способ переработки отработавшего ядерного топлива (оят) и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), включающий его переработку химическими средствами, отличающийся тем, что в качестве исходных реагентов используют химически активные газы, а само перерабатываемое ОЯТ в виде, например, отработавших тепловыделяющих сборок (ТВС), сдвигают внутри технологического реактора навстречу друг другу вдоль общей продольной оси до образования между торцевыми поверхностями ТВС технологического зазора, в котором создают электроискровые процессы, инициирующие химические реакции, а также для дополнительного инициирования таких реакций и одновременного проведения в том же технологическом реакторе переработки любых других радиоактивных материалов и отходов, в том числе бесформенных, используют лазерное излучение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходных газовых реагентов используют фтор, хлор и другие галогениды в их смеси и/или в их химическом соединении, например, BrF₃ и СlF₃, а также водород, оксид углерода и другие газовые окислители.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в основной технологической зоне используют электроискровые разряды и/или тлеющий электрический разряд с напряжением от 100 В и более в зависимости от размера технологического зазора между перерабатываемыми ТВС и величины давления внутри технологического реактора.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что осуществляют сканирование лазерных лучей в пределах внешних размеров контейнеров с перерабатываемым материалом.

5. Способ по пп.1, 2 и 4, отличающийся тем, что в зоне сканирования лазерных лучей осуществляют вращение контейнеров с перерабатываемым материалом.

6. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что перерабатываемые ТВС перемещают навстречу друг другу непрерывно или поочередно с соблюдением соответствия их геометрии торцевых поверхностей в основной технологической зоне с возможным при этом вращением перерабатываемых ТВС.

7. Способ по пп.1, 2 и 6, отличающийся тем, что исходные перерабатываемые ТВС предварительно сваривают однотипными торцами с образованием единой заготовки, а затем осуществляют дополнительную стыковочную сварку таких спаренных ТВС уже перед их вводом в технологический реактор, обеспечивая непрерывность основного технологического процесса в целом.

8. Устройство для переработки отработавшего ядерного топлива, содержащее наружный защитный корпус и технологические секции, а также системы подачи исходных химических реагентов и вывода образующихся веществ, отличающееся тем, что корпус технологического реактора выполнен герметичным и снабжен двумя противоположно и соосно расположенными технологическими ветвями управляемой встречной подачи перерабатываемых ТВС, причем каждая технологическая ветвь включает секции: токоподвода, охлаждения, стыковочной сварки ТВС и шлюзовую систему с транспортными механизмами, при этом корпус технологического реактора снабжен узлами ввода лазерных излучений с обеспечением их сканирования, а в нижней части под основной технологической зоной корпус технологического реактора снабжен узлом ввода контейнеров, заполняемых любыми перерабатываемыми радиоактивными материалами и отходами, поступающих через смонтированную для этого дополнительную шлюзовую систему вертикального типа.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что секция стыковочной сварки перерабатываемых ТВС снабжена узлами технического обеспечения процессов, например, электростыковой и/или ультразвуковой или металлотермической сварки.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что корпус технологического реактора снабжен тангенциальным подводом основных технологических и/или вспомогательных нейтральных газов в вихревую камеру.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ядерной техники и технологии, преимущественно для переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), а также для фторирования или хлорирования любых других радиоактивных и/или нерадиоактивных материалов.

Из патентной литературы известен способ фторирования ядерных материалов и устройство для его осуществления, включающее обработку ядерных материалов фтором (патент 2111169 от 04.02.1997; патент 2143940 от 10.01.1999).

Сущность изобретения.

Способ переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) включает его переработку химическими средствами, отличается тем, что в качестве исходных реагентов используют химически активные газы, а само перерабатываемое ОЯТ в виде, например, отработавших тепловыделяющих сборок (ТВС) сдвигают внутри технологического реактора навстречу друг другу вдоль общей продольной оси до образования между торцевыми поверхностями ТВС технологического зазора, в котором создают электроискровые процессы, инициирующие химические реакции, а также для дополнительного инициирования таких реакций и одновременного проведения, в том же технологическом реакторе переработки любых других радиоактивных материалов и отходов, в том числе бесформенных, используют лазерное излучение.

