ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ РАСТВОРЕНИЯ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
ELECTROLYSIS CELL FOR DISSOLVING METAL OXIDES

Изобретение относится к электролизерам для растворения оксидов урана, плутония и (или) смешанных оксидов урана и плутония в азотной кислоте с использованием двухвалентного серебра и может быть использовано для извлечения урана (плутония) из отходов различных производств ядерно-топливного цикла.
В заявке ФРГ № 2619148, опубликованной 10.11.1977, описывается электролизер, состоящий из прямоугольной электролитической ячейки, в днище которой расположена серия отверстий, связывающих электролитическую ячейку с продольным каналом, проходящим вдоль днища и стенки электролитической ячейки. Канал связан с пневматическим или гидравлическим пульсационным генератором. Периодическое пропускание в донной части электролитической ячейки через электролит пульсирующего потока газа приводит к перемешиванию электролита.
Основные недостатки этого устройства:
1) недостаточно полное перемешивание гетерогенных фаз в электролитической ячейке в результате неравномерности распределения импульса по поперечному сечению из-за наличия застойных зон по краям ячейки;
2) невозможность использования в устройстве порошкообразных веществ из-за возможности попадания их в окружной канал через отверстия в донной части;
3) использование инертного газа для перемешивания сред в радиохимическом производстве приводит к усложнению технологической схемы, т.к. газ, выходящий из электролизера, требует специальной очистки от радионуклидов.
Известно устройство для извлечения плутония, содержащегося в твердых отходах (US № 4749519, опубл. 07.06.1988), принятое за прототип. Устройство содержит две вертикальных трубы. Первая труба содержит анод, катод, расположенный в катодном отделении, связанном с колонной для промывки газа. В этой же трубе расположена турбина, приводимая в движение двигателем, которая обеспечивает перемешивание и циркуляцию смеси жидкое-твердое между первой и второй трубами, соединенными промежуточными патрубками. Во второй трубе содержится фильтровальная корзина вибрационного типа для удержания отходов и устройство в виде змеевика для охлаждения смеси вокруг фильтровальной корзины. Между первой и второй трубами установлен нейтронно-поглощающий экран. Конструкция является громоздкой, сложна в изготовлении, занимает большие производственные площади. Наличие механической мешалки (турбины) требует использования специальных сальниковых уплотнений в месте ввода вала в аппарат для герметизации радиоактивной среды в устройстве от внешней среды. Фильтровальная корзина вибрационного типа дополнительно усложняет конструкцию из-за наличия узла ввода механической вибрации.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке электролизера, обеспечивающего высокую эффективность растворения оксидов урана, плутония или смешанных оксидов урана и плутония в азотной кислоте с использованием двухвалентного серебра за счет полного и интенсивного перемешивания реагирующих фаз в электролитической ячейке при соблюдении ядерно-безопасных геометрических размеров самого устройства.
Для решения поставленной задачи предлагается электролизер для растворения оксидов урана, плутония или смешанных оксидов урана и плутония в азотной кислоте с использованием двухвалентного серебра, содержащий цилиндрический корпус, крышку и цилиндрическое днище. Размещенная внутри корпуса электролитическая ячейка содержит расположенные коаксиально корпусу трубчатый катод, пористую трубчатую мембрану и анод, на наружной поверхности которого расположены радиальные ребра. При этом в состав электролизера дополнительно введена пульсационная камера, образованная с помощью перегородки, имеющей с днищем щелевидный проход вдоль образующей цилиндрического днища. Пульсационная камера может быть образована днищем и перегородкой или боковой стенкой корпуса, днищем и перегородкой.
На фиг.1 показан продольный разрез электролизера, на фиг.2 - поперечное сечение А-А электролизера на фиг.1, на фиг.3 - сечение Б-Б донной части электролизера на фиг.1, на фиг.4 - вид В сбоку на цилиндрическое днище на фиг.1, на фиг.5 - вариант исполнения электролизера.
