RU160757U1

RU160757U1 - UNIT FOR REMOVING THE SHELL OF THE HEAT-FUEL ELEMENT WITH LIQUID ZINC

Info

Publication number: RU160757U1
Application number: RU2015142087/07U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Анатольевич Гончаров; Владимир Евгеньевич Михеев; Алексей Петрович Судьяров; Петр Викторович Демкин
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"; Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Сосны"
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2016-03-27

Abstract

1. Аппарат для снятия оболочки тепловыделяющего элемента жидким цинком, содержащий плавитель, растворитель и изложницу, выполненные в виде отдельных емкостей с герметичными крышками, расположенных последовательно в одном корпусе и соединенных 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 и снабжена холодной ловушкой отводимых газов, емкости плавителя и растворителя снабжены устройствами нагрева, при этом емкость растворителя снабжена выемным фильтром для размещения фрагментов тепловыделяющего элемента и фильтрации топливных материалов от расплава, а изложница снабжена элементом для извлечения слитка.2. Аппарат по п. 1, характеризующийся тем, что крышки емкостей снабжены элементами для их герметизации и открытия/закрытия.3. Аппарат по п. 1, характеризующийся тем, что устройства нагрева выполнены в виде системы дистанционно заменяемых нагревательных модулей с резистивными нагревательными элементами.4. Аппарат по п. 1, характеризующийся тем, что элемент для извлечения слитка выполнен в виде рыма, дистанционно закрепляемого к крышке изложницы.1. The apparatus for removing the shell of the fuel element with liquid zinc, containing a melter, solvent and mold, made in the form of separate containers with sealed lids arranged in series in one housing and interconnected by channels for pumping melts, made with parts heated between containers, each tank connected to an adjustable gas supply unit to create an independent pressure in them and equipped with a cold trap of exhaust gases, melter and solvent tanks are equipped with devices Tvam heating, the solvent capacity is provided to accommodate the removable filter element and fragments of the fuel filter the fuel material from the melt and the mold is provided with a member for extracting slitka.2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the lids of the containers are equipped with elements for sealing and opening / closing. 3. The apparatus according to claim 1, characterized in that the heating devices are made in the form of a system of remotely replaceable heating modules with resistive heating elements. The apparatus according to claim 1, characterized in that the element for removing the ingot is made in the form of a ring, remotely mounted to the mold cover.

Description

Полезная модель относится к области атомной промышленности, в частности, к ядерному топливному циклу и переработке радиоактивных материалов реакторных тепловыделяющих элементов (твэлов).The utility model relates to the field of the nuclear industry, in particular, to the nuclear fuel cycle and the processing of radioactive materials from reactor fuel elements (fuel elements).

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.The prior art device for removing the shell of the fuel element with liquid zinc, which implements the "Method of opening the shell of the fuel element" (RF Patent No. 2296381, G21C 19/38, publ. 03/27/2007). As follows from the description of the patent, the device contains a retort (capacity), at the bottom of which a predetermined amount of zinc is placed. The retort is connected to systems of evacuation and filling with an inert gas and is equipped with a heating device. At the initial stage of the experiment, an assembly of fuel elements is placed in the upper cold part of the retort, holding it until the zinc is heated to operating temperature. After establishing a predetermined temperature, the assembly is immersed in molten zinc to a predetermined depth and, after exposure, it is removed into the cold zone. To move and hold the assembly, special devices and mechanisms are used. After cooling the assemblies, the retort is disassembled and the results of the experiment are analyzed, after which the temperature in the retort is raised to 800-1100 ° C and zinc is distilled off.

Устройство применимо для вскрытия оболочки твэла как с нитридным, так и с оксидным топливом и отгонки растворителя.The device is applicable for opening the cladding of a fuel rod with both nitride and oxide fuel and distillation of the solvent.

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.However, performing operations on zinc melting, dissolving the fuel cladding, and stripping off the solvent in one retort (vessel) requires frequent reconfiguration of the temperature conditions for heating, cooling, and reheating the retort, which leads to a decrease in the reliability and service life of the device, and also reduces productivity. In addition, to move and hold the assembly, it is necessary to use devices and mechanisms, which also leads to a decrease in the reliability and service life of the device.

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.A known apparatus for separating fuel from the shells with a molten zinc - 3-5% by weight of antimony, serviced remotely (prototype) (Gotovchikov V.T., Makarov V.I., Orekhov V.T., Rybakov A.G., Seredenko V. .A. Removing the shells of irradiated fuel elements. Journal "Atomic energy", t. 99, issue 4, October 2005). The apparatus contains a reaction corundum crucible, into which the fuel elements and the solvent alloy ingot are loaded. On the crucible set separation grid-filter and the receiving crucible. An assembly of two crucibles, separated by a grid, is placed in the reactor with the possibility of rotation through 180 ° using the handle. The reactor is installed in a furnace. The apparatus is equipped with a trap of exhaust gases, connected to a vacuum system and contains a capacitor in the upper part.

