Устройство переработки облученного бериллия и способ его работы

(51) 21 9/28 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ который расположен на корпусе реакционной камеры. 2. Способ работы устройства переработки облученного бериллия включающий взаимодействие бериллия с хлором, поддержание температуры в зоне реакции на уровне более 730 С,осаждение хлорида кобальта на поверхности рабочих элементов фильтра при температуре этих элементов более температуры кипения хлорида бериллия и менее температуры плавления хлорида кобальта, стабилизацию температурных режимов фильтра отличается тем, что процесс работы устройства разделяется на предварительную и рабочую стадии,на предварительной проводится нагрев бериллия, а рабочая разделяется на две фазы - активную и пассивную, в ходе активной фазы в корпус, через входной патрубок хлора, подается хлор, продукт реакции выпускается через выходной патрубок хлорида бериллия, течение через патрубки аргона отсутствует, активная фаза проводится до тех пор,пока температура элементов фильтра не возрастет до уровня 710 С, в ходе пассивной фазы проводится подача аргона через его входной и выходной патрубки, течение хлора по его патрубкам отсутствует, пассивная фаза ведется до тех пор, пока температура рабочих элементов фильтра не достигнет уровня 500 С. Техническим результатом является достижение высоких показателей степени 60 очистки от радионуклида Со при производительности, близкой к промышленной, и простота управления температурными режимами основных узлов устройства переработки облученного бериллия.(72) Котов Владимир Михайлович Бакланова Юлия Юрьевна(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Национальный ядерный центр Республики Казахстан Комитета по атомной энергии Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан(56) Котов В.М., Бакланова Ю.Ю., Сураев А.С. и др. Температурные режимы установки получения хлорида бериллия./ Вестник НЯЦ РК - 2013. Вып 1,с.70-77(54) УСТРОЙСТВО ПЕРЕРАБОТКИ ОБЛУЧЕННОГО БЕРИЛЛИЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ(57) Предлагаемое изобретение относится к области ядерной техники, а именно к технологии очистки облученного бериллия, использующегося в ядерных реакторах в качестве замедлителя, от гаммаизлучающих радионуклидов, в основном от 60 Со. 1. Устройство переработки облученного бериллия, содержащее входной патрубок подачи хлора, реакционную камеру с корпусом в котором размещен облученный бериллий, нагреватель бериллия, фильтр с развитой поверхностью,выходной патрубок хлорида бериллия отличается тем, что дополнительно содержит входной патрубок подачи аргона, который размещен между облученным бериллием и элементами фильтра и выходной патрубок аргона, который размещен на выходе фильтра, корпус реакционной камеры,выполнен из кварцевого стекла, нагреватель бериллия содержит высокочастотный индуктор, 20017 Предлагаемое изобретение относится к области ядерной техники, а именно к технологии очистки облученного бериллия, использующегося в ядерных реакторах в качестве замедлителя, от гаммаизлучающих радионуклидов, в основном от 60 Со. Предлагаемая технология основана на переводе в начальной стадии бериллия в хлорид бериллия и очистке хлорида бериллия от хлорида кобальта. Известно устройство переработки облученного бериллия, содержащее реакционную камеру, в которой установлена навеска облученного бериллия,входные патрубки подачи хлора и аргона,магистраль транспортировки хлорида бериллия и патрубок вывода хлорида бериллия в накопительную емкость Н...., 2007. с.8. В ходе работы в реакционной камере и магистрали транспортировки хлорида бериллия поддерживается температура на уровне 500 С. Хлорид кобальта,образованный при взаимодействии хлора с примесью кобальта в бериллии осаждается на стенках реакционной камеры и магистрали транспортировки хлорида бериллия. Недостатками устройства являются малая производительность переработки бериллия в хлорид бериллия, так как с ростом производительности уменьшается доля утечек тепла из реакционной камеры, повышается температура в ней сверх требуемого значения, а также высокая плотность осаждения хлорида кобальта на стенках реакционной камеры, обусловленная тем, что хлорид кобальта в реакционной камере находится в твердом состоянии (температура его плавления 724 С). Известно устройство, содержащее, как и первое устройство, входные патрубки подачи хлора и аргона, реакционную камеру, в которой установлена навеска облученного бериллия, патрубок вывода хлорида бериллия в накопительную емкость и,дополнительно, фильтр хлорида кобальта с развитой поверхностью рабочих элементов, а также,магистраль транспортировки хлорида бериллия достаточной длины между реакционной камерой и фильтром хлорида кобальта Исследования эффективности очистки облученного бериллия от радиоактивных нуклидов по сухой технологии. Разработка и создание демонстрационной установки с циркуляцией хлора в контуре Отчет о НИР(промежуточный) / ДГП ИАЭ РГП НЯЦ РК рук. В.