ff —
Wärmebehandlungsvorri chtung
Die Erfindung betrifft allgemein eine Mrmebehandlungsvorrichtung,
die mit Mikrowellen arbeitet, um fortlaufend einen Kernmaterialien enthaltenden Stoff unter Berücksichtigung
der Kritikalitätssicherheit der Kernmaterialien zu be-.handeln,
und insbesondere eine Wärmebehandlungsvorrichtung, die mit Mikrowellen arbeitet, um fortlaufend eine Lösung
und/oder einen Brei, der Kernmaterialien, wie beispielsweise Plutonium, Uran usw. enthält, in Kernbrennstoff-Herstellungsanlagen
oder Wiederaufbereitungsanlagen für verbrauchte Kernbrennstoffe zu behandeln. Der Begriff der Wärmebehandlung
wird in seiner allgemeinen Bedeutung verwandt, in der er verschiedene Behandlungen, die durch ein Erwärmen bewirkt
werden, wie beispielsweise ein Verdampfen, Trocknen, Rösten, Reduzieren, thermisches Denitirieren usw. sowie verschiedene·
Behandlungen, die gleichzeitig mit der Erwärmung durchgeführt werden, wie beispielsweise Mischen und Zerkleinern,
einschließt.
Kernbrennstoffmaterialien, wie beispielsweise Plutonium,
Uran usw., die in Kernbrennstoff-Herstellungsanlagen gehandhabt und in Wiederaufbereitungsanlagen für verbrauchten
Kernbrennstoff wiedergewonnen werden, liegen im allgemeinen in Form einer Lösung und- in einigen Fällen in Form eines
■Breies vor. Bei einem gegenwärtig angewandten Verfahren der thermischen Denitrierung dieser Stoffe werden diese in einer
planaren Schale mit .einer vorbestimmben Tiefe angeordnet, die
unter Berücksichtigung der Kritikalitätssicherheit gegeben ist, und werden die Stoffe direkt Mikrowellen ausgesetzt.
Bei der Wärmebehandlung unter Verwendung von Mikrowellen
ο ο ι ϋ ο ο α
wird das Kernmaterial im Gegensatz zu der Erwärmung durch Dampf oder elektrische Einrichtt. ngen direkt erwärmt. Das ergibt
eine Verbesserung im Erwärirungswirkungsgrad und erlaubt es, die Erwärmungszeit so klein wie möglich zu halten. Dadurch
ist man den Kernmaterialien weniger ausgesetzt und ergibt sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung. Das hat
zur Folge, daß ein Pulver mit ausgezeichneten Eigenschaften erhalten werden kann. Bei dem oben beschriebenen herkömmlichen
Heizsystem, das mit Mikrowellen arbeitet, kann jedoch Kernmaterial, das chargenweise behandelt wird, nicht mit hoher
Geschwindigkeit behandelt werden und ist es unmöglich, das Material fortlaufend zu behandeln.
Es ergibt verschiedene Versuche, Kernmaterial mit einer höheren Geschwindigkeit zu verarbeiten, beispielsweise ein Verfahren
der gleichzeitigen Erwärmung von Kernmaterial, das sich in einer Vielzahl von in geeigneter Weise angeordneten Schal3n
befindet, und ein vorgeschlagenes Verfahren der Verwendong eines gewöhnlichen Drehofens, der auf verschiedenen Gebieten
der Wärmebehandlung angewandt wird. Das zuerst genannte Verfahren benötigt umfangreicnere Ausrüstungen und Anlagen,
während'das zuletzt genannte Verfahren keine zuverlässig hohe Kritikalitätssicherheit liefert. Es ist daher schwierig, diese
Verfahren in der Praxis anzuwenden.
