ЯДЕРНО-БЕЗОПАСНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР
NUCLEAR-SAFE CHEMICAL REACTOR

Предлагаемое изобретение относится к области химического аффинажа в цикле производства ядерного топлива и может найти применение в области получения чистых солей и окислов ядерноактивных химических элементов из концентратов.
Известны конструкции петлевых ядерных реакторов с механическим или барботажным перемешиванием, применяемые в действующем производстве. Примером такой конструкции может служить реактор по патенту на полезную модель №65678, опубликованному 10.08.2007. Петлевая реакторная установка для получения радионуклида Йода-125 содержит петлевое устройство, размещенное в облучательном канале реактора и заполняемое через капилляр газообразным ксеноном-124 со стенда, содержащего систему клапанов, буфер-ресивер, расположенный в открытом сосуде Дьюара, захолаживаемым жидким азотом из закрытого сосуда Дьюара, открытый сосуд Дьюара с ловушкой конденсационной, связанной с одной стороны с буфером-ресивером, с другой - с петлевым устройством и через фильтр-абсорбер тонкой очистки ксенона с предварительно захоложенной ловушкой экстракционной, предназначенной для выдержки радиоактивного ксенона-125 с последующим распадом в целевой радионуклид йод-125 с экстракцией последнего посредством заливаемого в ловушку экстракционную реагента - раствора гидроокиси натрия.
Недостатком подобных реакторов является недостаточная эффективность перемешивания, что не позволяет применять однотипные аппараты для проведения схожих массообменных процессов на разных стадиях цикла химического аффинажа ядерного топлива, а также снижает эффективность и стабильность прохождения процесса массообмена, особенно при выщелачивании и осаждении тяжелых суспензий.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение устойчивого и стабильного прохождения процесса массообмена -выщелачивания, осаждения, смешения - в гомогенных или гетерогенных жидких системах, содержащих ядерноактивные материалы, а также унификации аппаратов для проведения этих процессов.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности перемешивания реакционной смеси при одновременном обеспечении ее чистоты.
Поставленная задача решается тем, что ядерно-безопасный циркуляционный химический реактор для проведения процессов массообмена в жидких суспензионно-эмульсионных системах, содержащих ядерно-активные вещества, содержит замкнутый трубопровод, на котором установлен циркуляционный диафрагменный насос, при этом трубопровод в верхней своей части соединен с патрубком для подачи жидкости, патрубком для выхода прореагировавшей смеси и патрубком для загрузки твердой фазы.
В частном варианте выполнения реактора его замкнутый трубопровод включает две вертикальные секции, по меньшей мере, в одной из которых на участке нагнетания расположены завихрители потока, которые предпочтительно выполнены в виде пластин, установленных под углом к направлению потока.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется с помощью чертежа, на котором показана схема реактора с верхним расположением циркуляционного насоса.
Ядерно-безопасный циркуляционный химический реактор для проведения процессов массообмена в жидких суспензионно-эмульсионных системах, содержит замкнутый трубопровод 1, на котором установлен циркуляционный диафрагменный насос 2, например, типа Flux FDM, Lutz DMP и др. Насос 2 в зависимости от расположения технологического оборудования до и после реактора может располагаться как в верхней (см. чертеж), так и в нижней горизонтальной или наклонной части трубопровода 2. В верхней части трубопровод 1 соединен с патрубком 3 для подачи жидкости, с патрубком 4 для выхода прореагировавшей смеси и с патрубком 5 для загрузки твердой фазы. Патрубок 5 расположен выше патрубка 4 и от него осуществляется вентиляция через отверстие 6, выполненное в крышке реактора со стороны патрубка 5.
Трубопровод 1 включает две вертикальные секции 7, в одной из которых на участке со стороны нагнетания насоса 2 расположены завихрители 8 потока в виде пластин, установленных под углом к потоку.
Наличие циркуляционного потока определяется путем измерения его величины простейшими средствами измерения расхода, например, с помощью полупогруженного поплавка 9, установленного в трубопроводе 1, поднимающимся от действия потока раствора, по высоте подъема штока, соединенного с поплавком 9 и выведенного через сальник на крышку реактора.
Трубопровод 1 выполнен с безопасным диаметром для того ядерного материала, который находится в растворе или твердой фазе. Безопасный диаметр должен быть не больше такого расстояния между стенками аппарата, при котором не развивается цепная ядерная реакция в ядерном материале.
Общий минимальный объем трубопровода 1 определяется, исходя из требований необходимого времени контакта реагирующих компонентов и составляет в обычных условиях минимум 100 литров.
Предлагаемый реактор функционирует следующим образом.
Аппарат монтируется таким образом, что патрубок 4 для выхода прореагировавшей смеси располагается выше уровня приемного патрубка следующего по технологической цепочке аппарата, что обеспечивает ее перелив из-за перепада высот.
Принцип действия реактора заключается в обеспечении контакта фаз в замкнутом трубопроводе 1 безопасной геометрии при их перекачке насосом 2. Диафрагменный насос 2 не имеет узлов трения, что обеспечивает чистоту ядерного материала. Весь напор насоса 2 тратится на преодоление сопротивления трубопровода 1 и завихрителей 8, при этом обеспечивается высокая турбулентность потока. Завихрители 8 в виде закрепленных на стенке трубопровода 1 пластин также не имеют узлов трения, что дополнительно обеспечивает чистоту ядерного материала. Через патрубок 3 подают жидкость, а через патрубок 5 осуществляют загрузку твердой фазы на выщелачивание. Прореагировавшая смесь выходит через патрубок 4, который расположен со стороны всасывающего патрубка насоса 2. Выход смеси через патрубок 5 зависит от количества жидкости, подаваемой в реактор через патрубок 3. Поток жидкости в реакторе регулируется путем изменения производительности насоса 2.
Предложенная конструкция химического реактора обеспечивает:
- высокую регулируемую турбулентность потока, что дает возможность снизить время контакта в аппарате и избавляет от необходимости периодических зачисток и стабилизирует процесс контакта фаз;
- унификацию реакторного оборудования, что позволяет использовать одинаковые аппараты для разных массообменнх процессов, требующих высокой степени контакта фаз;
- чистоту ядерного материала;
- ядерную безопасность устройства;
- возможность простого способа идентификации интенсивности перемешивания (циркуляции).