RU809999C - Способ удалени оболочек с тепловыдел ющих сборок - Google Patents

Abstract

1. СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ОБОЛОЧЕК С ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК, включающий нагрев и расплавление материала оболочек тепловыдел ющих сборок, последующее удаление расплава и топлива из зо- ны расплавлени  под действием гравитационных сил, и охлаждение расплава, отличающийс  тем, что с целью повышени  экономичности процесса, материал оболочек тепловыдел ющих сборок расплавл ют с торца, причем капли расплава до соприкосновени  друг с другом охлаждают до температуры затвердевани .2.Способ по п. 1,отличающийс  тем, что с целью отделени  материала оболочек от топлива, процесс ведут в злектро- магнитном поле.3.Способ по п. 1,2 о т л и ч а ю щ и и- с   тем, что содержание кислорода и влаги ватмосфере при удалении оболочек не более 0,01%.4.Способ по п.п. 1,2иЗотличаю - щ и и с   тем, что с целью повышени  степени разделени  топлива разной степени обогащени , расплавление материала оболочек ведут в плоскости ^перпендикул рной продольной оси тепловыдел ющей сборки. .елС

Description

Изобретение относитс  к радиохимической промышленности и может быть использовано дл  удалени  оболочек с отработавших и бракованных тепловыдел ющих сборок CTBC), топливо и материал оболочек которых не взаимодействуют между собой при температуре плавлени  последних (преимущественно ТВС реакторов на быстрых нейтронах, с оболочками из нержавеющей стали).

Описываемый способ может быть применен дл  разделени  топлива различной степени обогащени  в процессе удалени  оболочек.

Целью изобретени   вл етс  повышение экономичности процесса удалени  оболочек с ТВС путем увеличени  его надежности и за счет упрощени  конструкции основных технологических аппаратов, а также повышение степени разделени  топлива разной степени обогащени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе удалени  оболочек с ТВС, включающем нагрев и расплавление материала оболочек ТВС, последующее удаление расплава и топлива из зоны расплавлени  под действием гравитационных сил и охлаждени  расплава, материал оболочек тепловыдел ющих сборок расплавл ют с торца.

Причем капли расплава до соприкосновени  друг с другом охлаждают до температуры затвердевани . Процесс ведут в электромагнитном поле. Содержание кислорода и влаги в атмосфере при удалении оболочек не более 0,01%. Расплавление материала оболочек ведут в плоскости, перпендикул рной продольной оси ТВС.

Расплавление материала оболочек с торца предотвращает перегрев материалов ТВС и обеспечивает наиболее быстрое удаление расплавленных материалов оболочек и вскрытого топлива из зоны расплавлени , так как расплавл емый материал оболочек после расплавлени  (температура 1400°С) под действием собственного веса сразу же стекает по торцевым поверхност м трубок теэлов и местам отрыва его от ТВС. При зтом толливо обнажаетс , и, полностью освободившись от оболочки, также под деиствием гравитационных сил отдел етс  от ТВС по местам стыков таблеток или по местам наименьшей прочности. Тепловой поток от нагревател  направлен только на торец топлива, имеющего низкий коэффициент теплопроводности, следовательно, топливо может быть нагретым только с торца и до невысокой температуры, так как врем , в течение которого торец порции топлива подвергаетс  воздействию теплового потока, незначительно (несколько секунд ), тогда как по способу - прототипу дл  расплавлени  оболочки центрального твэла , с обеспечением той же производительности , необходимо периферийные твэлы нагревать на 200-300°С выше, чем центральный ..

При этом по способу-прототипу врем  нахождени  топлива в зоне расплавлени  (рабочем пространстве) составл ет, как минимум 6 мин. В течение этого же времени осуществл етс  фильтраци , а следовательно , и контакт расплавленных.материалов оболочек с топливом. Так как в описываемом способе врем  нагрева материалов оболочек и топлива, а также врем  их контакта при температуре 1400-1450°С относительно малы, то и потери топлива за счет его испарени  и химического взаимодействи  с материалом оболочек также незначительны . Вследствие этого процесс удалени  оболочек по за вл емому способу экономичнее .

По описываемому способу удаление расплавленных материалов оболочек ТВС в виде капельили струй, распадающихс  на капли, и охлаждение их до соприкосновени  друг с другом до температуры затвердевани   вл етс  необходимым начальным условием , позвол ющим получить в конечном

итоге материалы оболочек в виде небольших слитков, которые могут свободно транспортироватьс  через приемные и разгрузочные отверсти , бункеры и по течкам (трубопроводам), относительно небольшого поперечного сечени . Получение транспортабельных слитков материала оболочек , имеющих достаточно большой насыпной вес, позвол ет иметь компактные отходы и вести процесс удалени  оболочек в непрерывном режиме без таких сложных устройств, как подогреваема  изложница, используема  в оборудовании по способупрототипу . По описываемому способу расплавленный материал оболочек ТВС, стекший к местам отрыва его от ТВС под действием гравитационных сил. удалитс  с этих мест в виде капель или струй, самопроизвольно распадающихс  на капли. Интенсифицировать процесс можно действием вибрации, наложенной на ТВС.

