Система для очистки натрия

(51)7 22 26/10 КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(56) Выложенная японская патентная заявка 6172883(54) СИСТЕМА ДЛЯ ОЧИСТКИ НАТРИЯ(57) Предложен аппарат для очистки натрия, простой конструкции, не ухудшающей качества твердо го электролита, используемого в нем. Аппарат для очистки натрия в соответствии с изобретением, в котором удаляются примеси, содержащиеся в натрии, посредством твердого электролита, имеющего натрий с ионной электропроводностью, включает в себя оболочку с закрытым дном, выполненную из твердого электролита и содержащую небольшое количество натрия высокой чистоты наружный корпус, вмещающий в себя упомянутую оболочку с закрытым дном и содержащий помимо упомянутой оболочки с закрытым дном натрий с примесями первый электрод, введенный в натрий с примесями второй электрод, введенный в натрий высокой чистоты и источник энергии для подачи напряжения постоянного тока на эти электроды, в котором натрий, содержащий примеси, и натрий высокой чистоты находятся в электрическом контакте один с другим через твердый электролит. 13162 Полное раскрытие японских патентных заявок 2000-192514, поданной 27 июня 2000 года и 2000-154887, поданной 24 мая 2001 года, содержащих описания, формулы изобретения, чертежи и рефераты, используется во всей своей совокупности в виде ссылок. Настоящее изобретение относится к устройству для очистки натрия (далее называемому аппаратом для очистки натрия), при этом натрий содержит примеси, например, оксиды и гидраты оксидов, и к системе для очистки натрия (далее называемой системой очистки натрия). Натрий используется в качестве хладагента или подобного материала в оборудовании, таком как ядерные энергетические установки, во время эксплуатации которых примеси, например, оксиды и гидраты оксидов металлов возможно проникают в натрий. Обычно некоторые примеси удаляются посредством способа, такого как холодное улавливание, в котором натрий охлаждают и примеси улавливают с использованием металла, такого как цирконий. Хотя способ холодного улавливания подходит для удаления таких примесей, как кислород и водород, он не пригоден для удаления таких примесей,как оксиды и гидраты оксидов металлов. Таким образом, имеется ранее предложенный аппарат для очистки натрия, обеспечивающий высокую чистоту натрия на основе техники щелочнометаллического термоэлектрического преобразователя (ЩМТЭП) (выложенная японская патентная заявка 6-172883). На фиг. 11 (известный уровень техники) показана схема аппарата, описанного в вышеуказанной публикации. На фиг. 11 (известный уровень техники) в качестве твердого электролита используется -оксид алюминия (далее называемый просто -оксид алюминия). Предусмотрены нагревательная камера 03 и конденсационная камера 04 наряду с сепаратором 01 из -оксида алюминия, расположенным между ними. На сепараторе 01 в конденсационной камере 04 сформирован пористый электрод 02. Вывод, соединяющий пористый электрод 02 с натрием 06,содержащим примеси, находящимся в нагревательной камере 03, электрически соединен с резистором 010, нагревателем 07, предусмотренным в нагревательной камере 03, или с охлаждающим средством 013 для охлаждения охлаждающей секции 012 конденсационной камеры 04. В таком аппарате натрий нагревают до температуры 900-1300 К для образования тем самым катионов натрия. Разница в давлении паров в нагревательной камере и в конденсационной камере вынуждает образованные таким образом катионы натрия проходить через твердый электролит, и эти катионы достигают поверхности (обращенной к охлаждающей секции конденсационной камеры) твердого электролита. Освобожденные электроны подаются через вывод, соединяющий пористый электрод с натрием, находящимся в нагревательной камере, на поверхность раздела между пористым электродом и 2 твердым электролитом, где эти электроны рекомбинируют с ионами натрия, которые были введены через твердый электролит. Образованный таким образом электрически нейтральный натрий испаряется с поверхности электролита и конденсируется в охлаждающей секции, тем самым создавая чистый натрий. Однако во время работы упомянутого выше известного из уровня техники аппарата для очистки