УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЩЕЛОЧНОГО ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Полезная модель относится к области обращения с радиоактивными отходами (РАО) атомной энергетики и может быть использована для кондиционирования и переработки в устойчивое твердое состояние РАО щелочных жидкометаллических теплоносителей, которые использовались в реакторах на быстрых нейтронах.
Известно устройство для переработки (остекловывания) радиоактивных отходов (патент США №5424042, 1995 г.), которое позволяет фиксировать радиоизотопы в стабильном твердом конечном продукте.
Устройство имеет подсистему для подготовки каждого типа отходов, подготовительную подающую подсистему для смешивания всех типов отходов, плавильную камеру с верхней термальной зоной, подсистему для упаковки и хранения конечного продукта и подсистему очистки и контроля отходящих газов.
К недостаткам данного устройства можно отнести его относительно высокие массогабаритные характеристики и относительно большой объем конечного продукта по сравнению с исходным количеством РАО. Само устройство для остекловывания РАО после окончания эксплуатации является радиоактивным отходом, требующим утилизации.
Наиболее близким по технической сущности является патент РФ №2200991 «Способ переработки щелочного металла, загрязненного радиоактивными примесями, и устройство для его реализации» МПК G21F 9/04, 2003 г.
Устройство включает нагревательную камеру, снабженную нагревателем и тиглем, систему подвода щелочного металла, систему подвода отверждающего агента, систему контроля газов. Нагревательная камера состоит из верхней и нижней частей, герметично соединенных друг с другом, с возможностью разъединения. Так же нагревательная камера оснащена дозатором отверждающего агента и шиберным устройством, расположенным под дозатором отверждающего агента.
Известное устройство обладает следующими недостатками:
- относительно сложной компоновкой элементов и высокой металлоемкостью устройства (наличие дозатора шлака, системы подвода и нагревательной камеры шлака, стальных вытеснителей);
- относительно низкой надежностью устройства (наличие подвижных и поворотных элементов для сброса гранулированного шлака в реакционную емкость со щелочным металлом);
- качественные показатели конечного продукта недостаточно удовлетворяют требованиям нормативной документации для дальнейшего обращения с ним (схема сброса шлака в щелочной металл через шиберное устройство не обеспечивает равномерного смешения щелочного металла и шлака).
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно:
- упрощение компоновки и снижение металлоемкости устройства;
- повышение надежности устройства;
- достижение необходимого уровня качественных показателей конечного продукта, удовлетворяющих требованиям нормативной документации для дальнейшего обращения.
Для исключения указанных недостатков устройство для переработки щелочного жидкометаллического теплоносителя, имеющее дозатор щелочного теплоносителя, нагреватель дозатора щелочного теплоносителя, теплоизоляцию дозатора щелочного теплоносителя, реакционную емкость, нагреватель реакционной емкости, предлагается:
- дополнительно оснастить газовым баллоном, трубопроводом и запорной арматурой подвода газов, газовым объемом, трубопроводом и запорной арматурой подвода рабочей среды в дозатор щелочного теплоносителя, трубопроводом и запорной арматурой подвода щелочного теплоносителя, нагревателем трубопровода повода щелочного теплоносителя, опускной трубой, теплоизоляцией реакционной емкости, запорной арматурой сброса рабочей среды;
В частном случае устройство предлагается дополнительно оснастить:
- газодувкой, нагревателем газового объема, трубопроводом и запорной арматурой подвода рабочей среды в реакционную емкость, трубопроводом и запорной арматурой отвода рабочей среды, осушителем, опускной трубой, выполненной из легкоплавкого металла.
Принципиальная схема устройства показана на фигуре.
