RU124374U1

RU124374U1 - COLD TIGLE INDUCTION FURNACE FOR CLEANING WASTE NUCLEAR FUEL

Info

Publication number: RU124374U1
Application number: RU2012128276/02U
Authority: RU
Inventors: Алексей Николаевич Шатунов; Игорь Владимирович Позняк; Андрей Юрьевич Печенков; Мария Юрьевна Максименко; Вячеслав Владимирович Кичигин; Алексей Иванович Максимов
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2013-01-20

Abstract

1. Индукционная печь с холодным тиглем для очистки отработанного ядерного топлива, содержащая систему водяного охлаждения, индуктор, охватывающий холодный тигель, помещенный в герметичную камеру, и бункер для загрузки переплавляемой шихты, отличающаяся тем, что она снабжена системой отвода газообразных продуктов плавки из герметичной камеры, содержащей штуцер для подачи несущего газа в герметичную камеру и штуцер для отвода несущего газа с газообразными продуктами плавки, расположенный в верхней крышке герметичной камеры, при этом бункер для загрузки переплавляемой шихты расположен на верхней крышке герметичной камеры, а тигель и индуктор выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга, причем высота холодного тигля в 8-15 раз превышает его внутренний диаметр, а высота индуктора в 1,5-2 раза меньше внутреннего диаметра тигля.2. Индукционная печь по п.1, отличающаяся тем, что холодный тигель выполнен в виде двух-трех секционированных разъемных частей.1. Induction furnace with a cold crucible for cleaning spent nuclear fuel, containing a water cooling system, an inductor enclosing a cold crucible placed in a sealed chamber, and a hopper for loading the remelted charge, characterized in that it is equipped with a system for removing gaseous fusion products from the sealed chamber containing a fitting for supplying carrier gas to the sealed chamber and a fitting for removing carrier gas with gaseous fusion products, located in the upper cover of the sealed chamber, while The charge loading reamer is located on the top cover of the pressurized chamber, and the crucible and inductor are movable relative to each other, the height of the cold crucible being 8-15 times its internal diameter and the height of the inductor 1.5-2 times less than the internal crucible diameter. 2. The induction furnace according to claim 1, characterized in that the cold crucible is made in the form of two to three partitioned detachable parts.

Description

Заявленная полезная модель относится к конструкциям индукционных тигельных печей для получения высокотемпературного расплава с последующей его непрерывно-последовательной кристаллизацией (высокотемпературной обработкой материала) и может быть использована для очистки (регенерации) отработанного ядерного топлива (ОЯТ) от продуктов деления с целью его повторного использования в топливном цикле.The claimed utility model relates to designs of induction crucible furnaces for producing a high-temperature melt with its subsequent continuous sequential crystallization (high-temperature processing of the material) and can be used for purification (regeneration) of spent nuclear fuel (SNF) from fission products for the purpose of its reuse in fuel cycle.

Известен способ кристаллизационной очистки веществ полунепрерывной зонной плавкой и устройство для его получения, пат.2244048 РФ опубл. 10.01.2005. Устройство содержит внешний и внутренний контейнеры с установленными на нем охладителями, теплоизоляцию и нагреватели, которые создают электромагнитное поле, индуктирующее в загрузке вихревые токи. Количество нагревателей и охладителей выбирается в зависимости от необходимой степени очистки, что позволяет достигать высокой производительности процесса и высокой степени очистки.A known method of crystallization purification of substances by semicontinuous zone melting and a device for its production, US Pat. No. 2,44048, publ. 01/10/2005. The device contains external and internal containers with coolers installed on it, thermal insulation and heaters that create an electromagnetic field that induces eddy currents in the load. The number of heaters and coolers is selected depending on the required degree of purification, which allows to achieve high process performance and a high degree of purification.

Недостатком данного устройства является узкоспециализированное назначение, непригодность контейнера для плавки ОЯТ, обладающего высокой температурой плавления и коррозионной активностью, из-за наличия прямого контакта расплава со стенкой контейнера.The disadvantage of this device is the highly specialized purpose, the unsuitability of the container for melting spent nuclear fuel, which has a high melting point and corrosion activity, due to the direct contact of the melt with the wall of the container.

Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является средство того же назначения, пат.2177132 РФ опубл. 20.12.2001. Плавильная печь состоит из металлического плавильного охлаждаемого тигля, прозрачного для электромагнитного поля, и поддона со сливным устройством. Поддон выполнен металлическим охлаждаемым. В поддоне и/или в боковой стенке плавильного тигля размещены одно или несколько сливных устройств, выполненных в виде индукционных плавильных узлов. Сливные устройства, размещенные в поддоне, выполнены в виде металлических секционированных охлаждаемых тиглей, прозрачных для электромагнитного поля, с индукторами, расположенными вокруг тиглей. Сливные устройства, размещенные в боковой стенке плавильного тигля, выполнены в виде наклонных металлических секционированных охлаждаемых желобов, прозрачных для электромагнитного поля, с индукторами, расположенными вокруг желобов.The closest analogue of the claimed utility model is a tool of the same purpose, Pat. 2177132 of the Russian Federation publ. 12/20/2001. The melting furnace consists of a metal melted cooled crucible, transparent to the electromagnetic field, and a pan with a drain device. The pallet is made metal cooled. In the pan and / or in the side wall of the melting crucible placed one or more drain devices made in the form of induction melting units. The drain devices located in the pan are made in the form of metal sectioned cooled crucibles, transparent to the electromagnetic field, with inductors located around the crucibles. Drain devices located in the side wall of the melting crucible are made in the form of inclined metal sectioned cooled channels, transparent to the electromagnetic field, with inductors located around the channels.

Недостатки указанной электропечи заключаются в том, что высота индуктора, высота и диаметр тигля соизмеримы, а также отсутствует система перемещения тигля с расплавом относительно индуктора, что не позволяет осуществлять качественную очистку расплава перемещением расплавленной зоны в вертикальном направлении. Конструкцией печи не предусмотрена возможность для периодического извлечения слитка из тигля.The disadvantages of this furnace are that the height of the inductor, the height and diameter of the crucible are comparable, and there is no system for moving the crucible with the melt relative to the inductor, which does not allow for high-quality cleaning of the melt by moving the molten zone in the vertical direction. The design of the furnace does not provide for the possibility of periodic extraction of the ingot from the crucible.

Техническим результатом является повышение качества очистки за счет отгонки примесей из расплавленной зоны в результате зонной плавки слитка и его последующей кристаллизации, а также повышение безопасности и производительности при периодическом извлечении готового слитка из тигля.The technical result is to improve the quality of cleaning due to the removal of impurities from the molten zone as a result of zone melting of the ingot and its subsequent crystallization, as well as to increase safety and productivity during periodic extraction of the finished ingot from the crucible.

Данный технический результат достигается тем, что в индукционную печь с холодным тиглем, содержащую систему водяного охлаждения, индуктор, охватывающий холодный тигель, помещенный в герметичную камеру, и бункер для загрузки переплавляемой шихты, дополнительно введена система отвода газообразных продуктов плавки из герметичной камеры со штуцером для подачи несущего газа в герметичную камеру и штуцером для отвода несущего газа с газообразными продуктами плавки, расположенным в верхней крышке герметичной камеры. При этом бункер для загрузки переплавляемой шихты расположен на верхней крышке герметичной камеры, а тигель и индуктор выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга, причем высота холодного тигля в 8-15 раз превышает его внутренний диаметр, а высота индуктора в 1,5-2 раза меньше внутреннего диаметра тигля. Холодный тигель выполнен в виде двух-трех секционированных разъемных частей.This technical result is achieved by the fact that in the induction furnace with a cold crucible containing a water cooling system, an inductor covering a cold crucible placed in an airtight chamber, and a hopper for loading the remelted charge, an additional system for removing gaseous fusion products from the airtight chamber with a fitting for supplying carrier gas to the sealed chamber and a fitting for removing carrier gas with gaseous smelting products located in the upper cover of the sealed chamber. In this case, the hopper for loading the remelted charge is located on the top cover of the sealed chamber, and the crucible and inductor are movable relative to each other, and the height of the cold crucible is 8-15 times its internal diameter, and the height of the inductor is 1.5-2 times smaller than the inside diameter of the crucible. The cold crucible is made in the form of two or three partitioned detachable parts.

На Фиг.1 представлена конструктивная схема предлагаемой печи, а на Фиг.2 технологическая схема зонной очистки ОЯТ от продуктов деления в индукционной печи с холодным тиглем.Figure 1 presents a structural diagram of the proposed furnace, and figure 2 is a technological diagram of the zone cleaning of spent nuclear fuel from fission products in an induction furnace with a cold crucible.

Индукционная печь с холодным тиглем (Фиг.1) содержит индуктор 7, охватывающий холодный тигель 2, помещенный в герметичную камеру 3, дно тигля 4, систему водяного охлаждения с штуцерами 5, верхнюю крышку камеры 6, снабженную системой загрузки с бункером 7 для измельченных таблеток ОЯТ 8 и системой отвода газообразных продуктов плавки с штуцерами 9 для прокачки несущего газа с продуктами плавки 10, систему перемещения тигля и индуктора относительно друг друга 11.Induction furnace with a cold crucible (Figure 1) contains an inductor 7, covering a cold crucible 2, placed in a sealed chamber 3, the bottom of the crucible 4, a water cooling system with fittings 5, the top cover of the chamber 6, equipped with a loading system with a hopper 7 for crushed tablets SNF 8 and a system for removing gaseous melting products with fittings 9 for pumping carrier gas with melting products 10, a system for moving the crucible and inductor relative to each other 11.