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.After sealing, heating and holding the assembly rotate 180 ° around the axis of the capacitor. In this case, the melt from the reaction crucible flows into the receiving crucible, the fuel freed from the shell remains on the grid. Vacuum distillation is performed in the same apparatus after separation of the fuel. The distillate in the condenser is collected in a dense layer and, when heated in an inert atmosphere, flows into the receiving crucible, forming an ingot that is reused in the following shell removal operations.

Использование аппарата позволяет отделять ядерное топливо от оболочки твэлов.Using the apparatus allows you to separate nuclear fuel from the cladding of the fuel rods.

Недостатками данного устройства являются:The disadvantages of this device are:

- 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;- the simultaneous loading into the reaction crucible of the fuel rod segments and the solvent alloy ingot during heating does not ensure the uniformity of the process of dissolving the fuel cladding, leading to a decrease in the process productivity;

- 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;- the presence of mechanical devices and drives for 180 ° rotation of the assembly of two crucibles, separated by a grid, for filtering nuclear fuel from the melt complicates the device and reduces its reliability and service life;

- для извлечения ядерного топлива требуется разборка аппарата, что также приводит к снижению производительности процесса, надежности и ресурса работы.- for the extraction of nuclear fuel requires disassembly of the apparatus, which also leads to a decrease in process performance, reliability and service life.

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.The technical result that can be obtained using the claimed utility model is to increase the reliability and service life of the apparatus for removing the cladding of a fuel rod with liquid zinc during remote control of the work, due to the operations of removing the cladding in separate containers and the absence of mechanical and electrical drives, motors and pumps.

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.The specified technical result is achieved by the fact that the apparatus for removing the shell of the fuel element with liquid zinc contains a melter, solvent and mold, made in the form of separate containers with sealed lids. The tanks are arranged in series in one housing and are interconnected by channels for pumping melts, made with parts heated between the tanks. Each tank is connected to an adjustable gas supply unit to create independent pressure in them during the transfer of melts and is equipped with a cold trap of exhaust gases. The tanks of the melter and solvent are equipped with heating devices, while the tank of the solvent is equipped with a removable filter to accommodate fragments of fuel elements during dissolution of the shell and filtering fuel materials from the melt after dissolution of the shell, and the mold is equipped with an element for removing the ingot.

Крышки емкостей снабжены элементами для их герметизации и открытия/закрытия.Cap covers are equipped with elements for their sealing and opening / closing.

Устройства нагрева выполнены в виде системы дистанционно заменяемых нагревательных модулей с резистивными нагревательными элементами.Heating devices are made in the form of a system of remotely replaceable heating modules with resistive heating elements.

Элемент для извлечения слитка может быть выполнен в виде рыма, дистанционно закрепляемого к крышке изложницы.The element for extracting the ingot can be made in the form of a ring, remotely mounted to the mold cover.

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.The implementation of the melter, solvent and mold in the form of separate containers with sealed caps allows the operations of zinc melting, dissolution of the fuel cladding, forming (freezing) of an ingot from zinc melt with the structural metal of the shell simultaneously, independently, in optimal conditions at different temperatures. This design solution also allows the transfer of melt from tanks without the need for cooldown apparatus. These features contribute to improving the reliability and life of the device.

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.In addition, the dimensions of the containers are reduced, and, consequently, the cost of the melter and solvent tanks made of expensive materials is significantly reduced, while the inertia of heating and cooling of the tanks is reduced. Reducing the size and weight of the tanks allows you to reduce the load on the service device (manipulators), which increases the reliability.

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.Placing containers in series in one housing ensures structural stability, which increases the reliability of the device. This layout solution allows you to maximize the capacity of the tanks to each other, to make the channels for pumping the melts between the tanks as short as possible, which makes it possible to use less powerful and more reliable heaters to heat them, which also improves the reliability of the apparatus.

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.The connection of each tank with a controlled gas supply unit will ensure the controlled creation of independent pressure in the tanks and the ability to transfer melts between the tanks both simultaneously and in turn, without the use of pumps, which will increase the reliability and service life of the device with remote control of its operation. In addition, it is possible to reverse transfer the melt between the tanks of the melter and the solvent to mix the melt and to intensify the process of dissolution of the shell.

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.The implementation of devices for heating the capacities of the melter and solvent in the form of a system of remotely replaceable heating modules with resistive heating elements will provide the temperature conditions required for operations and allow the installation / disassembly of these devices to be partially replaced without interrupting the operation of the apparatus.

Улавливание отводимых газов в каждой емкости обеспечивается холодными ловушками.The capture of exhaust gases in each tank is ensured by cold traps.

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.The presence of a removable filter in the solvent tank will ensure that fuel elements are placed in it during dissolution of the cladding and filtration of fuel materials from the melt after dissolution of the cladding. At the same time, it is possible to remove and replace the filter remotely and independently of the processes performed in the melter and the mold.