По мере расплавлени  оболочек и стекани  расплава к местам его отрыва от ТВС топливо обнажаетс  и удал етс  из зоны расплавлени  также под действием собственного веса. Ускорение этого процесса может достигатьс  также вибрацией или другими методами.

Получение транспортабельных материалов оболочек, исключение из состава оборудовани  по описываемому способу подогреваемой изложницы, имеющей огнеупорные детали, значительно упрощает технологическое оборудование дл  осуществлени  способа, его обслуживание, следовательно, увеличивает надежность и экономичность процесса удалени  оболочек по описываемому способу.

Удаление материалов оболочек в виде капель или струй, распадающихс  на капли, и топлива в электромагнитном поле, позвол ет отдалить капли - электропроводный материал от топлива неэлектропроводного материала. Отделение достигаетс  воздействием электромагнитного пол  на жидкие капли расплава, которые в результаты этого воздействи  отклон ютс  от направлени  свободного падени , вызываемого действием гравитационных сил. Отделение жидких капель от топлива электромагнитным полем дает возможность провести отделение материалов оболочек от гоплива без фильтрации , используемой в способе-прототипе. Последнее позвол ет в оборудовании по за вл емому способу полностью отказатьс  от керамических деталей, устанавливаемых в рабочее п|эостранство оборудовани , разработанного по способу-прототипу. А это позволит создать значительно упрощенное и более надежное оборудование дл  удалени  оболочек с ТВС. Следовательно, процесс удалени  оболочек по за вл емому способу будет экономичнее.

Охлаждение капель расплава на поверхности вибротранспортера позвол ет наиболее эффективно отводить тепло от капель расплава до их затвердевани , то есть превращени  в слитка и одновременно транспортировать (перемещать) эти слитки, до их ссыпани  в приемник. При зтом рассто ние, на которое происходит перемещение слитков вибротранспортером за врем , проход щее между падением в одно место на его поверхности двух следующих одна за другой капель, должно превышать наибольший размер слитков. В зтом случае капли не попадают одна на другую, следовательно, образуют слитки, транспортабельные по трубопроводам, через загрузочные и разгрузочные отверсти . Получение за вл емым способом транспортабельных отходов из материалов оболочек ТВС дополнительно подтверждает возможность исключени  из оборудовани  по способу-прототипу устройства дл  приема расплавленных материалов оболочек ТВС, в состав которого входит и подогреваема  изложница, футерованна  огнеупорным материалом.

Путь капель расплава, при отсутствии какого-либо воздействи  на них с момента образовани  до. соприкосновани  их с поверхностью вибротранспортера не превышающий 200 мм, обеспечивает при ударе капли о поверхность вибротранспортера сохранение ее целостности, при этом происходит ее расплющивание до толщины 1,5-2 мм. При затвердевании таких расплющенных капель образуютс  дискообразные слитки с ровными кра ми. Эти слитки вполне транспортабельны. Если путь капель буде более 200 мм, то капли разбиваютс  при падении на поверхность вибротранспортера , при этом образуютс  более мелкие шаровидные капли - брызги и тонкие слитки с рваными кра ми и большим периметров. Капли-брызги, отскочив от поверхности вибротранспортера, могут попасть в приемник с топливом, тем самым увеличить содержание материала оболочек в топлдлве. Кроме того листовидные слитки Своими рваными кра ми сцепл ютс  между собой и станов тс  нетранспортабельными через течки, бункеры, загрузочные и разгрузочные отверсти , размеры которых ограничены по услови м  дерной безопасности.

Известно, что топливо в ТВС реакторов на быстрых нейтронах имеет разную степень обогащени  по урану 235 и расположено по длине ТВС трем  зонами, следующими одна за другой. В средней части ТВС расположено высокообогащенное по урану 235 топливо, которое образует активную зону, а по концам экранные части, состо щие в основном из двуокиси урана

238. Дл  повышени  экономичности последующей переработки топлива необходимо более полно разделить высокообогащенное топливо ТВС и топливо зкранных зон. Это достигаетс  при расплавлении оболочек

0 ТВС в плоскости, перпендикул рной продольной оси ТВС.