Печь работает следующим образом.The furnace operates as follows.

В бункер 7 загружают переплавляемую шихту из измельченных таблеток ОЯТ 8. Включают систему водяного охлаждения, подающую охлаждающую воду на индуктор 7, холодный тигель 2, крышку камеры 6 и дно тигля 4 через штуцера 5. Включают систему отвода газообразных продуктов плавки, подающую транспортный газ в камеру 3 через нижний штуцер Р, и отводящую его через штуцер 9 в крышке 6. Подают напряжение на индуктор 7 от высокочастотного источника питания. На первом этапе (Фиг.2, а) формируется ванна расплава 72 - на дно тигля 4 засыпается начальный объем шихты и производится стартовый нагрев. Так как при комнатной температуре шихта не обладает достаточной для ее нагрева в электромагнитном поле индуктора электропроводностью, то в качестве стартового материала используется металлический уран или цирконий 73. При перегреве стартовый материал вступает в экзотермическую реакцию с кислородом, тепло от которой расплавляет часть шихты, которая начинает нагреваться в электромагнитном поле. Образующиеся газообразные продукты плавки 10 отводятся при помощи транспортного газа для получения возможности визуального контроля процесса плавки и уменьшения коррозии частей конструкции печи. На втором этапе (Фиг.2, б) включается система перемещения тигля и индуктора относительно друг друга 77 и производится наплавление слитка с подачей шихты 8 через систему загрузки с бункером 7 в тигель 2. Затем тигель 2 продолжают постепенно перемещать вниз относительно индуктора 7 до полного заполнения тигля переплавленным в слиток материалом 14 (Фиг.2, в), после чего происходит окончательное формирование ванны в стационарном состоянии. На четвертом этапе (Фиг.2, г) производится периодическое медленное перемещение тигля относительно индуктора с целью перемещения расплавленной зоны 15 вдоль слитка и его перекристаллизации. Тем самым происходит отгонка примесей (продуктов деления) из основной зоны слитка к его краям. После осуществления требуемого количества проходов отключают электропитание индуктора. После охлаждения слитка выключается система водяного охлаждения и система отвода газообразных продуктов. Затем тигель размыкается на части, чтобы освободить слиток, который изымается из печи и поступает в дальнейшую переработку.A remelted charge from crushed SNF 8 tablets is loaded into the hopper 7. The water cooling system is turned on, which supplies cooling water to the inductor 7, the cold crucible 2, the chamber lid 6 and the bottom of the crucible 4 through the nozzle 5. The gaseous products removal system is switched on, which supplies transport gas to the chamber 3 through the lower fitting P, and diverting it through the fitting 9 in the cover 6. A voltage is applied to the inductor 7 from the high-frequency power source. At the first stage (Figure 2, a) a molten bath 72 is formed - the initial volume of the charge is poured onto the bottom of the crucible 4 and starting heating is performed. Since at room temperature the charge does not have sufficient electrical conductivity to heat it in the inductor’s electromagnetic field, metallic uranium or zirconium is used as the starting material. 73 When overheated, the starting material enters an exothermic reaction with oxygen, the heat from which melts part of the charge, which starts heat up in an electromagnetic field. The resulting gaseous products of the smelting 10 are discharged using a transport gas to provide visual control of the smelting process and reduce corrosion of parts of the furnace structure. At the second stage (Figure 2, b), the system for moving the crucible and the inductor relative to each other 77 is turned on and the ingot is deposited with the charge 8 fed through the loading system with the hopper 7 into the crucible 2. Then the crucible 2 is continued to gradually move downward relative to the inductor 7 until it is full filling the crucible with the material 14 melted into the ingot (FIG. 2, c), after which the final formation of the bath occurs in a stationary state. In the fourth stage (Figure 2, g), the crucible is periodically slowly moved relative to the inductor in order to move the molten zone 15 along the ingot and recrystallize it. Thus, the impurities (fission products) are distilled from the main zone of the ingot to its edges. After making the required number of passes, the power to the inductor is turned off. After cooling the ingot, the water cooling system and the gaseous product removal system are turned off. Then the crucible is opened into parts to release the ingot, which is removed from the furnace and goes into further processing.

