СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЦИРКОНИЕВЫХ ОБОЛОЧЕК СТЕРЖНЕВЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ
METHOD OF BREAKING DOWN ZIRCONIUM CLADDING OF FUEL RODS OF FUEL ASSEMBLY

Изобретение предназначено для демонтажа ядерного топлива, например, перед его регенерацией, с помощью химических средств и может быть использовано в радиохимической промышленности для подготовки к регенерации ядерного топлива из облученных в ядерных энергетических реакторах стержневых тепловыделяющих элементов тепловыделяющих сборок.
Процесс разрушения оболочек облученных тепловыделяющих элементов с ядерным топливом требует постоянного совершенствования технологии переработки отработавших тепловыделяющих сборок для обеспечения более полного отделения ядерного топлива от конструкционного материала и сведения к минимуму потерь ядерного топлива на всех стадиях переработки его до получения целевого продукта - вторичного ядерного топлива.
Отработавшее в ядерных энергетических реакторах ядерное топливо необходимо регенерировать с целью его воспроизводства и повторного использования в качестве целевого продукта. Однако сначала должен быть осуществлен процесс подготовки отработавшего топлива к регенерации, то есть произведено разрушение, или вскрытие, заполненных (снаряженных) топливом циркониевых оболочек тепловыделяющих элементов.
Известен способ демонтажа выгоревших топливных стержней ядерного реактора (см. заявку Франции №2479537, кл. G21C 19/34, 1980), в котором, «с целью демонтажа выгоревших топливных элементов на основе циркония, элементы насыщают водородом при 300-400°С в атмосфере водорода. После охлаждения элементы размельчают с помощью инструмента ударного действия за счет их хрупкости. Полученная дробь затем поступает на переработку.»
Достоинством способа является то, что после охрупчивания конструкционного материала оболочек с помощью водорода и механического разрушения частицы оболочек имеют достаточно большие размеры, что создает условия для предварительного отделения ядерного топлива от конструкционных материалов ТВС, а вследствие перехода циркониевой оболочки в охрупченное состояние исключается проявление пирофорности.
Однако использование агрессивного взрывоопасного водорода в качестве химического средства для разрушения оболочек тепловыделяющих элементов опасно возможностью взрыва при высокой температуре, при которой предусмотрено осуществление способа демонтажа выгоревших топливных стержней ядерного реактора. Опасность взрыва осложнена еще и тем, что перерабатываемый материал является радиоактивным.
Наиболее близким к заявляемому является способ предварительной обработки отработавшего ядерного топлива легководных реакторов (заявка Японии №5-35837, кл. G21C 19/34, 1985), принятый в качестве прототипа.
В соответствии с описанием данного способа и графическим отображением (схемой) осуществления его каждую отработавшую топливную сборку (тепловыделяющую сборку) 10 устанавливают на позиции 11 для разрезания, то есть для отделения от тепловыделяющей сборки частей из нержавеющей стали и удаления их (по стрелке 9) на позицию 12. Оставшиеся куски тепловыделяющей сборки, а именно «отработавшее ядерное топливо в виде твэлов с оболочками из циркалоя» транспортируют с позиции 11 на позицию 14 и далее на позицию 15 для проведения процесса удаления оболочек. Оболочки «подвергают обработке, заключающейся в попеременном нагреве (позиция 17) в атмосфере, содержащей кислород, до температуры 700-1200°С и охлаждении. После окисления оболочек и потери ими своей прочности (охрупчивания) их механическим путем разрушают, извлекая из них топливные таблетки.». Извлечение последних происходит в процессе сепарации на позиции 19, при этом получают отдельно циркониевый песок на позиции 18 и топливные таблетки на позиции 20. На позиции 21 циркониевый песок перерабатывают как отход, а на позиции 22 растворяют и очищают ядерное топливо.
Сравнительный анализ признаков прототипа и заявляемого способа показал, что сходными признаками являются следующие:
- собственно осуществление разрушения идентичных циркалоевых (в прототипе) и циркониевых (в заявляемом способе) оболочек тепловыделяющих элементов;
- отделение от тепловыделяющей сборки элементов из нержавеющей стали, а таковыми являются головки и хвостовики тепловыделяющих элементов, а также направляющие каналы для поглотительных элементов;
- транспортирование тепловыделяющей сборки на охрупчивание оболочек тепловыделяющих элементов;
- охрупчивание, осуществляемое в замкнутом пространстве в атмосфере, содержащей кислород, при нагреве до температуры 900-1200°С;
- механическое разрушение охрупченных оболочек;
- удаление топлива, разрушенных оболочек тепловыделяющих элементов и других элементов сборки.
