УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЕГИРОВАННЫХ ОКСИДОВ УРАНА

Полезная модель относится к технологии получения легированных оксидов урана из гексафторида урана или уранилнитрата. Порошки диоксида урана для изготовления таблеток ядерного топлива производят в большей части путем конверсии гексафторида урана с обогащением по изотопу уран-235 до 5 мас.%, а в перспективе до 7 мас.%. Технологические процессы производства порошков диоксида урана разделяются на, так называемые, «мокрые» и «сухие» схемы. Основным из существующих «мокрых» схем является АДУ - процесс (аммонийдиуранатный процесс), заключающийся в гидролизе гексафторида урана с последующим осаждением из раствора полиуранатов аммония, его отделения от раствора, разложения и восстановления водородом высших оксидов до диоксида урана. «Сухие» схемы основаны на пирогидролизе гексафторида урана водяным паром при повышенной температуре в газовой фазе.
Введение легирующих добавок химических элементов в порошок диоксида урана (оксиды алюминия, кремния, хрома), позволяющих изготавливать топливные таблетки с более крупным зерном для удлинения ресурса работы атомных реакторов без перегрузки и повышения выгорания топлива, или, так называемых, выгорающих элементов (оксиды гадолиния и эрбия) для уменьшения реактивности реактора во время его запуска в работу, проводят либо путем механического их смешивания с диоксидом урана перед прессованием таблеток, либо вместе с поливиниловым спиртом, если
пресс-порошок, идущий на изготовление таблетки, производится с его использованием.
Вышеуказанная технология не гарантирует равномерность распределения указанных добавок химических элементов по объему порошка диоксида урана, а, следовательно, и в таблетке, что снижает эффективность ее применения.
Известно устройство для конверсии гексафторида урана в оксиды урана [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.
Известно также устройство для конверсии гексафторида урана в оксиды урана [Патент ЕР 0230087 В1], взятое за прототип. Это устройство содержит корпус в виде призмы, являющейся реакционной зоной «кипящего слоя», с расширением в верхней части, в которой расположены фильтрующие элементы. В боковой части корпуса установлено устройство, состоящее из центрального канала для подачи в аппарат гексафторида урана и наружного канала для подачи водяного пара. В нижней части реакционной зоны расположено пористое газораспределительное устройство, через которое в реакционную зону из газораспределительной камеры подают «ожижающие» и реакционные газы (азот, водяной пар, водород). Выгрузку порошка из аппарата проводят через отверстие в газораспределительной перегородке.
Однако существенным недостатком такой конструкции является расположение устройства для подачи гексафторида урана и водяного пара в боковой стенке аппарата в результате чего при малой производительности аппарата происходит образование спеченной «корки» из твердых продуктов реакции на стенке аппарата, на которой расположено это устройство, а при большой производительности - на противоположной. В дальнейшем эти наросты соединяются и образуется «мост» из оксидов урана между стенками и процесс приходится останавливать и охлаждать электропечь для зачистки аппарата. Кроме того, при нарушении скоростей истечения гексафторида урана и водяного пара происходит забивание твердыми продуктами реакции самих каналов, из-за чего также приходится останавливать процесс для очистки каналов.
В данной конструкции аппарата невозможно установить патрубок для подачи в реакционную зону распыленных растворов необходимых добавок химических элементов, т.к. этот патрубок может быть расположен только в холодной зоне с тем, чтобы предотвратить разложение подаваемых соединений химических элементов в головке форсунки и ее забивание твердыми продуктами разложения. Вертикальные стенки реакционной зоны аппарата, в котором располагается «кипящий слой», являются не лучшим вариантом для создания нормального процесса «кипения» порошка, особенно для такого мелкодисперсного, как получаемые оксиды урана [П.Г.Романов, Н.Б.Рашковская «Сушка в кипящем слое», изд. «Химия», Москва, Ленинград, 1964 г.]. Расположение фильтрующих элементов непосредственно над реакционной зоной из-за высокой температуры уменьшает ресурс их работы.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является разработка и создание устройства для получения легированных оксидов урана.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемой полезной моделью, является повышение работоспособности и длительности работы устройства получением порошков оксидов урана с равномерно распределенными добавками химических элементов для различных реакторов АЭС, что позволит увеличить кампанию работы реакторов и повысить выгорание ядерного топлива.
