ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОКС-ТОПЛИВА

Электролизер для получения МОКС-топлива
Полезная модель относится к устройствам для электролитического получения металлов и их соединений. Она применима, преимущественно, в радиохимическом производстве - в составе оборудования по получению гранулированного смешанного оксидного уран-плутониевого топлива (МОКС-топлива). Может быть использована также в химической и металлургической отраслях промышленности.
Одним из важных технологических переделов получения МОКС-топлива является электрохимическое совместное осаждение диоксидов урана и плутония на твердом катоде в заданном соотношении, которое поддерживается изменением силы тока и с помощью подаваемого в электролит, которым заполнена ванна электролизера, газообразного реагента - газовой смеси хлора, кислорода и азота. Рабочая температура электролита в ванне 650°С.
При осуществлении указанного осаждения в электролизере должны быть соблюдены следующие условия:
- обеспечение ядерно-безопасной конструкции по геометрическим размерам электролизера, но при этом все необходимые для осуществления процесса электролиза узлы и детали должны быть предусмотрены в конструкции электролизера;
- надежность оборудования;
- простота технологического процесса;
- исключение потерь, участвующих в процессе делящихся материалов;
- исключение радиоактивного загрязнения наружных поверхностей оборудования и помещений продуктами технологического процесса;
- минимизация отходов, подлежащих захоронению после проведения процесса электролиза.
Присущие процессу электролиза упомянутые ранее агрессивные среды в сочетании с высокой температурой обуславливают применение термо- и корозионно-стойких конструкционных материалов. Многолетней практикой установлено, что наиболее подходящим материалом анодов и катодов электролизеров является графит, в виде различных модификаций. Изготовление элементов электролизеров из графитов позволяет использовать в качестве токоподводов и сред для передачи тепла к электролитам жидкие наполнители.
Жидкие электропроводные наполнители обеспечивают надежную передачу электрического напряжения на электроды и равномерное распределение потенциала по их поверхностям, особенно по поверхностям катодов для получения симметричного катодного осадка. Использование жидких наполнителей значительно снижает удельное электрическое сопротивление на контактирующих элементах, что особенно важно для неровных поверхностей электрических контактов, например, из пирографитов.
Известны электролизеры, в которых из графита выполнены электроды, ванны. Это аппараты по авторским свидетельствам СССР №519505, кл. С25С 7/00, 1976; №550462 кл. С25С 7/00, 1977; №389165 кл. C22D 3/02, 1973; патент на полезную модель №101448, МПК С25С 3/08, 2010.
Сравнительный анализ признаков заявляемого и известных электролизеров, приведенных в формулах и описаниях, выявил следующие сходные признаки: обогреваемый корпус, крышка, проем в крышке, катод и анод, выполненные из графита.
Недостатками является то, что и графиты, и наполнители обладают и отрицательными свойствами. Графиты недостаточно прочны. Оптимальный по таким параметрам, как температура плавления, электро-, теплопроводимость, стоимость, наполнитель в виде свинца имеет отрицательное свойство: увеличение в объеме при затвердевании. Увеличение наполнителя в объеме при переходе в твердое состояние приводит, без принятия определенных мер, к разрушению графитовых катодов и ванн вследствие появления распорных сил.
К обычным мерам, предотвращающим разрушение, относится, например, удаление жидкого наполнителя из электролизера в специальную емкость, или длительное поддерживание его в жидком состоянии при плановом прекращении процесса или нестандартных ситуациях. Такие меры усложняют, удорожают, а главное снижают надежность проведения процесса электролиза.
В радиохимическом производстве известна конструкция полого катода с наполнителем, в котором токоподвод выполнен в виде стальной трубы. При плановом периодическом извлечении катода из электролизера для снятия катодного осадка, во избежание разрушения катода, катод приходится поднимать над электролизером и переводить его в наклонное положение, при котором застывающий наполнитель принимает форму, исключающую распорные усилия, разрушающие катод. Осуществление наклона катода требует дополнительного устройства, и к тому же с наклонного катода происходит «каплепадение» электролита мимо проема крышки, таким образом «загрязнение» оборудования и потеря делящихся продуктов. Все это также усложняет, удорожает, снижает надежность проведения процесса электролиза.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является электролизер для электролиза расплавленных солей (см. авт. свид. СССР №910857, кл. С25С 7/00, 1980), принятый в качестве прототипа.
