RU2244354C1

RU2244354C1 - Method of compacting radioactive long-length members of zirconium and zirconium alloy structures

Info

Publication number: RU2244354C1
Application number: RU2003115769/06A
Authority: RU
Inventors: А.П. Васильев (RU); А.П. Васильев; М.Е. Нетеча (RU); М.Е. Нетеча; Б.П. Фролов (RU); Б.П. Фролов; Г.А. Хачересов (RU); Г.А. Хачересов; В.П. Александров (RU); В.П. Александров
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2005-01-10

Abstract

FIELD: nuclear power engineering.

SUBSTANCE: compaction involves cutting members into fragments using electroerosive destruction of member wall by pulse spark-arch discharges emerging between member and electrode. In addition, high-temperature treatment in oxidizing medium, in particular vapor formed, is carried out. Cutting and heat treatment are accomplished in water.

EFFECT: simplified procedure and increased safety.

3 cl

Description

Изобретение относится к области ядерной техники и может быть использовано для компактирования радиоактивно загрязненных длинномерных элементов конструкций из циркония или его сплавов, которые образуются при регенерации ядерного топлива из тепловыделяющих сборок ядерных реакторов и при демонтаже оборудования ядерно-энергетических установок.The invention relates to the field of nuclear engineering and can be used to compact radioactively contaminated long structural elements made of zirconium or its alloys, which are formed during the regeneration of nuclear fuel from fuel assemblies of nuclear reactors and during dismantling of equipment for nuclear power plants.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является способ компактирования радиоактивных длинномерных элементов конструкций из циркония или его сплавов, охарактеризованный в патенте Великобритании №1359104, кл. G 21 С 19/04, опубл. 10.07.1974. Способ предполагает разрезку электроэрозионным разрушением стенок элементов на части импульсными искродуговыми разрядами, созданными между элементом и электродом, а также высокотемпературную обработку в окисляющей среде.Closest to the claimed invention in terms of essential features is a method of compaction of radioactive lengthy structural elements of zirconium or its alloys, described in UK patent No. 1359104, CL. G 21 C 19/04, publ. 07/10/1974. The method involves cutting electroerosive destruction of the walls of the elements into parts by pulsed spark discharges created between the element and the electrode, as well as high-temperature processing in an oxidizing medium.

Недостатками известного способа, выбранного в качестве прототипа, являются низкие радиационная и экологическая безопасность и высокие энергозатраты.The disadvantages of this method, selected as a prototype, are low radiation and environmental safety and high energy consumption.

Задачей настоящего изобретения является создание простого и радиационно-безопасного способа компактирования радиоактивных длинномерных элементов конструкций из циркония или его сплавов, который позволит получить радиоактивные отходы малого объема, что обеспечит их надежное и безопасное захоронение.The objective of the present invention is to provide a simple and radiation-safe method of compaction of long-length radioactive structural elements from zirconium or its alloys, which will allow to obtain small-volume radioactive waste, which will ensure their reliable and safe disposal.

Технический результат изобретения заключается в уменьшении энергии, выделяющейся при окислении циркония или его сплавов, до величин, при которых исключена возможность возникновения неуправляемой экзотермической реакции, а также практически одновременное проведение процессов резки и обработки длинномерных радиоактивных элементов за счет исключения процесса доставки разрезанных частей элементов к месту обработки.The technical result of the invention is to reduce the energy released during the oxidation of zirconium or its alloys to values that exclude the possibility of an uncontrolled exothermic reaction, as well as almost simultaneous cutting and processing of long radioactive elements by eliminating the process of delivering cut parts of elements to the place processing.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе компактирования радиоактивных длинномерных элементов конструкций из циркония или его сплавов осуществляют разрезку элементов на части электроэрозионным разрушением стенки элемента импульсными искродуговыми разрядами, созданными между элементом и электродом. Производят высокотемпературную обработку в окисляющей среде, в качестве которой используют пар. Разрезку и обработку проводят в воде. При этом обработку осуществляют электроэрозионным разрушением частей элемента импульсными искродуговыми разрядами, созданными между упомянутыми частями.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of compaction of long-length radioactive structural elements made of zirconium or its alloys, elements are cut into parts by electroerosive destruction of the element wall by pulsed spark discharges created between the element and the electrode. High-temperature treatment is performed in an oxidizing medium, in which steam is used. Cutting and processing is carried out in water. In this case, the processing is carried out by electroerosive destruction of parts of an element by pulsed spark-arc discharges created between said parts.

Кроме того, разрезку можно проводить при переменном напряжении от 20 до 40 В и токе от 200 до 1000 А.In addition, cutting can be carried out with alternating voltage from 20 to 40 V and current from 200 to 1000 A.

