УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕЗАКТИВАЦИИ РАДИОАКТИВНО ЗАГРЯЗНЕННЫХ ГРАФИТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ УРАН-ГРАФИТОВЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

Полезная модель относится к области обращения с радиоактивно загрязненными материалами, а именно с радиоактивно загрязненными графитовыми деталями ядерных реакторов уран-графитового типа, в активной зоне которых размещены топливо, графитовый замедлитель и теплоноситель.
Полезная модель может быть использована в радиохимическом производстве с целью дезактивации демонтированных радиоактивно загрязненных узлов уран-графитовых ядерных реакторов.
Проблема обращения с графитом активных зон уран-графитовых реакторов актуальна, так как в России и странах мирового сообщества ряд реакторов данного типа либо выработал штатный ресурс и остановлен, либо близок к выработке ресурса.
В ядерной энергетике России имеются восемнадцать действующих энергоблоков с реактором РБМК, четыре энергоблока с реакторами ЭГП-6 и два остановленных реактора АМБ-100 и АМБ-200 Белоярской атомной электростанции. Кроме того, в России остановлены 10 из 13 промышленных уран-графитовых реакторов. Активная зона и отражатель реактора РБМК-1000 содержат 1850 тонн ядерно чистого графита, реактора ЭГП-6 - 700 тонн, реакторов АМБ-100 и АМБ-200 - по 1025 тонн, промышленных реакторов - по 1025 тонн. Следовательно, в обозримом будущем (даже при условии продления срока службы энергоблоков) необходимо иметь надежные способы обращения с десятками тысяч тонн облученного графита для получения дезактивированного графита с последующим его захоронением.
При этом следует отметить, что вывод из эксплуатации остановленных ядерных реакторов уран-графитового типа - это прежде всего демонтаж радиоактивно загрязненных изделий (узлов, деталей) основного и вспомогательного оборудования энергоблоков. Демонтаж ядерного реактора, его узлов и оборудования невозможен без их дезактивации до надлежащего уровня и качества, проводимой в экологически безопасных для обслуживающего персонала условиях работы. Более того, одной из немаловажных задач при осуществлении электрохимической дезактивации радиоактивно загрязненных деталей из графита является обеспечение малых объемов подлежащих захоронению (или хранению) получаемых после дезактивации отходов.
Рассмотрим как решаются указанные задачи в известных из уровня техники средствах того же назначения, что и заявляемая полезная модель.
При проведении заявителем патентных исследований были выявлены технические решения, относящиеся к дезактивации радиоактивно загрязненных деталей уран-графитовых ядерных реакторов: RU 2056713, RU 2096845, RU 2110860, RU 2130656, RU 2138868, DE 3507334, FR 2541812, FR 2696864. Общим, что объединяет эти решения, является электрохимический метод дезактивации поверхностей деталей уран-графитовых ядерных реакторов, основанный на электрохимических процессах с переводом радионуклидов из твердого состояния в газообразное за счет электроокисления в кислородсодержащем электролите в качестве которого используется многократно опробированные азотнокислые растворы.
Известна установка для электрохимической дезактивации обоймы верхнего тракта уран-графитовых ядерных реакторов (см. патент РФ №2096845, 6 G21F 9/34, 1996). Установка состоит из ванны, заполненной электролитом, помещенными под зеркало электролита катодом и обоймой, включенной по схеме анода. При этом катод выполнен в виде двух труб, охватывающих обойму с двух сторон (внешней и внутренней). На трубах имеются центраторы обоймы. Катод имеет нижнюю торцевую опору, в которой смонтирован токоподвод, а установка снабжена устройством подачи обмывочной воды под высоким давлением, выполненным в виде расположенного над зеркалом электролита кольцевого коллектора, соосно расположенного по отношению к обойме, и прикрепленных к нему радиальных форсунок, направленных на обойму.
Известно также устройство для электрохимической дезактивации технологических каналов водографитовых ядерных реакторов (см. патент РФ №2138868, 6 G21F 9/30, 1998), содержащее помещенный в заполненный электролитом технологический канал и подключенный к источнику постоянного тока по схеме катода электрод с изоляторами и линию сжатого воздуха. Устройство снабжено установленной на обойме канала воронкой с душирующим ротором, насосом активной воды и расположенным в нижней части электрода водоструйным насосом, при этом электрод выполнен в виде двух концентрично расположенных труб, внутренняя из которых прикреплена к напорному соплу водоструйного насоса, всасывающее сопло которого сообщено с основанием калача, а насос активной воды и линия сжатого воздуха соединены с образованной внутренней и наружной трубами электрода кольцевой полостью, причем на внутренней трубе электрода установлен расположенный на его головке запорный вентиль, на линии сжатого воздуха обратный клапан, а воронка подключена к источнику постоянного тока по схеме анода.