Система водяного охлаждения элементов индукционной печи может осуществляться путем подведения воды при помощи шлангов через штуцеры от коллектора, питающегося от замкнутой системы водоснабжения. Система отвода газообразных продуктов плавки может быть реализована путем подведения воздуха при помощи шлангов через штуцеры герметичной камеры печи и отведения его через штуцеры крышки к системе очистки для дальнейшей рециркуляции. Система перемещения тигля и индуктора относительно друг друга может состоять из поддерживающих печь роликов, катящихся по вертикальным направляющим, и электропривода, обеспечивающего перемещение.The water cooling system of the elements of the induction furnace can be carried out by supplying water using hoses through fittings from a collector powered by a closed water supply system. The system for venting gaseous products of melting can be implemented by supplying air using hoses through the fittings of the sealed chamber of the furnace and draining it through the fittings of the lid to the cleaning system for further recirculation. The system for moving the crucible and the inductor relative to each other may consist of supporting rollers rolling along vertical guides and an electric drive that provides movement.

Эффективность технологии очистки ОЯТ от продуктов деления максимальна, когда высота холодного тигля Н_тиг в 8-15 раз превышет его внутренний диаметр D_тиг, а высота индуктора Н_инд в 1,5-2 раза меньше внутреннего диаметра тигля. Значения Н_тиг/D_тиг использовать нецелесообразно из-за снижения производительности. При Н_тиг/D_тиг>15 возникают сложности с компоновкой печи и работой системы перемещения тигля и индуктора относительно друг дгуга. От отношения Н_тиг/D_тиг зависят формы фронтов плавления и кристаллизации, а также полный КПД печи. При увеличении Н_инд падает КПД, а при уменьшении Н_инд конфигурация фронтов изменяется таким образом, что ухудшается качество очистки.The efficiency of the technology for purification of spent nuclear fuel from fission products is maximized when the height of the cold crucible N _tig is 8-15 times higher than its inner diameter D _tig , and the height of the inductor H _ind is 1.5-2 times less than the inner diameter of the crucible. The values of N _tig / D _{tig is} impractical to use due to reduced performance. When H _tig / D _tig > 15, difficulties arise with the layout of the furnace and the operation of the system for moving the crucible and inductor relative to each other. The shape of the melting and crystallization fronts, as well as the overall efficiency of the furnace, depend on the ratio H _tig / D _tig . With an increase in H _{ind, the} efficiency decreases, and with a decrease in H _{ind, the} configuration of the fronts changes in such a way that the quality of cleaning deteriorates.

Холодный тигель выполнен в виде двух-трех секционированных разъемных частей для удобства дистанционного извлечения слитка из тигля с целью повышения безопасности и производительности при периодической работе печи. Холодный тигель может быть выполнен из нержавеющей стали для повышения долговечности при удержании высокотемпературного и коррозионно активного расплава ОЯТ.The cold crucible is made in the form of two or three partitioned detachable parts for the convenience of remote extraction of the ingot from the crucible in order to increase safety and productivity during periodic operation of the furnace. The cold crucible can be made of stainless steel to increase durability while retaining high-temperature and corrosion-active SNF melt.

Использование предлагаемой полезной модели позволяет осуществить очистку отработанного ядерного топлива от продуктов деления с целью его повторного использования в топливном цикле, т.к. в индукционной печи с холодным тиглем возможна отгонка примесей путем зонной плавки слитка и его перекристаллизации при медленном перемещении тигля относительно индуктора, что обеспечивается наличием: холодного тигля, высота которого превышает его внутренний диаметр, выполненного в виде двух-трех секционированных разъемных частей; индуктора, высота которого меньше внутреннего диаметра тигля; дна тигля; возможности передвижения тигля с расплавом и индуктора относительно друг друга.Using the proposed utility model allows the purification of spent nuclear fuel from fission products with a view to its reuse in the fuel cycle, because in an induction furnace with a cold crucible, impurities can be distilled off by zone melting of the ingot and its recrystallization during slow movement of the crucible relative to the inductor, which is ensured by the presence of: a cold crucible, the height of which exceeds its internal diameter, made in the form of two or three partitioned detachable parts; an inductor whose height is less than the inner diameter of the crucible; crucible bottom; the possibility of movement of the crucible with the melt and the inductor relative to each other.

Claims

1. Induction furnace with a cold crucible for cleaning spent nuclear fuel, containing a water cooling system, an inductor enclosing a cold crucible placed in a sealed chamber, and a hopper for loading the remelted charge, characterized in that it is equipped with a system for removing gaseous fusion products from the sealed chamber containing a fitting for supplying carrier gas to the sealed chamber and a fitting for removing carrier gas with gaseous fusion products, located in the upper cover of the sealed chamber, while The charge loading reamer is located on the top cover of the pressurized chamber, and the crucible and inductor are movable relative to each other, the height of the cold crucible being 8-15 times its internal diameter and the height of the inductor 1.5-2 times less than the internal diameter of the crucible.

2. The induction furnace according to claim 1, characterized in that the cold crucible is made in the form of two or three partitioned detachable parts.