Электролизер для электролиза расплавленных солей включает заполненную электролитом графитовую ванну-анод, установленную в обогреваемом корпусе с зазором, заполненным наполнителем, соосно размещенный катод. А также ванна-анод имеет крышку с проемом, через который проходит катод по ее оси. Напряжение и тепло на ванну подается через электропроводный жидкий наполнитель.
Недостатками известного технического решения является то, что не указана проблема обращения с жидким наполнителем при его затвердевании. При изображенных плоских днищах ванны и корпуса, в случае использования в качестве допускаемого наполнителя - свинца, во время затвердевания свинца произойдет разрушение графитовой ванны и, в лучшем случае, деформация днища корпуса.
Если же наполнитель перед затвердеванием в электролизере перекачивать в другую емкость или поддерживать его в жидком состоянии на время плановых прекращений процесса или в нештатных ситуациях, то перечисленные в формуле прототипа цели (упрощение обслуживания, надежность) не достигаются.
Указанные недостатки аналогов и прототипа отсутствуют в предлагаемом в качестве полезной модели техническом решении.
Заявляемая полезная модель «Электролизер для получения МОКС-топлива» отличается от прототипа тем, что в катоде размещен токоподвод с зазором, заполненным жидким наполнителем, корпус и токоподвод выполнены подвижными, а наружные поверхности днищ ванны, нижнего конца токоподвода и внутренние поверхности днищ корпуса и катода выполнены полусферическими. Объемы порций наполнителя в корпусе и катоде меньше объемов внутренних полусфер днищ корпуса и катода.
Технической задачей заявляемой полезной модели является устранение недостатков указанных в аналогах и прототипе, обеспечение наиболее благоприятных условий для передачи тепла к электролиту и напряжения на электроды, и условий, отвечающих требованиям экологии, надежности, эффективности, ядерной безопасности, простоты обслуживания.
Технический результат достигается благодаря тому, что наружные поверхности днищ ванны, нижнего конца токоподвода и внутренние поверхности днищ корпуса и катода выполнены полусферическими. И корпус и токоподвод выполнены подвижными. А также благодаря тому, что объемы порций наполнителя в корпусе и катоде меньше объемов внутренних полусфер днищ корпуса и катода. Такая конструкция электролизера позволяет использовать в качестве наполнителя любой электро- и теплопроводный материал (металл или сплав), не вызывающий коррозию элементов электролизера (например, свинец, висмут).
Заявляемая полезная модель «Электролизер для получения МОКС-топлива» соответствует условиям патентоспособности.
Заявленная полезная модель обладает новизной, так как совокупность ее существенных признаков неизвестна из уровня техники, как показали проведенные заявителем патентные исследования и представленный выше анализ аналогичных заявляемому технических решений.
Полезная модель промышленно применима, так как может быть использована, преимущественно, в радиохимическом производстве - в составе оборудования по получению гранулированного смешанного оксидного уран-плутониевого топлива (МОКС-топлива), а также в химической и металлургической отраслях промышленности.
И вся совокупность существенных признаков и каждый признак в отдельности воспроизводимы и не противоречат достижению желаемого технического результата.
Для подтверждения указанного выше представляем описание конкретного конструктивного выполнения заявляемого устройства и его работы.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого электролизера (в разрезе) в рабочем положении (с расположением элементов в процессе электролиза); на фиг. 2 - общий вид заявляемого электролизера (в разрезе) с расположением элементов в состоянии «до» и «после» проведения процесса электролиза.
