Устройство получения оксидов урана и плутония

Полезная модель относится к радиохимической технологии и может быть использована для получения порошков оксидов урана, которые могут быть использованы для изготовления уранового оксидного топлива или смешанного уран-плутониевого оксидного топлива или как исходный материал для изготовления смешанного уран-плутониевого нитридного топлива атомных электростанций.
Известно устройство для денитрации нитратных растворов микроволновым нагревом [US 4727231 Н05В 6/64, опубл. 23.02.88], в котором нагрев растворов нитрата уранила, плутония или их смесей проводят под действием СВЧ-излучения. Реакционная камера имеет цилиндрическую форму. Нижняя часть реакционной камеры используется в качестве сосуда с закрытым дном для приема в нем обрабатываемого вещества. На верхней стенке реакционной камеры установлен волновод и сдувка в устройство газоочистки. Волновод соединен с СВЧ-генератором. Сдувка служит для выхода отходящих газов. Отходящий газ образуется во время процесса нагревания/денитрации обрабатываемого вещества. Устройство позволяет выпаривать, то есть концентрировать нитраты до получения сухого порошка, который подвергается денитрации в этом же устройстве.
Недостатками данного технического решения является:
- необходимость устанавливать дополнительное устройство детектор, для защиты СВЧ-генератора от отраженных волн, часть микроволн поглощается обрабатываемым веществом, а другая часть микроволн отражается от стенок реакционной камеры и возвращается через волновод обратно в СВЧ-генератор, что снижает удельную мощность устройства;
- отсутствие перемешивающего устройства, что не позволяет очищать дно тигля от обработанного материала, что затрудняет полноту его выгрузки.
Наиболее близким является устройство периодического действия для СВЧ-обработки материалов [RU 2693820 С1, МПК Н05В 6/64, опубл. 08.09.2019), состоящее из СВЧ-генератора, реакционной камеры, представляющей собой цилиндрический корпус, внутри которого установлено перемешивающее устройство с закрепленными лопатками, установленное с возможностью вращения и перемещения вдоль его оси, на корпусе размещены устройство подачи исходного раствора, устройство газоочистки. Реакционная камера зафиксирована с помощью лебедки и установлена на поворотном кронштейне, в нижней части реакционной камеры установлена керамическая вставка, выполненная из материала, обожженного при температуре 1200-1300°С, состоящего из смеси порошка оксида алюминия с СВЧ-поглощающим порошком. На верхней части реакционной камеры установлен клапан пересыпной, внутри реакционной камеры установлен измельчитель, вал которого расположен соосно полому валу перемешивающего устройства. СВЧ-генератор герметично соединен с реакционной камерой волноводом СВЧ-энергии, который состоит из трех труб. Устройство позволяет одновременно проводить упаривание раствора нитрата уранила, его денитрацию, перемешивание упариваемого раствора и затем образующегося порошка с одновременным его измельчением.
Недостатками прототипа являются:
- использование керамического тигля с СВЧ-поглотителем, что вызывает потерю мощности СВЧ-излучения и не позволяет достигать температуры необходимой для получения диоксида урана;
- коррозия и абразивный износ керамического тигля с СВЧ-поглотителем вызывает загрязнение оксидов урана;
- отсутствие отражательных элементов в реакционной камере, что не позволяет сфокусировать СВЧ-излучение на обрабатываемом материале и приводит к увеличению времени протекания процессов выпаривания, концентрации и денитрации растворов;
- сложность конструкции обеспечения регулируемых скоростей вращения измельчителя и перемешивающего устройства при размещении вала измельчителя внутри полого вала перемешивающего устройства;
- подача восстановительной среды в верхнюю часть реакционной камеры не обеспечивает необходимого контакта между обрабатываемым материалом и газом-восстановителем.
Указанные недостатки конструкции прототипа не позволяют получать с его помощью смесь порошков диоксидов урана и плутония (церия) заданного фазового состава и увеличивают энергозатраты вследствие нагрева керамической вставки с СВЧ-поглощающим материалом и рассеивания СВЧ-излучения вне зоны обрабатываемого материала.