М. Котов. Курчатов, 2012. с.28 ГР 0112 РК 00797. Инв.0212 РК 01320. Такая конструкция устройства переработки облученного бериллия позволяет устанавливать температуру в реакционной камере больше, чем температура на элементах фильтра. Большая температура в реакционной камере снижает вероятность осаждения хлорида кобальта на е стенках. В магистрали между реакционной камерой и фильтром газ охлаждается, а оптимальная для осаждения температура на элементах фильтра и их развитая поверхность обеспечивают высокую 2 эффективность очистки хлорида бериллия от хлорида кобальта. Недостатком устройства является сложность поддержания температурного режима в реакционной камере, магистрали и на элементах фильтра. Кроме того, в начальный период работы скорость взаимодействия хлора с бериллием мала из-за низкой температуры бериллия. Это ведет к перерасходу хлора, увеличению длительности процесса активной переработки. Известно устройство, наиболее близкое к предлагаемому решению, содержащее входные патрубки подачи хлора и аргона, реакционную камеру, в которой установлена навеска облученного бериллия, патрубок вывода хлорида бериллия в накопительную емкость, фильтр хлорида кобальта с развитой поверхностью рабочих элементов,дроссельную шайбу между реакционной камерой и фильтром хлорида кобальта и омический нагреватель бериллия, установленный на корпусе реакционной камеры Температурные режимы установки получения хлорида бериллия / Котов В.М. и др.// Вестник НЯЦ РК. 2013. вып 1,с.70-77 Разница температур между реакционной камерой и фильтром обеспечивается за счет адиабатического расширения газа на дроссельной шайбе,сопровождающегося снижением температуры газа. В дополнение к положительным свойствам предыдущего решения следует отметить, что рабочая температура в реакционной камере может быть установлена до подачи хлора в эту камеру, что позволяет оптимизировать характеристики рабочего процесса, в том числе уменьшить длительность процесса активной переработки. Недостатком устройства является необходимость повышения давления в реакционной камере,накладывающая ограничения на материал е корпуса, и сложность поддержания температурного режима в реакционной камере и на элементах фильтра. При предварительном достаточно быстром нагреве бериллия возникает большой градиент температуры на стенке корпуса реакционной камеры. Если этот корпус выполнен из коррозионностойкого кварцевого стекла,то возможно его повреждение. Известен способ переработки облученного бериллия, включающий взаимодействие бериллия с хлором, поддержание температуры в зоне реакции и на стенках магистрали транспортировки хлорида бериллия на уровне 450-500 С и осаждение хлорида кобальта на стенках магистрали транспортировки хлорида бериллия ....,2007.с.8. Температурный режим в данном способе работы поддерживается за счет малой производительности установки, при которой утечки тепла через внешнюю поверхность реакционной камеры относительно велики. Начальная загрузка бериллия в реакционной камере составляет до 10 г, а длительность активного процесса более 200 с. При повышении загрузки реакционной камеры и расхода хлора через е объем повышается энерговыделение, растет температура хлорида бериллия, за счет чего снижается интенсивность осаждения радиоактивного хлорида кобальта ухудшаются характеристики фильтрации конечного продукта от радиоактивных примесей. Кроме того, в начальный момент работы, когда температура бериллия не достигла равновесного состояния,характеристики выработки хлорида бериллия не соответствуют достигаемым в равновесном состоянии. Недостатком данного способа является низкая производительность способа переработки бериллия,сложность управления процессом на этапе выхода на рабочий режим, низкая степень очистки хлорида бериллия от хлорида кобальта. Известен способ переработки облученного бериллия, наиболее близкий к предлагаемому решению, включающий взаимодействие бериллия с хлором, проводимое при температуре 700 С,подачу полученного хлорида бериллия с примесью хлорида кобальта на элементы фильтра хлорида кобальта, снижение температуры хлорида бериллия при подаче его в фильтр и е поддержание на рабочих элементах фильтра на уровне 500 С,осаждение хлорида кобальта на поверхности рабочих элементов фильтра Температурные режимы установки получения хлорида бериллия / Котов В.М. и др.// Вестник НЯЦ РК. 2013. вып 1,с.70-77 В реакционной камере поддерживается давление 0,2-0,3 МПа, в полости фильтра поддерживается давление, близкое к атмосферному. Снижение температуры при перемещении хлорида бериллия из реакционной камеры к фильтру происходит за счет адиабатического расширения газа на дроссельной шайбе. Высокая температура в таком способе достигается при достаточно высокой производительности технологического процесса. Недостатками способа является сложность поддержания температурных режимов в реакционной камере и фильтре при уменьшении количества бериллия в реакционной камере,связанным с его расходом в рабочем процессе, и при выходе технологического процесса на стационарный рабочий режим,снижение характеристик очистки при отклонениях от оптимальных температурных режимов реакционной камеры и фильтра. Задачей предлагаемого изобретения является разработка схемы технологического процесса,обеспечивающей простоту управления температурными режимами основных узлов устройства переработки облученного бериллия с целью достижения высоких показателей степени 60 очистки от радионуклида Со при производительности, близкой к промышленной. Поставленная задача решается следующим образом 1. Устройство переработки облученного бериллия, содержащее входной патрубок подачи хлора, реакционную камеру с корпусом в котором размещен облученный бериллий, нагреватель бериллия, фильтр с развитой поверхностью,выходной патрубок хлорида бериллия, отличается тем, что дополнительно содержит входной патрубок подачи аргона, который размещен между облученным бериллием и элементами фильтра и выходной патрубок аргона, который размещен на выходе фильтра, корпус реакционной камеры,выполнен из кварцевого стекла, нагреватель бериллия содержит высокочастотный индуктор,который расположен на корпусе реакционной камеры. 2. Способ работы устройства переработки облученного бериллия включающий взаимодействие бериллия с хлором, поддержание температуры в зоне реакции на уровне более 730 С,осаждение хлорида кобальта на поверхности рабочих элементов фильтра при температуре этих элементов более температуры кипения хлорида бериллия и менее температуры плавления хлорида кобальта, стабилизацию температурных режимов фильтра отличается тем, что процесс работы устройства разделяется на предварительную и рабочую стадии, на предварительной проводится нагрев бериллия, а рабочая разделяется на две фазы - активную и пассивную, в ходе активной фазы в корпус, через входной патрубок хлора, подается хлор, продукт реакции выпускается через выходной патрубок хлорида бериллия, течение через патрубки аргона отсутствует, активная фаза проводится до тех пор, пока температура элементов фильтра не возрастет до уровня 710 С, в ходе пассивной фазы проводится подача аргона через его входной и выходной патрубки, течение хлора по его патрубкам отсутствует, пассивная фаза ведется до тех пор, пока температура рабочих элементов фильтра не достигнет уровня 500 С. В качестве примера осуществления изобретения рассмотрим устройство переработки облученного бериллия, представленное на фиг.1. Устройство содержит дроссельные шайбы 1,электроуправляемые клапаны 2, ручные вентили 3,баллон с хлором 4, редукторы давления 5, баллон с аргоном 6, баллон с азотом 7, входной патрубок хлоратора 8, корпус хлоратора 9, выполненный из кварцевого стекла, облученный бериллий 10,индуктор высокочастотного нагревателя 11,смесительную газовую камеру 12, фильтр хлорида кобальта 13, омический нагреватель корпуса фильтра 14, холодильник хлорида бериллия 15,дополнительный входной патрубок аргона 16,патрубок охлаждающего азота 17, выходной патрубок аргона 18 и выходной патрубок хлорида бериллия 19. Работа предлагаемого устройства состоит из подготовительного этапа и двух фаз активной и пассивной. На подготовительном этапе проводится разогрев облученного бериллия 10 с помощью высокочастотного нагревателя с индуктором 11 до температуры 700 С. Проводится разогрев фильтра хлорида кобальта 13 с помощью омического нагревателя 14 до температуры 500 С. Проводится 3 полоскание объема реакционной камеры аргоном. Для этого открываются электроклапан баллона аргона на патрубке 8 и электроклапан патрубка 18. Подготовительный режим заканчивается при достижении требуемых температур бериллия и фильтра. В ходе активной фазы рабочего режима в хлоратор подается хлор. При этом открываются электроклапан баллона 4 с хлором и клапан патрубка 19, а клапаны баллона с аргоном 6 и патрубков 16 и 18 закрываются. Горячий поток хлорида бериллия поступает на фильтр 13 и постепенно повышает температуру его рабочих элементов. Проводится подача азота в холодильник 15 открытием электроклапана патрубка 17. Расход азота изменяется с помощью газового редуктора таким образом, чтобы температура хлорида кобальта на выходе холодильника 15 была постоянной. Активная фаза заканчивается при достижении на рабочих элементах фильтра температуры 700 С. В ходе пассивной фазы рабочего режима прекращается подача хлора закрытием электроклапана баллона с хлором 4. Открывается электроклапан баллона с аргоном, связанный с патрубком 16 и электроклапан патрубка 18. При снижении температуры элементов фильтра 13 до температуры 500 С пассивная фаза завершается и включается режим активной фазы. Выбор рабочих температур проведен в соответствии с формулой изобретения. Для справки температура кипения хлорида бериллия равна 500 С, температура плавления хлорида кобальта равна 724 С) У.