УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЕГИРОВАННЫХ ОКСИДОВ УРАНА ПУТЕМ КОНВЕРСИИ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА

Полезная модель относится к технологии получения оксидов урана из гексафторида урана. Одним из путей реализации существующей в ядерной энергетике тенденции к снижению стоимости топливного цикла является повышение глубины выгорания топлива и более длительная работа реактора без перегрузки путем введеня легирующих добавок оксидов алюминия, кремния, хрома.
Порошки диоксида урана для изготовления таблеток, являющихся ядерным топливом, получают, в основном, путем конверсии гексафторида урана с обогащением по изотопу уран-235 до 5 мас.%. Указанные выше легирующие добавки химических элементов в настоящее время вводят либо механическим смешиванием, либо со "связкой" (поливиниловым спиртом) на операции получения пресспорошков. Однако в обоих приемах трудно выдержать равномерность распределения легирующих добавок по объему порошка диоксида урана, а, следовательно, и в таблетках.
Наиболее перспективным направлением для повышения равномерности распределения легирующих добавок в объем порошка диоксида урана и в таблетке является возможность введение их в процессе получения порошков диоксида урана - конверсии гексафторида урана.
Известно устройство для конверсии гексафторида урана в оксиды урана, содержащее цилиндрический корпус, образующий камеру сгорания. [Патент US №4031029, МПК C01G, 43/02]. В корпусе установлены центральный канал, снабженный соплом для
процессе получения порошков диоксида урана - конверсии гексафторида урана.
Известно устройство для конверсии гексафторида урана в оксиды урана, содержащее цилиндрический корпус, образующий камеру сгорания. [Патент US №4031029, МПК C01G, 43/02]. В корпусе установлены центральный канал, снабженный соплом для подачи гексафторида урана, средство для подачи кислородсодержащего газа и средство для подачи водорода. В боковой поверхности корпуса установлены патрубки с форсунками для распыления жидкости с высокой скрытой теплотой парообразования для понижения температуры факела с целью получения более дисперсных порошков оксидов урана.
Однако патрубки для впрыскивания жидкости в реакционную зону устройства, расположенные на боковой поверхности корпуса, пригодны только для введения жидкостей, которые лишь испаряются, но не содержат каких-либо химических соединений, разлагающихся при сравнительно низких температурах (порядка 150°С). Поскольку патрубки в данной конструкции располагаются вблизи более высокой температуры, это может способствовать забивке отверстий форсунки твердыми продуктами разложения и быть неремонтоспособными.
Наиболее близким по технической сущности и по достигаемому результату является устройство для конверсии гексафторида урана в оксиды урана, выбранное в качестве прототипа. [Патент РФ №2211185, МПК C01G, 43/025].
Это устройство содержит корпус с крышкой, образующий камеру сгорания. В камере сгорания установлен центральный канал, снабженный соплом для подачи гексафторида урана, средство подачи кислородсодержащего газа и средство подачи водорода. Корпус выполнен в виде последовательно расположенных диффузорного,
цилиндрического и конфузорного участков. На диффузорном участке корпуса установлена крышка. В диффузорном участке расположено сопло центрального канала, вокруг которого размещен открытый торец средства подачи кислородсодержащего газа, а открытый торец средства подачи водорода расположен вокруг открытого торца средства подачи кислородсодержащего газа. Внизу камеры сгорания размещено устройство для выгрузки полученных оксидов урана.
Однако существенным недостатком такой конструкции является наличие большого диффузорного участка корпуса и относительно небольшого размера крышки, на которой невозможно разместить дополнительный патрубок для установки форсунки для введения в реакционную зону легирующих добавок в виде распыленных растворов химических элементов. Большой диффузорный участок будет препятствовать равномерному распределению распыляемого раствора в реакционном объеме, так как часть распыленного раствора будет оседать на стенках диффузорного участка корпуса, что понизит требуемое количество легирующих добавок в оксидах урана.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является разработка и создание устройства для получения легированных оксидов урана путем конверсии гексафторида урана.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемой полезной моделью, является увеличение размера зерна в спеченной таблетке, позволяющее понизить газовыделение и взаимодействие добавок с оболочкой твэла в условиях более длительной кампании работы реакторов и увеличение выгорания топлива. Полученные порошки содержат требуемое количество легирующих химических элементов, равномерно распределенных по всему объему порошка
Для решения поставленной задачи устройство для получения легированных оксидов урана путем конверсии гексафторида урана
содержит формирующий камеру сгорания корпус, на крышке корпуса размещено горелочное устройство, сообщенное с камерой сгорания. Горелочное устройство, выполнено в виде коаксиально установленных центрального сопла для подачи гексафторида урана, промежуточного сопла для подачи кислородсодержащего газа и внешнего сопла для подачи водорода, корпус размещен в электропечи, а внизу камеры сгорания установлено устройство для выгрузки полученных оксидов. Предлагаемое устройство дополнительно снабжено форсункой для подачи и распыления раствора легирующих химических элементов, расположенной в патрубке, размещенном на крышке корпуса, причем выходное отверстие патрубка с форсункой направлено в сторону торцов сопел горелочного устройства, выполненного в виде оболочек цилиндрической формы.
