ЭЛЕКТРОЛИЗЁР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЦИРКОНИЯ ИЗ ТВЁРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к устройствам для электролитического получения металлов и их соединений. Она может быть использована, преимущественно, в радиохимическом производстве для получения металлического циркония из фрагментированных твердых радиоактивных отходов (ТРО), а также может быть успешно использована в химической и металлургической отраслях промышленности.
Известно, что металлический цирконий является наиболее употребительным конструкционным материалом в атомной технике и используется, в частности, для изготовления из него оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), заполняемых ядерным топливом. ТВЭЛ снаряжают тепловыделяющие сборки (ТВС), размещаемые в определенном порядке в энергетическом ядерном реакторе, при этом конструктивные элементы ТВС, обеспечивающие строго заданное положение ТВЭЛ в ТВС, и концевые детали ТВС выполнены из нержавеющей стали.
Ценность металлического циркония как конструкционного материала для атомной техники определяется тем, что цирконий имеет малое сечение захвата тепловых нейтронов, высокую антикоррозионную стойкость, хорошие механические свойства, в связи с чем его используют в больших объемах в атомной энергетике для изготовления оболочек ТВЭЛ для тепловых ядерных реакторов типа ВВЭР и РБМК атомных электростанций.
Отработавшие заданный технологическим регламентом срок ТВС вместе с ТВЭЛ удаляют из ядерного реактора, после чего их транспортируют в специальное хранилище и выдерживают там в течение 5-7 лет до того времени, как возникнет необходимость их утилизировать. На практике срок хранения достаточно велик, переработка отходов не производится, а значит идет их накопление, и возникает необходимость удаления радиационной опасности из сферы обитания человека путем переработки отходов с целью их дезактивации.
Цирконий содержащие фрагментированные ТРО образуются в результате полного цикла переработки выдержанных в хранилище отработавших ТВС. Переработка уже существует десятки лет и включает следующие основные переделы: механическое измельчение, а именно, рубка ТВС на металлические фрагменты размером ~30 мм с одновременным высыпанием из них ядерного топлива, затем химическая обработка полученной смеси азотной кислотой до полного растворения топлива и смыва его с металлических фрагментов, после чего растворенное топливо отправляют на регенерацию, а металлические фрагментированные отходы - в хранилище.
Следует отметить, что в настоящее время металлический цирконий производят из природной руды, и производство это широкомасштабное, так как требуется большое количество циркониевых оболочек для действующих атомных станций, и дорогое, так как в данном производстве задействованы многие технологические переделы.
Указанные выше ценность и достоинства металлического циркония и его востребованность в атомной энергетике являются значительным основанием для создания технологии и оборудования для производства дезактивированного металлического циркония с целью его дальнейшего использования в атомной энергетике.
Наиболее оптимальным вариантом, по мнению авторов заявляемого технического решения, является получение из цирконийсодержащих ТРО из дезактивированного металлического циркония путем электролиза.
Известен барабанный электролизер (Авторское свидетельство СССР №619550, МПК C25C 7/00, опубл. 15.08.1976 г.), включающий корпус с торцевыми крышками и уплотнениями, полый барабан-катод, выполненный из металла (титан или нержавеющая сталь) и концентрично установленный на соединенном с приводом валу внутри анода, патрубки для подвода и отвода электролита и диафрагму. При этом анод снабжен газоотводящей системой и выполнен пористым, а внутри вала катода выполнены каналы для подвода в полость катода и отвода из нее охлаждающей жидкости. Анод может быть выполнен из графита или многослойной сетки и покрыт фильтрующей диафрагмой.
В электролизер подают электролит - водные растворы солей цветных металлов, к катоду и аноду подводят напряжение, включают вращение катода, и подают охлаждающую воду для охлаждения катода и анода. В процессе электролиза происходит осаждение на катоде металла в виде ленты, а отработанный электролит удаляют.