натрий, содержащийся в нагревательной камере 03,должен быть нагрет до температуры по меньшей мере 900 К (627 С), что снижает качество -оксида алюминия и приводит к снижению его прочности. Помимо этого, разности в температуре и давлении пара в камере с натрием должны поддерживаться постоянными в течение процесса очистки, и пористый электрод должен быть прикреплен непосредственно к поверхности электролита. Таким образом, структура и эксплуатация такого аппарата требуют повышенных затрат. Хотя -оксид алюминия подходит для очистки натрия, т. е. для удаления таких примесей, как оксиды и гидраты оксидов металлов, эффективное удаление кислорода не может быть достигнуто. Таким образом, когда натрий, очищенный с помощью оксида алюминия, используется в течение длительного времени, может произойти коррозия трубопроводов в аппарате. Чтобы предотвратить эту коррозию, являющуюся проблемой, должно быть добавлено средство холодного улавливания, но такое дополнительное средство неизбежно увеличивает габариты аппарата для очистки. Задачей настоящего изобретения является обеспечение аппарата для очистки натрия простой конструкции, который свободен от проблемы ухудшения качества твердого электролита. Другой задачей изобретения является обеспечение системы очистки натрия, содержащей аппарат для очистки. В одном аспекте настоящего изобретения предлагается аппарат для очистки натрия, в котором содержащиеся в натрии примеси удаляются твердым электролитом, обладающего ионной электропроводностью, при этом аппарат включает в себя оболочку с закрытым дном, выполненную из твердого электролита и предназначенную для содержания натрия с примесями или небольшого количества натрия высокой чистоты наружный корпус для размещения в нем упомянутой оболочки с закрытым дном и для содержания помимо оболочки с закрытым дном небольшого количества натрия высокой чистоты, когда упомянутая оболочка с закрытым дном содержит натрий с примесями, и натрия с примесями, когда упомянутая оболочка с закрытым дном содержит натрий высокой чистоты первый электрод, вводимый в натрий, содержащий примеси, или в натрий высокой чистоты второй электрод, вводимый в натрий высокой чистоты, когда первый электрод введен в натрий,содержащий примеси, или в натрий, содержащий примеси, когда первый электрод введен в натрий высокой чистоты и 13162 источник энергии для подачи напряжения постоянного тока на эти электроды в котором натрий, содержащий примеси, и натрий высокой чистоты находятся в электрическом контакте один с другим через твердый электролит и когда подают напряжение постоянного тока,натрий, содержащий примеси, заряжается положительно, а натрий высокой чистоты заряжается отрицательно, тем самым обеспечивается ионизация натрия, содержащегося в загрязненном примесями натрии и полученные таким образом катионы натрия вынуждены проходить через твердый электролит, и затем они соединяются с электронами на поверхности твердого электролита, образуя при этом чистый натрий. Предпочтительно уровень поверхности жидкости в оболочке с закрытым дном, образованной из твердого электролита, и уровень жидкости в наружном корпусе подгоняют так, чтобы они были приблизительно одинаковы. Предпочтительно твердый электролит образуют из -оксида алюминия. Предпочтительно электроды изготавливают из материала, который является чрезвычайно коррозионностойким по отношению к воздействию натрия,например, из молибдена (Мо), вольфрамаили из нержавеющей стали. Предпочтительно в аппарате натрий очищается при температуре 200-500 С. В другом аспекте настоящего изобретения предлагается система очистки натрия, которая включает в себя упомянутый аппарат для очистки натрия подающее средство для ввода натрия, содержащего примеси, в наружный корпус аппарата для очистки натрия и средство для извлечения натрия, очищенного посредством аппарата для очистки натрия. Предпочтительно система также содержит средство для удаления кислорода, содержащегося в очищенном натрии. Предпочтительно в системе очищенный натрий подается от средства для извлечения натрия в реактор поданный натрий используется в реакторе и затем образующийся натрий, содержащий примеси,подается снова в средство подачи натрия, содержащего