Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ВИХРЕВОГО РАЗМОЛА СМЕШАННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к средствам для получения гомогенного ядерного топлива из смеси диоксидов урана и плутония.

Известен способ вихревого размола и смешивания, приведенный в патенте РФ №2122247, G21C 21/00, в котором смешивание компонентов производят в рабочем объеме смесителя, заполняемом на 50-70% смесью диоксидов урана и плутония и магнитными иглами (ферромагнитными мелющими элементами) массой, равной не более половины величины критической загрузки. Далее возбуждают в обмотке электромагнитного смесителя (индуктора) переменное магнитное поле, приводящее в движение ферромагнитные элементы, образующие вихревой слой, обеспечивающий смешивание и измельчение компонентов.

Величину критической загрузки ферромагнитных элементов определяют по формуле, как произведение коэффициента критичности, объема рабочей зоны стакана и плотности ферромагнитных элементов. Определенная по приведенной формуле критическая загрузка составляет 300 г. А для качественного перемешивания известным способом рекомендуется использовать 100-150 г.

Также известен аппарат вихревого слоя ABC-150 (https://avs.globecore.ru/products/avs-150.html), состоящий из корпуса, размещенного в корпусе индуктора вращающегося электромагнитного поля, защитной втулки с расточкой, рабочей камеры (трубопровода) из немагнитного материала, размещенной внутри расточки, и ферромагнитных элементов. В рабочей камере размещены цилиндрические ферромагнитные элементы диаметром 0,5-5 мм и длиной 5-60 мм в количестве от нескольких десятков до нескольких сотен штук (0,05-5 кг) в зависимости от объема рабочей зоны аппарата.

Вращающимся электромагнитным полем ферромагнитные элементы приводятся в движение в рабочей зоне и создают так называемый вихревой слой, в котором смесь порошков измельчается и перемешивается.

Известна используемая при изготовлении таблеток со смешанным ядерным топливом (далее по тексту - топливо) для проведения операции смешения двуокисей урана и плутония на ФГУП «Горно-химический комбинат» установка вихревого размола, выполненная по проекту А.48.156.000 разработки ОАО «СвердНИИхиммаш, г. Екатеринбург.

Известная установка содержит объединенные в закольцованную конвейерную линию с автоматическим управлением бокс весовой, боксы загрузки, бокс весовой, устройство вихревого размола, бокс охлаждения и бокс выгрузки. Установка включает в себя также контейнеры, в которые загружаются компоненты смешанного ядерного топлива. Между всеми боксами, включая и устройство вихревого размола, установлены продольные и поперечные транспортеры, заключенные в корпуса, которые соединяются с боксами на фланцевых соединениях, и служат для передачи контейнеров из одного бокса в соседний бокс. Боксы перечислены в порядке прохождения через них контейнера, начиная от бокса весового и заканчивая боксом выгрузки. Рабочее положение контейнеров в транспортерах и боксах вертикальное.

В известной установке используются контейнеры, содержащие цилиндрический титановый стакан, в верхней части которого установлены квадратная платформа, сетчатый сепаратор и шаровой кран. На боковых гранях платформы выполнены пазы для зацепления контейнера транспортерами. В стакан загружены мелющие элементы, выполненные из ферромагнитной стали. В качестве мелющих элементов используются стандартные ролики из подшипниковой стали ШХ-15 (далее по тексту - ролики). Сетчатый сепаратор не позволяет высыпаться роликам при выгрузке порошка.

Применяемое в известной установке устройство вихревого размола состоит из механизма колебаний и автоматического вихревого смесителя (аппарата вихревого слоя ABC-150). Механизм колебаний представляет собой корпус, стыкуемый своими торцами с продольными транспортерами. К дну корпуса присоединен стакан, а сверху-крышка, на которой смонтирован привод перемещения контейнера, установленного на траверсе. Механизм колебаний установлен над аппаратом вихревого слоя ABC-150, (далее по тексту - АВС-150) таким образом, что стакан механизма колебаний входит в расточку защитной гильзы индуктора ABC-150. Рабочее положение контейнера в индукторе - вертикальное.

Известное устройство вихревого размола работает следующим образом. После загрузки компонентов топлива, просыпающегося в титановый стакан через сепаратор, и взвешивания контейнер транспортером переносится в механизм колебаний и устанавливается на траверсу. Приводом перемещения контейнер опускается с введением его титанового стакана в стакан механизма колебаний. При включении индуктора ABC-150 его вращающееся электромагнитное поле намагничивает ролики, и приводит их во вращение. Вращающиеся ролики создают в титановом стакане вихревой слой, в котором смесь порошков измельчается и гомогенизируется. Для измельчения и гомогенизации всего объема смеси порошков с помощью привода перемещения контейнер совершает возвратно-поступательное движение внутри стакана механизма колебаний, перемещаясь относительно расточки защитной гильзы индуктора и, соответственно, относительно его электромагнитного поля. В результате этого перемещения осуществляется перемещение вращающихся роликов по высоте засыпанного в титановый стакан контейнера порошка и измельчение и перемешивание всего объема порошка в контейнере. При измельчении и гомогенизации контейнер разогревается от вихревых токов и трения порошка и роликов о стенки титанового стакана контейнера, поэтому далее контейнер передается транспортером в бокс охлаждения.

