СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО КЕРАМИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области производства твердого керамического ядерного топлива, в частности к способам переработки бракованных спеченных таблеток диоксида урана в мелкодисперсный порошок закиси-окиси урана.

Известен способ переработки ядерного топлива путем пропускания через слой таблеток нагретого потока газа-окислителя, выноса с потоком из слоя частиц закиси-окиси урана и осаждения их в циклоне (1). Недостатками этого способа являются низкая технологичность процесса, обусловленная частым «зашлаковыванием» слоя и его зачисткой, высокие энергозатраты на нагрев газового потока, необходимость использования сложной системы охлаждения и очистки отходящих газов.

Известен способ переработки керамического ядерного топлива, заключающийся в окислении таблеток во вращающейся горизонтальной печи и выделении из продуктов окисления мелкодисперсной закиси-окиси урана путем просева на сите (2). Недостатками данного способа являются высокие материалоемкость и энергоемкость процесса, а также сравнительно низкие керамические свойства закиси-окиси урана, обусловленные длительным пребыванием ее в реакционной зоне.

Наиболее близким к предлагаемому является способ переработки керамического ядерного топлива, включающий диспергирование топлива путем окисления воздухом, подаваемым под слой нагретого топлива, вибрационный выпуск продуктов диспергирования из слоя и выделение из них мелкодисперсного порошка (3). Недостатком способа-прототипа является сравнительно небольшой выход целевого продукта, так как при постоянной вибрации из слоя топлива наряду с кондиционными мелкими частицами порошка удаляется значительная доля недоокисленных крупных частиц. Другим недостатком является сравнительно низкая интенсивность процесса, обусловленная невозможностью подавать на окисление избыточный поток воздуха из-за уноса частиц целевого продукта из слоя, подвергаемого воздействию вибрации.

Известно устройство для переработки керамического ядерного топлива (3) - прототип. Оно состоит из вертикального трубчатого виброреактора с размещенным внутри каскадом сит-решеток, газораспределительной системой, входными и выходными патрубками и сепаратора порошка (3). Основными недостатками устройства являются высокая вероятность «зашлаковывания» слоя топлива на ситах-решетках из-за отсутствия средств ограничения его высоты и сравнительно низкий выход целевого продукта, обусловленный наличием в продуктах реакции значительной доли недоокисленной крупной фракции порошка. К другим недостаткам относятся неудобство эксплуатации устройства из-за трудности демонтажа сит-решеток при их зачистке и замене, а также отсутствие системы предварительного нагрева газового потока и распределения его по ситам-решеткам виброреактора.

Настоящее техническое решение направлено на:

- совершенствование технологии переработки твердого керамического ядерного топлива;

- создание нового устройства по переработке твердого керамического ядерного топлива.

Поставленная задача достигается тем, что в процессе переработки твердого керамического ядерного топлива вибрационный выпуск продуктов диспергирования из слоя топлива осуществляют периодически, при этом на окисление подают два потока воздуха, один из которых закрывают во время вибровыпуска продуктов, а сита-решетки устройства для переработки топлива снабжают пересыпными трубками.

Получение наиболее оптимальных условий переработки твердого керамического ядерного топлива достигается тем, что согласно изобретению:

- время между вибрационными выпусками продуктов диспергирования t₁ задают отрезком не более 15 мин, преимущественно 5...10 мин, а длительность вибровыпусков t₂ отрезком не более 10 мин, преимущественно 3...5 мин.

- потоки воздуха на окисление топлива подают с расчетом на следующие удельные расходы: непрерывный поток Q₁=50...100 м³/м² час, перекрываемый поток Q₂=100...200 м³/м² час.

Способ переработки твердого керамического ядерного топлива согласно изобретению заключается в следующем.

В обогреваемый шахтной печью виброреактор периодически сбрасывают порции твердого керамического ядерного топлива в виде таблеток диоксида урана, которые располагаются на сите-решетке.

Таблетки нагреваются и окисляются. Окисление происходит за счет подачи потока воздуха под слой нагретого топлива. При наложении вибрации осуществляются удаление из слоя продуктов диспергирования и выделение из них мелкодисперсного порошка.

Согласно изобретению удаление продуктов диспергирования проводят периодически, причем для интенсификации процесса на окисление топлива подают два потока воздуха, один из которых закрывают во время вибрационного выпуска продуктов диспергирования.

За время между двумя последовательными вибрационными выпусками t₁≤15 мин поверхность таблеток покрывается лишь небольшим слоем продуктов диспергирования, и уменьшение скорости окисления за счет затрудненной диффузии кислорода через этот слой незначительно. При наложении вибрации продукты диспергирования удаляются, реакционная поверхность таблеток обновляется и окисление протекает с прежней скоростью. Длительность отдельного вибровыпуска продуктов диспергирования t₂ определяется конструкцией аппарата, его производительностью и параметрами накладываемой вибрации и в целом не должно превышать длительности промежутка между двумя последовательными выбровыпусками, то есть составлять не более ˜10 мин, преимущественно t₂=3...5 мин.

Поток воздуха с расходом Q₁=50...100 м³/м² час обеспечивает непрерывное поступление в виброреактор кислорода в количестве, стехиометрически необходимом для переработки топлива с приемлемой производительностью (˜5...15 кг/час). Дополнительная подача второго потока воздуха значительно интенсифицирует процесс окисления и при удельном расходе Q₂=100...200 м³/м² час не вызывает заметного выноса частиц окисленного продукта из слоя с потоком отходящих газов.