Электролизер содержит цилиндрический корпус 1 (см. фиг.1) с крышкой 2 и цилиндрическим днищем 3, которое представляет собой часть цилиндрической обечайки, которая ограничивает обечайку корпуса 1 того же диаметра при сопряжении их друг с другом под прямым углом. Внутри корпуса размещена электролитическая ячейка 4, содержащая расположенные коаксиально корпусу трубчатый катод 5, трубчатую пористую мембрану 6 и анод 7. На наружной поверхности анода 7 расположены радиальные ребра 8 (см. фиг.2). Для регулирования температуры раствора в корпусе размещен U-образный холодильник 9 и сифон 10, предназначенный для выдачи раствора из электролизера. Пульсационная камера 11, расположенная в нижней части корпуса 1, образована цилиндрическим днищем 3 и перегородкой 12, установленной так, что перегородка 12 образует с днищем 3 щелевидный проход 13 вдоль образующей цилиндрического днища 3 (см. фиг.3). Посредством пульсопровода 14, соединенного с пульсационной камерой 11, подается пневматический (или гидравлический) импульс давления от пульсатора (не показан) в пульсационную камеру 11. Корпус 1 имеет в своей верхней части патрубок 15, предназначенный для подачи исходной кислоты и корректировки кислотности раствора. В крышке 2 смонтирован патрубок 16, через который производится загрузка растворяемых оксидов.
Аппарат работает следующим образом. В электролизер через патрубок 15 заливают раствор азотной кислоты, вводят серебро в виде металла или нитрата, через патрубок 16 засыпают диоксид плутония (урана) либо продукты, содержащие их оксиды. На анод 7 и катод 5 подают электрический ток, а в пульсационную камеру 11 подают импульсы. Процесс ведут либо до пропускания расчетного количества тока, либо до заданной концентрации плутония в растворе. Периодически, по мере изменения концентраций реагирующих компонентов в электролизере, добавляют оксид плутония (урана), а также азотную кислоту для корректировки кислотности раствора. После завершения растворения суспензию, содержащую растворенные уран и плутоний, выводят из электролизера посредством вакуума, создаваемого в сифоне 10. Контролируют температуру раствора и при необходимости подают охлаждающую воду в холодильник 9.
Во время электролиза у поверхности катода 5 образуется коллоидное серебро, которое в виде крупных или мелких частиц находится во взвешенном состоянии в катодной части раствора. В случае если в объеме раствора значительно уменьшено количество растворяемого оксида, то двухвалентное серебро диффундирует к катоду и там восстанавливается. Это приводит к резкому снижению выхода по току. Чтобы получить выход по току, близкий к 100%, необходимо, чтобы на скорость растворения не влияли никакие другие факторы, кроме процесса генерации двухвалентного серебра. При этом условии важным фактором, влияющим на процесс растворения, является интенсивность перемешивания. Для этого в пульсационную камеру 11 электролизера подают импульс с заданной частотой. Образующиеся восходящие вихревые потоки раствора поднимают осевшие на дно нерастворенные частицы твердой фазы в раствор и поддерживают их в электролитической ячейке 4 между радиальными ребрами 8 во взвешенном состоянии. Щелевидный проход 13 вдоль образующей цилиндрического днища 3 обеспечивает полный подъем твердых частиц во взвешенное состояние без образования застойных зон.
Также пульсационная камера 11 может быть образована боковой стенкой корпуса 1, днищем 3 и перегородкой 12 (см. фиг.5). Работа электролизера в этом случае аналогична работе электролизера, пульсационная камера которого образована днищем и перегородкой.
Применение пульсационной камеры не только упрощает электролизер при условии соблюдения ядерно-безопасных геометрических размеров самого аппарата, но и создает дополнительный технический результат: обеспечивается высокая эффективность растворения оксидов за счет полного и интенсивного перемешивания. При этом электролизер занимает меньшую производственную площадь.