В частном варианте корпус выполнен в виде последовательно расположенных цилиндрического участка с большим диаметром, конфузорного участка и цилиндрического участка с меньшим диаметром.
На фигуре представлено предлагаемое устройство схематически в разрезе по вертикальной плоскости.
Устройство для конверсии гексафторида урана в оксиды урана содержит корпус 1, образующий камеру сгорания. На корпусе установлена крышка 2. На крышке размещено горелочное устройство, выполненое в виде коаксиально расположенных - центрального сопла 3 для подачи гексафторида урана, промежуточного сопла 4 для подачи кислородсодержащего газа и внешнего сопла 5 для подачи водорода. Горелочное устройство выполнено в виде оболочек цилиндрической формы. На крышке размещен патрубок 6 с форсункой 7 для подачи и распыления раствора легирующего химического элемента в
реакционную зону камеры сгорания. Корпус размещен в электропечи 8, а внизу камеры сгорания установлено устройство для выгрузки полученных оксидов урана (на фиг. не показано).
Устройство для получения легированных оксидов урана работает следующим образом.
Стенки корпуса 1 устройства для получения легированных оксидов урана нагревают с помощью электропечи 8 до температуры выше температуры воспламенения кислорода. В центральное сопло 3 горелочного устройства, размещенного на крышке 2, подают гексафторид урана, в промежуточное сопло 4 подают кислородсодержащий газ, а в наружное сопло 5 - водород. Через форсунку 7, размещенную в патрубке 6, установленном на крышке корпуса, в реакционную зону подают распыленный раствор добавляемого химического элемента. Отверстие патрубка с форсункой направлено в сторону торцов центрального, промежуточного и внешнего сопел таким образом, чтобы распыленный раствор добавляемого химического элемента попадал непосредственно в пламя факела, горелки. Порядок подачи исходных реагентов следующий. Вначале подают водород, затем кислородсодержащий газ. Поскольку температура стенок устройства выше температуры воспламенения смеси водорода и кислородсодержащего газа, составляющей 525°С, происходит мгновенное возгорание факела. В горящий факел одновременно подают гексафторид урана и раствор добавки химического элемента. В результате происходит конверсия гексафторида урана продуктами горения водорода и кислородсодержащего газа. Одновременно растворенное соединение добавляемого химического элемента при температуре факела разлагается до оксидов (температура их разложения составляет от 130 до 150°С) и равномерно смешивается с оксидами урана.
Верхний цилиндрический участок корпуса позволяет равномерно распределить распыленный раствор химического элемента в реакционной зоне, конфузорный участок способствует сужению большого верхнего цилиндрического участка в меньший нижний цилиндрический участок, что конструктивно упрощает переход реакционной зоны в трубу разгрузочного устройства для перемещения образующейся пылегазовой смеси к корпусу фильтров
Равномерность распределения оксидов легирующих добавок в порошке оксидов урана повышается на последующих стадиях обработки порошка: в печах их доводки до требуемой по ТУ качеству, магнитной сепарацией, просеиванием и гомогенизацией в смесителях.
В качестве легирующих примесей в получаемый порошок диоксида урана вводят алюминий, кремний, хром. Аналогичным способом в порошок диоксида урана можно вводить выгорающие добавки - гадолиний и эрбий. Кроме того, возможна совместная переработка гексафторида урана и очищенного раствора уранилнитрата.
Таким образом, полученный порошок оксидов урана содержит требуемое количество легирующих химических элементов, равномерно распределенных по всему объему порошка, а, следовательно, и в спеченных из него таблетках, что существенно улучшит их качество.