примеси. Предпочтительно в системе натрий, содержащий примеси, является хладагентом, используемым в реакторе-размножителе на быстрых нейтронах. Другие цели, отличительные особенности и многие из побочных преимуществ настоящего изобретения будут лучше понятны при ссылке на следующее подробное описание предпочтительных вариантов осуществления, когда они рассматриваются в связи с приложенными чертежами, в которых фиг. 1 - схематическое изображение аппарата для очистки натрия в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения фиг.2 - график, показывающий изменение напряжения во время очистки натрия при температуре 200 С фиг. 3 - график, показывающий изменение напряжения во время очистки натрия при температуре 350 С фиг. 4 - график, показывающий моделирующий расчет стоимости эксплуатации аппарата для очистки натрия фиг. 5 А и 5 В - графики, показывающие кулоновскую эффективность во время очистки натрия фиг. 6 А - диаграмма, показывающая степень очистки натрия от примесных элементов, присутствующих перед очисткой, после очистки при температуре 200 С фиг. 6 В - диаграмма, показывающая степень очистки натрия от примесных элементов, присутствующих в нем, после его очистки при температуре 350 С фиг. 7 - блок-схема системы непрерывной очистки натрия фиг. 8 - схематическое изображение системы непрерывной очистки натрия фиг. 9 - схематическое изображение системы непрерывной очистки натрия фиг. 10 - схематическое изображение аппарата для удаления кислорода и фиг. 11 - схематическое изображение обычного аппарата для очистки натрия. Ниже дано подробное описание настоящего изобретения со ссылкой на варианты его осуществления, которые не следует понимать как ограничивающие данное изобретение. Вариант 1 На фиг. 1 дано схематичное изображение аппарата для очистки натрия в соответствии с вариантом 1 настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, в ппарате 100 примесь,содержащаяся в натрии, удаляется посредством твердого электролита, обладающего ионной электропроводностью. Аппарат включает в себя оболочку 11 с закрытым дном, выполненную из твердого электролита и содержащую небольшое количество очищенного натрия (далее называемого натрием высокой чистоты) 13 наружный корпус 12, вмещающий в себя упомянутую оболочку 11 с закрытым дном и содержащий помимо упомянутой оболочки 11 с закрытым дном, натрий 14, содержащий примеси первый электрод 15, введенный в натрий 14, содержащий примеси второй электрод 16, введенный в натрий 13 высокой чистоты и источник энергии 17 для подачи напряжения постоянного тока на электроды 15, 16, в котором натрий, содержащий примеси 14, и натрий высокой чистоты 13 находятся в электрическом контакте один с другим через твердый электролит. В настоящем варианте осуществления натрий 14,содержащий примеси, загружается в наружный корпус 12, а натрий высокой чистоты 13 загружается в оболочку с закрытым дном, выполненную из твердого электролита. Однако настоящее изобретение не ограничивается этой конфигурацией, и также допустима обратная конфигурация. Как показано в увеличенной части на фиг. 1, к электродам прикладывается напряжение постоянно 3 13162 го тока, чтобы натрий 14, содержащий примеси,помещенный в наружный корпус 12, заряжался положительно, а натрий высокой чистоты 13 заряжался отрицательно, чтобы тем самым ионизировать натрий , содержащийся в натрии с примесями 14. Образованные таким образом ионы натрияпроходят через оболочку 11, выполненную из твердого электролита, и затем они рекомбинируют с электронами (е-) на поверхности электролита, тем самым образуя очищенный (очень чистый) натрий 13. В этом варианте осуществления уровень поверхности жидкости 11 а в упомянутой оболочке 11 с закрытым дном, выполненной из твердого электролита, и уровень поверхности 12 а жидкости в наружном корпусе 12 подгоняются так, чтобы они были одинаковы, для обеспечения тем самым эффективной очистки натрия, содержащего примеси. Причиной установления одинакового уровня поверхностей двух жидкостей является то, что любая разница в уровне жидкостей вызывает образование участка, который не проводит электричества, тем самым препятствуя переносу ионов натрия. В настоящем изобретении