УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗОТОПНОЙ ПРОДУКЦИИ
INSTALLATION FOR ISOTOPE PRODUCTION

Изобретение относится к области преобразования химических элементов путем нейтронного облучения и может быть использовано в установках для производства изотопной продукции.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является установка для производства изотопной продукции, включающая источник нейтронов, емкость с водным раствором уранил-сульфата, сорбционную колонку, тракт для подачи в сорбционную колонку облученного водного раствора уранил-сульфата, состоящий из трубок, расположенных в емкости и сорбционной колонке, тракт для возврата в емкость после сорбции водного раствора уранил-сульфата и систему каталитической рекомбинации (заявка PCT/RU 2014/000990, WO/ 2016/105235, МПК G21C 1/24, опубл. 30.06.2016).
В известной установке водный раствор уранил-сульфата в емкости образует критическую массу и является топливом гомогенного ядерного реактора, генерирующего нейтроны для производства изотопной продукции. Емкость с водным раствором уранил-сульфата и сорбционная колонка размещены в разных помещениях на значительном удалении друг от друга, и трубопроводы трактов для подачи и возврата водного раствора уранил-сульфата, соединяющие емкость и сорбционную колонку, проходят через эти помещения. Трубопровод тракта для подачи в сорбционную колонку облученного водного раствора уранил-сульфата снабжен насосом и запорной арматурой и соединяет трубки, расположенные в емкости и сорбционной колонке. Тракт для возврата в емкость после сорбции водного раствора уранил-сульфата выполнен в виде трубопровода, который снабжен запорной арматурой.
Известная установка работает следующим образом. При работе ядерного гомогенного реактора на мощности в растворе накапливается целевой изотоп. После остановки реактора и выдержки в течение определенного времени на посадочное место в гидравлическом тракте устанавливается сорбционная колонка, открывается запорная арматура и насосом раствор начинают прокачивать по замкнутому контуру: реактор - тракт подачи в сорбционную колонку - сорбционная колонка - тракт возврата в реактор. Поскольку объем трактов и сорбционной колонки мал по сравнению с объемом реактора, отбираемый на сорбцию раствор, пройдя через колонку и отдав целевой изотоп, возвращается в реактор и смешивается с исходным раствором. Таким образом, во время прокачивания целевой изотоп накапливается в сорбционной колонке, а его концентрация в топливном растворе постепенно уменьшается за счет разбавления. После завершения процесса сорбции тракты и колонка промываются водой, накопленной в системе рекомбинации, закрывается запорная арматура на трактах, сорбционная колонка отстыковывается и передается на следующие стадии производства.
Недостатком известной установки для производства изотопной продукции является снижение эффективности извлечения изотопов из-за потерь изотопной продукции вследствие оседания изотопов на внутренней поверхности протяженного трубопровода при подаче облученного водного раствора уранил-сульфата в сорбционную колонку, а также из-за смешивания обедненного по целевому изотопу и исходного раствора в процессе прокачки через сорбционную колонку. Снижение эффективности извлечения изотопов связано также с невозможностью ускорить процесс наработки изотопов путем увеличения потока нейтронов в объеме раствора, что объясняется ограничениями по нейтронно-физическим характеристикам ядерного реактора. Кроме этого, недостатком известной установки для производства изотопной продукции является снижение радиационной безопасности из-за прохождения облученного водного раствора уранил-сульфата по трубопроводам, расположенным в помещениях, что требует дополнительных мер по сохранению целостности трубопроводов, например выполнение трубопроводов с двойными стенками.
Задачей настоящего изобретения является создание установки для производства изотопной продукции, позволяющей увеличить эффективности извлечения изотопов и обеспечить радиационную безопасность для обслуживающего персонала.
Техническим результатом настоящего изобретения является снижение до минимума потерь изотопной продукции при прохождении облученного раствора уранил-сульфата в сорбционную колонку, сохранение концентрации целевого изотопа в растворе, подаваемом на сорбцию, ускорение процесса наработки изотопов, а также исключение выхода радиоактивных веществ в помещения по причине разгерметизации тракта.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной установке для производства изотопной продукции, включающей источник нейтронов, емкость с водным раствором уранил-сульфата, сорбционную колонку, тракт для подачи в сорбционную колонку облученного водного раствора уранил-сульфата, состоящий из трубок, расположенных в емкости и сорбционной колонке, тракт для возврата в емкость после сорбции водного раствора уранил-сульфата и систему каталитической рекомбинации, согласно заявленному изобретению емкость с водным раствором уранил-сульфата, масса которого составляет величину менее критической массы, и сорбционная колонка выполнены с возможностью стыковки-расстыковки между собой, при этом тракт для возврата в емкость после сорбции водного раствора уранил-сульфата образован при стыковке непосредственным соединением полостей сорбционной колонки и упомянутой емкости, а тракт для подачи в сорбционную колонку облученного водного раствора уранил-сульфата - непосредственным соединением трубок сорбционной колонки и емкости, причем в нижней части сорбционной колонки размещен сорбент, а в верхней части, предназначенной для накопления водного раствора уранил-сульфата после сорбции, расположен верхний конец ее трубки.