В способе по заявке Японии также исключено проявление пирофорности циркалоя, отсутствует и недостаток предыдущего аналога - нет опасности взрыва. Кроме того, в способе конкретизированы действия и операции над материальными объектами - отработавшими тепловыделяющими сборками, оболочками тепловыделяющих элементов, ядерным топливом и конечными продуктами разрушения оболочек тепловыделяющих элементов, что обусловливает законченность процесса.
Однако этот способ имеет недостатки, влияющие на качество подготовленного отработавшего ядерного топлива к вторичной переработке. Ранее отмечалось, что при подготовке к регенерации самым важным является обеспечение наиболее полного отделения топлива от конструкционного материала и улавливание продуктов деления. Такой технический результат не может быть достигнут в способе по заявке Японии № 5-3583 и вот почему.
Под воздействием кислорода и высокой температуры циркалой охрупчится, однако в этом охрупчивании присутствует нежелательный результат. Специалистами ОАО «Свердниихиммаш», авторами изобретения по настоящей заявке, были проведены испытания по охрупчиванию циркониевых оболочек именно при тех режимах, при которых должен осуществляться способ по заявке Японии № 5-3583. В результате испытаний было выявлено, что от воздействия кислорода при высоких температурах, указанных в прототипе в заявленном диапазоне, оксиды циркония образуются в виде очень мелкого порошка (тонкослойных чешуек) с размерами менее 1 мм. Кроме того, было обнаружено, что кислород, диффундируя через охрупченную оболочку тепловыделяющего элемента, интенсивно взаимодействует и с материалом ядерного топлива - диоксидом урана, в результате чего образуется закись-окись урана U3O8 также в виде мелкого порошка, частицы которого соразмерны с частицами оксидов циркония. В процессе предварительного отделения, то есть в процессе сепарации на позиции 19 по заявке Японии, вместе с порошкообразным материалом оболочек будет неизбежно удаляться значительное количество топлива в виде порошка. Это вызовет нежелательные потери учитываемого продукта.
В прототипе не указан метод нагрева перерабатываемой тепловыделяющей сборки. При отсутствии указания на конкретный вид нагрева логично предположить, что в прототипе подразумевается обычный радиационный нагрев, когда тепло передается лучеиспусканием от горячей поверхности, окружающей тепловыделяющую сборку в замкнутом пространстве. В таком случае прогрев оболочек по сечению достаточно массивного изделия как тепловыделяющая сборка из-за большого количества в ней тепловыделяющих элементов займет много времени, что не позволит достигнуть заданную производительность процесса, а кроме того вызовет неравномерное в поперечном сечении тепловыделяющей сборки охрупчивание оболочек тепловыделяющих элементов, а значит и перегрев наружных тепловыделяющих элементов, то есть на периферии тепловыделяющей сборки. Последнее обстоятельство вызовет перегрев и ядерного топлива, в результате чего будет происходить частичное преобразование таблеток ядерного топлива в порошок, в то время как в центре тепловыделяющей сборки оболочки тепловыделяющих элементов не будут полностью охрупчены. При последующей сепарации полученной смеси охрупченного материала оболочки и ядерного топлива порошкообразное ядерное топливо уходит с циркониевым песком, а не с основной массой таблеток ядерного топлива, что обусловит недопустимые потери учитываемого продукта.
В конечном счете из-за указанных выше недостатков известного способа по японской заявке придется производить дополнительную операцию по разделению порошкообразного ядерного топлива и порошкообразного материала оболочек, что потребует дополнительных затрат денежных средств и времени.
Вышеописанные недостатки исключены в заявляемом техническом решении. При его использовании потери ядерного топлива будут снижены до минимума и не потребуется непредусмотренных затрат ни денежных средств, ни времени.