в качестве упомянутого выше электролита особенно предпочтителен оксид алюминия. В качестве используемого здесь оксида алюминия используются соединения, представляемые формулой 2-23, при этом идеальной композицией является 2 О 5,33 23. Твердый электролит обеспечивает избирательное прохождение через него натрия для удаления тем самым таких примесей как оксиды и гидраты оксидов металлов, содержащихся в натрии. Важнейшими примесями, удаляемыми в настоящем изобретении, являются продукты деления, а также вышеупомянутые вещества. Другими словами, натрий, загрязненный продуктами ядерного деления, также является целью очистки. Электрод, который должен быть введен в вышеупомянутый натрий, предпочтительно изготавливается из материала, который является очень стойким к воздействию натрия, например, из молибдена(Мо), вольфрамаили из нержавеющей стали. Причиной для использования такого материала является то, что материал, который недостаточно стоек к воздействию натрия, например, платина ,растворяется в натрии и проникает в натрий, тем самым препятствуя его эффективной очистке. Вышеупомянутая очистка натрия может выполняться при сравнительно низкой температуре, т. е. при 200500 С, предпочтительно при 300400 С(фиг. 2 и 3). Температуры ниже 200 С нежелательны с точки зрения электрического сопротивления, возникающего в результате реакции с материалом электрода. Этот нежелательный эффект можно устранить, когда температуру поднимают выше 200 С. Однако повышение температуры требует источника тепла,который может обеспечить температуру выше 200 С. Таким образом, температура очистки соответст 4 вующим образом определяется в пределах 200 500 С с учетом стоимости очистки. Аппарат для очистки в соответствии с настоящим изобретением содержит оболочку 11 с закрытым дном, выполненную из твердого электролита,расположенную в наружном корпусе 12. Таким образом, аппарат можно сделать компактным, и он может иметь высокую герметичность и повышенную механическую прочность. График на фиг. 4 показывает примерный моделирующий расчет стоимости эксплуатации аппарата для очистки натрия. Как показано на фиг. 4, аппарат в соответствии с настоящим изобретением может очищать натрий при сравнительно низкой стоимости эксплуатации. Таким образом, при использовании настоящего изобретения можно достичь непрерывного удаления примесей при очистке натрия с низкими затратами. Как показано на фиг. 5 А и 5 В, выход по току во время очистки натрия достигает 100 . Поэтому весь подаваемый ток расходуется на очистку натрия, обеспечивая тем самым очень легкое управление очисткой натрия. На фиг. 6 А и 6 В показана степень очистки ,гдеотношение содержания (примесных элементов, присутствующих перед очисткой) к (примесным элементам, присутствующим после очистки) при 200 С и 350 С соответственно. Как показано на фиг. 6 А и 6 В, очищенный таким образом натрий показывает 103 или выше (104 или выше для Са и ), как при 200 С, так и при 350 С. Таким образом, была подтверждена высокая эффективность очистки натрия. Анализ был осуществлен способом(атомный эмиссионный спектрохимический анализ с индуктивно связанной плазмой), который отличается малым количественным пределом. Аппарат для очистки натрия настоящего изобретения может использоваться в одном периодическом процессе очистки или в непрерывном процессе очистки. В последнем случае, как показано на фиг 7,аппарат 100 для очистки натрия вводится в коммуникационную трубу 102 для натрия в реакторе 101 и циркуляция натрия обеспечивается электромагнитным насосом 103 для осуществления тем самым непрерывного процесса очистки. Вариант 2 Затем описывается непрерывная очистка натрия со ссылкой на вариант 2. На фиг. 8 схематично показана система непрерывной очистки натрия в соответствии с вариантом 2. Как показано на фиг. 8, эта система включает в себя вышеупомянутый аппарат 100 для очистки натрия, показанный на фиг. 1 подающее средство 33 для подачи натрия, содержащего примеси 14, через подающий трубопровод 31 из подающего резервуара 32 в наружный корпус 12 аппарата 100 для очистки натрия и средство 36 регенерации натрия, которое возвращает натрий 13, очищенный аппаратом 100 для очистки натрия, в резервуар 35 для возвращенного натрия посредством насоса 34. 