ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОХ-ТОПЛИВА

Полезная модель относится к устройствам для электролитического получения металлов и их соединений. Она пригодна, преимущественно, к применению в радиохимическом производстве - в составе оборудования по получению гранулированного смешанного оксидного уран-плутониевого топлива (МОХ-топлива). Полезная модель может быть использована также в химической и металлургической отраслях промышленности.
Одним из важных технологических переделов получения МОХ-топлива является электрохимическое совместное осаждение диоксидов урана и плутония на твердом катоде в заданном соотношении, которое поддерживается изменением силы тока и с помощью подаваемого в электролит, которым заполнена ванна электролизера, газообразного реагента - газовой смеси хлора, кислорода и азота.
При осуществлении указанного осаждения в электролизере должны быть соблюдены следующие условия:
- обеспечение ядернобезопасной конструкции по геометрическим размерам электролизера, но при этом все необходимые для осуществления процесса электролиза узлы и детали должны быть предусмотрены в конструкции электролизера.
- исключение потерь участвующих в процессе делящихся материалов;
- оптимизация расходных характеристик участвующих в процессе электролиза материалов и реагентов;
- минимизация отходов, подлежащих захоронению после проведения процесса электролиза.
С таких позиций рассмотрим и проанализируем известные из уровня техники аналоги заявляемого устройства.
Известен электролизер для получения металлов из расплавленных солей (электролита) (см. авт. свид. СССР №457753, кл. С22d 3/02, 1973), включающий корпус и катод с каналом для подачи газообразного реагента в реакционное пространство, при этом катод, проходящий через проем в крышке корпуса, снабжен конической вставкой, установленной в нижней части канала, боковая стенка катода выполнена с открытой снизу кольцевой полостью, сообщающейся в верхней части с реакционным пространством электролизера, причем торец наружной стенки кольцевой полости расположен ниже торца внутренней стенки.
В обогреваемый корпус (ванну) электролизера загружают необходимое количество соли, производя расплавление ее для получения электролита, в который загружают подлежащий переработке исходный порошкообразный твердый продукт и растворяют его подачей газообразного реагента через катод. После полного растворения исходного продукта включают ток электролиза. При этом на катоде выделяется конечный продукт, и после накопления катодного осадка до заданной величины его удаляют.
Известен также электролизер для получения металлов и их соединений из расплавленных солей (электролита) (см. авт. свид. СССР №605869, кл. С25С 7/02, 1972).
Известный электролизер в соответствии с формулой изобретения и его описанием содержит обогреваемый корпус и катод, выполненный с центральным осевым отверстием и с каналами в нижней части, соединяющими отверстие с полостью электролизера, при этом каналы в катоде выполнены в виде сопл, причем часть из них расположена под углом к осям симметрии в горизонтальной плоскости, а другая часть - под углом к оси центрального отверстия в вертикальной плоскости. Электролизер имеет закрепленные в крышке корпуса аноды, а катод проходит через специальный проем в этой крышке.
В электролизер загружают необходимое количество соли, которая в обогреваемом корпусе расплавляется. Затем в расплавленную соль (электролит) загружают подлежащий переработке исходный порошкообразный твердый продукт и растворяют его подачей через катод газообразного реагента.
Нетрудно заметить, что в рассмотренных изобретениях превалирует развитие конструктивных признаков катода, отвечающих за подачу в электролизер газообразного реагента. Направлено это развитие признаков на создание интенсивного перемешивания электролита выходящими из катода струями газообразного реагента.
В первом изобретении положительный эффект заключается в создании непрерывной циркуляции электролита через полость катода и резкое увеличение скорости при прохождении через сужающееся кольцевое отверстие в нижней части катода, благодаря чему обеспечивается интенсивное перемешивание газообразным реагентом находящегося в корпусе расплава по всей высоте реакционного пространства.
Отличительные признаки второго изобретения также относятся к катоду и направлены на интенсификацию перемешивания расплава выходящим с большой скоростью из сопл газообразным реагентом. По мнению авторов такое решение позволит повысить производительность электролизера при использовании его в производстве.
Сравнительный анализ признаков заявляемого и известных электролизеров, приведенных в формулах и описаниях, выявил следующие сходные признаки:
- обогреваемый корпус;
- крышка;
- катод и анод(ы);
- проем в крышке;
устройство для подачи газообразного реагента (в обоих изобретениях - это штуцер, соединяющий центральный осевой канал катода с линией подачи реагента).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является электролизер для электролиза расплавленных солей (см. авт. свид. СССР №910857, кл. С25С 7/00, 1980), принятый в качестве прототипа. Он содержит ванну, установленную в корпусе с зазором, крышку и электроды, при этом электролизер снабжен обечайкой, установленной в зазоре между корпусом и ванной и делящей зазор на две сообщающиеся снизу замкнутые полости, которые заполнены жидким наполнителем, а ванна выполнена со штуцером для соединения полости между ванной и обечайкой с источником повышенного или пониженного давления. Как следует из описания и графического изображения этого изобретения, заполненная электролитом ванна выполнена из графита, служит анодом и верхним торцем плотно прилегает к крышке, имеющей проем, через который проходит катод, размещаемый по оси в ванне, а с наружной стороны корпуса электролизера установлен нагреватель.