Unter diesen Umständen besteht ein erheblicher Bedarf an der Entwicklung einer kompakten Wärmebehandlungsvorrichtung der
betreffenden Art, die eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit hat und in der Lage ist, die Kritikalitätssicherheit des
Kernmaterials unter Kontrolle zu halten.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die- tatsächlichen
Verhältnisse und Umstände des Standes der Technik entwickelt.
3 --7*
Die Erfindung soll somit zu einer Verbesserung in einer Wärmebehandlungsvorrichtung führen, die mit Mikrowellen arbeitet.
Durch die Erfindung soll insbesondere eine Wärmebehandlungs-·
vorrichtung mit höherer Verarbeit^ngsgeschwindigkeit geschaffen
werden. . l
Durch die Erfindung soll weiterhin eine fortlaufend arbeitende
Wärmebehandlungs Vorrichtung geschaffen werden, die es '■
erlaubt, die Kritikalitätssicherheit des Kernmaterials einzuhalten»
I
Durch die Erfindung soll weiterhin eine Wärmebehandlungsvorrichtung
geschaffen werden, die mit Mikrowellen arbeitet, um fortlaufend eine Lösung und/oder einen Brei, der radioaktives
Material enthält, einer Wärmebehandlung, beispielsweise einer Trocknung, einem Rösten usw., zu unterwerfen. ;
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Wärmebehandlungsvorrichtung,
die mit Mikrowellen arbeitet und es ermöglicht, die Größe der Kernbrennstoffherstellungsanlagen und der
Kernbrennstoff Wiederaufbereitungsanlagen zu verringern»
Die erfindungsgemäße Wärmebehandlungsvorrichtung, die mit
Mikrowellen arbeitet, weist einen ringförmigen Durchgang auf, der durch eine Kombination eines ortsfesten äußeren Zylinders
und eines drehbaren inneren Zylinders gebildet ist, der koaxial im äußeren Zylinder angeordnet ist. Der ringförmige
Durchgang hat eine bestimmte Stärke, die unter Berücksichtigung der Kritikalitätssicherheit der Kernmaterialien bestimmt
ist. Der äußere Zylinder weist ein Einlaßrohr an einem Ende und eine Auslaßöffnung am anderen Ende, wenigstens
einen Mikrowellenleiter und eine Gasablaßöffnung auf. Die Vorrichtung eignet sich dazu, durch Mikrowellen eine Lösung
\ \J \J \J \J
k -
oder einen Brei, was im folgenden einfach als Lösung bezeichnet wird, die ein radioaktives Material enthält und in den
ringförmigen Durchgang durch den Einlaß eingeführt wird, zu erwärmen.
Bei einem besonders bevorzugten AusfUhrungsbeispiel der Erfindung weist die Warmebehandlungsyorrichtung eine Einrichtung
auf, die das Material vom lünlaß zur Auslaßöffnung des
äußeren Zylinders transportiert. Die Transporteinrichtung ist vorzugsweise mit einem Schaber versehen, der aus einem
schraubenförmigen Flügel besteht, der schraubenförmig und im wesentlichen koaxial von einer Außenfläche des inneren
Zylinders nach außen vorsteht. Der Schaber wird in Reibkontakt mit der Innenfläche des äußeren Zylinders gedreht, um
an der Innenfläche anhaftende Stoffe zu entfernen und den Transport des Materials zur Auslaßöffnung zu erleichtern.
Es ist bevorzugt, daß die langgestreckte rohrförmige Vorrichtung so angeordnet wird, daß der langgestreckte ringförmige
Durchgang entlang der Längsachse so schräg verläuft, daß das Ende des Durchganges, das dem Einlaßrohr näher ist,
höher als das andere Ende angeordnet ist, das der Auslaßöffnung näher ist.
Es ist weiterhin bevorzugt, daß Mikrowellenleiter an drei
Stellen, d.h.an einer Stelle an der Einlaßseite, an einer Zwischenstelle und an einer Stelle an der Auslaßseite des
Umfangs des äußeren Zylinders angeschlossen sind.