13162 При осуществлении процесса очистки, согласно изобретению, содержащий примеси натрий, который может быть хладагентом в ядерном реакторе,перемещается в подающий резервуар 32 из реактора или подобного устройства, которое содержит загрязненный натрий (фиг. 8). Поэтому, следовательно, объектом, который перемещается, является натрий 14, содержащий примеси. Фиг. 8 отражает один способ подачи натрия 14,содержащего примеси, в наружный корпус 12 и в этом способе применяют всасывание с помощью вакуумного насоса 37 в заполненный газом наружный корпус 12, тем самым перемещая содержащий примеси натрий из подающего резервуара 32. В результате очищенный натрий 13 через твердый электролит, закрытый снизу корпус 11, подается насосом для извлечения очищенного натрия в резервуар для возвращенного натрия. Остаток 38, образующийся во время очистки натрия и остающийся в наружном корпусе 12, содержит сильно конденсированные примеси. Заданное количество остатка 33 переносится в буферный резерв 39 и затем подвергается обработке как отход. Обработка отхода может осуществляться любым известным способом. Таким образом, натрий, содержащий большие количества примесей, также может обрабатываться с низкими затратами посредством аппарата для очистки в соответствии с настоящим изобретением. Помимо этого, если обеспечивается трубопровод 40 (показанный штриховой линией на фиг. 8) для подачи натрия из вышеупомянутого буферного резервуара 39 обратно в подающий резервуар 32, то натрий можно рециркулировать для уменьшения тем самым его объема. Вариант 3 Затем описывается непрерывная очистка натрия со ссылкой на вариант 3. На фиг. 9 схематично показана система непрерывной очистки натрия в соответствии с вариантом 3. Как показано на фиг. 9, эта система включает в себя вышеупомянутый аппарат 100 для очистки натрия, показанный на фиг. 1 подающее средство 33 для натрия, содержащего примеси, которое подает по подающему трубопроводу 31 натрий 14, содержащий примеси, из подающего резервуара 32 в наружный корпус 12 аппарата 100 для очистки натрия средство 36 для извлечения натрия, которое возвращает натрий 13, очищенный аппаратом 100 для очистки натрия, в резервуар для регенерированного натрия 35 посредством насоса 34 и устройство 50 для удаления кислорода, содержащегося в натрии 14 с примесями, при этом устройство 50 вводится в подающий трубопровод 31. Удаление растворенного кислорода посредством вышеупомянутого устройства 50 для удаления кислорода обеспечивает уменьшение коррозии оксида алюминия и трубопроводов. Как показано на фиг. 10, устройство 50 для удаления кислорода включает в себя полую цилиндрическую трубку 51 с закрытым дном, выполненную из проводника ионов кислорода, при этом трубка расположена внутри наружного корпуса 52. Дно цилиндрической трубки 51 покрыто платиновым электродом 53, посредством которого подается напряжение постоянного тока при температуре приблизительно 350 С, чтобы тем самым вызвать избирательную миграцию кислорода. Вышеупомянутый проводник ионов кислорода может быть выполнен из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Как показано на увеличенном участке фиг. 10,электричество подается так, чтобы натрий служил катодом, а платиновый электрод 53 служил анодом. В результате кислород, содержащийся в натрии,ионизируется и газообразный кислород удаляется посредством оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. В данном случае на платиновом электроде 53 происходит реакция по формуле (1), а на поверхности раздела между натрием и оксидом циркония,стабилизированным оксидом иттрия, происходит реакция по формуле (2). Таким образом, полная реакция представлена формулой (3) (следует отметить, что 2 О, содержащийся в натрии, разлагается наи О 2) .