На фигуре принята следующая позиционная нумерация: 1 - газовый баллон, 2 - газовый объем, 3 - газодувка, 4 - дозатор щелочного теплоносителя, 5 - запорная арматура трубопровода отвода рабочей среды, 6 - запорная арматура трубопровода подвода газов, 7 - запорная арматура трубопровода подвода рабочей среды в дозатор щелочного теплоносителя, 8 - запорная арматура трубопровода подвода рабочей среды в реакционную емкость, 9 - запорная арматура трубопровода подвода щелочного теплоносителя, 10 - запорная арматура сброса рабочей среды, 11 - нагреватель газового объема, 12 - нагреватель дозатора щелочного теплоносителя, 13 - нагреватель реакционной емкости, 14 - нагреватель трубопровода повода щелочного теплоносителя, 15 - опускная труба, 16 - осушитель, 17 - реакционная емкость, 18 - теплоизоляция дозатора щелочного теплоносителя, 19 - теплоизоляция реакционной емкости, 20 - трубопровод отвода рабочей среды, 21 - трубопровод подвода газов, 22 - трубопровод подвода рабочей среды в дозатор щелочного теплоносителя, 23 - трубопровод подвода рабочей среды в реакционную емкость, 24 - трубопровод подвода щелочного теплоносителя.
Сущность устройства для переработки щелочного жидкометаллического теплоносителя заключается в следующем.
Устройство для переработки щелочного жидкометаллического теплоносителя, включающее дозатор щелочного теплоносителя 4, нагреватель дозатора щелочного теплоносителя 12, теплоизоляцию дозатора щелочного теплоносителя 18, реакционную емкость 17, нагреватель реакционной емкости 13, отличающееся тем, что устройство дополнительно оснащено газовым баллоном 1, трубопроводом 21 и запорной арматурой 6 подвода газов, газовым объемом 2, трубопроводом 22 и запорной арматурой 7 подвода рабочей среды в дозатор щелочного теплоносителя, трубопроводом 24 и запорной арматурой 9 подвода щелочного теплоносителя, нагревателем трубопровода повода щелочного теплоносителя 14, опускной трубой 15, теплоизоляцией реакционной емкости 19, запорной арматурой сброса рабочей среды 10. причем трубопровод подвода газов 21 сообщает полости газового баллона 1 и газового объема 2, трубопровод подвода рабочей среды в дозатор щелочного теплоносителя 22 сообщает полости газового объема 2 и дозатора щелочного теплоносителя 4, трубопровод подвода щелочного теплоносителя 24 сообщает полости дозатора щелочного теплоносителя 4 и опускной трубы 15 так, что один конец сообщен с опускной трубой 15, а другой опущен под уровень щелочного теплоносителя с зазором относительно днища дозатора щелочного теплоносителя 4, опускная труба 15 пропущена сквозь крышку реакционной емкости 17 до днища реакционной емкости 17 с зазором относительно днища реакционной емкости 17.
Частные случай выполнения устройства.
Во-первых, устройство дополнительно снабжено газодувкой 3, нагревателем газового объема 11, трубопроводом 23 и запорной арматурой 8 подвода рабочей среды в реакционную емкость, трубопроводом 20 и запорной арматурой 5 отвода рабочей среды, осушителем 16, причем трубопровод подвода рабочей среды в реакционную емкость 23 сообщает полости газового объема 2 и опускной трубы 15 через газодувку 3, трубопровод отвода рабочей среды 20 сообщает полости реакционной емкости 17 и газового объема 2 через осушитель 16.
Во-вторых, опускную трубу 14 выполняют из легкоплавкого металла, например алюминия.
Устройство включает: газовый баллон 1, газовый объем 2, газодувка 3, дозатор щелочного теплоносителя 4, запорная арматура отвода рабочей среды 5, запорная арматура подвода газов 6, запорная арматура подвода рабочей среды в дозатор щелочного теплоносителя 7, запорная арматура подвода рабочей среды в реакционную емкость 8, запорная арматура подвода щелочного теплоносителя 9, запорная арматура сброса рабочей среды 10, нагреватель газового объема И, нагреватель дозатора щелочного теплоносителя 12, нагреватель реакционной емкости 13, нагреватель трубопровода повода щелочного теплоносителя 14, опускная труба 15, осушитель 16, реакционная емкость 17, теплоизоляция дозатора щелочного теплоносителя 18, теплоизоляция реакционной емкости 19, трубопровод отвода рабочей среды 20, трубопровод подвода газов 21, трубопровод подвода рабочей среды в дозатор щелочного теплоносителя 22, трубопровод подвода рабочей среды в реакционную емкость 23, трубопровод подвода щелочного теплоносителя 24.
Газовый баллон 1 предназначен для заполнения газового объема 2 газом или газами.
Запорная арматура 6 и трубопровод 21 подвода газов сообщает баллон 1 с газовым объемом 2.
Газовый объем 2 предназначен для подготовки рабочей среды.
Запорная арматура 7 и трубопровод 22 подвода рабочей среды в дозатор щелочного теплоносителя сообщает газовый объем 2 и дозатор щелочного теплоносителя.
Дозатор щелочного теплоносителя 4 предназначен для подготовки и подачи щелочного теплоносителя.
Запорная арматура 9 и трубопровод 24 подвода щелочного теплоносителя сообщает дозатор щелочного теплоносителя 4 с опускной трубой 15.
Опускная труба 15 предназначена для подачи щелочного теплоносителя в донную часть реакционной емкости 17.
Реакционная емкость 17 предназначена для смешения реагентов (щелочной металл, гранулированный шлак) и проведения процесса переработки, а также для сушки и пассивации гранулированного шлака.
Запорная арматура сброса рабочей среды 10 предназначена для сброса избыточного давления из реакционной емкости 17.
Запорная арматура 8 и трубопровод 23 подвода рабочей среды сообщает газовый объем 2 через газодувку 3 с опускной трубой.
Газодувка 3 предназначена для осуществления циркуляции рабочей среды через слой гранулированного шлака.
Запорная арматура 5 и трубопровод 20 отвода рабочей среды сообщает реакционную емкость через осушитель 16 с газовым объемом 2.
Осушитель 16 предназначен для понижения уровня влажности рабочей среды.
Нагреватель газового объема 11 предназначен для поддержания необходимых температурных режимов рабочей среды.
Нагреватель дозатора 12 предназначен для поддержания необходимых температурных режимов щелочного теплоносителя.
Нагреватель реакционной емкости 13 предназначен для поддержания необходимых температурных режимов разогрева реагентов.
Нагреватель трубопровода повода щелочного теплоносителя 14 предназначен для поддержания необходимых температурных режимов транспортировки щелочного теплоносителя.
Теплоизоляция дозатора щелочного теплоносителя 18 и теплоизоляция реакционной емкости 19 предназначены для снижения оттока тепла.
Предусмотрено два режима работы устройства: режим переработки щелочного теплоносителя и режим предварительной сушки и пассивации гранулированного шлака.
Режим переработки щелочного теплоносителя характеризуется следующим.
Исходное состояние: вся запорная арматура закрыта, в реакционной емкости 17 находится гранулированный шлак в атмосфере Ar, в дозаторе щелочного теплоносителя 4 находится щелочной теплоноситель в атмосфере Ar.
Открывают баллон 1 и запорная арматура 6. Газовый объем 2 заполняют дозированной порцией Ar. Закрывают баллон 1 и запорную арматуру 6. Включают нагреватели 12, 13, 14. Устанавливают заданные температуры. Открывают запорную арматуру 7 и 9. В реакционную емкость подают дозированную порцию щелочного теплоносителя, после чего закрывают запорную арматуру 7 и 9. Отключают нагреватель 12 и 14. Реакционную емкость 17 со смесью гранулированного шлака и щелочного теплоносителя разогревают нагревателем 13 до температуры старта процесса переработки. После проведения процесса переработки отключают нагреватель 13. Реакционную емкость 17 с продуктом переработки охлаждают. Открывают запорную арматуру 10 и уравнивают давление в реакционной емкости 17 до атмосферного, сбросив рабочую среду. Закрывают запорную арматуру 10.
Режим предварительной сушки и пассивации гранулированного шлака характеризуется следующим.
Исходное состояние: вся запорная арматура закрыта, в реакционной емкости 17 находится гранулированный шлак в атмосфере Ar.
2
Открывают баллон 1 и запорную арматуру 6. Газовый объем 2 заполняют дозированными порциями Ar и Н (или СО). Закрывают баллон 1 и запорную арматуру 6. Включают нагреватели 11, 13. Устанавливают заданные температуры. Включают газодувку 3. Открывают запорную арматуру 8 и 5. Осуществляют циркуляцию до получения заданного уровня влажности рабочей среды. Закрывают запорную арматуру 8 и 5. Отключают газодувку 3. Отключают нагреватели 11, 13. Открывают запорную арматуру 10 и уравнивают давление в реакционной емкости 17 до атмосферного, сбросив рабочую среду. Закрывают запорную арматуру 10.
