Файл: Томск 2019 Отделение ядернотопливного цикла Составитель И. В. Петлин.ppt
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.01.2024
Просмотров: 125
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
95
Составитель: Петлин И.В.
Первые шаги по разработке непрерывного процесса сделаны на фирме "Юнион Корбайд Ньюклеар" в 1948 году с применением вибролотковых реакторов. В них тетрафторид урана в режиме виброперемешивания транспортировался ровным слоем по наклонному лотку в пять последовательно соединенных реакторах, длина каждого из которых равнялась 1,8 м. Около 10 % фтора от его исходного количества подавали на месте ввода порошка, а остальной газ пропускали навстречу потоку твердого материала. В такой схеме первые два реактора выполняли роль аппаратов улавливания фтора. Перемешивание на вибрирующей поверхности тонкого слоя порошка тетрафторида урана позволили намного улучшить степень контактирования реакционной поверхности со фтором и, тем самым, значительно увеличить скорость процесса.
Практически полное превращение в UF6-99,9 % достигалось за 3-5 минут при избытке фтора 120-150 % сверх-стехиометрического при температуре в зоне фторирования 510-540 °С и в зоне улавливания 450-480°С. При этом применяли разбавленный фтор с концентрацией 20 % об., однако процессы спекания порошка не прекратились, поэтому реактор останавливали, когда на поверхности порошка образовывалась прочная стекловидная корка.
96
Составитель: Петлин И.В.
Эксплуатация аппаратов с неподвижными и непрерывно вибрирующими слоями показала, что, вследствие низких коэффициентов теплоотдачи, связанных со способом контакта фаз, процессы фторирования сопровождаются чрезмерным перегревом слоя, спеканием и оплавлением реакционной массы. Визуальные наблюдения за работой виброреактора показали, что в лотке частицы UF4 раскалялись добела и быстро исчезали, что привело к решению направить распыленный UF4 с лотка в вертикальную трубу и сюда же ввести концентрированный фтор. Даже на короткой трубе 0,9 м и диаметром 0,1 м тетрафторид урана газифицировался на 70 %.
Последующие исследования показали, что на трубе высотой 2,0 м достигается 98 %-ная степень превращения. Реагирование в прямоточной газовзвеси протекало с высокой степенью интенсивности. Развивающиеся температуры более 1100°С вели к практически мгновенному реагированию в пламени фтора. Таким образом, появился новый тип фторатора - пламенный реактор .
97
Составитель: Петлин И.В.
C точки зрения гидродинамики каждая твердая частица омывается потоком фтора и быстро реагирует, но поскольку реагирование протекает с постоянно уменьшающейся по высоте реактора концентрацией фтора, необходим его постоянный избыток над стехиометрией (10-15%).
Пламенный реактор выполнен из монель-металла в виде цилиндрической трубы, диаметром 200 мм и высотой 3600 мм (рис 1.3). Снаружи реактор снабжен водяным змеевиком-холодильником. В верхней части его находится узел смешения реагентов. Фтор, предварительно, нагретый до 360-400 °С, подаётся в реактор через четыре сопла. Мешалка с приводом, вращающаяся со скоростью 1800 об/мин., создает хороший контакт между порошком тетрафторида урана, поступающим сверху из шнекового питателя, и фтором. В нижней части расположен приемник-сборник профторированного «огарка» диаметром 500 мм, выполняющий роль циклона.
Было решено использовать пламенный реактор и на стадии улавливания фтора. Его испытания на 50 %-ном избытке UF4 при температурах выше 420°С позволили извлечь значительную часть фтора из газового потока в сыпучие твердые продукты улавливания в виде промежуточных фторидов урана (U4F17, U2F9, UF5), которые затем направятся на стадию фторирования в пламенный реактор.
98
Схема пламенного реактора (США):
1-корпус;
2-сильфон;
3-змеевик охлаждения;
4-бункер загрузки;
5-шнек питателя;
6-корпус диспергатора;
7-сопло входа фтора;
8-вал диспергатора;
9-уплотнение сальниковое;
10-сборник огарка.