Известное устройство выбрано заявителем в качестве прототипа.

Полученные при опытно-промышленной эксплуатации известного устройства вихревого размола данные показали полное несоответствие с данными, приведенными в описании известного способа по патенту №2122247. Так для получения требуемого измельчения смеси порошков загрузка роликов и смеси порошков составила 0,75 и 1 кг соответственно. Очевидно, что результаты, приведенные в указанном патенте, относятся только к вихревому размолу при горизонтальном положении стакана, изображенного на фиг. 1 описания известного способа. При вертикальном положении стакана в известном устройстве эффективность вихревого размола резко падает вследствие выпадения частиц порошка из вихревого слоя на дно стакана, а ролики, соударяясь с дном стакана, уплотняют слой порошка на дне. Поднятие стакана из рабочей зоны с тем, чтобы разместить ролики в придонном слое порошка, приводит к повышению концентрации роликов в рабочей зоне и их остановке.

Увеличенный объем загруженных в стакан контейнера роликов приводит к увеличению продолжительности охлаждения контейнеров после проведения вихревого размола, что снижает производительность известной установки.

Наличие сетчатого сепаратора в контейнере делает невозможным осуществление вихревого размола при горизонтальном положении контейнера, так как в самом начале вихревого размола часть еще неизмельченной смеси порошков будет проходить через сепаратор и оставаться между сепаратором и краном контейнера, не подвергаясь далее ни вихревому размолу, ни перемешиванию, а при выгрузке смешается с измельченным порошком.

Очевидно, что отклонение контейнера от вертикальной оси при вихревом размоле повышает эффективность размола и перемешивания вследствие того, что выпадение порошка из вихревого слоя в стакане, расположенном под углом к вертикали, будет сокращаться в зависимости от угла наклона по сравнению с вертикальным расположением стакана.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности вихревого размола за счет сокращения выпадающего из вихревого слоя порошка и снижения объема роликов.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом устройстве, включающем аппарат вихревого слоя ABC-150 с индуктором и механизм колебаний с корпусом, состыкованным с продольными транспортерами, и к дну которого прикреплен стакан, размещенный в индукторе, контейнер с сепаратором и с титановым стаканом с размещенными в нем роликами и привод перемещения контейнера, индуктор и размещенный в нем стакан механизма колебаний смонтированы под углом α к вертикальной оси механизма колебаний.

В корпусе механизма колебаний установлена на валах в подшипниковых опорах стойка, причем вал одной из подшипниковых опор соединен с приводом, обеспечивающим поворот стойки на угол α.

К стойке прикреплены направляющие, на которых установлена подвеска, привод перемещения которой прикреплен к стойке, а каретка привода - к подвеске.

Подвеска выполнена с возможностью установки и фиксации в ней контейнера при вертикальном положении стойки, а после поворота стойки на угол α - введения титанового стакана контейнера, зафиксированного в подвеске, в стакан механизма колебаний, размещенный в индукторе.

Угол α определяется в зависимости от объема загружаемых в контейнер роликов и смеси порошков, исходя из условия отсутствия взаимодействия роликов в вихревом слое с сепаратором контейнера.

В частном случае исполнения угол α принят равным 45°.

В другом частном случае исполнения на подвеске установлен привод, на шток которого установлена планка с возможностью взаимодействия с верхним торцом установленного в подвеску контейнера.

Монтаж индуктора и размещенного в нем стакана механизма колебаний под углом α к вертикальной оси механизма колебаний позволяет установить титановый стакан контейнера в стакан механизма колебаний под таким же углом и облегчить по сравнению с вертикальным положением титанового стакана поднятие перемешиваемого порошка по наклонной цилиндрической поверхности стакана перемешиваемого порошка, сократить выпадение частиц порошка под действием силы тяжести из вихревого слоя на дно стакана и, тем самым, повысить эффективность вихревого размола.

Установка стойки в корпусе механизма колебаний на валах в подшипниковых опорах и соединение вала одной из подшипниковых опор с приводом, обеспечивающим поворот стойки на угол α, позволяет осуществлять установку транспортером вертикально расположенного контейнера, а затем осуществить поворот стойки на угол α вместе с присоединенной к ней подвеской и установленным в ней контейнером и совместить центральные оси титанового стакана контейнера и стакана корпуса механизма колебаний, создав возможность введения титанового стакана контейнера в стакан механизма колебаний.

Прикрепление к стойке направляющих и установка на них подвески, прикрепление привода перемещения подвески к стойке, а каретки привода - к подвеске позволяют осуществить возвратно-поступательное перемещение подвески по стойке, а при установке в подвеску и контейнера.