Также техническим результатом является предотвращение возможности забивания твердыми продуктами реакции реакционной зоны и узла для подачи в аппарат гексафторида урана и водяного пара, повышение ресурса работы фильтрующих элементов, создания более благоприятной реакционной зоны для «кипящего слоя», создание
возможности для подачи в реакционную зону аппарата распыленных растворов требуемых химических элементов или уранилнитрата.
Для решения поставленной задачи устройство для получения легированных оксидов урана содержит плоский корпус с крышкой, внутри корпуса размещена формирующую реакционную зону камера сгорания, на крышке корпуса установлены горелочное устройство, сообщенное с камерой сгорания, и форсунка для подачи распыленного раствора оксидов химических соединений или уранилнитрата, горелочное устройство выполнено в виде коаксиально установленных центрального сопла для подачи гексафторида урана, промежуточного сопла для подачи азота и внешнего сопла для подачи водяного пара и водорода, корпус установлен в электропечи, внизу камеры установлена пористая перегородка, для подачи в реакционную зону ожижающих газов, под которой размещена газораспределительная камера, причем камера сгорания выполнена сужающейся к низу с углом раствора конуса 10-20° и сообщена через патрубки с фильтрующими элементами, размещенными вне корпуса.
В частном варианте фильтрующие элементы выполнены в виде последовательно расположенных основного фильтра, снабженного шнеком для транспортировки порошка, и контрольного фильтра, снабженного приемной емкостью.
В другом частном варианте основной и контрольный фильтры установлены в электропечах.
На фигуре схематически представлено устройство для получения легированных оксидов урана.
Устройство включает реакционный аппарат, выполненный в виде плоского корпуса 1 с наклонными сужающимися книзу боковыми стенками с развернутым углом конусности 10-20°. Корпус образует реакционную камеру 2 с «кипящим слоем» порошка оксидов
урана. На крышке 3 корпуса размещен узел 4, выполненный в виде коаксиально расположенных центрального канала для подачи гексафторида урана, промежуточного канала для подачи азота, наружного канала для подачи смеси водорода и водяного пара. Для увеличения производительности устройства возможно установление на крышке двух аналогичных узлов. Применение водорода способствует получению более сыпучего порошка оксидов урана. На крышке размещен также патрубок 5 с форсункой 6 для подачи необходимых распыленных растворов химических элементов или уранилнитрата. В нижней части корпуса размещена пористая перегородка 7 по всему его сечению для реализации процесса «кипения» порошка, а под пористой перегородкой размещена газораспределительная камера 8, из которой в реакционную зону поступают «ожижающие» газы. В пористой перегородке выполнено отверстие 9 для выгрузки порошка, к отверстию прикреплена труба 10, на которой установлен разгрузочный клапан 11. Рядом с реакционным аппаратом последовательно через патрубок 12 размещены основной фильтр 13 и контрольный фильтр 14. В основном фильтре установлены фильтрующие элементы 15 для разделения технологических газов и порошка оксидов урана. В нижней его части размещен шнек 16 для транспортировки порошка оксидов урана, удаленного с фильтрующих элементов. За основным фильтром расположен контрольный фильтр с фильтрующими элементами 17. Контрольный фильтр имеет приемную емкость 18 для порошка оксидов урана. Стенки корпуса реакционного аппарата, основного фильтра, контрольного фильтра и приемной емкости нагревают с помощью электропечей 19, 20, 21 и 22 соответственно.
При угле раствора конуса 10-20° получается равномерное распределение «кипящего слоя» без свищей по его центру.
Устройство для получения оксидов урана работает следующим образом.
