ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Полезная модель электролизера относится к области высокотемпературной промышленной электрохимии получения чистых металлов из расплава хлоридов металлов. В частности, полезная модель относится к области обращения с радиоактивными материалами, а именно, с механической смесью фрагментированного оболоченного материала и дистанционирующих решеток в отработанной тепловыделяющей сборке (ОТВС) реакторов типа ВВЭР и РБМК.
Известен электролизер [Авторское свидетельство SU №633314, приор, от 21.03.1977, C25C 7/00, C25C 7/02, C25C 7/08] для получения металлов и их соединений из расплавленных солей, включающий корпус, анод, катод, жестко соединенный с поворотным валом, приемник катодного осадка, устройство для загрузки соли и штуцер для удаления газов. С целью осуществления более полного съема осадка с катода, повышения качества продукта и снижения энергозатрат он снабжен источником хладогента, вал и катод выполнены полыми, причем один конец вала соединен с помощью трубки с катодом, а второй конец - с источником хладогента.
Однако такая конструкция устройства не позволяет исключить ручную загрузку анодной массы и затем извлечение ее остатков после проведения электролиза, что становится возможным при использовании заявляемой полезной модели.
Для решения поставленной задачи предлагается конструкция электролизера, которая включает корпус ванны, заполненной расплавом хлоридов, анод, блок катодов, жестко соединенный с поворотным валом, причем вал и катоды выполнены полыми, и один конец вала соединен с помощью трубки с катодами, а второй конец - с источником хладогента, лоток для приема катодного осадка, контейнер для сбора готового продукта, штуцер для удаления газов.
В отличие от прототипа ванна является терморегулируемой, анод выполнен в виде анода-корзины с возможностью перемещения вдоль своей вертикальной оси и расположен в правой части ванны под герметизирующимся разъемом для его ввода, что позволяет извлекать частицы анодной массы, не подвергающиеся электролизу, с помощью средств механизации, не загрязняя при этом расплав.
Стенки анода-корзины имеют мелкоячеистую структуру.
Разъем для ввода анод-корзины выполнен надвигающимся.
Над расплавом хлоридов между анодной и катодной частями ванны установлена перегородка, что также минимизирует загрязнение расплава.
Анод-корзина заглублена в расплав хлоридов таким образом, что ее верх находится выше низа перегородки.
Таким образом, полезная модель может быть использована с целью получения чистого металлического циркония из твердых радиоактивных отходов (ТРО).
Использование предлагаемой конструкции электролизера кроме того позволяет обеспечить высокое качество получаемого электролирафинированного циркония и минимизировать удельный показатель по энергопотреблению.
Конструкция устройства поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображен общий вид конструкции устройства;
- на фиг. 2 - вид устройства в разрезе.
Электролизер для получения металлов из расплава солей содержит терморегулируемый корпус ванны 1 с расплавом хлоридов, в которой располагается анод 2 с токоподводом и три цилиндрических катода 3.
Катоды 3 установлены на полом валу 5, с одним концом которого они связаны с помощью трубки 4, другой конец полого вала 5 соединен с источником хладогента (на фиг. не показан). На линии подвода хладогента устанавливается переключатель потока хладогента (на фиг. не показан) между катодами, а трубка 4 снаружи электроизолирована. В качестве хладогента может быть использован жидкий азот или четыреххлористый углерод, который циркулирует по трубке 4.
Для разделения газовых объемов ванны 1 на правую анодную часть и левую катодную над расплавом хлоридов установлена перегородка 9, а для сдувки паров и газов выполнен штуцер 8.
Анод 2 выполнен в виде анод-корзины с возможностью ее перемещения вдоль своей вертикальной оси и расположен в правой анодной части ванны. Стенки анода-корзины 2 имеют мелкоячеистую структуру, а для ее ввода и вывода из устройства используется надвигающийся герметизирующийся разъем-крышка. Анод-корзина 2 заглублена в расплав хлоридов таким образом, что ее верх находится выше низа перегородки 9.
Кроме того, устройство содержит лоток 6 для приема осадка, расположенный таким образом, что катодный осадок с катода 3, расположенного в верхнем газовом объеме левой катодной части ванны, при падении попадает непосредственно в лоток 6, который связан с контейнером 7 для сбора готового продукта.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы электролизера проверяют работоспособность электрических цепей, приборов контроля и управления. После этого в ванну загружают соли, их нагревают до жидкого состояния - эвтектический расплав хлоридов металлов.
Открывают крышку на разъеме ввода и анод-корзина 2 с загруженной анодной массой, погружается под зеркало расплава. Крышкой герметично закрывают разъем ввода анод-корзины 2.
Включают ток электролиза, электрические цепи нагрева и приводы полого вала 5. В процессе электролиза в потенциометрическом режиме чистый целевой продукт выделяется на двух катодах 3, погруженных в расплав в твердом виде.
После анодного растворения металла в анодной массе открывается крышка на разъеме ввода анод-корзины 2, она извлекается из ванны 1 со «вторичным» РАО (механической взвесью шлама, нержавеющей сталью) и подается на переработку. Затем через разъем ввода новая, подготовленная к работе анод-корзина 2 с загруженной анодной массой опускается под зеркало расплава.
На двух катодах 3, погруженных в расплав, идет электроосаждение чистого металла, а на верхнем катоде 3, который находится в газовом объеме катодной части ванны, осуществляется съем осадка с катода 3.
Для съема осадка с катода 3 вал 5 поворачивают на 120°. При этом один из указанных катодов 3 оказывается над лотком 6, после чего в полость этого катода 3 и трубки 4 подается порция хладогента, который быстро испаряется и охлаждает катод 3. Вследствие охлаждения (термоудар) размеры катода 3 уменьшаются, между ним и осадком образуется зазор, и осадок по лотку 6 падает в приемник 7 без использования дополнительных механических устройств и/или энергии. Катодный осадок имеет небольшой коэффициент теплопроводности и не успевает при этом охладиться. Таким образом, осуществляется периодический съем осадка с катода 3, во время которого не прекращается электролиз, так как в расплаве солей находятся два других катода 3.
Затем вал 5 вновь поворачивают на 120°, и очищенный от осадка катод 3 погружается в расплав хлоридов.
При этом достигается высокая чистота продукта, так как расплав хлоридов не загрязняется компонентами, содержащимися в анодной массе после анодного растворения циркония благодаря мелкоячеистой структуре стенок анод-корзины, которые не пропускают в расплав коллоидные тонкодисперсные частицы, остатки хромникелиевой стали и т.п. Кроме того, загрузка и выгрузка анодной массы не осуществляется вручную, что позволяет использовать такое устройство для переработки радиоактивно загрязненных материалов.
Предложенные техническое решение - это оригинальный вариант конструктивного исполнения модели электролизера для получения чистого металлического циркония из расплава хлоридов при электролизе в потенциометрическом режиме.
Данная конструкция модели электролизера может быть широко использована в цветной металлургии и химической промышленности для производства чистого гафния, тория, редкоземельных металлов и т.п.
При изготовлении модели электролизера практически возможно широкое использование унифицированных узлов и деталей, что гарантирует высокое качество создаваемого образца оборудования и сокращение времени и средств на разработку конструкторской и технологической документации.