«Технический результат состоит в повышении эффективности устройства за счет более полного удаления радиоактивного шлама из основания канала и расширении функциональных возможностей устройства».
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является «Установка для электрохимической дезактивации обоймы верхнего тракта уран-графитовых ядерных реакторов» (см. патент РФ №2130656, 6 G21F 9/28, 1998), выбранная в качестве прототипа.
Установка содержит ванну, заполненную электролитом, помещенные под зеркало электролита катод и обойму, включенную по схеме анода. При этом катод выполнен в виде двух труб, охватывающих обойму с двух сторон (внешней и внутренней). На трубах имеются центраторы обоймы. Токоподвод обоймы расположен на внутренней поверхности внешней трубы и выполнен в виде изолированного от внешней трубы кольца с внутренним конусом, обращенным вершиной к обойме, а установка снабжена устройством подачи обмывочной воды под давлением, выполненным в виде расположенного над зеркалом электролита кольцевого коллектора, соосно расположенного по отношению к обойме, и прикрепленных к нему радиальных форсунок, направленных на обойму.
«В результате увеличивается срок службы установки без периодического обслуживания и повышается ее надежность».
Сравнительный анализ совокупностей существенных признаков известных аналогов и заявляемого технического решения и их графических отображений выявил, что сходными признаками являются: электролизная ванна, заполненная электролитом, помещенные под зеркало электролита катод и анод, соединенные токоподводами с соответствующими полюсами источника тока. Остальные же признаки известных устройств направлены только на то, чтобы свести к минимуму нежелательные результаты электрохимического процесса, происходящего в электролизной ванне. И подтверждается это следующими разъяснениями.
В связи с тем, что традиционно состав электролита в известных решениях является кислородсодержащим (азотнокислый раствор или смесь серной кислоты с едкого калия), то при электроокислении образуются диоксиды выщелачиваемых радионуклидов на одном из электродов, а графит из твердого состояния переводится в газообразный оксид углерода. Газообразаный оксид углерода подвергается окислению кислородом, а присутствие в электролизной ванне устройств (кольцевой коллектор с форсунками, душирующий тор), подающих обмывочную воду, способствуют образованию угольной кислоты и попаданию ее в электролит, где уже находятся радиоактивные диоксиды. Следует объяснить, что обмывочная вода необходима для того, чтобы смывать с анода или катода механически оседающие твердые частицы оксидов, так как их присутствие там снижает эффективность процесса электролиза. В результате в установке-прототипе, да и в устройствах-аналогах тоже, происходит увеличение объема вторичных отходов. И, как необходимость, встает вопрос о дополнительных действиях и технологических операциях (отстаивание, упаривание, сушка и т.д.) с целью раздельного получения очищенного графита и радионуклидов в кондиции, годной для их захоронения (хранения). То есть известные устройства экономически невыгодны и технологически неэффективны.
Указанных недостатков лишено заявляемое устройство, так как в совокупности существенных признаков его присутствуют признаки, обусловловливающие его и технологическую, и экономическую эффективность. В результате осуществленной в заявляемом аппарате электрохимической дезактивации получают раздельные продукты графит и радионуклиды, готовые к следующей процедуре - захоронению (хранению).
Описанные недостатки описанных выше известных технических решений и обусловили создание специалистами ОАО «СвердНИИхиммаш» аппарата, совмещающего электрохимическую дезактивацию с электросепарацией, что приводит к избирательному переводу загрязняющих графит веществ (например, ядерного топлива) в виде ионов в раствор с одновременным наложением электрического поля для осаждения ионов радионуклидов на одном из электродов с образованием металлов.
Заявляемое устройство, как и прототип, содержит заполненную электролитом, электролизную ванну, помещенные под зеркало электролита катод и анод, соединенные токоподводами с соответствующими полюсами источника тока.
Устройство отличается от прототипа тем, что заполнена электролизная ванна высокотемпературным электролитическим расплавом хлоридов щелочных металлов, катод выполнен пластинчатым, а анод - в виде корзины из перфорированного графита для размещения в ней радиоактивно загрязненных графитовых изделий.
Заявляемая полезная модель соответствует условиям патентоспособности.
1. В качестве полезной модели, на которую испрашивается патент, заявляется техническое решение, относящееся к устройству.
2. Полезная модель является новой, так как совокупность ее существенных признаков не известна из уровня техники. При проведении заявителем патентных исследований не обнаружены технические решения, тождественные заявляемому по совокупности существенных признаков, что подтверждается и приведенными выше описаниями аналогов.