Um die Kritikalitätssicherheit zu verbessern, kann der innere Zylinder vorzugsweise ein Neutronengift enthalten.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist eine Anzahl von Kugeln zum Pulverisieren des Materials im ringförmigen Durchgang vorgesehen und ist der
«a.
ringförmige Durchgang in eine Vielzahl von Abschnitten
durch netzartige oder perforierte Platten unterteilt, die so ausgebildet sind, daß sowohl Mikrowellen· als auch das
zu behandelnde Material hindurchgehen können, die Kugeln die Platten jedoch nicht passieren können. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist es notwendig, daß die Vorrichtung in einer Schräglage ang3ordnet wirds so daß das Ende des
Durchgangs, das dem Einlaßrohr näher ist, höher als das andere Ende liegt, das der Auslaßöffnung näher ist. Bei diesem
Ausführungsbeispiel sind jedoch Bewegungselement vorgesehen, die die Kugeln während der Drehung"des inneren Zylinders
bewegen. ! - ' j Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders
bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: !
Fig. 1 in einer erläuternden perspektivischen An-
sich ein Ausführungsbeispiel der erfindungsg imäßen W'irmebehandlungsvorrichtung,
und j
Fig. 2 in einer erläuternden Schnittansicht den
abgewardelten Aufbau eines weiteren Aus- :
führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. ■
Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, weist die Wärmebehandlungsvorrichtung
einen äußeren Zylinder 4 auf, der mit einem Einlaßrohr 1 für das Material für die Wärmebehandlung an einem
Ende, einer Auslaß- oder Ablaßöffnung 2 für das behandelte Material am anderen Ende und Mikrowellenleitern 3
versehen ist, die mit der Umfangswand des äußeren Zylin-
_dersjverbunden sind. Die Vorrichtung weist weiterhin einen
O I U U
drelLbaren inneren Zylinder 5, der koaxial im äußeren Zylinder so angebracht ist, daß ein ringförmiger Durchgang 14 |
dazwischen gebildet ist, und eine geeignete Einrichtung zum; Transportieren des Materials vom Einlaß des Durchgangs zur ;
Auslaßöffnung 2 auf. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Aus- ! führungsbeispiel hat die Transporteinrichtung die Form ei- j
nes Schabers 6, der aus einem Schraubenflügel besteht, der !
schraubenförmig von der Außenfläche des inneren Zylinders ■S
5 nach außen vorsteht und in Gleitkontakt mit der Innenfläche des äußeren Zylinders gedreht werden kann. Der Schaber ;
6 hat die Funktion, Stoffe, die an der Innenfläche des äußeren Zylinders haften, während des Betriebes zu entfernen ■
oder abzukratzen und gleichzeitig die Stoffe.zur Auslaßöff-j
nung 2 zu transportieren. Der ringförmige Durchgang, der durch den äußeren und inneren Zylinder begrenzt wird, ist
in einer Schräglage gehalten, so daß das Ende des ringförmigen Durchgangs, das dem'Einlaßrohr 1 näher ist, höher
als das andere Ende liegt, das der Auslaßöffnung 2 näher ist. Ein Gasauslaß 8 ist am oberen Teil des Endes befestigt
das dem Einlaßrohr 1 näher ist. Die Mikrowellenleiter 3 sind an drei Stellen, d.h. an einer Stelle an der Einlaßseite,
an einer Stelle an der Auslaßseite und an einer Zwischenstelle der Umfangswand des äußeren Zylinders 4 angeschlossen.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung sind weiterhin Elemente 10 in den Mikrowellenleitern vorgesehen,