Кроме этого, емкость установлена в охлаждающий чехол и закрыта клапанами, которые расположены в ее верхней части.
Признак, касающийся выполнения емкости и сорбционной колонки с возможностью их стыковки, а также признаки, характеризующие выполнение трактов подачи и возврата водного раствора уранил-сульфата со значительным сокращением их протяженности, а именно в виде соединенных непосредственно между собой трубок емкости и сорбционной колонки и в виде соединенных непосредственно между собой полостей емкости и сорбционной колонки, направлены на снижение потерь изотопов, которые в известной установке оседают на стенках трубопроводов, а также на исключение выхода радиоактивных веществ в помещения. Признак, касающийся выбора объема водного раствора уранил-сульфата величиной менее критического объема, позволяет увеличить поток нейтронов в объеме раствора, а следовательно, ускорить процесс наработки изотопов. Признак, относящийся к разделению сорбционной колонки на объемы для накопления водного раствора уранил-сульфата после сорбции и для размещения сорбента, приводит к исключению разбавления облученного водного раствора уранил-сульфата и сохранению концентрации целевого изотопа в растворе, подаваемом на сорбцию.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена установка для производства изотопной продукции во время облучения (общий вид), на фиг. 2 представлен стыковочный узел емкости (выносной элемент А), на фиг. 3 изображена установка для производства изотопной продукции во время сорбции (общий вид), на фиг. 4 изображена емкость с сорбционной колонкой в состыкованном состоянии (выносной элемент Б).
Установка для производства изотопной продукции, например молибдена-99, включает источник нейтронов 1, емкость 2 с водным раствором уранил-сульфата, объемом 4-5 л, сорбционную колонку 3, тракт для подачи в сорбционную колонку 3 облученного водного раствора уранил-сульфата, тракт для возврата в емкость 2 после сорбции водного раствора уранил-сульфата и систему каталитической рекомбинации, содержащую каталитический рекомбинатор 4, холодильник 5 и конденсатосборник 6. Емкость 2 установлена в охлаждающий чехол 7, выполненный, например, в виде сосуда с водой. Масса водного раствора уранил-сульфата составляет величину менее критической массы, т.е. наименьшей массы, в которой может протекать самоподдерживающая цепная реакция атомных ядер. Сорбционная колонка 3 выполнена с возможностью ввода-вывода в охлаждающий чехол 7 и стыковки-расстыковки с емкостью 2. Для обеспечения стыковки емкость 2 и сорбционная колонка 3 выполнены с посадочными местами, которые расположены в верхней части емкости 2 и нижней части сорбционной колонки 3. В центральной части емкости 2 установлена трубка 8 для подачи облученного раствора уранил-сульфата в сорбционную колонку 3. Верхний и нижний концы трубки 8 герметично закрыты клапанами 9, 10. Емкость 2 закрыта клапаном 11, который установлен в ее верхней части. В центральной части сорбционной колонки 3 установлена трубка 12 для подачи облученного раствора уранил-сульфата, нижний конец которой герметично закрыт клапаном 13. В нижней части сорбционной колонки 3 размещен сорбент, а верхний объем сорбционной колонки 3 является накопительным и предназначен для сбора водного раствора уранил-сульфата после сорбции. Верхний открытый конец (выход) трубки 12 расположен в накопительном верхнем объеме сорбционной колонки 3. Сорбционная колонка 3 закрыта двумя парами обратных клапанов 14, 15, которые установлены в ее нижней части и предназначены для герметизации сорбционной колонки 3 и для предотвращения тока газа в направлении из емкости 2 в сорбционную колонку 3 соответственно. Клапаны 14 снабжены толкателем 16. При стыковке емкости 2 и сорбционной колонки 3 непосредственно соединенные между собой трубки 8, 12 образуют тракт для подачи облученного водного раствора уранил-сульфата в сорбционную колонку 3, а непосредственно соединенные полости сорбционной колонки 3 и емкости 2 образуют тракт для возврата в емкость 2 после сорбции водного раствора уранил-сульфата. Сорбционная колонка 3 снабжена захватом 17 для ее перемещения и установки на емкость 2. Газовый объем емкости 2 соединен с ресивером 18 трубопроводом 19 с запорной арматурой 20, а трубопроводом 21 - с запорной арматурой 22 с выходом по газу конденсатосборника 6. Ресивер 18 соединен через газодувку 23 с каталитическим рекомбинатором 4. Ресивер 18 соединен трубопроводом 24 с газовой установкой 25. Трубопровод 21 посредством трубопровода 26 соединен с газовой установкой 25. Трубка 8 емкости 2 соединена с выходом по воде конденсатосборника 6 посредством трубопровода 27 с запорной арматурой 28, 29 и насосом 30. Трубопровод 27 соединен посредством трубопровода 31 с газовой установкой 25.