Технической проблемой заявляемой полезной модели является создание устройства периодического действия для СВЧ-обработки материалов, применяемого в составе модуля переработки смешанного нитридного уран-плутониевого (СНУП) облученного ядерного топлива (ОЯТ), то есть получения порошка смешанных оксидов урана и плутония (церия) заданного фазового состава, в том числе в форме диоксидов, для дальнейшего получения из него топливных таблеток, а также сокращения времени протекания указанных процессов.
Техническим результатом является возможность получения смеси диоксидов урана и плутония, увеличение интенсивности процессов выпаривания, концентрации и денитрации растворов, совмещение операций перемешивания и измельчения.
Технический результат достигается в устройстве получения оксидов урана и плутония под действием СВЧ-излучения содержащем СВЧ-генератор и реакционную камеру, внутри которой установлено перемешивающее устройство, причем реакционная камера представляет собой разъемный цилиндрический корпус, причем вал перемешивающего устройства выполнен полым для подачи восстановительной газовой атмосферы в зону реакции и на нем закреплены отражательные элементы, при этом перемешивающее устройство дополнительно снабжено зубчатыми элементами для измельчения образующихся под действием СВЧ-излучения смешанных оксидов урана и плутония, а нижняя часть реакционной камеры изготовлена из жаропрочной нержавеющей стали и является тиглем.
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежом.
На фигуре представлено схематическое изображение продольного сечения предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство содержит СВЧ-генератор (на фигуре не показан), резонаторную камеру, представляющую собой разъемный цилиндрический корпус, нижняя часть 1 которого является тиглем и выполнена из жаропрочной нержавеющей стали, с высокой отражающей способностью СВЧ-излучения. Обечайка верхней части 2 разъемного цилиндрического корпуса снабжена окном 5 из СВЧ-прозрачного материала. Полый вал 3 размещен в резонаторной камере соосно с цилиндрическим корпусом. Полый вал 3 оборудован отражательными элементами 4 и перемешивающим устройством-измельчителем 7 с зубчатыми элементами 8, которое одновременно выполняет функции перемешивания и измельчения образующихся под действием СВЧ-излучения смешанных оксидов урана и плутония (церия).
Заявляемое устройство работает следующим образом:
Исходный раствор через устройство подачи (на фигуре не показано) заливают в нижнюю часть 1 реакционной камеры, являющуюся тиглем. Включают СВЧ-генератор. Включают перемешивающее устройство со скоростью 6-12 об/мин. СВЧ-излучение, по волноводам попадает через окно 5 на отражающие элементы 4, и, отражаясь, фокусируется в нижней части реакционной камеры (в тигле) 1 на обрабатываемом материале 6. Перемешивающее устройство-измельчитель 7 обеспечивает выравнивание температуры по всему объему раствора. При образовании на поверхности густеющего раствора твердой корки, перемешивающее устройство-измельчитель 7 ломает ее и измельчает с помощью зубчатых элементов 8 в процессе вращения. После окончания выпаривания, измельченный в процессе перемешивания порошок нагревают до температуры восстановления оксидов, при этом через полый вал перемешивающего устройства в нижнюю часть реакционной камеры, непосредственно в зону протекания реакции, при постоянном перемешивании порошка, подают восстановительную аргоно-водородную смесь, обеспечивая эффективное, интенсивное взаимодействие газа с порошком, находящимся в тигле.
Таким образом, благодаря высокой эффективности воздействия СВЧ-излучения, сфокусированными отражательными элементами, на материал, обеспечивается сокращение времени протекания процессов выпаривания, концентрирования и денитрации. За счет подачи газовой среды или воздуха непосредственно в зону протекания реакции обеспечивается взаимодействие всего объема порошка с газом-восстановителем и получение порошков оксидов урана и плутония (церия) заданного фазового состава. За счет использования тигля из нержавеющей стали получают порошки, не загрязненные материалами керамической вставки тигля по прототипу. Перемешивание раствора с одновременным измельчением позволяет исключить операцию охлаждения перед измельчением.