die Verhindern, daß radioaktives Material zurückströmt, und die aus einem für Mikrowellen durchlässigen Material
bestehen. Unter der Auslaßöffnung 2 ist eine Behäl- | tertransporteinheit12, beispielsweise ein Riemenförderer, j
oder eine ähnliche Einrichtung vorgesehen, um der Reihe nach
mehrere Behälter 11 zu transportieren, die so ausgelegt :
sind, daß ihre Größe und Form der Kritikalitätssicherheit entsprechen. Die V/ärmebehandlungsvorrichtung als Ganzes ist
in einem Strahlenschutzkasten 13 vorgesehen, um eine Kon- ;
tamination der Umgebung zu verhindern. Es versteht sich,· ;
daß eine nicht dargestellte Antriebsvorrichtung zum Drehen
des inneren Zylinders 5 mit der Welle 20 des inneren Zylinders
verbunden ist. ;
.Im folgenden wird die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten
Wärmebehandlungsvorrichtung beschrieben. Eine Lösung,
die radioaktives Material, wie beispielsweise Uran und/oder Plutonium, enthält,-wird vom Einlaßrohr 1 in den ringförmigen
Durchgang 14 eingegeben» Aufgrund der Transporteinrichtung
mit dem Schaber 6 und mit Hilfe der Schrägste": lung des
ringförmigen Durchgangs wird das Material unter de:1 Wärmebehandlung
zum Auslaßende des ringförmigen Durchgangs transportiert, während sich der innere Zylinder 5 dreht,und fortlaufend
so wärmebehandelt, daß es von einem Stoff in Form einer Lösung in einen getrockneten Stoff und anschließend
in einen gerösteteten Stoff umgewandelt wird. Das bei diesem Vorgang erzeugte Abgas wird über den Gasauslaß 8 in
ein nicht dargestelltes Abgasbehandlungssystem zur Weiterverwendung
abgegeben. Während der Trocknung haftet das behandelte Material leicht an der Innenfläche des äußeren Zylinders
4. Wenn Material an der Innenfläche des äußeren Zylinders 4 haftet, wird es durch die Wirkung des Schabers
abgekratzt und entfernt uid zwangsweise zum Auslaß des ringförmigen
Durchgangs 14 transportiert» Der Schaber 6 in Form eines Schraubenflügels hat die Funktion, das Material in der
beschriebenen Weise zu transportieren, wobei die Transportgeschwindigkeit einfach dadurch gesteuert werden kann, daß
die Drehgeschwindigkeit des Schabers verändert wird. Die Kritikalitätssicherheit des Kernmaterials kann zuverlässig
unter Kontrolle gehalten werden, da die Kernmaterialmasse durch den Schraubenflüge"- geteilt und durch die Größe des
ringförmigen Durchgangs 14 in Grenzen gehalten wird, während das Material transportiert wird. Das behandelte Material,
das dann die Form eines gerösteten Stoffes hat, wird von der Auslaßöffnung 2 abgegeben und in Behältern 11
ο ο ι υ υ ο
-/IL·
aufgenommen, deren Größe und Form der Kritikalitatssicherheit
entsprechen. Es versteht sich, daß die Behälter irgend-j eine andere Form als die in Fig. 1 dargestellte zylindrische
Form haben können, solange sie in Hinblick auf die Kri-j
j .tikalitätssicherheit ausgelegt sind. Die Behälter 11 werden !
schnell transportiert, die Drehung des inneren Zylinders 4 I
I wird jedoch vorzugsweise synchron mit dein Transport der Be- j
ι I
I halter unterbrochen. Es kann jedoch auch eine nicht darge- ■
i stellte Verschlußkappe in der Auslaßöffnung 2 vorgesehen sein, die synchron mit dem Behältertransport betätigt wird,
um die Zulieferung des behandelten Materials kurzzeitig zu unterbrechen. Das verhindert, daß das geröstete Material
außerhalb der Behälter verstreut wird.