99
Система извлечения фтора (газодиффузионный завод, Ок-Ридж, шт. Теннесси):
1-вибратор; 2-шнековый питатель; 3-бункер; 4-привод; 5,12-мотор с редуктором; 6-фильтры; 7-охлаждающие трубки; 8-шнековый питатель; 9-вибратор; 10-конвейер; 11-питающий бункер; 13-реактор; 14-змеевики, охлаждающие паром;15-нагреватель реактора.
100
Составитель: Петлин И.В.
Одновременно для извлечения гексифторида урана из газовых потоков были разработаны конструкции десублиматоров, которые в иностранных литературных источниках называют вымораживающими ловушками.[16] Их принцип действия основан на фазовой диаграмме гексифторида урана, тройная точка которого имеет координаты: давление 1134 мм. рт. ст. и температура 64,052°С, а точка сублимации при температуре 56,4°С и давлении 760 мм. рт. ст., что позволяет выделять гексафторид в твердой фазе при температурах ниже точки сублимации.
101
Вымораживающая ловушка с внутренним охлаждением (газодиффузионный завод, Ок-Ридж, шт. Теннесси):
1-вход охладителя; 2-выход охладителя; 3-вход нагревательного змеевика; 4-выход нагревательного змеевика; 5,11-крепящая планка; 6-штуцер для приборов; 7-типичный разрез трубки; 8-штуцер для слива; 9-корпус; 10-типичное соединение; 12-ребра; 13-поддерживающие пластины.
102
Составитель: Петлин И.В.
Система десублимации состоит из первичных и вторичных ловушек. Первичные ловушки – это два параллельно расположенных цилиндрических десублиматора - теплообменника с внутренними U-образными медными трубками по которым циркулирут хладоагент – фреон-11. По мере заполнения твердым гексафторидом урана одного из десублиматоров его отключают от системы и переключают на второй – параллельный, а в первый подают пар низкого давления. При температуре 90-100°С и давлении 2-3 атм. Гексафторид урана переходит в жидкую фазу и его сливают в транспортные контейнеры. В первичных десублиматорах при температурах минус 20-40°С (в ряде фирм до минус 50-80°С) осаждается основная масса гексафторида урана, а оставшаяся часть после аппарата направляется во вторичные ловушки для окончательного вымораживания гексафторида при температурах минус 50-80°С. Вторичные ловушки – это также два цилиндрических десублиматора несколько меньшего размера включенных параллельно. Для перевода гексафторида в жидкую фазу они оборудованы внешними электронагревателями.
Системы охлаждения десублиматоров с использованием фреонов 11,13,22 с достаточно сложной аппаратурой по их компремированию, испарению и развитой системой коммуникаций располагают на отдельных производственных площадях.
103
Составитель: Петлин И.В.
Вымораживающая ловушка с наружным охлаждением. Верхний ряд –типичные ребристые секции(газодиффузионный завод, Ок-Ридж, шт. Теннесси):
1-внутренние кольцо, приваренное к оболочке; 2-вход газа; 3-электрические нагреватели; 4-выход охладителя; 5-выход газа; 6- фильтр из проволочной сетки для отходящего газа; 7-корпус; 8-слив продукта; 9-охлаждающие трубки; 10- вход охладителя.
104
Составитель: Петлин И.В.
Фактически, к концу 50-х годов конструкции аппаратов технологические режимы процессов фторирования, улавливания и десублимации гексафторида на газодиффузионном заводе в Ок-Ридже ( шт. Теннеси) в дальнейшем были заложены в основу технологических схем при строительстве новых заводов во Франции в 1961 году, Великобритании в 1967 году и в США и Канаде в 1970 году.
