ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНОГО ЩЕЛОЧНОГО МЕТАЛЛА
CHEMICAL REACTOR FOR PROCESSING RADIOACTIVE ALKALI METAL

Изобретение относится к аппаратам для радиохимической переработки радиоактивных щелочных металлов.
Известно устройство для жидкофазного окисления щелочного металла (Na, K, Rd, Cs), подаваемого в химический реактор в виде струи, вытекающей под давлением инертного газа через капиллярное отверстие на слой (для натрия и калия) или под слой (для рубидия и цезия) интенсивно перемешиваемой воды или щелочного раствора соответствующего металла, (Локшин Э.П., Громов О.Г., Кузьмин А.П. Получение гидроксидов щелочных металлов // Теплофизика - 2002. Тепломассоперенос и свойства жидких металлов: Тез. докл. Рос. межотрасл. конф. 29-31 октября 2002 г. - Обнинск, 2002. - Матер. конф. - T.1. - С.237.). Устройство применяется для получения особо чистых гидроксидов K, Rb, Cs.
Недостаток известного устройства заключается в отсутствие апробации применительно к радиоактивным отходам щелочных металлов.
Наиболее близким по технической сущности является химический реактор, описание которого изложено в патенте США №6,120,745. Дата патента: 19 сентября 2000.
2
3
Известное устройство предназначено для окисления расплавленного радиоактивного натрия смесью кислорода и углекислого газа в кипящем слое оксидных частиц, находящемся в нижней части верхней камеры химического реактора, с получением карбоната NaCO. Распыление расплавленного натрия производят распылителем с калиброванными отверстиями. Для образования кипящего слоя через реактор прокачивают аргон.
В состав известного устройства входят корпус реактора, полость которого разделена газопроницаемой перегородкой на нижнюю камеру, оснащенную трубопроводом подачи в нее газа-реагента, и верхнюю камеру, оснащенную трубопроводом подачи в нее расплавленного щелочного металла, и рубашка охлаждения корпуса.
Недостатки известного реактора:
- известный реактор разработан для реализации циклического способа переработки, имеющего низкую производительность;
- калиброванные отверстия распылителя могут забиваться окисными продуктами, которые зачастую содержатся в радиоактивном щелочном металле;
- возможен унос радиоактивных частиц кипящего слоя из химического реактора потоком аргона, размер которых меньше 5 микрометров.
Технический результат изобретения заключается в разработке химического реактора с периодической переработкой щелочного металла, в котором используется отбойник струи щелочного металла для его распыления, из которого нет уноса радиоактивных частиц.
Для достижения технического результата в химическом реакторе для переработки радиоактивного щелочного металла, в состав которого входят корпус реактора, полость которого разделена газопроницаемой перегородкой на нижнюю камеру, оснащенную трубопроводом подачи в нее газа-реагента, и верхнюю камеру, оснащенную трубопроводом подачи в нее расплавленного щелочного металла, и рубашка охлаждения корпуса, предлагается:
- в верхней части верхней камеры, напротив трубопровода подачи расплавленного щелочного металла, установить с зазором от трубопровода отбойник струи щелочного металла, поперечный размер которого больше диаметра проходного отверстия трубопровода;
- корпус реактора над газопроницаемой перегородкой оснастить патрубком с шибером.
В частных случаях исполнения химического реактора предлагается:
- под отбойником струи щелочного металла установить жалюзийную решетку с изменяемым углом наклона ее жалюзей,
- отбойник струи щелочного металла оснастить электроприводом,
- отбойник струи щелочного металла соединить с генератором ультразвуковых колебаний,
- шибер патрубка оснастить электроприводом.
Сущность изобретения поясняется чертежом возможной конструкции химического реактора, фиг.1.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - верхняя камера химического реактора, 2 - газопроницаемая перегородка, 3 - жалюзийная решетка, 4 - запорный вентиль, 5 - корпус химического реактора, 6 - манометр, 7 - напорный трубопровод охлаждающей среды, 8 - нижняя камера химического реактора, 9 - отбойник струи щелочного металла, 10 - патрубок, 11 - рубашка охлаждения, 12 - сливной трубопровод охлаждающей среды, 13 - трубопровод вытяжной спецвентиляции, 14 - трубопровод подачи газа-реагента, 15 - трубопровод подачи расплавленного щелочного металла, 16 - шибер с электроприводом.
На фиг.1 представлен химический реактор для переработки радиоактивного щелочного металла, в состав которого входят корпус 5 реактора, полость которого разделена газопроницаемой перегородкой 2 на нижнюю камеру 8, оснащенную трубопроводом 14 подачи в нее газа-реагента, и верхнюю камеру 1, оснащенную трубопроводом 15 подачи в нее расплавленного щелочного металла, рубашка 11 охлаждения корпуса 5, установленный верхней части верхней камеры 1 напротив трубопровода 15 с зазором от трубопровода 15 отбойник струи щелочного металла 9, поперечный размер которого больше диаметра проходного отверстия трубопровода 15, и патрубок 10 с шибером 16, которым оснащен корпус 5 реактора над газопроницаемой перегородкой 2.