Die Arbeitsgeschwindigkeit kann in einem gewissen Maß dadurch verändert werden, daß die Anzahl der Wellenleiter und
die Höhe der Mikrowellenleistung reguliert oder gewählt wird. Die Kritikalitatssicherheit kann dann verbessert werden,
wenn der innere Zylinder so ausgebildet ist, daß er in seinem Inneren ein Neutronengift, wie beispielsweise Bor-I
oder Gadoliniumverbindi ngen enthält. Der Durchmesser und die
Länge des Einlaßrohres 1,der Auslaßöffnung 2,des Gasauslas-
! ses 8 sind wahlweise so bestimmt, daß sich Mikrowellen ι nicht durch diese Elemente hindurch fortpflanzen, um ein
Austreten von Mikrowellen zu verhindern.
I Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin-
j dung, das im Prinzip mit dem in Fig. 1 dargestellten Aus-
j führungsbeispiel mit der Ausnahme des Aufbaus des inneren
i Teils des ringförmigen Durchganges identisch ist, der
. durch den äußeren und inneren Zylinder begrenzt ist. Glei-
! ehe Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile
: oder Bauelemente, wie bei dem in Fig. 1 dargestellten vor-
: hergehenden Ausführungsbeispiel.
Bei dem abgewandelten Aufbau von Fig. 2 weist die Wärmebe- ;
handlurigsvorrichtung, die mit Mikrowellen arbeitet, einen
äußeren Zylinder 4 und einen drehbaren inneren Zylinder 5 auf. Der äußere Zylinder 4 ist mit einem Einlaßrohr 1, das
"an einem Ende angeschlossen ist, einer Auslaßöffnung 2 zum Widergewinnen des behandelten Materials am anderen Ende,
Mikrowellenleitern 3 und einem Gasauslaß 8 versehen. Der drehbare innere Zylinder 5 ist koaxial im äußeren Zylinder
4 so angeordnet, daß .ein ringförmiger Längsdurchgang 14
dazwischen gebildet ist. j
Der ringförmige Durchgang 14 ist derart schräg angeordnet,
daß das Ende des ringförmigen Durchgangs, das dem Einlaß-,
rohr 1 näher ist, höher als das andere Ende angeordnet ist, das der Auslaßöffnung 2 näher ist. Im ringförmigen Durchgang
ist eine Anzahl von Kugeln zum Pulverisieren des Materials vorgesehen, die im einzelnen im folgenden beschrieben
werden. Der ringförmige Durchgang 14 ist in eine Vielzahl von Abschnitten durch mehrere Unterteilungen, beispielsweise
verstärkte Netzelemente 16 oder perforierte feste Platten, unterteilt. Die Unterteilungen oder die Netzelemente
16 verlaufen im rechten Winkel zur Drehwelle 20 des inneren Zylinders 5. und sind jeweils so ausgebildet, daß sie
Mikrowellen und das zu behandelnde Material hindurchlassen, jedoch die Pulverisierungskugeln nicht hindurchlassen. Die
Netzelemente 16 können an der Außenfläche des inneren Zylinders 5 befestigt sein, so daß sie sich zusammen mit dem inneren
Zylinder 5 drehen oder starr an der Innenfläche des ortsfesten äußeren Zylinders 4 befestigt sein. ..Die Kugeln
15 zum Bewegen und Pulverisieren des Materials im ringförmigen Durchgang 14 sind in jedem der Teilräume vorgesehen,
die Anzahl der Kugeln nimmt jedoch fortschreitend zu, je näher die Abschnitte der Auslaßöffnung 2 sind, wie es schematisch
dargestellt ist.
