ИНДУКЦИОННАЯ ПЕЧЬ С ХОЛОДНЫМ ТИГЛЕМ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

Заявленная полезная модель относится к конструкциям индукционных тигельных печей для получения высокотемпературного расплава с последующей его непрерывно-последовательной кристаллизацией (высокотемпературной обработкой материала) и может быть использована для очистки (регенерации) отработанного ядерного топлива (ОЯТ) от продуктов деления с целью его повторного использования в топливном цикле.
Известен способ кристаллизационной очистки веществ полунепрерывной зонной плавкой и устройство для его получения, пат.2244048 РФ опубл. 10.01.2005. Устройство содержит внешний и внутренний контейнеры с установленными на нем охладителями, теплоизоляцию и нагреватели, которые создают электромагнитное поле, индуктирующее в загрузке вихревые токи. Количество нагревателей и охладителей выбирается в зависимости от необходимой степени очистки, что позволяет достигать высокой производительности процесса и высокой степени очистки.
Недостатком данного устройства является узкоспециализированное назначение, непригодность контейнера для плавки ОЯТ, обладающего высокой температурой плавления и коррозионной активностью, из-за наличия прямого контакта расплава со стенкой контейнера.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является средство того же назначения, пат.2177132 РФ опубл. 20.12.2001. Плавильная печь состоит из металлического плавильного охлаждаемого тигля, прозрачного для электромагнитного поля, и поддона со сливным устройством. Поддон выполнен металлическим охлаждаемым. В поддоне и/или в боковой стенке плавильного тигля размещены одно или несколько сливных устройств, выполненных в виде индукционных плавильных узлов. Сливные устройства, размещенные в поддоне, выполнены в виде металлических секционированных охлаждаемых тиглей, прозрачных для электромагнитного поля, с индукторами, расположенными вокруг тиглей. Сливные устройства, размещенные в боковой стенке плавильного тигля, выполнены в виде наклонных металлических секционированных охлаждаемых желобов, прозрачных для электромагнитного поля, с индукторами, расположенными вокруг желобов.
Недостатки указанной электропечи заключаются в том, что высота индуктора, высота и диаметр тигля соизмеримы, а также отсутствует система перемещения тигля с расплавом относительно индуктора, что не позволяет осуществлять качественную очистку расплава перемещением расплавленной зоны в вертикальном направлении. Конструкцией печи не предусмотрена возможность для периодического извлечения слитка из тигля.
Техническим результатом является повышение качества очистки за счет отгонки примесей из расплавленной зоны в результате зонной плавки слитка и его последующей кристаллизации, а также повышение безопасности и производительности при периодическом извлечении готового слитка из тигля.
Данный технический результат достигается тем, что в индукционную печь с холодным тиглем, содержащую систему водяного охлаждения, индуктор, охватывающий холодный тигель, помещенный в герметичную камеру, и бункер для загрузки переплавляемой шихты, дополнительно введена система отвода газообразных продуктов плавки из герметичной камеры со штуцером для подачи несущего газа в герметичную камеру и штуцером для отвода несущего газа с газообразными продуктами плавки, расположенным в верхней крышке герметичной камеры. При этом бункер для загрузки переплавляемой шихты расположен на верхней крышке герметичной камеры, а тигель и индуктор выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга, причем высота холодного тигля в 8-15 раз превышает его внутренний диаметр, а высота индуктора в 1,5-2 раза меньше внутреннего диаметра тигля. Холодный тигель выполнен в виде двух-трех секционированных разъемных частей.
На Фиг.1 представлена конструктивная схема предлагаемой печи, а на Фиг.2 технологическая схема зонной очистки ОЯТ от продуктов деления в индукционной печи с холодным тиглем.
Индукционная печь с холодным тиглем (Фиг.1) содержит индуктор 7, охватывающий холодный тигель 2, помещенный в герметичную камеру 3, дно тигля 4, систему водяного охлаждения с штуцерами 5, верхнюю крышку камеры 6, снабженную системой загрузки с бункером 7 для измельченных таблеток ОЯТ 8 и системой отвода газообразных продуктов плавки с штуцерами 9 для прокачки несущего газа с продуктами плавки 10, систему перемещения тигля и индуктора относительно друг друга 11.
Печь работает следующим образом.
