Аппарат для растворения диоксида плутония

Полезная модель относится к ядерной технике, в частности к оборудованию для растворения диоксида плутония при проведении его переочистки с целью использования в производстве МОКС-топлива.
Известен реактор-растворитель (чертеж А. 12.450.000 разработки ОАО «СвердНИИхиммаш»), входящий в технологическое оборудование для изготовления смешанного уран-плутониевого топлива на ФГУП «Горнохимический комбинат» (Атомная энергия. 8 апреля, 2014).
Известный реактор-растворитель (далее по тексту реактор) состоит из следующих основных частей: корпуса, насоса, двух генераторов серебра и опорной плиты.
При использовании известного реактора-растворителя на ФГУП «Горнохимический комбинат» выявлены следующие недостатки:
недостаточная производительность реактора-растворителя вследствие низкой интенсивности перемешивания суспензии вертикальным консольным шнекоцентробежным самовсасывающим насосом и простоями вследствие частых выходов этого насоса из строя;
отстаивание из суспензии твердой фазы ДП и ее накопление на нижнем донышке корпуса перед всасывающим патрубком вследствие недостаточной скорости суспензии на этом участке.
Известен электролизер (далее по тексту аппарат) (патент РФ №2404130, МПК C01G 56/00 (ВНИИНМ им. Бочвара)), для растворения оксидов урана, плутония или смешанных оксидов урана и плутония в азотной кислоте с использованием двухвалентного серебра. Аппарат содержит цилиндрический корпус, крышку, цилиндрическое днище, размещенную внутри корпуса электролитическую ячейку (генератор серебра) и пульсационную камеру. Электролитическая ячейка имеет трубчатый катод, пористую мембрану и анод с радиальными ребрами. Для регулирования температуры раствора в корпусе размещен U-образный холодильник. Пульсационная камера образована с помощью перегородки, имеющей с днищем щелевидный проход вдоль образующей цилиндрического днища, и соединена пульсопроводом с пульсатором. Корпус снабжен технологическими патрубками для загрузки растворяемых оксидов, приема и выдачи азотной кислоты.
Известный аппарат работает следующим образом.
В аппарат через технологические патрубки заливают раствор азотной кислоты, вводят серебро в виде металла или нитрата, загружают диоксид плутония (урана) или продукты, содержащие их оксиды. На анод и катод подают электрический ток, а в пульсационную камеру - пневматические (или гидравлические) импульсы давления от пульсатора с заданной частотой. Образующиеся восходящие вихревые потоки раствора поднимают осевшие на дно не растворенные частицы твердой фазы и поддерживают их в электролитической ячейке между радиальными ребрами анода во взвешенном состоянии.
Процесс ведут либо до пропускания расчетного количества тока, либо до заданной концентрации плутония в растворе. Периодически, по мере изменения концентраций реагирующих компонентов в аппарате, добавляют ДП, а также азотную кислоту для корректировки кислотности раствора. После завершения растворения суспензию, содержащую растворенные уран и плутоний, выводят из аппарата посредством вакуума. Контролируют температуру раствора и при необходимости подают охлаждающую воду в холодильник.
Известный аппарат выбран заявителем в качестве прототипа.
Очевидно, что пульсационная камеры, образованная с помощью перегородки и имеющая с днищем щелевидный проход вдоль образующей цилиндрического днища, имеет незначительный объем и вытесняемая из нее суспензия может обеспечить интенсивное перемешивание в корпусе с ограниченным объемом суспензии.
Параметры работы аппарата приведены в патенте РФ №2696475, C01G 56/00 (ВНИИНМ им. Бочвара). В частности, реакционный объем раствора составлял 4,96 л, пульсации осуществлялись с периодом 0,9 с и длительностью 0,4 с. Основным недостатком известного аппарата является его ограниченный реакционный объем и, как следствие, недостаточная производительность. Диаметр цилиндрического корпуса определен требованиями ядерной безопасности, устанавливаемыми OCT 95. 407-95 «Сосуды специальные для радиохимических производств» для трубчатых аппаратов и составляет 80 мм. Повышение реакционного объема, например до 40 л потребует увеличения высоты корпуса до 8 м, что затруднит не только перемешивание обогащенного в электролитической ячейке двухвалентным серебром раствора по всей высоте аппарата, но и его практическое применение.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение производительности аппарата за счет увеличения его реакционного объема и повышения эффективности растворения ДП.
Технический результат - повышение интенсивности перемешивания суспензии при растворении ДП.
Указанный технический результат достигается тем, что в аппарате для растворения диоксидов плутония, включающем цилиндрический корпус, генераторы серебра, пульсационную камеру и технологические патрубки, корпус выполнен из двух трубчатых сосудов, установленных симметрично на раме с уклоном к месту их соединения тройником, к каждому трубчатому сосуду присоединены генератор серебра и трубчатая пульсационная камера, установленная над трубчатым сосудом и снабженная технологическими патрубками, соединяющими ее через клапаны с источником сжатого воздуха и разрежения (сдувки).
К тройнику присоединена загрузочная труба, верхний конец которой снабжен запорным устройством.
В частном случае исполнения трубчатые сосуды выполняются прямыми или гнутыми и соединяются тройником под углом 90-180 градусов между ними.
В другом частном случае аппарат снабжен блоком управления, обеспечивающим автоматическое открытие и закрытие клапанов в заданном режиме.
Учитывая условия эксплуатации, верхний конец запорной трубы размещен в перчаточном боксе.
Выполнение корпуса из двух трубчатых сосудов, установленных на раме с уклоном к месту их соединения тройником, присоединение к каждому трубчатому сосуду генератора серебра и трубчатой пульсационной камеры, установленной над трубчатым сосудом, позволяет увеличить реакционный объем аппарата.
Присоединение к каждому трубчатому сосуду трубчатой пульсационной камеры, установленной над трубчатым сосудом и снабженной технологическими патрубками, соединяющими ее через клапаны с источником сжатого воздуха и разрежения (сдувки) позволяет осуществить возвратно-поступательное движение суспензии в корпусе аппарата в двух вариантах.
В первом случае, при одновременном открытии клапанов, соединяющих трубчатые пульсационные камеры с источником сжатого воздуха, суспензия из них вытесняется к центру корпуса и к генераторам серебра, а при их одновременном закрытии и открытии клапанов, соединяющих трубчатые пульсационные камеры с источником разрежения (сдувки), раствор от генераторов серебра самотеком возвращается обратно по корпусу к трубчатым пульсационным камерам.
Во втором случае, при одновременном соединении одной трубчатой пульсационной камеры с источником сжатого воздуха, а другой - с источником разрежения (сдувки) возникает направленное движение суспензии по корпусу от одной пульсационной камеры к другой, а при последующем переключении клапанов - движение суспензии в обратном направлении.
В обоих случаях создание возвратно-поступательного движения суспензии в корпусе повышает интенсивность ее перемешивания и, тем самым, позволяет повысить эффективность растворения ДП.
Присоединение к тройнику загрузочной трубы, верхний конец которой снабжен запорным устройством, позволяет осуществлять загрузку ДП в аппарат через открытое запорное устройство, а после его закрытия проводить процесс перемешивания суспензии.
Выполнение трубчатых сосудов корпуса прямыми или гнутыми и их соединение тройником с углом 90-180 градусов между ними позволяет облегчить условия монтажа аппарата в зависимости от размеров помещения.
Снабжение аппарата блоком управления, обеспечивающим автоматическое открытие и закрытие клапанов в заданном режиме, позволяет дистанционно осуществлять управление режимами перемешивания в аппарате.
Размещение верхнего конца запорной трубы в перчаточном боксе позволяет обеспечить безопасность загрузки ДП в аппарат.
Заявляемый аппарат для растворения диоксида плутония поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 и фиг. 2:
на фиг. 1 показан аппарат в аксонометрической проекции;
на фиг. 2 - размещение аппарата и перчаточного бокса.
Аппарат для растворения диоксида содержит корпус 1, состоящий из двух трубчатых сосудов 2 и 3, (далее по тексту - сосуды) соединенных тройником 4 и установленных симметрично на раме 5 с уклоном к тройнику 4. К сосудам 2 и 3 присоединены генераторы серебра 6 и 7 соответственно. Над сосудами 2 и 3 установлены трубчатые пульсационные камеры 8 и 9 (далее по тексту - камеры), соединенные трубами 10 с сосудами 2 и 3. Сосуды 2 и 3 и камеры 8 и 9 выполнены из титановых труб с диаметром условного прохода 80 мм в соответствии с ОСТ 95.407-95. Камеры 8 и 9 снабжены патрубками 11, соединенными трубами 12 с источником сжатого воздуха (на чертежах не показано), и патрубками 13, соединенным трубами 14 с линией сдувки (на чертежах не показано). На трубах 12 и 14 установлены быстродействующие клапаны 15 и 16 соответственно. К тройнику 4 присоединена загрузочная труба 17. Верхний конец 18 (фиг. 2) трубы 17 снабжен запорным устройством 19 и размещен в перчаточном боксе 20.
На предприятии изготовлен опытный образец аппарата и проведены стендовые испытания в режиме наработки двухвалентного серебра.
Предлагаемый аппарат работает следующим образом.
Во внутреннюю полость аппарата вместимостью 60 л залили азотнокислый раствор нитрата серебра (анолит) объемом 30 л, а в катодные пространства генераторов серебра 6 и 7 азотную кислоту объемом 10 л. Включили аппарат в режим накопления двухвалентного серебра. Режим накопления включает две фазы: фаза накопления и фаза перемешивания раствора для выравнивания концентрации двухвалентного серебра по всему объему аппарата. В фазе накопления блоком управления (на чертежах не показано) автоматически открываются клапаны 15 на трубах 12, соединяющих камеры 8 и 9 с источником сжатого воздуха. При этом анолит вытесняется из камер 8 и 9 и заполняет внутренние полости генераторов серебра 6 и 7, после чего на генераторы подали постоянный ток.
Продолжительность наработки двухвалентного серебра составила 30 мин, после чего аппарат переключили в фазу перемешивания. Блоком управления автоматически одновременно открываются клапаны 16, соединяющие камеры 8 и 9 с линией сдувки и часть раствора из генераторов серебра самотеком возвращается обратно по корпусу 1 в камеры 8 и 9. По истечении заданной продолжительности клапаны 16 закрываются, а открываются клапаны 15 на трубах 12, соединяющих камеры 8 и 9 с источником сжатого воздуха. При этом вновь анолит вытесняется из камер 8 и 9 и заполняет внутренние полости генераторов серебра 6 и 7. Пульсации осуществлялись с периодом 14 с и длительностью подачи сжатого воздуха 8 с, при этом за один цикл перемещалось по каждому трубчатому сосуду около 10 л. После проведения 10 циклов перемешивания концентрация двухвалентного серебра в тройнике 4 составила 0,021 моль/л. После наработки двухвалентного серебра через открытое запорное устройство 19 в перчаточном боксе 20 в верхний конец 18 загрузочной трубы 17 в аппарат засыпается порошок ДП. Запорное устройство 19 закрывается, и осуществляется пульсационное перемешивание ДП следующим образом. Открывается клапан 15 у камеры 8,соединяющий ее с источником сжатого воздуха, а у второй камеры 9 открывается клапан 16, соединяющий ее с источником разрежения (сдувки). В результате возникает направленное движение суспензии по корпусу 1 от камеры 8 к камере 9, а при последующем переключении клапанов 15 и 16 - движение суспензии в обратном направлении. В результате загруженный порошок ДП распределяется равномерно в сосудах 2 и 3 и при определенном количестве циклов возвратно-поступательного движения суспензии в корпусе 1 осуществляется растворение ДП. При необходимости, проводится чередование работы аппарата в режиме накопления двухвалентного серебра и в режиме пульсационного перемешивания суспензии ДП.
Применение заявляемого аппарата позволит повысить производительность аппарата за счет увеличения его реакционного объема и повышения эффективности растворения ДП.