\J *J I W <~J \J
Bei dem Aufbau des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels ist eine Vielzahl von Bewegungs- oder Rührelementen
17 vorgesehen, die sich von der Außenfläche des inneren Zylinders 5 nach außen erstrecken, um die Kugeln 15 während
der Drehung des inneren Zylinders zu bewegen. Vorzugsweise erstrecken sich die Rührelemente 7 weit genug nach außen,
so daß sie in einem leichten Kontakt mit der Innenfläche des äußeren Zylinders 4 stehen und das vorstehende Ende der
Rührelemente 15 als Schaber wirkt und erfolgreich das Ma- j
terial abkratzen kann, das an eier Innenfläche des äußeren
Zylinders anhaftet.
j Die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung ist
\ im wesentlichen der des vorhergehenden Ausführungsbeispiels :
ähnlich, das in Fig. 1 dargestellt ist. Eine ein. radioaktives
ί Material enthaltende Lösung wird in den ringförmigen Durch-
! gang 14 durch das Einlaßrohr 1 eingeführt und mit Mikrowel-
j len erwärmt, denen es über Mikrowellenleiter 3 ausgesetzt
ί wird. Da der ringförmige Durchgang 14 schräg verläuft und
j zusätzlich die Kugeln 15 und die Rührelemente 17 darin vor-
j gesehen sind, wird das Material zum Auslaßende des ringför-
migen Durchgangs transportiert, während sich der innere Zy-
' linder dreht. Das Material wird in dieser Weise wärmebehan-'
de.lt und von einem Stoff in Form einer Lösung in einen ge-
\ trockneten Stoff und schließlich in einen gerösteten Stoff j
umgewandelt. Das bei diesem Vorgang erzeugte Gas wird über \
den Gasauslaß 8 in ein nicht dargestelltes Abgasbehand- j
lungssystem zur Wiederverwendung abgegeben. Wenn das Material^
das leicht an der Innenfläche des äußeren Zylinders 4 haftet.
an dieser Innenfläche anhaftet, wird es durch die Abkratz- j
wirkung der Rührelemente 17 entfernt, die auch als Schaber J
wirken. Das in dieser V/eise von der Innenfläche des äußeren J
Zylinders 4 entfernte Material wird durch die Kugeln pulve- !
risiert und zum Auslaßende des ringförmigen Durchgangs 14 j
durch die Unterteilungen, beispielsweise die Netzelemente ι
16 transportiert. In den Zwischenabschnitten und dem Auslaßabschnitt
des ringförmigen Durchgangs werden die Pulverisierungskugeln 15 durGh die Rührelemente 17 während der Drehung
des inneren Zylinders 5 bewegt, wobei die Kugeln zum Boden jedes Abschnittes des Durchgangs 14 fallen und dadurch
bewirken, daß der getrocknete Stoff pulverisiert wird. Die Kugeln 15 dienen weiterhin dazu, den Trocknungswirkungsgrad
zu verbessern. Im letzten Schritt dieses Verfahrens wird ein
vollständig gerösteter Stoff zum Auslaßende des ringförmigen Durchgangs transportiert und von der Auslaßöffnung 2 wiedergewonnen.
Das behandelte Material, das aus der Auslaßöffnung 12 strömt, wird Behältern zugeführt, die eine bestimmte
Form und Größe haben, um der Kritikalitatssicherhe.it zu genügen.
Um weiterhin die Sicherheit zu verbessern, enthalten die Kugeln 14 und/oder das Innere des inneren Zylinders 5 vorzugsweise
ein Neutronengift. Die anderen konstruktiven und betrieblichen Merkmale des zweiten Ausführungsbeispiels sind
im wesentlichen ähnlich wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 dargestellt ist,und ergeben sich somit
aus der vorhergehenden Beschreibung.
Bei der erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsvorrichtung wird
eine ein radioaktives Material enthaltende Lösung fortlaufend getrocknet und wird ein Pulverprodukt mit ausgezeichneten
Eigenschaften erhalten. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit kann darüberhinaus in starkem Maße erhöht werden»und
die Größe von Kernanlagen, wie beispielsweise von Kernbrennstoff herStellungsanlagen, und-wiederaufbereitungsanlagen,
kann verringert werden. Daneben kann die Kritikalitätssicherheit der Anlage, die eine der wichtigsten Anliegen auf
diesem Gebiet ist, vollständig sichergestellt werden.
Leerseite