В качестве исходных газовых реагентов используют фтор, хлор и другие галогениды в их смеси и/или в их химическом соединении, например BrF₃ и ClF₃, а также водород, оксид углерода и другие газовые окислители.

В основной технологической зоне используют электроискровые разряды и/или тлеющий электрический заряд с напряжением от 100 вольт и более в зависимости от размера технологического зазора между перерабатываемыми ТВС и величины давления внутри технологического реактора.

Сканирование лазерных лучей осуществляют в пределах внешних размеров контейнеров с перерабатываемым материалом.

В зоне сканирования лазерных лучей осуществляют вращение контейнеров с перерабатываемым материалом.

Перерабатываемые ТВС перемещают навстречу друг другу непрерывно или поочередно с соблюдением соответствия их геометрии торцевых поверхностей основной технологической зоне с возможным при этом вращением перерабатываемых ТВС.

Исходные перерабатываемые ТВС предварительно сваривают однотипными торцами с образованием единой заготовки, а затем осуществляют дополнительную стыковочную сварку таких спаренных ТВС уже перед их вводом в технологический реактор, обеспечивая непрерывность основного технологического процесса в целом.

Устройство для переработки отработавшего ядерного топлива содержит наружный защитный корпус и технологические секции, а также системы подачи исходных химических реагентов и вывода образующихся веществ, отличающееся тем, что корпус технологического реактора выполнен герметичным и снабжен двумя противоположно и соосно расположенными технологическими ветвями управляемой встречной подачи перерабатываемых ТВС, причем каждая технологическая ветвь включает секции: токоподвода, охлаждения, стыковочной сварки ТВС и шлюзовую систему с транспортными механизмами, при этом корпус технологического реактора снабжен узлами ввода лазерных излучений с обеспечением их сканирования, а в нижней части под основной технологической зоной корпус технологического реактора снабжен узлом ввода контейнеров, заполняемых любыми перерабатываемыми радиоактивными материалами и отходами, поступающих через смонтированную для этого дополнительную шлюзовую систему вертикального типа.

Секция стыковочной сварки перерабатываемых ТВС снабжена узлами технического обеспечения процессов, например, электростыковой и/или ультразвуковой, или металлотермической сварки.

Корпус технологического реактора снабжен тангенциальным подводом основных технологических и/или вспомогательных нейтральных газов в вихревую камеру.

Достигаемый технический результат:

- повышение эффективности переработки ТВС за счет использования химически активных газовых реагентов;

- создание более экологически чистой технологии переработки ТВС;

- повышение ядерной безопасности процессов переработки ОЯТ и других радиоактивных материалов и отходов.

Изобретение поясняется чертежами, где

на фиг.1 показан общий вид устройства по сечению А-А;

на фиг.2 - сечение по Б-Б на фиг.3;

на фиг.3 - сечение по В-В на фиг.1;

на фиг.4 - сечение по Д-Д на фиг.2;

на фиг.5 - сечение по Е-Е на фиг.3.

