УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

Устройство относится к области атомной промышленности, преимущественно к ядерному топливному циклу, и может использоваться для отделения металлической оболочки тепловыделяющих элементов (твэлов) при подготовке к химической переработке отработавшего ядерного топлива.
Для радиохимической переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) в основном используются процессы, связанные с его растворением в кислотах, поэтому отработавшие тепловыделяющие сборки (ОТВС) чаще всего режут (рубят) и отрезки твэлов с ОЯТ направляют в аппараты для его растворения, из полученных растворов экстракцией или другими способами выделяют делящиеся и нужные радиоактивные элементы. Эти процессы описаны, например, в книге (В.И.Землянухин, Е.И.Ильенко, А.Н.Кондратьев и др. Радиохимическая переработка ядерного топлива АЭС, М., Энергоатомиздат, 1989).
В связи с разработкой неводных процессов переработки ОЯТ возникла необходимость извлекать его из отрезков твэлов «сухими» способами.
Известна конструкция трубчатой печи (В.И.Давыдов, М.Н.Гемрекели, П.Г.Добрынин, Термические процессы и аппараты для получения окислов редких и радиоактивных металлов, М., Атомиздат, 1977., с.110). Печь включает внешний электрический нагреватель, внутри которого наклонно расположена реакционная труба, имеющая привод вращения, снабженная внутренними радиально прикрепленными продольными полками, в которую при помощи сальниковых уплотнений с одной стороны введена коаксиальная форсунка подачи газов-реагентов, а с другой стороны труба состыкована с камерой выгрузки твердого продукта, имеющей шибер и патрубок вывода отходящих газов.
Устройство работает следующим образом. Поступающие в нагретую печь через форсунку газы образуют порошок твердого продукта, который за счет наклона трубы и продольных полок при вращении трубы перемещается в камеру выгрузки и удаляется через шибер, а отходящие газы удаляются через патрубок.
Вышеуказанные устройства служат только для проведения термических процессов, не позволяет разделять порошок ОЯТ и материал оболочки твэлов.
Известно устройство для извлечения отработавшего ядерного топлива (PROCESS for PROCESSING CANNED IRRADIATED CERAMIC FUEL ELEMENTS. Manevy G., Matcheret G., Патент США №3644104, Кл. 23/324, C01g 56/00, оп.22.02.1972).
Твэлы рубят на части и загружают в устройство для извлечения ОЯТ, состоящее из наклонно расположенного нагреваемого корпуса с загрузочным патрубком (воронкой) и разгрузочным патрубком, внутри корпуса также наклонно на валу с приводом вращения установлена труба, в которую входит воронка, внутри трубы размещены продольные полки, поперечные перегородки с отверстиями и шары, а к разгрузочному патрубку корпуса через сильфон прикреплен бункер сбора и выдачи порошка ОЯТ с грохотом (ситом).
Отрезки твэлов попадают через воронку в наклонную трубу, при вращении которой шары, поднимаемые полками, падают на отрезки твэлов, дробят сердечник, измельчают высыпающееся ОЯТ, за счет наклона трубы и ее вращения порошок ОЯТ и отрезки оболочки вместе высыпаются из окон торца трубы и через разгрузочный патрубок корпуса и эластичное соединение (сильфон) попадают в бункер с грохотом, который подвергается вибрации, порошок ОЯТ просыпается в бункер, а отрезки оболочки удаляются по грохоту.
Для интенсификации процесса извлечения ОЯТ процесс проводят при нагреве трубы для окисления диоксида урана до закиси-окиси в урановом или МОКС - топливе, а также для превращения оксидов при действии фтористого водорода в тетрафториды или проводят другие процессы.
Недостатком данного устройства является то, что оно сложно и громоздко. Образующийся в реакционной трубе порошок ОЯТ и отрезки оболочек вместе высыпаются в бункер, а затем разделяются в отдельном устройстве с грохотом, при вибрации которого порошок ОЯТ просыпается в бункер, а отрезки оболочки удаляются. Для осуществления вибрации бункера требуется установка его на амортизаторах и дополнительный механический привод.
Задачей предлагаемого технического решения является упрощение изготовления и эксплуатации устройства при одновременном разделении порошка отработавшего топлива и отрезков оболочки.
Эта задача решается устройством содержащем обогреваемый корпус, снабженный патрубком загрузки отрезков твэлов с отработавшим ядерным топливом и ввода газа-реагента, в котором установлена конусная реакционная труба, часть которой перфорирована, с приводом вращения, снабженная продольными полками, стержнями, торцевой стенкой с окнами и загруженная шарами, бункер сбора и выгрузки порошка ОЯТ, расположенный под перфорированной частью трубы, бункер сбора и выгрузки пустых отрезков оболочки твэлов, патрубок с фильтром для удаления газа.