С целью получения оптимальной конструкции, реализующей способ переработки твердого керамического топлива, согласно изобретению предлагается:

- каскад сит-решеток дополнить каскадом полок с перегородками и расположить его под нижним ситом-решеткой;

- каскады сит-решеток и полок объединить в корзину, вставляемую в виброреактор в виде отдельного узла;

- виброреактор снабдить привариваемым снаружи к корпусу змеевиковым теплообменником;

- внутри виброреактора разместить коллектор с сопловыми отверстиями для одновременного подвода воздуха под все сита-решетки и полки корзины.

При наличии на ситах-решетках пересыпных трубок удается избежать «зашлаковывания» топлива на решетках, возникающее в основном при повышенной дозировке топлива в виброреактор. Дополнительное окисление на полках с перегородками продуктов диспергирования топлива, прошедших через отверстия нижнего сита-решетки, позволяет повысить выход целевого продукта. При объединении каскадов сит-решеток и полок в корзину, вставляемую в виброреактор в виде отдельного узла, значительно облегчаются операции зачистки и замены решеток и полок. Наличие теплообменника и коллектора с сопловыми отверстиями улучшает подвод тепла и воздуха к топливу внутри виброреактора.

На чертеже изображена принципиальная блок-схема устройства для переработки твердого керамического ядерного топлива. Оно состоит из виброреактора 1, обогреваемого шахтной печью 4, и сепаратора порошка 15. Внутри виброреактора находятся корзина 5 с ситами-решетками 7, в которые вмонтированы пересыпные трубки 6, и полками 10, а также коллектор 11 с сопловыми отверстиями 9. Коллектор 11 соединяется с патрубком 3 подачи в виброреактор воздуха змеевиком 8, приваренным снаружи к корпусу реактора. В виброреактор подается непрерывный поток воздуха Q₁ по линии с расходометром 13, а по линии с запорным клапаном 12 и расходомером 14 подается перекрываемый поток воздуха Q₂. В состояние вибрации с вертикальными колебаниями реактор приводится с помощью двух вибровозбудителей 2, которые в автоматическом режиме включаются после запирания клапана 12 и выключаются в моменты его открытия.

Устройство для переработки керамического ядерного топлива работает следующим образом. Суммарный (непрерывный и перекрываемый) поток воздуха нагревается в змеевиковом теплообменнике 8 до температуры 350...500°С, поступает в коллектор 11 и через сопловые отверстия 9 вдувается под сита-решетки 7 и полки 10 корзины 5. В виброреактор на верхнее сито-решетку сбрасывается порция топливных таблеток и окисляется в течение времени t₁=5...15 мин. Затем клапан 12 запирает поток воздуха с расходом Q₂, включаются вибровозбудители 2 и в течение времени t₂=3...10 мин происходит виброотряхивание корзины 5, после чего вибровозбудители 2 выключаются, запорный клапан 12 открывается, и рабочий цикл повторяется. При виброотряхивании происходит перераспределение топлива и продуктов его диспергирования на ситах-решетках и полках и выгрузка последних из виброреактора. Причем за счет ограничения толщины слоев топлива высотами пересыпных трубок предотвращается «зашлаковывание» топлива на ситах-решетках, а за счет перегородок увеличивается время пребывания продуктов диспергирования на полках и тем самым происходит наиболее полное их доокисление. Выходящие из виброреактора продукты диспергирования разделяются в сепараторе 15 на мелкую - целевой продукт закиси-окиси урана - и крупную фракции. Мелкая фракция направляется на подшихтовку к валовому порошку диоксида урана в производстве топливных таблеток, крупная - возвращается на повторную переработку.

Пример. В трубчатом (диаметр трубы 250 мм) виброреакторе с каскадом из трех сит-решеток (ширина щелей в решетках 8 мм, 4 мм и 2 мм, соответственно) и трех полок с перегородками проводили переработку бракованных спеченных таблеток диоксида урана диаметром 11,46 мм при следующих условиях: температура 420°С, расходы потоков воздуха на окисление: непрерывного 3 м³/час, перекрываемого 5 м³/час, промежуток времени между вибрационными выпусками продуктов диспергирования t₁=7 мин, длительность вибровыпусков t₂=5 мин, параметры вибрации: ускорение 4g (g - ускорение свободного падения), частота 50 Гц, размер ячейки сетки в сепараторе 150 мкм. При производительности виброреактора 6 кг/час по таблеткам в этих условиях получали порошок закиси-окиси урана с выходом 95-98%. Порошок на 90-95% состоял из частиц с размером <50 мкм, имел удельную поверхность 0,8-1,0 м²/г и кислородный коэффициент 2,62-2,66. Данный порошок пригоден для использования на операции подшихтовки при изготовлении топливных таблеток диоксида урана.

Реализация заявляемых технических решений позволяет существенно повысить эффективность переработки твердого керамического ядерного топлива и значительно увеличить выход порошка в годную продукцию.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №1082200, кл. G 21 С 19/44, 1984.

2. А.А.Майоров, И.Б.Браверман. Технология получения порошков керамической двуокиси урана. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с.118.

3. Патент Великобритании №1297/158, кл. C 01 G 43/02, 1972.