При нарушении этого услови  вблизи границы раздела двух зон (высокообогащенной и экранной) будет происходить одновременное падение топлива раэличных зон в один приемник, что приведет к смешиванию топлив различной степени обогащени . Возможность более точного разделени  топлив различной степени обогащени  по урану 235 делает процесс более экономичным.

Горизонтальное расположение нижней кромки торца ТВС при расплавлении позвол ет вести процесс с повышенной производительности. Проиэводительность ограничиваетс  услови ми каплеобразовани  и предельной скоростью плавлени  материала оболочек. И, в конечном итоге, производительность зависит от количества

0 мест истечени  расплава с торца ТВС. Горизонтальное расположение нижней кромки торца ТВС обеспечивает наибольшее количество мест истечени  расплава, а следовательно , наибольшую производительность.

5 Содержание кислорода и влаги в атмосфере при удалении оболочек с отработавших ТВС не более 0,01% обеспечивает меньшие в сравнении со способом-протошпом потери топлива с материалом оболочек

0 и более полное отделение последних от топлива , а также при ведении процесса без отделени  материалов оболочек от топлива - наиболее полное вскрытие топлива.

При нарушении этого услови  вблизи

5 границы раздела двух зон (высокообогащеннойи экранной), будет происходить одно временное падение топлива различных зон в один приемник, что приведет к смешиванию топлив различной степени обогащени . Возможность более точного разделени  топлив различной степени обогащени  по урану 235 делает процесс более экономичным.

Горизонтальное расположение нижней

5 кромки торца ТВС при расплавлении позвол ет вести процесс с повышенной производительностью . Производительность ограничиваетс  услови ми каплеобразовани  и предельной скоростью плавлени  мал ериала оболочек. И, в конечном итоге.

производительность зависит от количества мест истечени  расплава с торца ТВС. Горизонтальное расположение нижней кромки торца ТВС обеспечивает наибольшее количество мест истечени  расплава, а следовательно наибольшую производительность.

Содержание кислорода и влаги в атмосфере при удалении оболочек с отработавших ТВС не более 0,01% обеспечивает меньшие в сравнении со способом-прототипом потери топлива с материалом оболочек и более полное отделение последних от топлива , а также при ведении процесса без отделени  материалов оболочек) от топлива - наиболее полное вскрытие топлива.

Удаление расплава с нижней кромки ТВС позвол ет предотвратить соприкосновение капель друг с другом до их затвердевани .

По описываемому способу можно оести процесс как удаление оболочек с ТВС с одновременным отделением материала оболочек в виде капель от топлива, проход щих совместно через электромагнитное поле, так и без отделени  материалов оболочек от топлива. Во втором случае капли расплавленных материалов оболочек и топливо падают под действием гравитационных сил на одну и ту же поверхность вибротранспортера .

На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего за вленный способ при удалении материалов в электромагнитном поле; на фиг. 2 вариант установки ТВС (вид А). Нижн   кромка торца ТВС расположена горизонтально; на фиг. 3 - вариант установки ТВ (вид А). Кроме торца ТВС расположена вертикально; на фиг. 4 - наклонный фронт плавлени  ТВС (место I); на фиг. 5 схема устройства, реализующего за вл емый способ без разделени  материалов.

На этих чертежах обозначены: ТВ С (тепловыдел юща  сборка) 1, направл юща  2, нагреватель 3, торец 4 ИВС, капли 5 расплавленного материала оболочек, устройство б дл  создани  электромагнитного пол , топливо 7, приемник 8 дл  топлива, поверхность 9 вибротранспортера, вибротранспортер 10, СЛИТКИ.11, приемник дл  слитков 12, горизонтальна  нижн   кромка 13, наклонные кромки 14 и 15, место 16, из которого стекает расплавленный материал, приемник 17 дл  механической смеси топлива и слитков.

Пример. Удаление оболочек производили с макетов ТВС, материалы и размеры которых соответствовали материалам и размерам ТВС реактора БН-350. ТВС 1 представл ла собой шестигранный кожух, в который были уложены трубки, заполненные таблетками из естественной двуокиси урана. Материал кожуха и трубок - нержавеюща  сталь марки 12Х18Н10Т. Оборудование соответствовало оборудованию,

изображенному на фиг. 5.

ТВС 1 длиной 250 мм помещали в аппарат на направл ющую 2, корпус (на чертеже не показан) устройства герметично закрывали , вакуумировали аппарат до остаточного давлени  1 Ю мм рт.ст. и заполн ли очищенным от кислорода и влаги аргоном. Содержание кислорода в корпусе устройства во врем  удалени  оболочек не превышало 0,01 % и контролировалось прибором

5 Агат. Включали нагреватель 3. изготовленный на графитамарки ГМЗ. Через четыре минуты начиналось плавление кожуха и трубок с торца 4 ТВС 1. Температура на торце 4 при зтом составл ла 1420-1480С.