Для полного разделения порошка ОЯТ и отрезков оболочек твэлов окна в перегородке реакционной трубы отдалены от стенки трубы.
Для повышения эффективности механического воздействия шаров на отрезки твэлов, для подъема шаров отдельно от отрезков твэлов при вращении реакционной трубы ее продольные стержни выполнены отстоящими от стенки трубы.
Отверстия перфорации реакционной трубы меньше диаметра отрезков твэлов.
Размер окон меньше диаметра шаров.
Масса шаров должна обеспечивать деформацию трубчатой оболочки отрезков твэлов.
На прилагаемом чертеже изображен продольный разрез устройства где:
1 - корпус;
2 - нагреватель:
3 - патрубок загрузки отрезков твэлов и ввода газов:
4 - бункер сбора и выгрузки порошка ОЯТ
5 - фильтр
6 - патрубок для удаления газов
7 - бункер сбора и выгрузки «пустых» отрезков оболочки твэлов.
8 - крышка корпуса;
9 - подшипник
10 - сальниковое уплотнение
11 - вал
12 - привод вращения
13 - торцевая стенка
14 - окна
15 коническая труба
16 - перфорация
17 - продольные полки
18 - продольные стержни
19 - катки
20 - шары
Устройство содержит корпус 1, обогреваемый нагревателем 2, закрытый крышкой 8, имеющей подшипник 9 и сальниковое уплотнение 10, патрубок 3 загрузки отрезков твэлов и ввода газов (например, воздуха), введенный по оси корпуса. Внутри корпуса на валу 11, с приводом вращения 12, установлена коническая труба 15, снабженная перфорацией 16, продольными полками 17 и продольными стержнями 18, и внутри которой размещены шары 20. Под перфорированной частью трубы размещен сборник-бункер 4 сбора и выгрузки порошка ОЯТ, с патрубком 6 удаления газов и фильтром 5. За перфорированной частью трубы 15 установлена торцевая стенка 13 с окнами 14 и бункер 7 сбора и выгрузки «пустых» отрезков оболочки твэлов. Коническая труба 15, опирается своим открытым концом на катки 19.
Отрезки твэлов должны иметь длину примерно равную трем-четырем диаметрам твэлов.
Отверстия перфорации 16 трубы 15 меньше диаметра отрезков твэлов.
Масса шаров 20 должна обеспечивать деформацию трубчатой оболочки отрезков твэлов.
Окна 14 торцевой стенки 13 отдалены от трубы 15 и должны быть меньше диаметра шаров 20.
Ширина сплошных полок 17 меньше половины диаметра шаров 20, зазор (щель) между стержнями 18 и стенкой трубы 15 примерно 0,7-0,8 диаметра шаров 20.
Устройство работает следующим образом. Нагревателем 2 создают необходимый температурный режим внутри корпуса 1 и в трубе 15, которую с помощью вала 11 и привода 12 приводят во вращение. Поступающие непосредственно с агрегата рубки ТВС (твэлов) или через бункер-дозатор отрезки твэлов с ОЯТ и крошка ОЯТ через патрубок 3 попадают в узкую часть трубы 15, куда предварительно таким же образом были загружены шары 20. Через патрубок 3, корпус 1 и трубу 15, фильтр 5 и патрубок 6 за счет перепада давления создают поток газа (воздуха и др.).
При вращении конической трубы 15 осуществляются следующие механические операции.
Сплошные полки 17 обеспечивают подъем и пересыпание отрезков твэлов и порошка ОЯТ. Продольные стержни 18 поднимают только шары 20, которые затем падают на отрезки твэлов, деформируют оболочку и разрушают сердечник ОЯТ, что способствует его механическому извлечению и химической дисперсии. Кроме этого, шары измельчают образующийся порошок ОЯТ.
За счет конусности трубы 15 происходит перемещение отрезков твэлов и порошка ОЯТ (продуктов реакции) по трубе, просыпание порошка через перфорацию 16 в сборник-бункер 4 и удаление через окна 14 в перегородки 13 «пустых» отрезков оболочки в бункер 7, т.е. осуществляется разделение ОЯТ и отрезков оболочки. Размещение окон 14 с некоторым отдалением от стенки трубы 15 препятствует высыпанию порошка вместе с отрезками оболочки твэлов. Отходящие газы очищаются от пыли ОЯТ на фильтре 5 и удаляются через патрубок 6.
Регулирование полноты процесса извлечения ОЯТ из отрезков твэлов достигается изменением количества подаваемых отрезков твэлов, газовых реагентов, температуры, скорости вращения трубы.