного к конструкционному элементу устройства, при этом вилка, соединенная с якорем, передает колебательные возвратно-поступательные движения питателю. Наличие в шлюзе одной муфты без сильфона не может в полной мере обеспечить надежность безаварийной работы при передаче через питатель модулированных колебаний низкой и ультразвуковой частот.
Новыми существенными признаками, позволяющими решить поставленную задачу увеличения производительности устройства для растворения солей в солевом расплаве является то, что оно снабжено активаторами, задающими растворяемым солям колебания ультразвуковой и низкой частот через питатель, где активатор ультразвуковых колебаний фиксирован в гнезде, жестко присоединенном к питателю, а активатор низкочастотных колебаний прикреплен к конструкционному элементу устройства, при этом питатель снабжен сильфоном.
В технической и патентной литературе встречаются устройства, включающие активаторы, задающие колебания ультразвуковой и низкой частоты. В некоторых типах стиральных машин имеются ультразвуковые активаторы (процесс стирки по своей сути схож с процессом растворения веществ), совмещенные с низкочастотными колебаниями - это вращение барабана.
В данном случае возможность получения положительного результата и пути достижения цели неочевидны. Необходимо решить технические вопросы метода приложения этих колебаний, конструктивного исполнения и компоновки активаторов колебаний в устройстве для растворения, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение обладает новизной.
Сущность предлагаемого устройства поясняется прилагаемым чертежом, где:
1. тигель;
2. соль-растворитель;
3. ячейка;
4. крышка ячейки;
5. шлюз;
6. питатель;
7. таблетки соли;
8. гнездо активатора ультразвуковых колебаний;
9. муфта шлюза;
10. вилка рычага привода активатора низкочастотных колебаний;
11. активатор низкочастотных колебаний (АНЧК), выполненный в виде электромеханической катушки с якорем;
12. сильфон шлюза;
13. патрубки для подачи в ячейку инертного газа аргона и его вывода;
14. контрольная термопара;
15. активатор ультразвуковых колебаний (АУЗК);
16. прижим.
Устройство работает следующим образом.
В подготовительной части работы в тигель 1 засыпают размельченную твердую соль-растворитель 2, помещают тигель с твердой солью в ячейку 3, и закрывают ее крышкой 4. Помещают ячейку в шахту электрической печи. В шлюз 5 вводят вертикально питатель 6 с таблетками 7 растворяемой соли на дне до исходного первоначального положения над твердой солью-растворителем.
Питатель выполнен в виде трубки с дном и с прорезями по образующим трубки в нижней его части. Питатель в верхней части имеет цилиндрическое утолщение, оканчивающееся конусом. Коническая форма поверхности обеспечивает плотное сочленение с гнездом активатора ультразвуковых колебаний 8, которое имеет ответное конусное углубление. Питатель выполнен так, что сопрягаемые поверхности: цилиндрическое утолщение в верхней части питателя и муфта шлюза 9, обеспечивают герметичное уплотнение и возможность вертикального осевого перемещения (скольжения) питателя по муфте с небольшим сопротивлением.
Шлюз служит для ввода питателя в ячейку и обеспечения возможности последующих его вертикальных перемещений и колебаний в условиях герметичности устройства. Шлюз в верхней части имеет посадочное место для муфты, пониже - кольцевую выточку для сцепления с вилкой рычага привода 10 активатора низкочастотных колебаний 11. В средней части шлюза вварен сильфон 12, который необходим для обеспечения передачи низкочастотных колебаний. Дело в том, что наличие одной муфты (без сильфона) не может в полной мере обеспечить надежность безаварийной работы при передаче питателю низкочастотных колебаний. Шлюз своей нижней частью в виде короткого отрезка трубы приварен к крышке ячейки.
Таблетки растворяемой соли приготавливают заранее, например, методом прессования или плавления. Их определенное количество складывают столбиком один за другим на дно питателя. Во избежание переполнения тигля предварительно определяют теоретически возможное количество растворения твердой соли.
Далее подают заданный расход инертного газа. 13 - входные и выходным патрубки подачи газа, устанавливают контрольную термопару 14. Затем питатель закрывают сверху пробкой, надевают на питатель сверху гнездо активатора ультразвуковых колебаний, совмещая плотно конические поверхности на питателе и в гнезде. Закладывают активатор ультразвуковых колебаний 15 в гнездо и прижимают его к нему прижимом 16. Активатор ультразвуковых колебаний выполнен на основе керамического пьезоэлемента в виде закрытой со всех сторон небольшой шайбы с соединительным кабелем. В заключение подготовительной части включают печь и выводят установку на заданный температурный режим.
Дают соли-растворителю расплавиться и опускают питатель (с присоединенным к нему гнездом с активатором ультразвуковых колебаний) с таблетками соли вниз до такого уровня (до ограничителя), чтобы кольцевые выточки на шлюзе, а также на гнезде затем могли бы совместиться с вилкой рычага привода активатора низкочастотных колебаний. При этом нижняя
часть питателя с несколькими таблетками попадает в расплав. Через прорези в нижней части питателя (см. фиг. 1) соль-растворитель может свободно проходить во внутреннюю часть питателя, омывая таблетки соли и растворяя их. После этого к ячейке присоединяют активатор низкочастотных колебаний. Активатор низкочастотных колебаний выполнен в виде узла, содержащего электромеханическую катушку с якорем, помещенного в корпус, который снабжен держателем. Якорь через рычаг привода соединен со сдвоенной вилкой, которая непосредственно передает колебания питателю. При присоединении вилка становится в рабочее положение, при этом спаренная вилка дополнительно стягивает связку ультразвуковой активатор-гнездо-питатель. Быстрое закрепление-снятие АНЧК производят следующим образом. Держатель, находящийся в нижней части активатора и выполненный в виде пальца, в который впресована небольшая подпружиненная втулка со сферической головкой вводится в горизонтальное сверление фланца ячейки, где головка входит в предусмотренную впадину и фиксируется. При операции снятия активатора втулку отжимают кнопкой и освобождают его (активатор).
Таким образом, активатор ультразвуковых колебаний, гнездо активатора и питатель последовательно механически жестко связаны друг с другом. В такой связке ультразвуковые колебания с наименьшим рассеиванием передаются таблеткам соли и расплаву. Сильфонный узел шлюза дает возможность беспрепятственно совершать вертикальные низкочастотные колебания с частотой от 0,5 до 2 Гц, передаваемые от двойной вилки рычага привода активатора низкочастотных колебаний. Таким образом, питатель проводит модулированные колебания низкой и ультразвуковой частот, необходимые для растворения твердой соли.
Активатор низкочастотных колебаний и активатор ультразвуковых колебаний электрически связаны с электронным блоком, который в свою очередь связан с компьютером. С электронным блоком также соединены термопара печи, контрольная термопара и нагреватель печи.
Через пользовательский интерфейс компьютера включают подачу низкочастотных колебаний, включают генератор ультразвуковых колебаний с выбранной частотой. И так начинается процесс интенсивного растворения соли.
Растворенный жидкий расплав от таблетированной соли выносится через прорези в общий объем расплава, при этом не растворившиеся полностью таблетки задерживаются в питателе. По мере растворения нижних таблеток соли в столбике верхние таблетки под действием собственной тяжести опускаются вниз, заменяя нижние растворившиеся таблетки.
Подаваемые низкочастотные колебания с частотой 0,5-1 Гц имели примерно синусоидальную форму. Частота ультразвуковых колебаний для растворения соли в расплаве равны 18 кГц. Генератор ультразвуковых колебаний УЗГ1-0,16/22 ВНИИТВЧ. (Научно-технический комплекс ультразвукового оборудования (НТК-16)).
При выборе амплитуды низкочастотных колебаний, а также его мощности руководствуются тем, чтобы амплитуда колебания соответствовала масштабу процесса и, например, при размере тигля 20×24 мм (соотношение диаметра к высоте) была равной от 1 до 10 мм. Мощность ультразвуковых колебаний не превышала 10 Вт. Действие колебаний низких и ультразвуковых частот на процесс растворения солей проверялось экспериментальным путем и при этом учитывалось рассеивание энергии на элементах конструкции подводящих колебания. Верхний предел подаваемой мощности ограничивался возможностью каких либо нарушений и порчи элементов конструкции установки, разбрызгивания радиоактивной соли, других нежелательных побочных эффектов, при этом все это учитывалось с коэффициентом запаса.