3. Заявляемая полезная модель является промышленно применимой, так как она может быть использована в промышленности. Все конструктивные признаки устройства воспроизводимы; вся совокупность признаков и каждый отдельно взятый признак формулы полезной модели не противоречат использованию устройства в производстве.
На представленном чертеже - схематичное изображение общего вида заявляемого устройства в разрезе.
Устройство для дезактивации должно быть изготовлено в соответствии с требованиями ядернобезопасного исполнения.
Оно содержит заполненную электролитом 1 электролизную ванну 2 с герметизизирующей крышкой 3, помещенные под зеркало «а» электролита 1 катод 4 и анод 5, соединенные токоподводами 6 и 7 с соответствующим полюсами источника тока 8: катод 4 соединен токоподводом 6 с отрицательным полюсом 9, а анод 5 - с положительным полюсом 10.
Катод 4 выполнен пластинчатым, а анод 5 - в виде корзины из перфорированного графита для размещения в ней радиоактивно загрязненных графитовых изделий 11 уран-графитовых ядерных реакторов. Заполнена электролизная ванна 2 высокотемпературным электролитическим расплавом хлоридов щелочных металлов, в качестве которого могут быть использованы, например, легкоплавкие безкислородные эвтектики хлоридов щелочных металлов.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Дистанционно управляемыми средствами механизации и транспорта графитовые детали 11 помещают в корзину-анод 5, которую с участка загрузки передают на участок электрохимической дезактивации. Здесь корзину-анод 5 с радиоактивно загрязненными графитовыми деталями 11 погружают под зеркало заполнившего электролизную ванну 2 высокотемпературного электролитического расплава 1 хлоридов щелочных. Таким же образом в расплав 1 в электролизной ванне 2 дистанционными средствами погружают и пластинчатый катод 4. После этого пластинчатый катод 4 соединяют через токоподвод 6 с полюсом 9 источника тока 8, а корзину-анод 5 через токоподвод 7 - с полюсом 10 источника тока 8. Указанные соединения осуществляют дистанционно с помощью средств механизации с использованием быстроразъемного подсоединения. Затем ванну 2 герметизируют, после чего замыкают электрическую цепь электролиза.
14
14
2
В графитовых деталях 11 при заданных величинах тока и напряжения анодно окисляются уран U, плутоний Pu и продукты их распада. Ионы радионуклидов с анода 5 перемещаются по электролиту 1 к катоду 4 и в гальваностегическом режиме разряжаются при цикличном изменения напряжения на электролизной ванне 2 от 0,2 вольт до 3, 5 вольт. При проведении научных исследований было выявлено, что указанный интервал ЭДС - потенциал выделения металлических радионуклидов на катоде 4. Одновременно с этим происходит перевод графита из твердого состояния в газообразное за счет электроокисления в электролите 2. Радиоизотоп С в виде С О потоком образующихся в процессе электролиза анодных газов выносится на поглотительную колонну.
По окончании дезактивации графитовых деталей электролизную ванну 2 разгерметизируют открытием крышки 3, катод 4 с выделившимися на нем катодными продуктами в виде металлов, например, U, PU и др., извлекают из ванны 2 и загружают в специального назначения радиационно-защитные транспортные контейнеры для твердых радиоактивных отходов.
Корзину-анод 5 с дезактивированными графитовыми деталями 11 извлекают из ванны 2 средствами дистанционной механизации. Графитовые детали 11 подвергают дозиметрическому контролю. Если показания приборов дозиметрической системы укладываются в норматив «чисто», то корзину 5 с деталями 11 передают на «чистый» участок разгрузки, где детали 11 перегружают в транспортные контейнеры; а если - «грязно», то корзину 5 с деталями 1 вновь погружают в ванну 2 для повторной дезактивации. В случае загрязнения электролита производится его очистка электрохимическим методом.
Из описанного выше следует, что по сравнению с известными техническими решениями, проанализированными в настоящем описании, заявляемое устройство обладает преимуществами:
- главное преимущество - это отсутствие увеличения объемов радиоактивных отходов, получаемых в результате электрохимической дезактивации радиоактивно загрязненных графитовых изделий уран-графитовых ядерных реакторов, в то время, как в работе конструкций аналогов и прототипа заложено увеличение жидких радиоактивных отходов. А этот недостаток обусловливает проведение дополнительных действий по снижению полученных объемов отходов, а значит потребует дополнительных капитальных, энергетических и эксплуатационных затрат, что исключено при использовании заявляемого устройства;
- с получаемыми на катоде заявляемого устройства металлическими радиоактивными отходами не возникнет трудностей при их захоронении (хранении) вследствие их малого объема, то есть материальные расходы на эту процедуру не будут обременительными.
Таким образом, заявляемое устройство эффективно как технологически, так и материально.