электрод О 21/2 О 22 е(1)2-2 О 2 О 2(2) Полная реакция 2 О 21/2 О 2(3) Таким образом, кислород, содержащийся в очищенном натрии 13, может быть удален для предотвращения тем самым повреждения трубопроводов,вызванного коррозией, во время повторного использования очищенного натрия. На фиг. 9 предусмотрены два блока вышеупомянутого устройства 50 для удаления кислорода. Первое устройство 50 А служит устройством для удаления кислорода при подаче напряжения постоянного тока от источника энергии 17, а второе устройство 50 В, снабженное вольтметром 55 вместо источника энергии 17, измеряет концентрацию кислорода. Измерение концентрации кислорода основано на теории кислородного концентрационного элемента. В данном случае на основании воздуха (21 кислорода), как эталона, электродвижущаяся сила, индуцированная концентрацией кислорода (Р(О 2 в натрии может быть получена с помощью следующего уравнения(/)1(0,12/2 Р(О 2,где , Т,ипредставляют собой соответственно газовую постоянную, абсолютную температуру,число электронов, задействованных в реакции (4),и число Фарадея. Концентрация кислорода в натрии может быть вычислена из напряжения в соответствии с вышеприведенным уравнением. Таким образом натрий, содержащий большие количества примесей, может также обрабатываться с низкими затратами посредством аппарата и системы очистки настоящего изобретения. Помимо этого может обеспечиваться рециркуляции натрия от упомянутого буферного резервуара 5 13162 39 к подающему резервуару 32 для уменьшения тем самым его объема. Использованием аппарата для очистки натрия в соответствии с настоящим изобретением, который имеет простую конструкцию, можно эффективно очищать натрий. Когда в качестве твердого электролита используется -оксид алюминия, выход по току достигает 100 . Использование электродного материала, который очень стоек к коррозии натрием, препятствует растворению компонентов электродного материала в натрии. Аппарат может работать при температуре 500 С или ниже для предотвращения тем самым ухудшения качества твердого электролита. Посредством использования системы очистки натрия настоящего изобретения можно непрерывно очищать натрий. Когда в системе имеется средство для удаления кислорода, то можно предотвратить коррозию трубопроводов в системе. Кроме того,можно обеспечивать рециркуляцию очищенного натрия. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Система для очистки натрия, включающая аппарат для очистки натрия от примесей, содержащий твердый электролит, обладающий натриевой ионной электропроводностью, камеру с закрытым дном,выполненную из твердого электролита и содержащую натрий с примесями или небольшое количество натрия высокой чистоты, наружный корпус, в котором размещены упомянутая камера с закрытым дном и небольшое количество натрия высокой чистоты, когда упомянутая камера с закрытым дном содержит натрий с примесями и натрия с примесями, когда упомянутая камера с закрытым дном содержит натрий высокой чистоты, причем твердый электролит камеры находится в электрическом кон 6 такте, как с содержимым камеры, так и с содержимым наружного корпуса первый электрод, второй электрод и источник постоянного тока, отличающаяся тем, что она содержит подающее средство для подачи натрия, содержащего примеси, в наружный корпус аппарата для очистки натрия и средство для извлечения натрия, очищенного посредством аппарата для очистки натрия, реактор и средство извлечения очищенного натрия, соединенного со средством подачи в реактор, а средство подачи натрия, содержащего примеси, соединено со средством вывода натрия, содержащего примеси из реактора. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что твердый электролит выполнен из -оксида алюминия. 3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что электроды выполнены из материала, который является чрезвычайно стойким к коррозии натрием, такого как молибден (Мо), вольфрамили нержавеющая сталь. 4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в аппарате для очистки натрия твердый электролит выполнен из -оксида алюминия. 5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в аппарате для очистки натрия электроды изготовлены из материала, который является чрезвычайно стойким к коррозии натрием, такого как молибден,вольфрам или нержавеющая сталь. 6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средство для удаления кислорода, содержащегося в очищенном натрии. 7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что реактор является реактором-размножителем на быстрых нейтронах, а натрий, содержащий примеси, является хладагентом.