Устройство для переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) содержит следующие основные конструктивные элементы: корпус 1 технологического реактора; левая ветвь 2 перерабатываемой тепловыделяющей сборки (ТВС); центральный узел 3 ввода лазерного излучения; основная технологическая зона 4; правая ветвь 5 перерабатываемой ТВС; защитное покрытие 6 (например, фторопласт) внутренней поверхности технологического реактора; электроизоляционный слой 7; токоподвод 8 к перерабатываемым ТВС; штуцера 9 подвода и отвода охладителя; корпус 10 секции охлаждения; узлы 11 технического обеспечения стыковой сварки ТВС; зона 12 стыковой сварки ТВС; ролики 13 узла подачи ТВС; привод 14 узла подачи ТВС; корпус 15 приемной камеры для перерабатываемой ТВС; концевая часть 16 ТВС; толкатель 17 ТВС; шток 18 толкателя ТВС; гидравлический привод 19 телескопического типа; корпус 20 торцевой секции с гидравлическим приводом; толкатель 21 контейнера (в выдвинутом положении); контейнер 22 с перерабатываемым материалом (ПМ); 23 - толкатель 21 в исходном положении; привод 24 толкателя контейнера; штуцера 25 подачи и вывода технологического газа; боковой узел 26 лазерного излучения; условно показанное направление 27 сканирующего лазерного луча; подвижное уплотнение 28, например типа сильфона; защитный канал 29 выхода лазерного луча; штуцера 30 тангенциального подвода технологического и/или вспомогательного нейтрального газа; узел фиксации 31 контейнера в неподвижном положении на период шлюзования; контейнер 32 с ПМ в рабочем положении (в зоне переработки); контейнер 33 с ПМ в подготовительном положении; толкатель 34 подачи контейнера с перерабатываемым материалом в рабочее положение (в зону переработки); привод 35 толкателя 34; электропривод 36; условно показанный механизм подачи 37 контейнеров с ПМ в шлюзовую камеру; толкатель 38 контейнера с ПМ внутри шлюзовой системы (в верхнем положении); условно показанный торец 39 перерабатываемой ТВС; шлюзовой затвор 40; условно показанная граница 41 зоны сканирования лазерных лучей; уплотнение 42 герметизирующего стакана системы шлюзования; условно показанное вертикальное перемещение 43 контейнера с ПМ; герметизирующий стакан 44 системы шлюзования; условно показанное вращательное движение 45 контейнера с ПМ; исходное положение 46 контейнера с ПМ перед шлюзованием; положение 47 толкателя контейнера с ПМ в промежуточном шлюзовом положении; толкатель 48 герметизирующего стакана в верхнем положении; привод толкателя 49 контейнера с ПМ системы шлюзования; привод толкателя 48 в крайнем верхнем положении 50; толкатель контейнера с ПМ в исходном положении 51; герметизирующий стакан 44 в нижнем положении 52; толкатель 48 в нижнем положении 53; привод 54 толкателя 48; корпус 55 исходного размещения приводов 54 и 49; условно показанная подача 56 ТВС на вход в шлюзовую систему; концевая часть 57 ТВС на входе в шлюзовую систему; приемная камера 58 шлюзовой системы левой ветви переработки ТВС; толкатель 59 ТВС в рабочем положении; концевая часть 60 ТВС в исходном положении перед подачей на переработку; толкатель 59 ТВС в исходном положении 61; приемная камера 62 шлюзовой системы правой ветви переработки ТВС; кольцевая часть 63 ТВС в приемной камере системы шлюзования; входной шлюзовой затвор 64 правой ветви переработки ТВС; расположения концевой части 65 ТВС в камере шлюзования; выходной шлюзовой затвор 66 правой ветви переработки ТВС; боковой толкатель 67 узла подачи ТВС на вход в правую ветвь переработки; шток 68 толкателя 67; кольцевая часть 69 ТВС в положении выхода из системы шлюзования; привод толкателя 67.

Осуществление способа и работа устройства.

Перерабатываемые ТВС подаются в технологический реактор 1 с двух противоположных сторон встречно вдоль общей оси из левой 2 и правой 5 ветвей технологического обеспечения процесса переработки с образованием между торцами ТВС зазора в основной технологической зоне 4. Исходные газовые реагенты, например фтор и/или другие активные газообразные окислители, подаются в зону 4 через штуцера 25 и 30. В дальнейшем к перерабатываемым ТВС через токоподвод 8 подключается высокое напряжение, например, от источника электроискровых разрядов для специального инициирования именно в зоне 4 необходимых химических процессов, в частности фторирования всех веществ, входящих в состав перерабатываемых ТВС. При этом для обеспечения гарантированной равномерности химических процессов по торцам перерабатываемых ТВС, в дополнение к использованию электроискровых разрядов вводится воздействие лазерными лучами 27, обеспечивающими при их сканировании "химическое срезание" каких-либо возможных выступов на торцевых поверхностях ТВС в зоне 4. Одновременно сканирующие лазерные лучи осуществляют интенсификацию соответствующих химических процессов переработки материалов, подаваемых с нижней части технологического реактора в специальных контейнерах 32, 46, о чем детальнее будет сообщено ниже.