Корпус 5 химического реактора предназначен для локализации химической реакции. Газопроницаемая перегородка 2 предназначена для разделения нижней 8 и верхней 1 камер и для распределенной подачи газа-реагента в верхнюю камеру 1 из нижней камеры 8. Нижняя камера 8 предназначена для распределенной подачи через нее газа-реагента в верхнюю камеру 1. Трубопровод 14 предназначен для подачи газа-реагента в нижнюю камеру 8. Верхняя камера 1 предназначена для взаимодействия в ней расплавленного щелочного металла и газа-реагента. Трубопровод 15 предназначен для подачи через него расплавленного щелочного металла в верхнюю камеру 1. Рубашка 11 предназначена для циркуляции через ее проточную часть среды, охлаждающей корпус 5 реактора. Отбойник 9 струи щелочного металла, установленный в верхней части верхней камеры 1 напротив трубопровода 15 с зазором от трубопровода 15, предназначен для распыления расплавленного щелочного металла с целью увеличения площади его контакта с газом-реагентом в верхней части верхней камеры 1. Патрубок 10 с шибером 16, которым оснащен корпус 5 реактора над газопроницаемой перегородкой 2, предназначен для накопления продуктов переработки в нижней части верхней камеры 1 и извлечения их из химического реактора в конце переработки.
В частных случаях исполнения химического реактора:
- под отбойником 9 струи щелочного металла может быть установлена жалюзийная решетка 3 с изменяемым углом наклона ее жалюзей,
- отбойник 9 струи щелочного металла может быть оснащен электроприводом,
- отбойник 9 струи щелочного металла может быть соединен с генератором ультразвуковых колебаний,
- шибер 16 патрубка 10 может быть оснащен электроприводом.
Кроме того, в состав химического реактора могут входить запорный вентиль 4, манометр 6, напорный трубопровод 7 охлаждающей среды, сливной трубопровод 12 охлаждающей среды, трубопровод 13 вытяжной спецвентиляции.
Жалюзийная решетка 3 с изменяемым углом наклона ее жалюзей, установленная под отбойником 9 струи щелочного металла, предназначена для увеличения времени контакта щелочного металла с газом-реагентом. Оснащение отбойника 9 струи щелочного металла электроприводом предназначено для более эффективного распыления расплавленного щелочного металла в верхней части верхней камеры 1 за счет вращения отбойника 9. Соединение отбойника 9 с генератором ультразвуковых колебаний предназначено для распыления расплавленного щелочного металла ультразвуковыми колебаниями генератора. Оснащение шибера 16 патрубка 10 электроприводом предназначено для дистанционного управления извлечением радиоактивных продуктов переработки из химического реактора. Запорный вентиль 4 и трубопровод 13 предназначены для подключения внутренней полости химического реактора к вытяжной спецвентиляции. Манометр 6 предназначен для контроля над наличием избыточного давления газа-реагента в химическом реакторе. Напорный 7 и сливной 12 трубопроводы предназначены для обеспечения циркуляции охлаждающей среды через проточную часть рубашки 11 охлаждения корпуса 5.
Пример конкретного исполнения химического реактора для переработки радиоактивного щелочного металла.
В качестве материала для корпуса 5, отбойника 9, рубашки 11 охлаждения корпуса 5 выбрана сталь 12Х18Н10Т. В качестве материала для газопроницаемой перегородки 2 выбрана пористая керамика с открытой пористостью. Объем верхней камеры 1 химического реактора 180 л, объем нижней камеры 4 подачи газа-реагента примерно 20 л.
Пример конкретного применения химического реактора для переработки радиоактивного щелочного металла с окисными продуктами.
5
3
2
2
Устанавливают избыточное давление закиси азота, взятой в качестве газа-реагента, в верхней камере 1, равное 0,5×10 Па. Подают струю расплавленного радиоактивного щелочного металла на вращающийся отбойник 9. Пыль расплавленного щелочного металла вступает в плотный контакт с газом-реагентом в верхней части верхней камеры 1. Смесь нитрата MeNO, нитрита MeNO и оксида MeO, образующаяся в результате химической реакции в виде порошка, оседает в нижней части верхней камеры 1 и накапливается в ней. В процессе переработки постоянно поддерживают избыточное давление газа-реагента в верхней камере 1. После наполнения нижней части камеры 1 прекращают подачу щелочного металла и газа-реагента в химический реактор, сбрасывают избыточное давление газа-реагента в спецвентиляцию, открывают дистанционно шибер 16 и высыпают твердый продукт переработки из химического реактора через патрубок 10.
Получен технический результат изобретения. Разработан химический реактор с периодической переработкой щелочного металла, в котором используется отбойник струи щелочного металла для его распыления, из которого нет уноса радиоактивных частиц.