Заявляемый способ, как и прототип, включает отделение от тепловыделяющей сборки элементов из нержавеющей стали - головок, хвостовиков, направляющих каналов для поглотительных элементов, транспортирование тепловыделяющей сборки на охрупчивание оболочек тепловыделяющих элементов, осуществляемое в замкнутом пространстве в воздушной среде при нагреве до температуры 900-1200°С, механическое разрушение охрупченных оболочек, удаление топлива и разрушенных оболочек тепловыделяющих элементов тепловыделяющей сборки.
Способ отличается тем, что воздух в замкнутом пространстве обогащают азотом до содержания в воздухе кислорода, равного 5-10 об.%, а нагрев производят в индукционном магнитном поле с частотой 40-100 кГц, в которое оставшуюся часть тепловыделяющей сборки подают сразу целиком или частями.
Кроме того, в соответствии с п.2 формулы изобретения элементы из нержавеющей стали отделяют от тепловыделяющей сборки перед транспортированием ее в замкнутое пространство путем отрыва элементов от мест крепления их к тепловыделяющей сборке при локальном индукционном нагреве с последующим удалением элементов.
Заявляемый способ разрушения циркониевых оболочек стержневых тепловыделяющих элементов тепловыделяющей сборки осуществляют следующим образом.
Отработавшую тепловыделяющую сборку помещают в камеру с биологической защитой и с предусмотренным дистанционным обслуживанием размещенного в ней технологического оборудования. Перед транспортированием тепловыделяющей сборки на охрупчивание оболочек тепловыделяющих элементов отделяют от тепловыделяющей сборки элементы из нержавеющей стали: головку, хвостовик и направляющие каналы для поглотительных элементов, например механической отрезкой.
В соответствии с п.2 формулы для отделения от выделяющей сборки элементов из нержавеющей стали ее зажимают с двух сторон и создают растягивающее усилие, одновременно производя локальный индукционный нагрев места соединения тепловыделяющей сборки с каждым из отделяемых элементов. Прочность металла в этом месте по мере нагревания уменьшается, и наступает момент отрыва элемента от тепловыделяющей сборки. Дальше тепловыделяющую сборку транспортируют в замкнутое пространство, в герметичную камеру с дистанционным обслуживанием, на охрупчивание оболочек тепловыделяющих элементов. Охрупчивание оболочек осуществляют в воздушной среде этого замкнутого пространства при нагреве до 900-1200°С в индукционном магнитном поле с частотой 40-100 кГц.
Воздушную среду в замкнутом пространстве обогащают азотом, доводя содержание кислорода в воздухе до 5-10 об.%. В результате одновременного воздействия на циркониевые оболочки тепловыделяющих элементов высокой температуры, индукционного магнитного поля и воздушной среды, обогащенной азотом, в материале оболочек происходят разрушительные изменения межкристаллитных связей. При нагреве оболочек в интервале температур от 900°С до 1200°С, обеспечиваемых воздействием окружающего тепловыделяющую сборку индукционного магнитного поля с частотой 40-100 кГц, цирконий образует с азотом и кислородом соединения, не обладающие прочностью металла, а приобретающие хрупкость, хотя внешне форма оболочки еще сохраняется.
Затем осуществляют механическое разрушение охрупченных оболочек тепловыделяющих элементов, например сдавливанием тепловыделяющей сборки инструментом, перемещающимся в плоскости, перпендикулярной направлению транспортирования тепловыделяющей сборки в герметичной камере.
Разрушенный материал охрупченных оболочек представляет собой куски охрупченной оболочки с преимущественными размерами от 5 до 30 мм, содержание частиц с размерами менее 1 мм (мелкая фракция) не превышает 5 мас.%.
Заявленные интервалы по содержанию кислорода в воздухе в замкнутом пространстве 5-10 об.% и частоты 40-100 кГц индукционного магнитного поля выбраны не случайно. При проведении многочисленных экспериментов были изучены основные аспекты процесса газотермического охрупчивания циркониевых оболочек тепловыделяющих элементов и определены величины параметров, обеспечивающих необходимую скорость и степень охрупчивания. По результатам исследований было установлено, что необходимыми и достаточными являются именно заявленные в п.1 количественные признаки: содержание кислорода в воздухе в замкнутом пространстве и частоты индукционного магнитного поля. Соблюдение этих параметров совместно с осуществлением перечисленных в формуле изобретения действий и операций обеспечит достижение технического результата, а именно так подготовить отработавшее ядерное топливо к основным стадиям регенерации, чтобы снизить до минимума потери ядерного топлива.