Для осуществления указанных процессов переработки ТВС их предварительно состыковывают парами, например, сваркой однотипных концевых частей с образованием исходной, перерабатываемой заготовки теперь уже с однотипными концевыми частями. Именно такая спаренная заготовка их двух исходных ТВС в последующем изложении для кратности будет называться просто перерабатываемая ТВС.

Перерабатываемая ТВС на выходе из системы шлюзования (описание которой дается ниже) поступает в корпус приемной камеры 15 в положение 60, из которого толкателем 17 (исходно находящимся в положении 61) ТВС перемещают в зону роликового узла 13 с приводом 14 дальнейшей подачи ТВС в секцию торцевой сварки 12, снабженную узлами 11 технического обеспечения стыковой сварки с предыдущей ТВС для обеспечения непрерывности технологии переработки в целом. Затем ТВС перемещают в корпус 10 секции охлаждения со штуцерами 9 подвода и отвода охладителя и далее в зону 4 осуществления основного технологического процесса. Аналогичная последовательность технологических действий осуществляется и в противоположной левой ветви переработки ТВС. При этом для обеспечения непрерывности основного технологического процесса в зоне 4 (на период осуществления дополнительной сварки ТВС в правой ветви и соответствующей остановки в ней движения ТВС) осуществляют только одностороннее перемещение ТВС в левой ветви и наоборот.

Процесс шлюзования ТВС в камеру 15 осуществляется следующим образом. Условно показанным питателем 56 ТВС (57) подают в приемную камеру 58 шлюзовой системы до захвата роликами 13 узла подачи ТВС с приводом 14 так, что концевая часть ТВС устанавливается в положение 63 перед входным шлюзовым затвором 64. Далее процесс шлюзования ТВС осуществляется известными приемами с завершающей подачей ТВС в положение 69. После чего боковым толкателем 67, снабженным приводом 70, перерабатываемая ТВС подается в исходное положение 60 и далее процесс повторяется по вышеописанной схеме.

В нижней части технологического реактора 1 смонтирована шлюзовая система вертикального типа для подачи на соответствующую переработку контейнеров 46 с самыми различными материалами, в том числе бесформенными.

Процесс шлюзования контейнеров 46 осуществляется следующим образом. В исходном положении условно показанным механизмом подачи 37 контейнер перемещают в позицию над толкателем 51. Далее приводом 54 контейнер совместно с герметизирующим стаканом 44 перемещают в верхнее положение до стыковки с уплотнением 42. Затем открывается шлюзовой затвор 40 и приводом 49 контейнер вводят в верхнее положение в системе шлюзования. Из этого положения 22 контейнер перемещают толкателем 21 в горизонтальном направлении до его установки над толкателем 34. После чего приводом 35 исходный контейнер 46 с перерабатываемыми материалами подают непосредственно в саму зону технологической переработки. После химической переработки и самого контейнера, и его содержимого до определенного минимального объема он фиксируется узлом 31 в неподвижном состоянии, а толкатель 34 опускается для приема очередного контейнера из системы шлюзования, и далее цикл повторяется.

Для равномерной переработки материалов в указанном контейнере 32 его вращают (45) с помощью приводов 35 и 36 и тем самым обеспечивают соответствующее равномерное воздействие лазерного излучения на всю торцевую поверхность перерабатываемых материалов.