Сравнительный анализ конструкций известного по авт. свид. СССР №910857 и заявляемого электролизеров выявил, что сходными признаками в них являются:
- заполненная электролитом ванна;
- ванна из графита;
- ванна, являющаяся анодом;
- ванна, установленная в обогреваемом корпусе;
- ванна имеет крышку с проемом;
- через проем в крышке ванны проходит катод по ее оси.
Можно согласиться с мнением авторов, что благодаря такой конструкции известного электролизера упрощается его обслуживание, увеличиваются срок службы и надежность его работы, так как конструктивное усовершенствование электролизера, то есть отличительные признаки, направлено на создание герметичного соединении крышки с ванной воздействием сжатого газа.
Однако применение описанных выше известных электролизеров для получения МОХ-топлива проблематично и вот почему:
как следует из описаний первых двух изобретений по авторским свидетельствам СССР №457753 и №605869 циркуляция и интенсивное перемешивание электролита в электролизерах обеспечивается газообразным реагентом. Однако необходимо отметить, что для достижения интенсивного перемешивания потребуется намного больше (избыток) газообразного реагента (смеси хлора, кислорода и азота), чем требуется по стехиометрии для взаимодействия газообразного реагента с исходным порошкообразным продуктом. Непрореагировавший избыток газообразного реагента должен быть удален в систему газоочистки, что повлечет за собой усложнение последней и, как следствие, увеличение радиоактивно зараженных конструктивных элементов. В результате вырастут капитальные, энергетические, материальные и эксплуатационные затрат. Но самое важное - увеличится капельный унос растворенного исходного порошкообразного продукта уходящими излишками газообразного реагента, то есть будут происходить потери веществ, являющихся делящимися, что по условиям радиационной безопасности категорически недопустимо.
- принятый в качестве прототипа электролизер также не лишен недостатков. Отсутствие в формуле и в описании этого изобретения такого необходимого конструктивного признака, как устройство для подачи в электролизер газообразного реагента, исключает подачу последнего, а значит и электрохимическое осаждение диоксидов урана и плутония на твердом электроде.
- кроме того, в рассмотренных известных электролизерах отсутствует такой важный конструктивный элемент, как устройство для загрузки исходного порошкообразного продукта и, по-видимому, загрузку его осуществляют до начала процесса непосредственно в ванну на зеркало электролита. Объяснить это можно тем, что из-за ограниченности размеров электролизера, обусловленной соблюдением радиационной безопасности, в крышке аппарата чисто физически невозможно установить устройство для подачи газообразного реагента, устройство для загрузки исходного порошкообразного продукта и катод. Но тут же возникает проблема пыления порошкообразного продукта (измельченного ядерного топлива), унос его в систему газоочистки, что обусловливает потери учитываемого продукта. Кроме того, засыпаемый порошок ядерного топлива является плохосыпучим, а потому при попадании в электролит комкуется, что мешает его растворению. Все это и делает данные электролизеры непригодными для получения МОХ-топлива.
Заявляемый электролизер является техническим решением, которое содержит все необходимые и достаточные конструктивные признаки для получения МОХ-топлива и при этом решены все технические задачи, а именно:
- обеспечена ядерная безопасность конструкции электролизера по геометричеческим размерам;
- исключены потери участвующих в процессе делящихся материалов;
- минимизированы отходы, подлежащие захоронению после проведения электролиза.
Заявляемый электролизер, как и прототип, содержит заполненную электролитом графитовую ванну-анод, установленную с зазором в обогреваемом корпусе, и соосно размещенный в ней катод, закрепленный в проеме крышки ванны.
Электролизер отличается от прототипа тем, что он снабжен погруженным в электролит устройством для подачи газообразного реагента и соединенным с приводом вращения устройством для загрузки исходного порошкообразного продукта, внутренняя полость заглубленной в электролит нижней части которого образована прямым и обратным усеченными конусами, при этом в стенке обратного конуса по окружности выполнены отверстия, а графитовый катод и устройство для загрузки исходного порошкообразного продукта выполнены взаимосменяемыми.
В соответствии с п.2 формулы полезной модели внутри верхней части устройства для загрузки исходного порошкообразного продукта может быть размещена течка.
Заявляемое техническое решение соответствует всем условиям патентоспособности полезной модели:
- электролизер является новым, так как совокупность существенных признаков его не известна из уровня техники. При проведении заявителем патентных исследований не обнаружены технические решения, идентичные заявляемому по совокупности существенных признаков, что подтверждается и приведенными выше описаниями аналогов;
- электролизер промышленно применим, так как он может быть использован в промышленности; полезная модель в целом и ее отдельные конструктивные признаки выполнимы и воспроизводимы; ничто в предлагаемом решении не противоречит и не мешает использованию его в промышленном производстве с достижением ожидаемых технических результатов, указанных выше в настоящем описании.