0 Расплавленный металл по торцу 4 стекал к его нижней кромке 13, откуда начинал падать в виде капель, после чего сразу же включали подачу ТВС 1 со скоростью 10 мм/мин. Эта скорость поддерживалась до

5 окончани  переработки всей ТВС 1. По мере стекани  расплава обнажалось топливо 7, которое также под действием собственного веса, падало вниз на поверхность 9 вибротранспортера 10 и перемещалось в приемник 17. Поверхность 9 вибротранспортера 10 была изготовлена из меди и имела рубашку охлаждени , в которую подавали воду дл  отвода тепла, содержащегос  в капл х 5 расплава. Упавшие на поверхность 9 вибро5 транспортера 10 капли 5 расплава затвердевали в слитки 11, которые перемещались по поверхности 9 вместе с топливом 7 со скоростью около 100 мм/с. При зтой скорости перемещение всегда освобождалось место

0 на поверхности 9 вибротранспортера 10, равной 500 мм, частоте колебаний его привода , равной 50 ГЦ, обеспечивалось охлаждение капель 5 до соприкосновени  их друг с другом, и затвердевани  их в слитки 11 и

5 перемещение их в приемник 17, Рассто ние от нижней кромки 13 ТВС 1 до поверхности 9 вибротранспортера 10 составл ло 120 мм. Капли 5 расплава, пада  с зтой высоты, приобретали дискообразную форму размером в

0 наибольшем измерении до 30 мм, толщиной 1-1,5 мм массой 4-5 г.

Расплав удал ли с нижней кромки 13 торца 4 (фиг. 2,4), причем эта нужна  кромка 13, согласно п. 5 формулы изобретени , при

5 расплавлении была расположена горизонтально . Нижн   кромка 13 может быть пр молинейной или криволинейной. Дл  удалени  расплава с нижней кромки 13 расплав должен стекать к ней со всего торца 4, который при расплавлении материалов оболочек может быть и не плоским, но он не должен иметь выступающих мест, с которых может удал тьс  расплав. Если по в тс  такие места или пр мые участки на нижней кромке, параллельные продольной оси ТВС, то капли расплава падающие с этих мест или пр мого участка могут при падении на поверхность транспортера 10 накрыть одна другую. А если капли с указанных мест будут падать с образованием сплошной струи, то они при затвердевании создают полосу, из материала оболочки, котора  нетранспортабельна .

ТВС 1 в поперечном сечении имеют, как правило, шестигранную форму, поэтому при по влении возможно множество ее положений . Из них наиболее веро тно осуществимых два (см. фиг. 2, 3). Дл  достижени  повышенной производительности при удалении оболочек с ТВС по за вл емому способу нижнюю кромку 13 торца 4 располагают горизонтально. В этом случае истечение расплава с торца 4 происходит, как минимум, из двух мест, образованных пересечением горизонтальной нижней кромки 13 и наклонных кромок 14, 15. При расположении торца 4, как показано на фиг. 3, расплав будет стекать лишь из места 16. Таким образом, располага  нижнюю кромку 13 торца 4 ТВС 1 горизонтально, можно повысить производительность предлагаемого способа удалени  оболочек с ТВС, а значит и экономичность процесса. Проведенные эксперименты показали, что кислород и влага в количествах превышающих 0,01% значительно окисл ют расплавленный материал оболочек ТВС. Образующиес  при этом окислы металлов шлаки хорошо смачивают топливо. В результате увеличиваетс  взаимодействие между расплавом и топливом, следовательно, и потери топлива с материалом оболочек. Кроме того, наличие шлаков увеличивает попадание стали в топливо , так как сталь смачивает шлак, то есть приливает к нему, а шлак хорошо смачивает топливо.

Описываемый способ удалени  оболочек с ТВС повышает экономичность процесса путем повышени  его надежности и упрощени  аппаратурного оформлени .

Совокупность технологических приемов , а именно: расплавление материала

оболочек ТВС с ее торца, удаление расплава в виде капель или струй, распадающихс  на капли, которые до соприкосновени  друг с другом охлаждают до температуры затаердевани , позволили создать способ, осуществл емый с использованием простого, надежного и компактного технологического оборудовани , а также исключить из состава оборудовани  все огнеупорные и керамические детали,  вл ющиес  наиболее ненадежными и сложными элементами конструктивного исполнени  оборудовани  л  осуществлени  способа-прототипа, и аким образом, повысить экономичность описываемого способа.

Pll9.1