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.The presence of an ingot extraction element in the mold, made, for example, in the form of an eye that is remotely mounted to the mold cover, makes it easy to remove the ingot by performing the operation remotely using simple manipulators.

На рисунке приведена схема аппарата для снятия оболочки твэла жидким цинком.The figure shows a diagram of an apparatus for removing the cladding of a fuel rod with liquid zinc.

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).The device for removing the cladding of a fuel rod with liquid zinc contains a melter (1), a solvent (2) and a mold (3), which are made in the form of separate containers with sealed covers (4), the tanks are placed in series in one housing (5) and are interconnected by channels (6) for pumping melts. The channels (6) are made with parts (7) heated between the containers. Each tank is connected to a variable gas supply unit (8) and is equipped with a cold trap of exhaust gases (9). The tanks of the melter (1) and solvent (2) are equipped with heating devices (10). The capacity of the solvent (2) is equipped with a removable filter (11), and the mold (3) is equipped with an element for removing the ingot (12). The lids of the containers are equipped with elements for their sealing and opening / closing (13).

Работа аппарата осуществляется следующим образом.The operation of the apparatus is as follows.

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.Zinc and flux ingots are placed in the melter (1). The zinc loading volume is fixed and is determined from the condition of using one volume per dissolution. Fragments of fuel rods are loaded into a removal filter (11) installed in the solvent tank (2). In the mold (3) set eye (12). The containers are sealed with caps (4) using elements for their sealing and opening / closing (13). After sealing the capacity of the melter (1) and solvent (2), they are heated with heating devices (10) to the melting temperature of the flux, for example, when using NaCl as a flux, the heating temperature will be up to 810 ° C. Zinc melt (melting point Zn 419.6 ° C) and flux are formed in the capacity of the melter (1). After that, the melt is pumped into the solvent (2) through the channel (6) by changing the pressure in the tanks of the melter (1) and solvent (2) created by the controlled gas supply unit (8). The process of removal (dissolution) of the cladding of a fuel rod is carried out in the solvent (2) for a given time. In this case, it is possible to change the pressures in the capacities of the melter (1) and solvent (2), by reversing the transfer of the melt between the capacities of the melter (1) and solvent (2) to mix the melt and intensify the process of dissolution of the shell.

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).In the process of dissolution of the cladding of a fuel rod, the melt is filtered through a removable filter (11). After the removal of the cladding of the fuel rod is completed, the melt containing zinc with the cladding structural metal dissolved in it, flux and impurities is pumped through the channel (6) from the solvent (2) to the mold (3), where an ingot is formed with passive cooling. The formation of the ingot occurs around the eye (12), with the help of which the ingot is easily removed from the mold (3). Fuel pellets of the fuel rod remain inside the removable filter and are removed from the solvent (2) after opening the lid for further processing. The gases discharged from the tanks enter the regenerated cold traps (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).Parts (7) of the channels (6) between the tanks are heated to maintain the required temperature during the transfer of melts. Stability and optimal placement of containers is provided by the housing (5), the design of which also helps to ensure optimal temperature conditions for the melting, dissolution and cooling processes in the respective tanks of the melter (1), solvent (2) and the mold (3).

После извлечения продуктов переработки производится загрузка емкостей плавителя (1) и растворителя (2) исходными продуктами и цикл работы аппарата повторяется.After extraction of the processed products, the capacities of the melter (1) and solvent (2) are loaded with the initial products and the cycle of the apparatus is repeated.

Возможность осуществления заявляемой полезной модели подтверждается использованием известных средств и материалов, в том числе признаков, представленных на уровне функционального обобщения.The feasibility of the claimed utility model is confirmed by the use of well-known tools and materials, including signs, presented at the level of functional generalization.

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.Performing operations to remove the cladding of a fuel rod in separate containers and the lack of mechanical and electrical drives, motors and pumps can improve the reliability and service life of the inventive apparatus for removing the cladding of a fuel rod with liquid zinc with remote control of work.

Claims

1. The apparatus for removing the shell of the fuel element with liquid zinc, containing a melter, solvent and mold, made in the form of separate containers with sealed lids arranged in series in one housing and interconnected by channels for pumping melts, made with parts heated between containers, each tank connected to an adjustable gas supply unit to create an independent pressure in them and equipped with a cold trap of exhaust gases, melter and solvent tanks are equipped with devices Tvam heating, the solvent capacity is provided to accommodate the removable filter element and fragments of the fuel filter the fuel material from the melt and the mold is provided with a member for extracting the ingot.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the lids of the containers are equipped with elements for sealing and opening / closing.

3. The apparatus according to claim 1, characterized in that the heating devices are made in the form of a system of remotely replaceable heating modules with resistive heating elements.

4. The apparatus according to claim 1, characterized in that the element for removing the ingot is made in the form of a ring, remotely mounted to the mold cover.