Д. Верятин, А.П. Зефиров. Термодинамические свойства неорганических веществ. М. Атомиздат,1965,с.461 Ф.М. Перельман, А.Я. Зворыкин. Кобальт и никель. М. Наука, 1975. с.215. Проведен расчет технических характеристик работы предлагаемого устройства для варианта производственного процесса. В качестве исходных данных принято, что масса облученного бериллия 10 в реакционной камере равна 1 кг, масса никелевых прутков в фильтре 13 равна 1,2 кг, а производительность переработки бериллия в хлорид в ходе активной фазы равна 0,25 кг/час. Длительность активной фазы определялась по времени разогрева никелевых прутков на 200 С в потоке горячего хлорида бериллия где 1 - температура разогрева никелевых прутков 2 - снижение температуры хлорида бериллия при прохождении его через фильтр- масса никелевых прутков С - теплоемкость никеля веС 2 - расход хлорида бериллия (принят равным г/с) СвеС 2 - теплоемкость хлорида бериллия. Длительность восстановительного режима определялась по формуле 4 где 3 - среднее изменение температуры аргона в ходе расхолаживания фильтра. С - теплоемкость аргона а - расход аргона (принят равным 5 г/с). Получено, что длительность активной фазы рабочего режима составляет 6 минут, а длительность пассивной фазы составляет 5 минут. В данных условиях для переработки 1 кг бериллия потребуется 30 циклов при общем времени переработки 5,5 часов. Для переработки мировых запасов облученного бериллия (около 5 тонн) потребуется непрерывная работа одной установки в течение 3,2 лет. Изготовление корпуса хлоратора из кварцевой трубы позволяет повысить коррозионную стойкость устройства, обеспечить предварительный нагрев бериллия в поле СВЧ нагревателя без потерь энергии в корпусе реакционной камеры. Требуемая температура облученного бериллия в хлораторе при мощности СВЧ-нагревателя до 2 кВт и массе бериллия 1 кг достигается в кратчайшее время. Отсутствие отсечных клапанов на пути движения хлорида бериллия и расположение фильтра хлорида кобальта в полости близкой по геометрии к геометрии реакционной камеры упрощает конструкцию и управление технологическим процессом. Преимуществом данного варианта является достаточно простая реализация требуемых температурных режимов работы хлоратора, фильтра и приемных емкостей. Используемые в схеме электроклапаны,работают в благоприятном температурном режиме. Подтверждением высоких характеристик очистки получаемого хлорида бериллия от хлорида кобальта является установление оптимального температурного режима фильтрации на активных элементах фильтра (от температуры большей температуры кипения хлорида бериллия до температуры меньшей температуры плавления хлорида кобальта. Таким образом,предлагаемое решение обеспечивает простоту управления температурными режимами основных узлов устройства переработки облученного бериллия с целью достижения высоких показателей степени очистки от радионуклида 60 Со при производительности, близкой к промышленной,т.е. обеспечивает решение поставленной перед изобретением задачи. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство переработки облученного бериллия, содержащее входной патрубок подачи хлора, реакционную камеру с корпусом, в котором размещен облученный бериллий, нагреватель бериллия, фильтр с развитой поверхностью,выходной патрубок хлорида бериллия,отличающееся тем, что дополнительно содержит входной патрубок подачи аргона, размещенный между облученным бериллием и элементами фильтра и выходной патрубок аргона, размещенный на выходе фильтра, корпус реакционной камеры выполнен из кварцевого стекла, нагреватель бериллия содержит СВЧ излучатель,расположенный вне реакционной камеры, и ограничительный экран, охватывающий СВЧ излучатель и реакционную камеру. 2. Способ переработки облученного бериллия по устройству 1,включающий взаимодействие бериллия с хлором, поддержание температуры в зоне реакции на уровне более 7300 С, осаждение хлорида кобальта на поверхности рабочих элементов фильтра при температуре этих элементов более температуры кипения хлорида бериллия и менее температуры плавления хлорида кобальта,стабилизацию температурных режимов фильтра, отличающийся тем, что процесс работы устройства разделяют на предварительную и рабочую стадии,на предварительной проводят нагрев бериллия, а рабочую разделяют на две фазы - активную и пассивную, в ходе активной фазы в корпус через входной патрубок хлора подают хлор, продукт реакции выпускают через выходной патрубок хлорида бериллия, течение через патрубки аргона отсутствует, активную фазу проводят до тех пор,пока температура элементов фильтра не возрастет до уровня 7100 С, в ходе пассивной фазы проводят подачу через его входной и выходной патрубки,течение хлора по его патрубкам отсутствует,пассивную фазу ведут до тех пор, пока температура рабочих элементов фильтра не достигнет уровня 5000 С.