Кроме того, разрезку проводят при переменном напряжении от 25 до 40 В и токе от 200 до 1200 А.In addition, cutting is carried out at alternating voltage from 25 to 40 V and current from 200 to 1200 A.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Длинномерный элемент конструкции, например, канал ядерного реактора из циркониевого сплава (труба длиной 8-10 м, диаметром 90 мм, толщиной стенки 4-5 мм), помещают в емкость, заполненную водой, закрепляют не менее чем в двух точках и производят его разрезку. Для этого элемент и электрод-инструмент подключают к генератору импульсов (напряжение переменного тока от 20 до 40 В и ток от 200 до 1000 А). Затем элемент вращают со скоростью от 0,1 до 10 см/сек, а электрод перемещают до касания с элементом. Возникает серия мощных искродуговых разрядов между элементом и электродом. При этом стенка элемента подвергается электроэрозионному разрушению по высоте, превышающей толщину электрода, и по всей длине окружности элемента, что приводит к разрезке элемента на два отрезка. Локальная часть элемента, составляющая по длине несколько мм, расплавляется. Капли расплавленного циркония или его сплава, перегретые выше температуры плавления, вступают в реакцию с окисляющей средой - паром, образовавшимся в полости вокруг каждой капли, и превращаются в частицы двуокиси циркония. После разрезки элемента электрод возвращают в исходное состояние, а отрезки элемента подключают к генератору импульсов (переменное напряжение от 25 до 40 В, ток от 200 до 1200 А). Верхний отрезок перемещают с одновременным вращением до момента касания с нижним отрезком (скорость сближения от 0,1 до 2,0 мм/сек) и возникновения устойчивых искродуговых разрядов между их торцевыми поверхностями. При этом отрезки локально расплавляются, и капли расплавленного циркония или его сплава, перегретые выше температуры плавления, вступают в реакцию с окисляющей средой - паром. Взаимное электроэрозионное разрушение отрезков проводят до момента, когда длина нижнего отрезка достигнет заданного значения. Затем выключают генератор импульсов, освобождают оставшуюся часть нижнего отрезка и сбрасывают ее в камеру осаждения твердых радиоактивных отходов. Далее оставшуюся часть верхнего отрезка разрезают на два отрезка и повторяют операцию их взаимного разрушения. В итоге от исходного элемента 1 остаются n+1 цилиндрических отрезков, где n - число резов, и большая масса продуктов разрушения циркониевого сплава в виде сферических микрокапсул двуокиси циркония диаметром 0,1-3 мм, а также частиц значительно меньших размеров окислов, которые практически не растворимы в воде. Параметры процесса выбраны так, что выделяющаяся в каждой период разрушения энергия недостаточна для инициирования самоподдерживающейся и самораспространяющейся экзотермической реакции. Это достигается выбором скорости сближения, площади возникновения искродугового разряда, т.е. ограничением массы циркония, который может вступать в реакцию. Поскольку процессы резки и обработки происходит в воде, практически отсутствуют газообразные и жидкие радиоактивные отходы. Вся масса радиоактивного металла перерабатывается в твердые радиоактивные отходы, не растворимые в воде. При этом полученный продукт занимает значительно меньший объем, чем элементы конструкций до обработки. Согласно теплотехническим расчетам производительность способа компактирования может достигать до 100 кг/час.A lengthy structural element, for example, a channel of a nuclear reactor made of zirconium alloy (a pipe 8-10 m long, 90 mm in diameter, 4-5 mm wall thickness), is placed in a container filled with water, fixed at least at two points and cut . For this, the element and the electrode tool are connected to a pulse generator (AC voltage from 20 to 40 V and current from 200 to 1000 A). Then the element is rotated at a speed of 0.1 to 10 cm / sec, and the electrode is moved until it touches the element. A series of powerful spark arcs arises between the element and the electrode. In this case, the wall of the element is subjected to electroerosive destruction along a height exceeding the thickness of the electrode and along the entire circumference of the element, which leads to the cutting of the element into two segments. The local part of the element, which is several mm in length, melts. Drops of molten zirconium or its alloy, superheated above the melting temperature, react with an oxidizing medium, the vapor formed in the cavity around each drop, and turn into particles of zirconium dioxide. After cutting the element, the electrode is returned to its original state, and the segments of the element are connected to a pulse generator (alternating voltage from 25 to 40 V, current from 200 to 1200 A). The upper segment is moved with simultaneous rotation until it touches the lower segment (approach speed from 0.1 to 2.0 mm / s) and the occurrence of stable spark discharges between their end surfaces. In this case, the segments are locally melted, and drops of molten zirconium or its alloy, overheated above the melting temperature, react with an oxidizing medium - steam. Mutual electroerosive destruction of the segments is carried out until the time when the length of the lower segment reaches a predetermined value. Then, the pulse generator is turned off, the remaining part of the lower section is freed and dumped into the solid radioactive waste deposition chamber. Next, the remaining part of the upper segment is cut into two segments and the operation of their mutual destruction is repeated. As a result, from the initial element 1 there remain n + 1 cylindrical segments, where n is the number of cuts and a large mass of the destruction products of the zirconium alloy in the form of spherical microcapsules of zirconium dioxide with a diameter of 0.1-3 mm, as well as particles of significantly smaller oxide sizes, which are practically insoluble in water. The process parameters are chosen so that the energy released in each period of destruction is insufficient to initiate a self-sustaining and self-propagating exothermic reaction. This is achieved by choosing the approach speed, the area of occurrence of the spark arc discharge, i.e. limiting the mass of zirconium that can react. Since cutting and processing processes take place in water, there are practically no gaseous and liquid radioactive wastes. The entire mass of radioactive metal is processed into solid radioactive waste, insoluble in water. Moreover, the resulting product occupies a significantly smaller volume than structural elements before processing. According to thermal engineering calculations, the performance of the compacting method can reach up to 100 kg / h.

Claims

1. The method of compaction of long-length radioactive structural elements of zirconium or its alloys, including cutting the elements into parts by electrical discharge erosion of the element wall by pulsed spark discharges created between the element and the electrode, and high-temperature processing in an oxidizing medium, characterized in that the cutting and processing is carried out in water moreover, the processing is carried out by electroerosive destruction of parts of the element by pulse spark discharges created between the said parts, and in As an oxidizing medium, the resulting vapor is used.

2. The method according to claim 1, characterized in that the cutting is carried out at an alternating voltage of 20-40 V and a current of 200-1000 A.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the treatment is carried out at an alternating voltage of 25-40 V and a current of 200-1200 A.