Подтверждением патентоспособности заявляемого в качестве полезной модели решения являются приведенные далее описание конкретного выполнения и работы заявляемого объекта патентной защиты.
На приведенных чертежах - графическая иллюстрация электролизера: на фиг.1 - общий вид электролизера (в разрезе) с графитовым катодом, на фиг.2 - общий вид электролизера (в разрезе) с устройством для загрузки исходного порошкообразного продукта; на фиг.3 - разрез А-А.
В соответствии с фиг.1 электролизер содержит заполненную электролитом 1 графитовую ванну-анод 2, установленную с зазором 3 в обогреваемом корпусе 4, и соосно размещенный в ней катод 5, закрепленный в проеме 6 крышки 7 ванны-анода 2. Обогрев корпуса осуществляют с помощью электропечи сопротивления (на чертеже не показана).
В соответствии с фиг.2 электролизер снабжен закрепленным на крышке 7 и погруженным в электролит 1 устройством 8 для подачи газообразного реагента (газовой смеси хлора, кислорода и азота). Электролизер снабжен соединенным с приводом вращения устройством 9 для загрузки исходного порошкообразного продукта. В настоящем конкретном исполнении привод вращения состоит из двигателя 10 и редуктора, корпус 11 которого закреплен на крышке 7. Внутри корпуса 11 имеется зубчатая передача 12, связанная через подшипники 13 с устройством 9 для загрузки исходного порошкообразного продукта. Внутренняя полость 14 заглубленной в электролит 1 нижней части устройства 9 образована прямым 15 и обратным 16 усеченными конусами из графита, и в стенке обратного усеченного конуса 16 выполнены отверстия 17. Графитовый катод 5 и устройство 9 для загрузки исходного порошкообразного продукта выполнены взаимосменяемыми. Для подачи исходного порошкообразного продукта в устройство 9 к последнему герметично присоединен заполненный продуктом контейнер 18. Внутри верхней части устройства 9 может быть размещена течка 19, предназначенная для исключения возможного застревания порошкообразного продукта во вращающемся устройстве 9.
Работает электролизер следующим образом.
Перед началом работы электролизера с помощью печи сопротивления (на чертеже не показана) осуществляют обогрев корпуса 4 и ванны-анода 2 до полного расплавления находящейся в ней смеси солей хлоридов натрия и цезия и получения электролита.
Включают электродвигатель, приводящий во вращение устройство 9. Отверстия 17 совместно с внутренней конической поверхностью обратного конуса 16 создают центробежную силу, обеспечивающую циркуляцию электролита: вверх - в конусе 16, вниз - в ванне-аноде 2. В полости 14 верхней части конуса 16 образуется воронка из электролита, в которую после открытия контейнера 18 через верхнюю часть устройства 9 сыплется порошкообразный исходный материал - диоксиды урана и плутония. В воронке из электролита при выходе электролита через отверстия 17 и далее в ванне-аноде 2 происходит интенсивное перемешивание исходного порошкообразного продукта с электролитом.
В это же время через устройство 8 в перемешиваемый в ванне-аноде 2 электролит 1 подают газообразный реагент хлор-азот-кислород. В процессе хлорирования оксиды урана и плутония полностью растворяются. Состав расплава в процессе растворения оксидов урана и плутония корректируется подачей смеси хлора кислорода и азота по показаниям γ - спектра расплава. После окончательной корректировки состава расплава и определения, что диоксиды урана и плутония полностью растворены производят смену устройства 9 катодом 5, для чего устройство 9 вместе с приводом вращения вынимают из проема 6 крышки 7 и на это же место устанавливают катод 5, так как его присоединительные размеры к крышке 7 такие же как и присоединительные размеры устройства 9 к этой же крышке 7 электролизера.
На катод 5 и ванну-анод 2 подают напряжение, под действием которого происходит электрохимическое осаждение продукционных диоксидов урана и плутония. После окончания осаждения катод 5 отсоединяют от крышки 7 и ему на смену к крышке 7 присоединяют устройство 9 с приводом вращения.
Из описания работы заявляемого электролизера следует, что газообразный реагент (хлор+кислород+азот) не участвует в создании циркуляции и в перемешивании электролита с исходным порошкообразным продуктом., а потому его подают в количестве, необходимом по стехиометрии для химического взаимодействия с порошкообразными диоксидами урана и плутония. В результате отсутствует унос в газоочистительную систему и газообразного реагента, и порошкообразного продукта. Объясняется это тем, что перемешивание электролита и порошкообразного продукта происходит в замкнутом пространстве, ограниченном верхней частью устройства 9 с контейнером 18 и воронкой электролита, образовавшейся благодаря конструкции нижней части устройства 9 для загрузки порошкообразного продукта.
Отсутствует образование дополнительных радиоактивно зараженных отходов.
Электролизер по геометрическим размерам радиационно безопасен, и в нем имеются все необходимые для работы конструктивные узлы и детали.
Эти обстоятельства свидетельствуют о преимуществах заявляемого электролизера перед известными из уровня техники электролизерами.