При обогащении азотом воздуха в замкнутом пространстве до содержания кислорода менее 5 об.% скорость газотермической обработки циркониевой оболочки низка, в связи с чем оболочка долго сохраняет пластичность, то есть медленно охрупчивается. Такой технический результат обусловливает низкую производительность процесса разрушения оболочек тепловыделяющих элементов, что нежелательно при промышленной переработке отработавших тепловыделяющих сборок.
3
8
Обогащение азотом воздуха в замкнутом пространстве до содержания выше 10 об.% может вызвать описанный выше недостаток способа-прототипа, а именно, образование оксидов циркония в виде мелкого порошка (тонкослойных чешуек) с размерами менее 1 мм, а также непредвиденное и нежелательное окисление диффундирующим через уже охрупченную оболочку кислородом диоксида урана. Образующаяся закись-окись UO представляет собой мелкий порошок, частицы которого соразмерны с мелкими частицами оксидов циркония. При дальнейшем отделении конструкционного материала от ядерного топлива неизбежны потери последнего, так как соразмерные частицы оболочки и топлива будут удаляться вместе.
Выбор заявленного интервала частот индукционного магнитного поля, в котором осуществляется нагрев разрушаемых оболочек, также обоснован экспериментально.
При исследованиях было обнаружено следующее: при частоте 40 кГц на нагрев циркониевой оболочки затрачивалось меньше мощности источника нагрева, чем при частоте менее 40 кГц. Причина в том, что глубина проникновения индукционного магнитного поля при частоте менее 40 кГц больше, чем толщина стенки оболочки, и индукционное магнитное поле этой частоты, пройдя через толщину оболочки, не использовалось на ее нагрев полностью, а рассеивалось в пространстве. Таким образом, затраченная мощность не использовалась в полной мере для нагрева металла оболочки до температуры, необходимой для достижения эффекта охрупчивания оболочки под воздействием азота и кислорода.
Как показали дальнейшие исследования режимов процесса охрупчивания циркониевых оболочек тепловыделяющих элементов, при частоте 100 кГц индукционного магнитного поля и под воздействием газообразных азота и кислорода циркониевые оболочки полностью теряют пластичность и охрупчиваются. При значениях частоты более 100 кГц было зафиксировано, что циркониевые оболочки прогревались менее интенсивно в связи с малой глубиной проникновения индукционного магнитного поля в материал оболочки. В результате температура нагрева последней не достигала заданных величин 900-1200°С и охрупчивания оболочек в нужной степени не происходило. А так как процесс подготовки отработавшего ядерного топлива с целью его воспроизводства предусматривает полное отделение топлива от конструкционного материала, то оболочку необходимо продолжать нагревать, а значит увеличивать мощность источника нагрева. Более высокая частота, кроме того, обусловливает увеличение напряжения тока, что небезопасно, так как возникает вероятность пробоя промежутков между токоподводящими элементами, а значит и энергетической аварии, то есть процесс будет и неэкономичным, и небезопасным.
Использование заявляемого способа в промышленных условиях обеспечит многочисленные преимущества в сравнении с используемой в настоящее время в действующем радиохимическом производстве механической резкой (рубкой) отработавших тепловыделяющих сборок:
- обеспечена возможность предварительного (до переработки самого топлива) отделения топлива от материала оболочек;
- устранена пирофорность материала оболочек;
- заявляемое разрушение циркониевых оболочек тепловыделяющих оболочек является предпосылкой для улучшения качественных характеристик целевого продукта: мелкодисперсное состояние со значительно большей удельной поверхностью, ускоряющей и облегчающий процесс растворения; отсутствие в целевом продукте конструкционного материала или его незначительное количество (не более 5%), не влияющее на процесс фильтрации технологических растворов; облегчение очистки целевого продукта от легколетучих и газообразных радионуклидов продуктов деления, что снизит удельную активность ядерного топлива в 3-5 раз и более.
Все перечисленные выше преимущества делают переработку отработавшего ядерного топлива заявленным способом более экономичной за счет снижения потерь ядерного топлива, капитальных, энергетических, эксплуатационных затрат и затрат на обеспечение пожарной и экологической безопасности.