АППАРАТ ДЛЯ СНЯТИЯ ОБОЛОЧКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЖИДКИМ ЦИНКОМ

Полезная модель относится к области атомной промышленности, в частности, к ядерному топливному циклу и переработке радиоактивных материалов реакторных тепловыделяющих элементов (твэлов).
Из уровня техники известно устройство для снятия оболочки тепловыделяющего элемента жидким цинком, реализующее «Способ вскрытия оболочки тепловыделяющего элемента» (Патент РФ №2296381, G21C 19/38, опубл. 27.03.2007). Как следует из описания патента, устройство содержит реторту (емкость), на дне которой размещают заданное количество цинка. Реторта соединена с системами вакуумирования и заполнения инертным газом и снабжена устройством нагрева. На начальном этапе эксперимента сборку из твэлов размещают в верхней холодной части реторты, удерживая ее до нагрева цинка до рабочей температуры. После установления заданного температурного режима сборку погружают в расплавленный цинк на заданную глубину и после выдержки извлекают в холодную зону. Для перемещения и удержания сборки используют специальные приспособления и механизмы. После охлаждения сборки ведут разборку реторты и анализ результатов эксперимента, после чего поднимают температуру в реторте до 800-1100°C и ведут отгонку цинка.
Устройство применимо для вскрытия оболочки твэла как с нитридным, так и с оксидным топливом и отгонки растворителя.
Однако выполнение операций по плавлению цинка, растворению оболочки твэла, отгонки растворителя в одной реторте (емкости) требует частой перенастройки температурных режимов для нагрева, охлаждения и повторного нагрева реторты, что приводит к снижению надежности и ресурса работы устройства, а также снижает производительность. Кроме того, для перемещения и удержания сборки необходимо использование приспособлений и механизмов, что также приводит к снижению надежности и ресурса работы устройства.
Известен аппарат для отделения топлива от оболочек расплавом цинк - 3-5% по массе сурьмы, обслуживаемый дистанционно (прототип) (Готовчиков В.Т., Макаров В.И., Орехов В.Т., Рыбаков А.Г., Середенко В.А. Снятие оболочек облученных твэлов. Журнал «Атомная энергия», т. 99, вып. 4, октябрь 2005). Аппарат содержит реакционный корундовый тигель, в который загружают отрезки твэлов и слиток сплава растворителя. На тигель устанавливают разделительную сетку-фильтр и приемный тигель. Сборку из двух тиглей, разделенных сеткой, размещают в реакторе с возможностью поворота на 180° с помощью ручки. Реактор устанавливают в печи. Аппарат снабжен ловушкой отводимых газов, соединен с вакуумной системой и содержит в верхней части конденсатор.
После герметизации, нагревания и выдержки сборку поворачивают на 180° вокруг оси конденсатора. При этом расплав из реакционного тигля перетекает в приемный тигель, освобожденное от оболочки топливо остается на сетке. Вакуумную дистилляцию выполняют в том же аппарате после отделения топлива. Дистиллят в конденсаторе собирается плотным слоем и при нагревании в инертной атмосфере стекает в приемный тигель, образуя слиток, который повторно используется на следующих операциях удаления оболочки.
Использование аппарата позволяет отделять ядерное топливо от оболочки твэлов.
Недостатками данного устройства являются:
- одновременная загрузка в реакционный тигель отрезков твэлов и слитка сплава растворителя при нагревании не обеспечивает равномерность процесса растворения оболочки твэла, приводит к снижению производительности процесса;
- наличие механических приспособлений и приводов для поворота на 180° сборки из двух тиглей, разделенных сеткой, для фильтрации ядерного топлива от расплава усложняет устройство и приводит к снижению его надежности и ресурса работы;
- для извлечения ядерного топлива требуется разборка аппарата, что также приводит к снижению производительности процесса, надежности и ресурса работы.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемой полезной модели, заключается в повышении надежности и ресурса работы аппарата для снятия оболочки твэла жидким цинком при дистанционном управлении работой, благодаря проведению операций по снятию оболочки в отдельных емкостях и отсутствию механических и электрических приводов, двигателей и насосов.
Указанный технический результат достигается тем, что аппарат для снятия оболочки тепловыделяющего элемента жидким цинком содержит плавитель, растворитель и изложницу, выполненные в виде отдельных емкостей с герметичными крышками. Емкости расположены последовательно в одном корпусе и соединены между собой каналами для перекачки расплавов, выполненными с обогреваемыми между емкостями частями. Каждая емкость соединена с блоком регулируемой подачи газа для создания в них независимого давления при перекачке расплавов и снабжена холодной ловушкой отводимых газов. Емкости плавителя и растворителя снабжены устройствами нагрева, при этом емкость растворителя снабжена выемным фильтром для размещения фрагментов тепловыделяющих элементов при растворении оболочки и фильтрации топливных материалов от расплава после растворения оболочки, а изложница снабжена элементом для извлечения слитка.
Крышки емкостей снабжены элементами для их герметизации и открытия/закрытия.
Устройства нагрева выполнены в виде системы дистанционно заменяемых нагревательных модулей с резистивными нагревательными элементами.
Элемент для извлечения слитка может быть выполнен в виде рыма, дистанционно закрепляемого к крышке изложницы.
Выполнение плавителя, растворителя и изложницы в виде отдельных емкостей с герметичными крышками позволяет производить операции плавления цинка, растворения оболочки твэла, формирования (заморозки) слитка из расплава цинка с конструкционным металлом оболочки одновременно, независимо, в оптимальных режимах при различных температурах. Такое конструктивное решение позволяет также осуществлять перекачку расплава из емкостей без необходимости расхолаживания аппарата. Эти возможности способствуют повышению надежности и ресурса работы аппарата.
Кроме того уменьшаются габариты емкостей, а, следовательно, значительно снижается стоимость емкостей плавителя и растворителя, выполняемых из дорогостоящих материалов, при этом уменьшается инерционность нагрева и охлаждения емкостей. Уменьшение габаритов и веса емкостей позволяет снизить нагрузки на обслуживающие устройства (манипуляторы), что повышает надежность работы.
Размещение емкостей последовательно в одном корпусе обеспечивает устойчивость конструкции, что повышает надежность аппарата. Такое компоновочное решение позволяет максимально приблизить емкости друг к другу, выполнить каналы для перекачки расплавов между емкостями максимально короткими, что позволяет использовать для их обогрева менее мощные и более надежные нагреватели, что также обеспечивает повышение надежности аппарата.
Соединение каждой емкости с блоком регулируемой подачи газа обеспечит контролируемое создание в емкостях независимого давления и возможность перекачки расплавов между емкостями как одновременно, так и поочередно, без применения насосов, что позволит повысить надежность и ресурс работы аппарата при дистанционном управлении его работой. Кроме того обеспечивается возможность реверсной перекачки расплава между емкостями плавителя и растворителя для перемешивания расплава и интенсификации процесса растворения оболочки.
Выполнение устройств нагрева емкостей плавителя и растворителя в виде системы дистанционно заменяемых нагревательных модулей с резистивными нагревательными элементами обеспечит требуемые для проведения операций температурные режимы и позволит выполнять монтаж/демонтаж этих устройств с частичной заменой, не прерывая работу аппарата.
Улавливание отводимых газов в каждой емкости обеспечивается холодными ловушками.
Наличие выемного фильтра в емкости растворителя обеспечит размещение в нем фрагментов твэлов при растворении оболочки и фильтрации топливных материалов от расплава после растворения оболочки. При этом извлекать и производить замену фильтра можно дистанционно и независимо от процессов, выполняемых в плавителе и изложнице.
Наличие в изложнице элемента для извлечения слитка, выполненного, например, в виде рыма, дистанционно закрепляемого к крышке изложницы, позволяет легко извлекать слиток, выполняя операцию дистанционно с использованием простых манипуляторов.
На рисунке приведена схема аппарата для снятия оболочки твэла жидким цинком.
Аппарат для снятия оболочки твэла жидким цинком содержит плавитель (1), растворитель (2) и изложницу (3), которые выполнены в виде отдельных емкостей с герметичными крышками (4), Емкости размещены последовательно в одном корпусе (5) и соединены между собой каналами (6) для перекачки расплавов. Каналы (6) выполнены с обогреваемыми между емкостями частями (7). Каждая емкость соединена с блоком регулируемой подачи газа (8) и снабжена холодной ловушкой отводимых газов (9). Емкости плавителя (1) и растворителя (2) снабжены устройствами нагрева (10). Емкость растворителя (2) снабжена выемным фильтром (11), а изложница (3) снабжена элементом для извлечения слитка (12). Крышки емкостей снабжены элементами для их герметизации и открытия/закрытия (13).
Работа аппарата осуществляется следующим образом.
В плавитель (1) помещают слитки цинка и флюса. Объем загрузки цинка фиксированный и определяется из условия использования одного объема на одно растворение. Фрагменты твэлов загружают в выемной фильтр (11), установленный в емкости растворителя (2). В изложницу (3) устанавливают рым (12). Емкости герметизируются крышками (4) с помощью элементов для их герметизации и открытия/закрытия (13). После герметизации емкости плавителя (1) и растворителя (2) прогревают нагревательными устройствами (10) до температуры плавления флюса, например, при использовании в качестве флюса NaCl температура прогрева составит до 810°C. В емкости плавителя (1) образуется расплав цинка (температура плавления Zn 419,6°C) и флюса. После чего расплав перекачивается в растворитель (2) через канал (6) посредством изменения давления в емкостях плавителя (1) и растворителя (2), создаваемого блоком регулируемой подачи газа (8). Процесс снятия (растворения) оболочки твэла производится в растворителе (2) в течение заданного времени. При этом можно производить изменение давлений в емкостях плавителя (1) и растворителя (2), осуществляя реверсную перекачку расплава между емкостями плавителя (1) и растворителя (2) для перемешивания расплава и интенсификации процесса растворения оболочки.
В процессе растворения оболочки твэла расплав фильтруется через выемной фильтр (11). После окончания процесса снятия оболочки твэла расплав, содержащий цинк с растворенным в нем конструкционным металлом оболочки, флюс и примеси, перекачивается через канал (6) из растворителя (2) в изложницу (3), где при пассивном охлаждении формируется слиток. Формирование слитка происходит вокруг рыма (12), с помощью которого слиток легко извлекается из изложницы (3). Топливные таблетки твэла остаются внутри выемного фильтра и извлекаются из растворителя (2) после вскрытия крышки для дальнейшей переработки. Отводимые из емкостей газы поступают в регенерируемые холодные ловушки (9).
Части (7) каналов (6) между емкостями обогреваются для поддержания требуемого температурного режима при перекачке расплавов. Устойчивость и оптимальное размещение емкостей обеспечивается корпусом (5), конструкция которого способствует также обеспечению оптимальных температурных режимов для проведения процессов плавления, растворения и охлаждения в соответствующих емкостях плавителя (1), растворителя (2) и изложницы (3).
После извлечения продуктов переработки производится загрузка емкостей плавителя (1) и растворителя (2) исходными продуктами и цикл работы аппарата повторяется.
Возможность осуществления заявляемой полезной модели подтверждается использованием известных средств и материалов, в том числе признаков, представленных на уровне функционального обобщения.
Проведение операций по снятию оболочки твэла в отдельных емкостях и отсутствие механических и электрических приводов, двигателей и насосов позволяет повысить надежность и ресурс работы заявляемого аппарата для снятия оболочки твэла жидким цинком при дистанционном управлении работой.