СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНОГО ЩЕЛОЧНОГО МЕТАЛЛА
METHOD OF RECYCLING RADIOACTIVE ALKALI METAL

Изобретение относится к радиохимии и методам переработки радиоактивных щелочных металлов.
Известен способ окисления щелочных металлов (Na, K, Rd, Cs) при взаимодействии расплавленного щелочного металла с водой или щелочным раствором (Локшин Э.П., Громов О.Г., Кузьмин А.П. Получение гидроксидов щелочных металлов // Теплофизика - 2002. Тепломассоперенос и свойства жидких металлов: Тез. докл. Рос. межотрасл. конф. 29-31 октября 2002 г. - Обнинск, 2002. - Матер. конф. - T.1. - С.237).
Способ применяется для получения особо чистых гидроксидов К, Rb, Cs.
Недостаток известного способа заключается в отсутствии апробации применительно к переработке радиоактивных щелочных металлов.
Наиболее близким по технической сущности является способ, описание которого изложено в патенте США №6,120,745. Дата патента: 19 сентября 2000.
В известном способе окисление распыляемого расплавленного натрия газом-реагентом осуществляют в кипящем слое оксидных частиц, находящемся внизу верхней камеры химического реактора. Для формирования кипящего слоя через реактор прокачивают аргон. Способ реализуют в режиме разовых загрузок оксидных частиц для кипящего слоя. Натрий распыляют распылителем, установленным на конце трубопровода подачи расплавленного щелочного металла и снабженным набором калиброванных отверстий. Для предотвращения уноса потоком аргона частиц кипящего слоя, размер которых больше 5 микрометров, в химическом реакторе установлен циклон.
Известный способ включает подачу газа-реагента в нижнюю камеру химического реактора, заполнение верхней камеры химического реактора газом-реагентом из нижней камеры через газопроницаемую перегородку, подачу радиоактивного расплавленного щелочного металла в верхнюю камеру химического реактора, распыление расплавленного щелочного металла в верхней камере химического реактора, взаимодействие в верхней камере химического реактора распыленного щелочного металла и газа-реагента с получением твердых продуктов переработки, накопление твердых продуктов переработки в нижней части верхней камеры и их извлечение.
Недостатки известного способа:
- циклический характер способа переработки и, как следствие, низкая производительность;
- калиброванные отверстия распылителя могут забиваться окисными продуктами, содержащимися в радиоактивном щелочном металле;
- возможен унос радиоактивных частиц кипящего слоя потоком аргона, который прокачивают через химический реактор.
Технический результат изобретения заключается в разработке более производительного периодического способа переработки радиоактивного щелочного металла, отсутствии калиброванных забивающихся отверстий для подачи расплавленного щелочного металла, в отсутствии циркуляции газа через химический реактор и уноса из него с газом радиоактивных частиц.
Для достижения технического результата в способе переработки радиоактивного щелочного металла, включающем подачу газа-реагента в нижнюю камеру химического реактора, заполнение верхней камеры химического реактора газом-реагентом из нижней камеры через газопроницаемую перегородку, подачу радиоактивного расплавленного щелочного металла в верхнюю камеру химического реактора, распыление расплавленного щелочного металла в верхней камере химического реактора, взаимодействие в верхней камере химического реактора распыленного щелочного металла и газа-реагента с получением твердых продуктов переработки, накопление твердых продуктов переработки в нижней части верхней камеры и их извлечение, предлагается расплавленный щелочной металл распылять отбойником струи щелочного металла в верхней части верхней камеры и при взаимодействии щелочного металла с газом-реагентом постоянно поддерживать избыточное давление газа-реагента в верхней камере химического реактора.
В частных случаях реализации способа предлагается:
- при переработке радиоактивного щелочного металла через проточную часть рубашки охлаждения химического реактора прокачивать охлаждающую среду,
- в качестве газа-реагента использовать закись азота или смесь кислорода от 50 об.% до 80 об.% и диоксида углерода от 50 об.% до 20 об.%.
Сущность изобретения поясняется примерной конструкцией химического реактора для реализации способа, представленной на фиг.1.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - верхняя камера химического реактора, 2 - газопроницаемая перегородка, 3 - запорный вентиль, 4 - манометр, 5 - напорный трубопровод охлаждающей среды, 6 - нижняя камера химического реактора, 7 - отбойник струи щелочного раствора, 8 - патрубок, 9 - рубашка охлаждения, 10 - сливной трубопровод охлаждающей среды, 11 - трубопровод вытяжной спецвентиляции, 12 - трубопровод подачи газа-реагента, 13 - трубопровод подачи расплавленного щелочного металла, 14 - шибер с электроприводом.