Электролизер для получения МОКС-топлива состоит из ванны-анода 1, установленной в обогреваемом нагревателем 2 корпусе 3 с зазором, заполненным наполнителем 4 на высоты, необходимые для передачи тепла и электричества, соосно размещенного катода 5, в котором размещен токоподвод 6 с зазором, заполненным наполнителем 4, крышки 7, устройства подъема-опускания корпуса 8, устройства подъема-опускания 9 токоподвода 6, электролита 10, охранной емкости 11. На фиг. 2 показаны направления действия реактивных сил днищ катода 5 и корпуса 3 на наполнители 4, обозначенные стрелками Рк. А стрелками Рр обозначены направления результирующих сил днищ катода 5 и корпуса 3 на наполнители 4, которые направлены вверх, поэтому распорных сил между стенками корпуса 3, катода 5 и затвердевшим наполнителем 4 не возникает. Не возникает и разрушения и деформации ванны-анода 1, катода 5, корпуса 3.
Наружные поверхности днищ ванны-анода 1, нижнего конца токоподвода 5 и внутренние поверхности днищ корпуса 3 и катода 5 выполнены полусферическими. Корпус 3 и токоподвод 5 выполнены подвижными. Объемы порций наполнителя 4 в корпусе 3 и катоде 5 меньше объемов внутренних полусфер днищ корпуса 3 и катода 5.
Заявляемый электролизер работает следующим образом.
При сборке аппарата в корпус 3 и катод 5 заливают расчетное количество наполнителя 4. Корпус 3 устанавливают в нижнее положение, токоподвод 6 катода 4 в верхнее положение. На охранную емкость 11 устанавливают крышку 7, соединенную с ванной-анодом 1.
В ванну-анод 1 загружают расчетное количество компонентов электролита 10. С помощью нагревателя 2 расплавляют наполнитель 4 в корпусе 3 (если в твердом состоянии), поднимают с определенной скоростью корпус 3 в верхнее положение. Наполнитель 4 заполняет зазор между корпусом 3 и ванной-анодом 1.
После прогрева электролита 10 в ванну-анод 1 вставляют загрузочно-перемешивающее устройство, с помощью которого загружают и перемешивают с электролитом 10 исходный материал - диоксиды урана и плутония. Затем подают газообразный реагент. Загрузочно-перемешивающее устройство и устройство подачи газа на чертежах не показаны. После растворения диоксидов и корректировки состава расплава в ванну-анод 1 вместо перемешивающего устройства устанавливают катод 5. Одновременное размещение катода 5 и загрузочно-перемешивающего устройства исключено, так как ведет к увеличению размеров ванны-анода 1 и нарушению требований ядерной безопасности. После прогрева электролита 10 опускают токоподвод 6.
Наполнитель 4 заполняет зазор между токоподводом 6 и катодом 5. Затем подают на катод 5 и ванну-анод 1 напряжение и проводят процесс электролиза. По окончании процесса поднимают в верхнее положение токоподвод 6 катода 5 и, не опасаясь разрушения катода 5, катод 5 поднимают над электролизером и выдерживают в таком положении до затвердевания наполнителя 4. Капли электролита 10 в это время стекают с катода 5 через проем крышки 7 в ванну-анод 1, не «загрязняя» наружную поверхность электролизера. Затем катод 5 в любом пространственном положении может транспортироваться на дальнейшую обработку.
Если предстоит длительная плановая остановка процесса электролиза или аварийное прекращение его, просто опускают корпус 3, не опасаясь разрушения его или ванны-анода 1.
При использовании заявляемого аппарата в производстве возникают следующие технические преимущества:
1) устранение при затвердевании разрушения ванны-анода, катода;
2) устранение при затвердевании деформации корпуса;
3) обеспечение благоприятных условий: более эффективной передачи тепла к электролиту и напряжения на электроды (ванна-анод, катод);
4) повышение надежности и долговечности работы;
5) упрощение эксплуатации электролизера;
6) отсутствие радиоактивного загрязнения оборудования и помещения при извлечении катода;
Кроме того, к преимуществам заявляемого электролизера можно отнести также конструктивную простоту, простоту в обслуживании и экономичность.