Установка для производства изотопной продукции работает следующим образом.
12
2
В экспериментальный канал 32 исследовательского ядерного реактора или другое место облучения, обеспечивающее поток нейтронов не менее 10 н/смс, устанавливают емкость 2, размещенную в охлаждающем чехле 7 и содержащую водный раствор уранил-сульфата, объем которого составляет величину менее критического объема. Далее процесс производства молибдена-99 происходит в несколько этапов:
Первый этап. Облучение водного раствора уранил-сульфата при помощи источника нейтронов 1.
Во время облучения клапан 10 трубки 8 и клапан 11 емкости 2 закрыты. Клапан 9 трубки 8 открыт и внутренняя полость трубки 8 заполнена водным раствором уранил-сульфата. Образующиеся в результате ядерных реакций и радиолиза воды газы откачиваются из газовой полости емкости 2 по трубопроводу 19 в ресивер 18, в котором газовой установкой 25 поддерживается разрежение. Из ресивера 18 радиолитические газы газодувкой 23 подаются в каталитический рекомбинатор 4. Из каталитического рекомбинатора 4 рекомбинированный пар подается на охлаждение в холодильник 5. Охлажденный пар собирается в конденсатосборнике 6, а несконденсированные газы по трубопроводу 21 возвращаются в газовую полость емкости 2. Запорная арматура 20, 22 на трубопроводах 19 и 21 открыта. Запорная арматура 28, 29 на трубопроводе 27 закрыта. Вода в охлаждающем чехле 7 охлаждается, например теплообменником 33 либо протоком воды в канале 32.
Второй этап. Прекращение облучения и охлаждение облученного водного раствора уранил-сульфата.
Третий этап. Стыковка сорбционной колонки 3 с емкостью 2.
Посредством захвата 17 сорбционную колонку 3 вводят в охлаждающий чехол 7 и стыкуют с емкостью 2. При установке сорбционной колонки 3 на посадочное место емкости 2 открываются клапан 10 трубки 8 и клапан 11 емкости 2, а клапаны 14 сорбционной колонки 3 открываются толкателем 16. При этом происходит соединение трубки 8 емкости 2 и трубки 12 сорбционной колонки 3 между собой с образованием тракта для подачи в сорбционную колонку облученного водного раствора уранил-сульфата, а также соединение полостей верхней части емкости 2 и нижней части сорбционной колонки 3 с образование тракта для возврата в емкость после сорбции водного раствора уранил-сульфата.
Четвертый этап. Прокачивание облученного водного раствора уранил-сульфата через сорбционную колонку 3.
Газовой установкой 25 по трубопроводу 26 при закрытой запорной арматуре 20, 22 подают газ в трубопровод 21 и далее в газовую полость емкости 2. Под действием давления в газовой полости емкости 2 открывается клапан 13 трубки 12 и облученный водный раствор уранил-сульфата всасывается в полость верхней части сорбционной колонки 3 по трубке 8 емкости 2 при открытом клапане 9 трубки 8 и трубке 12 сорбционной колонки 3.
Пятый этап. Прокачивание облученного водного раствора уранил-сульфата через сорбент.
Газовой установкой 25 через трубопроводы 26 и 21 при закрытой запорной арматуре 20, 22 откачивают газ из газовой полости емкости 2. При этом клапан 13 трубки 12 закрывается и в сорбционной колонке 3 сохраняется ранее созданное давление. Для продавливания облученного водного раствора уранил-сульфат через сорбент газовой установкой 25 по трубопроводам 31 и 27 при закрытой запорной арматуре 29 подают газ в трубку 8 емкости 2. Под действием давления открывается клапан 13 трубки 12 и закрывается клапан 9 трубки 8. Облученный водный раствор уранил-сульфата проходит через сорбент из колонки 3 в емкость 2.
Шестой этап. Промывка сорбционной колонки.
При открытых клапане 10 трубки 8, клапане 11 емкости 2, клапанах 14, 15 сорбционной колонки 3 по трубопроводу 27 при отключенной газовой установке 25 и открытой запорной арматуре 28, 29 насос 30 подает воду из конденсатосборника 6 в трубку 8 и далее через трубку 12 сорбционной колонки 3 в сорбционную колонку 3 и далее в емкость 2. При этом клапан 13 трубки 12 автоматически открывается, а клапан 9 трубки 8 закрывается под действием давления воды.
Седьмой этап. Отстыковка сорбционной колонки 3 от емкости 2, завершение цикла.
Посредством захвата 17 сорбционная колонка 3 отстыковывается от емкости 2. Клапан 10 трубки 8, клапан 11 емкости 2, клапан 14 сорбционной колонки 3 автоматически закрываются. Далее сорбционная колонка 3 выводится из охлаждающего чехла 7 и направляется на место извлечения изотопной продукции - молибдена 99.