Данный химический реактор применяют для реализации способа переработки радиоактивного щелочного металла.
Способ включает следующие операции: подачу газа-реагента в нижнюю камеру 6 химического реактора, заполнение верхней камеры 1 химического реактора газом-реагентом из нижней камеры 6 через газопроницаемую перегородку 2, подачу радиоактивного расплавленного щелочного металла в верхнюю камеру 1 химического реактора, распыление расплавленного щелочного металла отбойником 7 струи щелочного металла в верхней части верхней камеры 1, взаимодействие в верхней камере 1 химического реактора распыленного щелочного металла и газа-реагента при постоянном поддерживании избыточного давления газа-реагента в верхней камере 1 с получением твердых продуктов переработки, накопление твердых продуктов переработки в нижней части верхней камеры 1 и их извлечение.
Подача газа-реагента в нижнюю камеру 6 химического реактора, заполнение верхней камеры 1 химического реактора газом-реагентом из нижней камеры 6 через газопроницаемую перегородку 2 предназначены для равномерного поступления газа-реагента в верхнюю камеру 1. Подача радиоактивного расплавленного щелочного металла в верхнюю камеру 1 химического реактора предназначена для приведения в контакт расплавленного щелочного металла с находящимся в верхней камере 1 газом-реагентом. Распыление расплавленного щелочного металла отбойником 7 струи щелочного металла в верхней части верхней камеры 1 предназначено для увеличения площади взаимодействия щелочного металла и газа-реагента. Взаимодействие в верхней камере 1 химического реактора распыленного щелочного металла и газа-реагента при постоянном поддерживании избыточного давления газа-реагента в верхней камере 1 с получением твердых продуктов переработки предназначено для восполнения расходуемого в химической реакции газа-реагента и обеспечения непрерывности процесса в течение периода переработки. Накопление твердых продуктов переработки в нижней части верхней камеры 1 и их извлечение предназначено для определения конца периода переработки щелочного металла и начала выдачи продуктов переработки.
В частных случаях реализации способа:
Прокачка охлаждающей среды при переработке радиоактивного щелочного металла через проточную часть рубашки 9 предназначена для охлаждения химического реактора.
3
2
2
Использование закиси азота в качестве газа-реагента предназначено для и получения твердого продукта переработки в виде смеси нитрата MeNO, нитрита MeNO и оксида MeO.
2
3
Использование в качестве газа-реагента смеси кислорода от 50 об.% до 80 об.% и диоксида углерода от 50 об.% до 20 об.% предназначено для получения твердого продукта переработки, карбоната щелочного металла MeCO.
Пример конкретной реализации способа.
3
2
2
Подают в нижнюю камеру 6 закись азота. Из нижней камеры 6 закись азота поступает через газопроницаемую перегородку 2 в верхнюю камеру 1. Устанавливают в химическом реакторе избыточное давление газа-реагента, равное 0,1 МПа по манометру 4. Подают струю расплавленного щелочного металла в верхнюю часть верхней камеры 1 и распыляют щелочной металл отбойником 7 струи щелочного раствора. Образующиеся частицы щелочного металла вступают в плотный контакт с закисью азота. Получаемый в результате химической реакции твердый продукт переработки, представляющий собой смесь нитрата MeNO, нитрита MeNO и оксида MeO, в виде порошка оседает в нижней части верхней камеры 1 и накапливается в ней.
В процессе переработки осуществляют поддержание избыточного давления газа-реагента, который расходуется в процессе переработки. Подача газа-реагента снизу гарантирует окисление случайно не окислившегося щелочного металла в массе твердого продукта переработки. После наполнения нижней части химического реактора открывают дистанционно шибер 8 и высыпают твердый продукт переработки из химического реактора.
При соблюдении технологических параметров процесс протекает в регулируемом, периодическом, безопасном режиме.
Аналогичным будет переработка щелочного металла с использованием в качестве газа-реагента смеси кислорода от 50 об.% до 80 об.% и диоксида углерода от 50 об.% до 20 об.%.
Получен технический результат изобретения:
- разработан более производительный периодический способ переработки радиоактивного щелочного металла с окисными продуктами,
- отсутствуют забивания линии подачи расплавленного щелочного металла за счет использования для распыления отбойником 7 струи щелочного раствора,
- отсутствует унос из химического реактора радиоактивных частиц за счет отсутствия циркуляции газа через химический реактор.