Выполнение подвески с возможностью установки и фиксации в ней контейнера при вертикальном положении стойки, позволяет вводить транспортером контейнер в заявляемый бокс через проем, устанавливать его в подвеску и фиксировать в ней, а также извлекать контейнер из подвески после снятия фиксирования транспортером.

Выполнение подвески с возможностью после поворота стойки на угол α введения титанового стакана контейнера, зафиксированного в подвеске, в стакан механизма колебаний, размещенный в индукторе, позволяет разместить титановый стакан контейнера с загруженными в него роликами и смесью порошков в зону действия электромагнитного поля индуктора, что, в свою очередь, позволяет сократить выпадение частиц порошка под действием силы тяжести из вихревого слоя на дно стакана и, тем самым, повысить эффективность вихревого размола.

Определение угла α, исходя из условия отсутствия взаимодействия роликов в вихревом слое с сепаратором, позволяет не только предотвратить износ сетки сепаратора при работе, но и сократить объем загружаемых в контейнер роликов и, тем самым, сократить продолжительность охлаждения контейнера после операции вихревого размола.

Принятие угла α равным 45° позволяет конструктивно совместить заявляемое устройство с транспортерами установки вихревого размола.

Установка на подвеске привода, на шток которого установлена планка с возможностью взаимодействия с верхним торцом установленного в подвеску контейнера, позволяет после установки транспортером контейнера в подвеску выдвижением штока привода зафиксировать контейнер в подвеске прижатием планки, создав возможность его поворота и перемещения вместе с подвеской.

Заявляемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 - фиг. 5.

На фиг. 1 показано заявляемое устройство при загрузке и выгрузке контейнера, в разрезе;

на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;

на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2;

на фиг. 4 - устройство при повороте контейнера на 45°, в разрезе;

на фиг. 5 - устройство при введении стакана контейнера в стакан механизма колебаний, в разрезе.

Устройство состоит (фиг. 1-5) из аппарата 1 вихревого слоя ABC-150 с индуктором 2 и механизма 3 колебаний с корпусом 4, состыкованным с продольными транспортерами 5, и к дну 6 которого прикреплен стакан 7, размещенный в индукторе 2, контейнера 8 с титановым стаканом 9, загруженным роликами 10. Индуктор 2 и размещенный в нем стакан 7 механизма 3 колебаний смонтированы под углом 45°.

В корпусе 4 установлена (фиг. 3) на валах 11 в подшипниковых опорах 12 стойка 13, причем вал 11 одной из подшипниковых опор 12 соединен с приводом 14, обеспечивающим поворот стойки 13 на угол 45°. К стойке 13 прикреплены направляющие 15, на которых с возможностью перемещения установлена подвеска 16, привод 17 перемещения которой прикреплен к стойке 13, а каретка 18 привода 17 - к подвеске 16. Подвеска 16 снабжена упорами 19, на которые транспортером 5 устанавливается контейнер 8 при вертикальном положении стойки 13. На подвеске 16 установлен привод 20, на шток 21 которого установлена планка 22, взаимодействующая с верхним торцом установленного в подвеску 16 контейнера 8, снабженного сепаратором 23.

Заявляемое устройство используется следующим образом.

Объемы загружаемых в титановый стакан 9 роликов 10 и смеси порошков определяются опытным путем, исходя из условия отсутствия взаимодействия роликов 10 в вихревом слое с сепаратором 23 контейнера 8. Загруженный смесью порошков контейнер 8 транспортером 5 устанавливается в подвеску 16 на упоры 19, а затем приводом 20 фиксируется в подвеске 16 прижатием планки 22 к верхнему торцу контейнера 8. Включением привода 14 осуществляется поворот на 45° соединенного с ним вала 11 и стойки 13 с присоединенной к ней подвеской 16 и зафиксированным в подвеске контейнером 8. Далее приводом 17 подвеска 16 с зафиксированным на ней контейнером 8 перемещается по направляющим 15 на стойке 13, вводя титановый стакан 9 контейнера 8 в стакан 7 механизма 3 колебаний, размещенный в индукторе 2. При включении индуктора 2 его вращающееся электромагнитное поле намагничивает ролики 10, и приводит их во вращение. Вращающиеся ролики 10 создают в титановом стакане 9 вихревой слой, в котором смесь порошков измельчается и гомогенизируется. Для измельчения и гомогенизации всего объема смеси порошков с помощью привода 17 перемещения подвески 16 контейнер 8 совершает возвратно-поступательное движение внутри стакана 7 механизма 3 колебаний, перемещаясь относительно электромагнитного поля индуктора 2. В результате этого перемещения осуществляется перемещение вращающихся роликов 10 по высоте засыпанного в титановый стакан 9 контейнера 8 порошка и измельчение и перемешивание всего объема порошка.