Однако, в водных растворах радиоактивно загрязненного металла процесс элеткрорафинирования (аффинажа) цирконийсодержащего ТРО практически организовать невозможно вследствие химической природы циркония и активности ТРО.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому электролизеру является электролизер для получения металлов из расплавленных солей (Авторское свидетельство СССР №387031, МПК C22D 3/02, опубл. 10.03.1972), принятый в качестве прототипа.
Электролизер выполнен в виде обогреваемой ванны, анода, полого катода, расположенного на валу, с приводом для вращения, и устройства для загрузки исходного продукта. С целью приготовления электролита одновременно с процессом электролиза внутри катода вмонтирована трубка для подачи реагента, а полость катода соединена с одной стороны с устройством для загрузки исходного продукта через отверстие в валу катода, а с другой стороны - с полостью ванны через отверстия в торце катода.
Для получения металлов из расплавленных солей в рассматриваемом электролизере сначала в ванну загружают необходимое количество соли, включают нагреватель, чтобы перевести соль в жидкое состояние - электролит (расплав). Затем через штуцер в полость катода подают исходный продукт в твердом виде. Включают привод вращения катода и подают в полость катода газовый реагент. В результате интенсивного перемешивания при вращении катода исходный твердый продукт при подаче реагента растворяется и через отверстия в торцах катода попадает в полость ванны. Включают электрический ток, чтобы осуществить процесс электролиза. Во время электролиза на наружной поверхности катода выделяется продукт в твердом виде, который при вращении катода срезается ножом и по лотку попадает в приемную емкость.
Анализ известных технических решений выявил, что они не способны перерабатывать фрагментированные цирконийсодержащие ТРО в связи с тем, что отходы представляют собой смесь из фрагментов разных по электрическим свойствам материалов. Так как технологический процесс будет настроен на проведение электролиза только в отношении одного компонента -циркония, то фрагменты из нержавеющей стали превратятся в балласт, который будет мешающим фактором и в ванне, и особенно в барабанном катоде. Фрагменты из нержавеющей стали, попавшие в зазор между катодом и анодом и накапливающиеся там, могут препятствовать вращению катода, а также соскабливать осадок из циркония с поверхности катода, что противоречит достижению цели.
Кроме того, присутствие фрагментов из нержавеющей стали в зазоре привело бы к увеличению размеров оборудования, что в радиохимическом производстве нежелательно.
Указанные недостатки исключены в предлагаемом в качестве полезной модели техническом решении, где присутствующая в смеси с цирконием нержавеющая сталь не мешает проведению процесса электролиза.
Основная задача полезной модели заключается в практической реализации вариантов конструктивного исполнения электролизера, обеспечивающего анодное растворение «грязного» металла (электроокисление) и катодное выделение чистого металла (электрорафинирование) за счет катодного восстановления ионов до «чистого металла» из расплава солей хлоридов.
При этом процесс электролиза осуществляется без газовыделения в потенциометрическом режиме и, следовательно, устройство не усложнено введением в его конструкцию газособирающих и газовыводящих от анода труб.
Заявляемая конструкция электролизера содержит теплоизолированный, терморегулируемый, электроизолированный корпус с ванной, заполненной электролитом, барабанный катод в виде глухого цилиндра на валу, связанного с приводом, анод в виде пористой корзины с токоподводом, для извлечения которой в корпусе выполнен разъем.
Электролизер может дополнительно содержать устройство для снятия катодного осадка с приемником осадка, а также шибер для перекрытия приемника осадка. Для поддержания оптимального температурного режима в конструкцию может быть введена система нагрева корпуса и ванны.
Для разделения газовых объемов ванны в устройство введена перегородка, что позволяет повысить чистоту получаемого продукта. В частности анод-корзина располагается в ванне корпуса так, что ее верхний край находится выше нижнего края перегородки.
Предпочтительно устройство содержит нагреватель для подготовки электролита, а также трубу для его извлечения из ванны.
Конструкция устройства поясняется чертежами, где изображены:
- на фиг. 1 - общий вид электролизера в разрезе,
- на фиг. 2 - разрез по А-А.
Электролизер содержит корпус 17 с помещенной внутри под крышкой 8 ванной 7, заполненной электролитом 2, предпочтительно расплавом хлоридов, катодом 12 в виде глухого цилиндра, расположенным в ванне 7 на вращающемся с помощью привода 18 валу, анодом 4 с исходным материалом 5, над которым выполнен герметизирующийся разъем 10. Корпус 17 имеет электроизоляцию 19 и теплоизоляцию 6, терморегулируемую по отдельным участкам, его обогрев осуществляется системой 16 нагрева.
Анод 4 выполнен в виде пористой корзины (анод-корзины) с токоподводом 11. В устройство дополнительно введена перегородка 3, заглубленная под зеркало электролита 2, которая разделяет анодный и катодный газовые объемы ванны 7 и определяет геометрически уровни погружения в него анод-корзины 4 и катода 12, причем верхний край анод-корзины 4 находится выше нижнего края перегородки 3. Тем самым исключается интенсивность диффузионно-конвекционных потоков в электролите 2.
Для снятия катодного осадка используется устройство 13, приемник 15, перемещающий снятый осадок, а также шибер 14 с помощью которого может осуществляться периодическое перекрытие приемника 15.
Приготовление электролита 2 из расплава солей (хлоридов) осуществляется под воздействием нагревателя 1, а извлечение электролита 2 из ванны 7 - через трубу 9.
Устройство работает следующим образом.
Перед запуском электролизера проверяется работоспособность систем теплообеспечения, контроля и управления процессами, предварительно прокручивается катод 12.
В открытый герметизирующийся разъем 10 для анод-корзины 4 загружается соль для получения расплава 2. Включается нагреватель 1, а также система 16 обогрева корпуса 17 и ванны 7.
После расплава солей в них погружается анод-корзина 4 с загруженным в нее исходным материалом 5, например, фрагментированными частицами оболоченного материала и разрезанных дистанцинирующих решеток. Исходный материал 5 загружается в анод-корзину 4 вне устройства, что исключает его распределение по всему электролиту 2 при погружении и при электролизе.
Разъем 10 герметизируется. Включается ток электролиза при заданном потенциометрическом параметре напряжения. Приводом 18 включается вращение катода 12. Осевший на поверхности катода 12 осадок срезается специальным устройством 13 и по приемнику 15, который может быть перекрыт шибером 14, направляется на следующий технологический этап.
По окончанию процесса электролиза разгерметизируется разъем 10 для анода-корзины 4 и последняя извлекается из ванны 7 с оставшимся в ней шламом, кусками фрагментированных дистанцинирующих ТВЭЛ решеток, которые в исходном состоянии в компактном виде извлекают вместе с анод-корзиной 4. При этом пористые стенки анод-корзины 4 исключают попадание тонких, дисперсных коллоидных частиц в электролит 2, что обеспечивает чистоту получаемого металла.
Далее в разъем может быть загружена очередная анод-корзина 4 с новой порцией исходного материала 5, подвергающаяся анодной обработке в расплаве 2. Разъем 10 снова герметизируется.
При необходимости часть отработанного расплава 2 выводится через трубу 9, а в ванну 7 вводится соль, в количестве, эквивалентном извлеченной массе расплава 2.
Полная остановка устройства производится в следующем порядке. Разгерметизируется разъем 10, извлекается анод-корзина 4, выключается ток электролиза, через трубу 9 извлекают электролит 2, останавливается вращение катода 12.
Таким образом, использование заявленной полезной модели позволяет получать металлический цирконий из фрагментированных ТРО путем электролиза, причем достигается высокая чистота продукта при упрощении конструкции устройства.