Предварительно стенки плоского корпуса 1 реакционного аппарата, основного фильтра 13, контрольного фильтра 14 и приемной емкости 18 нагревают с помощью электропечей 19, 20, 21 и 22 соответственно. Температура стенок корпуса реакционного аппарата должна быть достаточной для полной конверсии гексафторида урана в оксиды урана и восстановления их до диоксида урана и выше температуры воспламенения кислорода (воздуха) и водорода при возможном попадании воздуха в реакционную камеру, чтобы способствовать их мгновенному взаимодействию. Для повышения ресурса работы фильтрующих элементов 15 и 17 температуру фильтров поддерживают ниже температуры реакционной зоны, но выше температуры конденсации фтористоводородной кислоты внутри фильтров. Вакуумтранспортом в корпус аппарата из емкости, расположенной вне аппарата (на фигуре не показана), загружают в его реакционную зону 2 требуемую массу порошка диоксида урана. Затем в нижнюю часть аппарата через пористую перегородку 7 подают подогретую смесь газов (азот, водород, и водяной пар) из газораспределительной камеры 8 для создания «кипящего слоя» загруженного порошка диоксида урана. После этого в центральный канал для подачи исходных газов узла 4, расположенного на крышке 3, подают гексафторид урана, в промежуточный - азот, а во внешний - водяной пар и водород. Для повышения производительности аппарата таких узлов на крышке корпуса могут располагаться два. Одновременно с гексафторидом урана через форсунку 6, расположенную в патрубке 5 в реакционную зону подают распыленный раствор легирующего химического элемента или уранилнитрат. При размещении на крышке двух узлов для подачи в
реакционную зону исходных газов патрубок с форсункой для распыления растворов химических элементов располагают между узлами для подачи в реакционную зону основных исходных газов.
Выгрузку порошка диоксида урана производят через отверстие 9 и трубу 10 автоматически разгрузочным клапаном 11 по заданному показанию перепада давления в нижней и верхней зоне «кипящего слоя». Выходящие газы из основного фильтра поступают в контрольный фильтр через патрубок 12.
Порядок подачи исходных реагентов следующий. Вначале в реакционную зону подают азот, затем водяной пар и водород, а затем гексафторид урана или уранилнитрат. В случае одновременной переработки гексафторида урана с уранилнитратом или растворами химических элементов в корпус аппарата подают последовательно азот, водород с водяным паром, гексафторид урана одновременно с уранилнитратом или растворами химических элементов. В последнем варианте при температуре реакционной зоны разлагаются добавляемые химические соединения до оксидов и равномерно смешиваются с оксидами урана.
Равномерность распределения оксидов добавляемых химических соединений в порошке оксидов урана повышается на последующих стадиях обработки порошка: в печах для доработки диоксида до соответствия с ТУ, магнитной сепарации, просеивании, гомогенизации в смесителях (на фигуре не показано) При этом полностью ликвидируется участок смешивания любым способом оксидов урана и оксидов добавляемых элементов.
В качестве легирующих добавок в получаемый порошок диоксида урана вводят оксиды алюминия, кремния и хрома для укрупнения зерна в спеченной таблетке, эрбия и гадолиния - в качестве «выгорающих» добавок. Получаемые порошки диоксида
урана, полученные в заявляемом устройстве, содержат требуемое количество добавок химических элементов, равномерно распределенных в объеме порошка.
В заявляемом устройстве возможно проведение процесса получения порошков диоксида урана и введенных в него вышеуказанных добавок химических элементов путем переработки уранилнитрата с введенными в него растворами химических элементов путем их совместного разложения.
Кроме производства оксидов урана как из гексафторида урана, так и из уранилнитрата, в том числе и в рудном производстве, в предлагаемом устройстве возможно получение любых оксидов химических элементов периодической таблицы Д.И.Менделеева, химические соединения которых растворяются в воде или азотной кислоте, а также галогенидов, имеющих сравнительно низкие температуры испарения и подверженных разложению при температуре не выше 400-500°С.