В бункер 7 загружают переплавляемую шихту из измельченных таблеток ОЯТ 8. Включают систему водяного охлаждения, подающую охлаждающую воду на индуктор 7, холодный тигель 2, крышку камеры 6 и дно тигля 4 через штуцера 5. Включают систему отвода газообразных продуктов плавки, подающую транспортный газ в камеру 3 через нижний штуцер Р, и отводящую его через штуцер 9 в крышке 6. Подают напряжение на индуктор 7 от высокочастотного источника питания. На первом этапе (Фиг.2, а) формируется ванна расплава 72 - на дно тигля 4 засыпается начальный объем шихты и производится стартовый нагрев. Так как при комнатной температуре шихта не обладает достаточной для ее нагрева в электромагнитном поле индуктора электропроводностью, то в качестве стартового материала используется металлический уран или цирконий 73. При перегреве стартовый материал вступает в экзотермическую реакцию с кислородом, тепло от которой расплавляет часть шихты, которая начинает нагреваться в электромагнитном поле. Образующиеся газообразные продукты плавки 10 отводятся при помощи транспортного газа для получения возможности визуального контроля процесса плавки и уменьшения коррозии частей конструкции печи. На втором этапе (Фиг.2, б) включается система перемещения тигля и индуктора относительно друг друга 77 и производится наплавление слитка с подачей шихты 8 через систему загрузки с бункером 7 в тигель 2. Затем тигель 2 продолжают постепенно перемещать вниз относительно индуктора 7 до полного заполнения тигля переплавленным в слиток материалом 14 (Фиг.2, в), после чего происходит окончательное формирование ванны в стационарном состоянии. На четвертом этапе (Фиг.2, г) производится периодическое медленное перемещение тигля относительно индуктора с целью перемещения расплавленной зоны 15 вдоль слитка и его перекристаллизации. Тем самым происходит отгонка примесей (продуктов деления) из основной зоны слитка к его краям. После осуществления требуемого количества проходов отключают электропитание индуктора. После охлаждения слитка выключается система водяного охлаждения и система отвода газообразных продуктов. Затем тигель размыкается на части, чтобы освободить слиток, который изымается из печи и поступает в дальнейшую переработку.
Система водяного охлаждения элементов индукционной печи может осуществляться путем подведения воды при помощи шлангов через штуцеры от коллектора, питающегося от замкнутой системы водоснабжения. Система отвода газообразных продуктов плавки может быть реализована путем подведения воздуха при помощи шлангов через штуцеры герметичной камеры печи и отведения его через штуцеры крышки к системе очистки для дальнейшей рециркуляции. Система перемещения тигля и индуктора относительно друг друга может состоять из поддерживающих печь роликов, катящихся по вертикальным направляющим, и электропривода, обеспечивающего перемещение.
тиг
тиг
инд
тиг
тиг
тиг
тиг
тиг
тиг
инд
инд
Эффективность технологии очистки ОЯТ от продуктов деления максимальна, когда высота холодного тигля Н в 8-15 раз превышет его внутренний диаметр D, а высота индуктора Н в 1,5-2 раза меньше внутреннего диаметра тигля. Значения Н/D использовать нецелесообразно из-за снижения производительности. При Н/D>15 возникают сложности с компоновкой печи и работой системы перемещения тигля и индуктора относительно друг дгуга. От отношения Н/D зависят формы фронтов плавления и кристаллизации, а также полный КПД печи. При увеличении Н падает КПД, а при уменьшении Н конфигурация фронтов изменяется таким образом, что ухудшается качество очистки.
Холодный тигель выполнен в виде двух-трех секционированных разъемных частей для удобства дистанционного извлечения слитка из тигля с целью повышения безопасности и производительности при периодической работе печи. Холодный тигель может быть выполнен из нержавеющей стали для повышения долговечности при удержании высокотемпературного и коррозионно активного расплава ОЯТ.
Использование предлагаемой полезной модели позволяет осуществить очистку отработанного ядерного топлива от продуктов деления с целью его повторного использования в топливном цикле, т.к. в индукционной печи с холодным тиглем возможна отгонка примесей путем зонной плавки слитка и его перекристаллизации при медленном перемещении тигля относительно индуктора, что обеспечивается наличием: холодного тигля, высота которого превышает его внутренний диаметр, выполненного в виде двух-трех секционированных разъемных частей; индуктора, высота которого меньше внутреннего диаметра тигля; дна тигля; возможности передвижения тигля с расплавом и индуктора относительно друг друга.