После успешного пуска пламенных реакторов в 1950 году в последующие несколько лет исследования в направлении разработок других способов фторирования не проводились. Однако, в связи с ростом производительности заводов и связанным с этим введением в эксплуатацию все новых месторождений урана, имеющих разнообразный минералогический состав и, соответственно им, методы вскрытия руд и способы концентрирования урана, на рынке появились сорта тетрафторида урана, не очищенного от ряда примесей. Например, в 70-х годах за рубежом около 20 % урановых руд добывалось открытым способом в 50 карьерах и 80% - подземным способом на 220 рудниках. Наибольшие неприятности при фторировании UF4 доставлял фторид натрия, 1%-ное содержание которого в течение одного часа вело к полной забивке пламенного реактора диаметром 0,15 м. Поэтому для их переработки понадобились низкотемпературные фтораторы (температура не более 550°С). В качестве такового в США (фирма «Эллайд Кемикл», 1959 год) был выбран реактор «кипящего» слоя. Технологию производства гексафторида урана в реакторе «кипящего» слоя предпочли в Великобритании на заводе в Спрингфилдсе, запущенном в 1957 году производительностью 5000 т/год по урану.
105
Составитель: Петлин И.В.
Следует отметить, что с 50-х годов прошлого века по настоящее время разработка принципиально новых типов аппаратов не производилась, поэтому все современные технологические схемы заводов зарубежных фирм оборудованы типовыми аппаратами фторирования, улавливания и десублимации, разработанными в США в этот период времени.
В основе презентации лежат труды авторов:
Составитель: Петлин И.В.
106
Список использованных источников
Nucl. Fuel 1982, v. 7, №20, p.14
Смирнов Ю. В. Ефимова З. И., Скороваров Д. И и др. Производство тетрафторида и гексафторида урана. – Атом.тех. За рубежом, 1977, №2, с. 9-12.
Промышленность ядерного топливного цикла за рубежом. Вып.З. Производство окислов и фторидов урана. Обзорная информация.АИНФ 581/Ю. В. Смирнов, 3.И. Ефимова, И. Д. Соколова,Д. И. Скороваров, А,А. Майоров, И.И. Щубин, И. Я.Яхонин. - М.:ЦНИИатоминформ, 1982
Meshri D. Т. The modern inorganic fluoro - Chemical indixstry. – J.Fluer. Chem, 1986, V. 33, № 1-4, p.195-225.
Производство U02, металлического урана и UF6 в странах Западного мира. ЭИ по материалам иностр.печати, 1987, №5 (1495), с.8-10 – М.: ЦНИИатоминоформ.
Casper B.M. Converter profiIs. — Nucl. Assur. Corp.Update, 1984, № 23, р. 6– 8.
UF6 A commitment to global energy reguirements, Allied Chemical, 1983
Rogan H. Fael Manufacturing Technology and Production Facilities at BNFL Sprinfields, BNF Ltd., 1975.
Page H. United Kingdom experience of production of uranium fluorides. In: Production of yellow cake and uranium fluorides. Vienna, IAEA, 1981, p. 201
С. Смайли. Аппаратурное оформление гетерогенных процессов в технологии урана, Госатомиздат, М., 1981
Bacher W. Jacob E.Uranium hexafiuoride - Chemistry and technology of a raw materials of the nuclear fuel cyck. - LA -tr -85 -86 , 1986; 1982; Chem – Ztg. 1982, y. 106, №. 3, s 113 – 136.
Elder H.K. Technology, Safety and Costs of Decommissioning, a. Reference Uranium Hexafluoride Conversion Plant – NUREG/CR - 1757, 1981.
Д Барков В.А. Отчет о советско-французском семинаре по газо-фторидной регенерации топлива реакторов на быстрых нейтронах, г.Димитровград, 16-20 июня 1986г.