Положительный эффект при реализации предлагаемого устройства достигается за счет того, что упрощение конструкции и снижение металлоемкости за счет исключения дозатора шлака, системы подвода шлака, нагревательной камеры шлака и стальных вытеснителей приводит к удешевлению устройства.
Отпадает необходимость в поворотных и подвижных элементах устройства (шиберное устройство для сброса шлака в щелочной металл), что повышает надежность конструкции.
Применение опускной трубы 15 приводит к равномерному смешению расплавленного щелочного жидкометаллического теплоносителя и гранулированного шлака, в результате которого образуется равномерная смесь этих веществ, так как поступающий снизу вверх расплавленный щелочной жидкометаллический теплоноситель, пропитывающий гранулированный шлак, полностью заполняет межзеренное пространство гранулированного шлака, вытесняя из смеси рабочую среду и обеспечивая, тем самым, равномерное перемешивание, что приводит к повышению качественных характеристик конечного продукта для обеспечения условий хранения, отвечающим современным требованиям нормативных документов.
Применение опускной трубы 15 из легкоплавкого металла, например алюминия, которая в процессе переработки расплавляется в реакционной емкости, позволяет оставшемуся в опускной трубе 15 щелочному теплоносителю поступить в зону реакции и реагировать с гранулированным шлаком так же, как и уже закаченный в гранулированный шлак щелочной теплоноситель. Таким образом, предотвращается вскипание щелочного жидкометаллического теплоносителя в опускной трубе 15 и выброс его радиоактивных паров.
Пример конкретного осуществления устройства.
По схеме, представленной на фигуре, было создано устройство для переработки щелочного жидкометаллического теплоносителя. Элементы установки характеризуются следующим.
Трубопроводы отвода рабочей среды 20, подвода газов 21, подвода рабочей среды в дозатор щелочного теплоносителя 22, подвода рабочей среды в реакционную емкость 23 выполнены из трубы 18×2 мм из аустенитной стали.
Трубопровод подвода щелочного теплоносителя 24 выполнен из трубы 32×3,5 мм из аустенитной стали.
В качестве запорной арматуры отвода рабочей среды 5, подвода газов 6, подвода рабочей среды в дозатор щелочного теплоносителя 7, подвода рабочей среды в реакционную емкость 8, сброса рабочей среды 10 используются вентили Ду-15.
В качестве запорной арматуры подвода щелочного теплоносителя 9 используется высокотемпературный вентиль Ду-25.
2
В качестве газового баллона 1 используются стандартные заводские баллоны объемом 40 литров с редуктором, заполненные чистым Ar, Н или СО.
Газовый объем 2 представляет собой герметичный цилиндрической бак из аустенитной стали толщиной 3 мм.
Газодувка 3 представляет собой газовый циркуляционный насос типа «Ураган».
Дозатор щелочного теплоносителя 4 представляет собой стандартную заводскую транспортную емкость для щелочного металла объемом 100 литров.
Нагреватели 11, 12, 13, 14 выполнены из спирали с керамической изоляцией.
Опускная труба 15 выполнена из трубы 32×3,5 из алюминия.
Осушитель 16 представляет собой конденсатный холодильник, который охлаждает проходящую через него рабочую среду, конденсируя влагу в зоне улавливания.
Реакционная емкость 17 представляет собой герметичный цилиндрический бак из углеродистой стали толщиной 4 мм.
В качестве теплоизоляции 18 и 19 используются маты из каолиновой ваты.
-4
2
-3
2
С помощью устройства для переработки щелочного жидкометаллического теплоносителя переработано 50 литров натрия (100%). Процесс переработки прошел безопасно. Конечный продукт переработки удовлетворяет Техническим требованиям (РД 9510497-93, 1993 г. ) по показателю выщелачиваемости ионов натрия в воде, который достиг 10 г/см·сутки (требования - 10 г/см·сутки).
Технический результат - снижение стоимости устройства, повышение надежности устройства и повышение качественных показателей конечного продукта, удовлетворяющих условиям хранения.