Delannoy J., Faron R. Conversion of concentrates containing uranium hexafluoride. – For presentation at Uranium – 82 12-th Annual Hydrometallurgical Meeting, Toronto, Ontario, Canada, Aug. 29 – Sept. 1, 1982
А. Рюэле. Технология производства урана, Госатомиздат, М., 1981
Н. Галкин, Б. Судириков и др. Технология фтористых соединений урана, Госатомиздат , М., 1961
Production of yellow cake and uranium fluorides, internation atomic agency, Vienna, 1980
Beck M The conversion of reprocessing uranium - Trans.Amer. Nucl. Soc. 1982, v. 40, p. 10-12
Патент Франции, RU 200866 C1. Способ переработки газов полученных после фторирования тетрафторида урана газообразным фтором и содержащих фтор, фтористоводородную кислоту, конденсированные газообразные урансодержащие соединения и неконденсируемые газы. Заявка от 1992 г
Список использованных источников
20. Отчет о НИР. Технико – экономический анализ технологических схем заводов по конверсии урана компании COMURNEX, ООО « Интернэшл Бизнес Релейшенс», Москва, 2011
21. А. А. Копырин, А. И. Карелин, В. А. Карелин. Технология производства ядерного топлива, М., Атомэнергоиздат, 2006
22. Б. Белоозеров, И. Русаков, А .Жиганов , Г. Андреев. Анализ процесса и аппаратуры десублимации гексафторида урана и других летучих фторидов , Цветные металлы, №1, 2012 г, с. 58-61
23. Е. П. Мариенко, В. И. Сачков, В. А. Хохлов. Неводные методы переработки оксидных тепловыделяющих элементов, часть1 Фторирование оксидов урана и десублимация гексафторида урана. Томск. Издательство томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 2010
24. A. J. Rudge in Л. Т. Kuhn (ed.): Industrial Electrochemical Processes, Elsevier, Amsterdam 1971. pp. 1 69
25. Mellor's Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoretical Chemistry, vol. II, Suppl. 1, Longmans, London 1956.
26. M.Bergeret, Energ. Nucl. (Paris) 7(1965) 93-99.
27. A. Level, Chim. Ind. Genie Chim. 102 (1969) 1077-1082.
28. D. Sianesi, Chim. Ind. (Milan) 46(1964) no. 8.883 894.
29. Donald R. Olander. Uranium dioxide as a nuclear fuel. Forefront: Res. Coll. Eng. Univ. Calif., Berkeley, 1980. - Richmond (Calif.), s.a. - P. 102-107.
30. Хасэгава Синъити, Хамагути Кадзухико, Тамаки Кику. Получение порошка U02 // Кокай Токке кохо. - Сер. 3(1). - 1989. - 48. - С. 149-153.
31. Murakami Hirohiko, Ogawa Toru, Fukuda Kousaku. Process for preparing a large-grained UO, fuel // Japan Atomic Energy Research Institute. - 1989. -№270640.
32. Hodgson Graham. Uranium dioxide production. - British Nuclear Fuelds Pic. -№8915778. - 1989.
33. Whillock S., Peqrce J.H. A method of determining the distribution of U409in oxidised U02 // J. Nucl. Mater. - 1990. - 175, №1-2. - P. 121-128.
34. Gupta U.С, Meena R., Swaminathan N. U02 production via AUC route / Proc. Int. Symp. Uraniym Technol. - Bombey, 1989. - Vol. 2, Bombey, 19. - P. 712-727.
35. Venkataramani В., Lyer R.M. Novel surfaerchenical treatment to improve the quality of sintered U02 pellets / Proc. Int. Symp. Uraniym Technol. - Bombey, 1989. - Vol. 2, Bombey, 19. - P. 796-804.
36. Сайто Я. Диоксид урана. Ninon genshiryoku gakkaishi // J. Atom. Energy. Soc Jap. - 1995. - 37, №4. - P. 303-308.
37. Майоров А.А, Браверман И.Б. Технология получения порошков керамической двуокиси урана. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 127 с.
38. Власов В.Г., Жуковский В.М. и др. Кислородные соединения урана. – М.: Атомиздат, 1972 – 256 с
39. Жиганов А., Гузеев В., Андреев Г. Технология диоксида урна для керамического ядерного топлива. – Томск, Изд. «STT», 2002, 326 с
СПАСИБО
СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ!