Способ очистки воды пеналов хранения отработавших тепловыделяющих сборок и устройство для его реализации

 

Сущность изобретения: во внутренний объем пенала вводится смесь ионообменных смол с гранулами, обладающими ферромагнитными свойствами в псевдосжиженном состоянии. Псевдоожиженный слой создается при помощи магнитного поля, многократно меняющего свою ориентацию. Пенал дополнительно снабжен секциями магнитных катушек, способных перемещаться по его наружной поверхности. И магнитной ловушкой, расположенной в объеме пенала на поверхности зеркала воды. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, а именно, к способами и устройствам долговременного хранения делящихся материалов и может быть использовано при эксплуатации хранилищ бассейнового типа с водным теплоносителем.

Для обеспечении надежного и безопасного хранения отработавших тепловыделяющих сборок, предотвращения накопления в воде радионуклидов и продуктов коррозии необходимо проводить периодическую очистку воды в пенале.

Технология очистки воды должна обеспечивать: радиационную безопасность обслуживающего персонала, максимально возможную степень очистки воды, эффективное удаление твердых продуктов коррозии (шлама), отсутствие повреждения оболочек твэлов хранимой отработавшей сборки, минимальный объем радиоактивных отходов.

Известен способ очистки путем замены воды в пеналах хранения отработавших тепловыделяющих сборок, принятой авторами за прототип (положительное решение от 03.12.88 по заявке N 4615862/40 25).

Способ характеризуется тем, что внутренний объем пенала подсоединяют к системе вакуумирования, вводят через ниппель, установленный на крыше пенала, несмешивающуюся с водой ферромагнитную жидкость с удельной плотностью больше удельной плотности воды и перемещают ее вверх по продольной от пенала с помощью постоянного магнитного поля, создаваемого тороидальным соленоидом, размещенным на корпусе пенала. Таким образом, вода пенала вытесняется из объема пенала через систему вакуумирования. При этом с целью исключения разогрева отработавшей сборки вода из бассейна поступает через клапан, расположенный в нижнем торце пенала, в образующийся свободный объем пенала под ферромагнитным слоем. После окончания замены воды ферромагнитная жидкость отделяется от потока улавливанием ее в магнитной ловушке, устанавливаемой на патрубке крышки пенала.

Недостатками данного способа являются: значительное количество жидких радиоактивных отходов, т.е. воды, возникающие при однократной замене воды пенала (50% объема пенала или 93% свободного объема пенала) и ферромагнитной жидкости, которая подлежит утилизации; необходимость ввода дополнительных систем очистки: для периодической очистки воды пенала хранения ОЯТ; низкий абразивный эффект при контакте ферромагнитной жидкости со стенкой пенала и оболочкой отработавшей сборки из-за малой механической стойкости к истиранию основы ферромагниткой жидкости.

Прототип устройства (положительное решение по заявке N 4615862/40 25 от 03.12.88) состоит из: цилиндрического пенала, выполненного из диамагнитного материала, снаружи корпуса пенала размещен торообразный соленоид, внутри пенала размещается хранимая отработавшая топливная сборка. Пенал заполнен водой и помещенным в него слоем несмешивающейся с водой ферромагнитной жидкости.

Корпус пенала снабжен дном с вмонтированным в него входным клапаном. На верхнем торце пенала установлена герметичная крышка, снабженная патрубком присоединения к системе вакуумирования, на котором установлена магнитная ловушка для улавливания отработанной ферромагнитной жидкости и магнитного шлама, и ниппель ввода в пенал ферромагнитной жидкости.

Процесс замены воды в пенале осуществляется следующим образом.

Во внутренний объем пенала при отключенной системе вакуумирования через ниппель вводится ферромагнитная жидкость с удельной плотностью больше удельной плотности воды в количестве, обеспечивающем высоту слоя, равную высоте соленоида. Соленоид перемещают вверх по продольной оси пенала. Скорость подъема соленоида выбирают исходя из мощности системы вакуумирования.

В процессе перемещения слоя ферромагнитной жидкости под действием магнитного поля магнитные частицы шлама притягиваются к нему и с ним выносятся из объема пенала.

Недостатками данного устройства являются: необходимость переоборудования пенала, находящегося в эксплуатации; наличие сложной в эксплуатации вакуумной системы; возможность выхода из эксплуатации входного клапана нижнего торца пенала ведет к аварийной ситуации (выход радионуклидов и ферромагнитной жидкости вводу бассейна) либо к невозможности проводить замену воды предлагаемым способом.

Целью изобретении является увеличение эффективности процесса очистки и уменьшение объема радиоактивных материалов.

Поставленная цель достигается при использовании в устройстве псевдосжиженного слоя смеси ионообменных смол, создаваемого путем наложения магнитного поля.

В качестве ионообменного материала используется смесь катионита и анионита (например, КУ-2, АВ-23М, АНКВ-2, ВПК, AНKВ-43 или смесь других сорбирующих материалов).

Под действием перемещающегося магнитного поля совершается поступательное движение ферромагнитной среды вдоль продольной оси пенала, а также последующее ее улавливание ее в магнитной ловушке. При этом создается псевдосжиженный слой ионообменных смол и воды.

Интенсивное перемешивание гранул смол с водой способствует выравниванию концентрации сорбируемых веществ в слое, что способствует выравниванию скоростей сорбции одно-, двух-, трехвалентных катионов и анинов, а также более полному, использованию теоретической обменной емкости ионообменных материалов. Кроме того, более полно используются механические свойства ионообменных материалов, так как при перемешивании часть продуктов коррозии, в том числе обладающих магнитными свойствами, осевшая на стоянках пенала и на оболочке тепловыделяющей сборки, под действием абразивного эффекта и ферромагнитных свойств гранул ионообменных смол переходит в псевдосжиженный слой и может быть отделена вместе со смолой. При этом весь объем очищенной воды остается в пенале, а ферромагнитные ионообменные смолы после извлечения из пенала могут быть использованы вновь.

Устройство для реализации способа содержит: магнитную ловушку, расположенную в пенале на уровне воды с возможностью ее извлечения из пенала; секции магнитных катушек, радиально расположенных на пенале с возможностью перемещения вдоль его поверхности и ионообменную смолу с частицами, обладающими ферромагнитным свойством.

Взаимосвязь магнитной ловушки, секций магнитных катушек, создание псевдосжиженного слоя ионообменной смолы в воде пенала с его направленным движением позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом и направлены к достижению единой цели.

Сопоставительный анализ заявляемых технических решений с прототипом и другими известными решениями в данной и смежных областях показал отсутствие в них отличительных признаков в заявляемой совокупности, что обеспечивает предполагаемому изобретению соответствие критериям "новизна" и "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежами: фиг. 1 вертикальный разрез пенала с хранимой отработавшей сборкой и устройством очистки воды; фиг. 2 - поперечный разрез пенала с хранимой отработавшей сборкой и устройством очистки воды.

На фиг. 1 представлен пенал с хранимой отработавшей сборкой в вертикальном разрезе с устройством очистки воды, цилиндрический корпус пенала 1 выполнен из диамагнитного материала, снаружи корпуса радиально размещены секции магнитных катушек 2, внутри корпуса размещена отработавшая сборка 3.

Пенал заполнен водой 4 и помещенной в него смесью ионообменных смол 5, гранулы которых обладают ферромагнитными свойствами.

В пенал в верхней части на уровне воды вставлена магнитная ловушка 6.

Процесс очистки воды в пенале с отработавшей сборкой осуществляется следующим образом: во внутренний объем пенала 1 вводится смесь ионообменных смол 5 с гранулами, обладающими ферромагнитными свойствами, в количестве, обеспечивающем в состоянии кипящего слоя высоту, равную высоте секции магнитных катушек 2.

Секции магнитных катушек перемещают вверх по продольной оси пенала от его нижнего торца. Скорость подъема катушек выбирают исходя из обменной емкости ионообменной смолы.

В процессе перемещения секций магнитных катушек 2 вдоль продольной оси пенала вверх от нижнего торца постоянное магнитное поле, меняющее многократно свою ориентацию, воздействует на гранулы ионообменных смол 5, которые обладают ферромагнитными свойствами, при этом гранулы ионообменных смол совершают вращательное и колебательное движения, создавая псевдосжиженный слой и поступательное движение вверх от нижнего торца пенала.

В процессе перемешивания псевдосжиженного слоя под действием магнитного поля шламовые продукты коррозии, в том числе обладающие магнитными свойствами, втягиваются в него и также движутся вверх к уровню воды пенала. Кроме того, псевдосжиженный слой гранул ионообменных смол при движении по стенкам пенала и оболочки отработавшей сборки обеспечивает значительный абразивный эффект с накоплением снятых со стенок пенала частиц в псевдосжиженном слое, так как гранулы подобных ионообменных смол обладают большой стойкостью к истиранию. После окончания процесса очистки ионообменные смолы вместе с магнитными продуктами коррозии отделяются от потока воды улавливаемой в магнитной ловушке, устанавливаемой в объем пенала на уровне зеркала воды.

По сравнению с прототипом, заявляемые технические решения обеспечивают следующие преимущества: интенсификация очистки воды пенала с отработавшей топливной сборкой вследствие практически полного выравнивания концентрации сорбируемых веществ в слое ионообменной смолы, увеличения скорости массообмена и улучшения теплообмена за счет перемешивания гранул ионообменных смол, (т.е. создание псевдосжиженного слоя); уменьшение количества жидких радиоактивных отходов, так как вода после очистки остается в пенале; исключение трудоемкой операции замены воды в пенале;
возможность проведения процесса очистки в ограниченном объеме пенала, что приводит к исключению загрязнения поверхностей оборудования периферийной системы очистки;
увеличение абразивного эффекта при контакте гранул ионообменной смолы со стенкой пенала и оболочкой отработавшей топливной сборки благодаря большой механической прочности гранул ионообменной смолы, что будет способствовать более полной очистке, очистке от образований коррозионного происхождения на поверхностях, длительно контактирующих с водой пенала;
возможность многократного использования ионообменной смолы за счет регенерации, что сокращает затраты на очистку воды пеналов;
исключается возможность опорожнения пенала через его нижний торец.

Формула изобретения

1. Способ очистки воды пеналов хранения отработавших тепловыделяющих сборок, включающий введение в объем пенала, выполненного из диамагнитного материала, ферромагнитной среды, ее поступательное движение вверх вдоль продольной оси пенала под действием перемещающегося магнитного поля и последующее улавливание в магнитной ловушке, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности процесса очистки и уменьшения радиоактивных отходов, в качестве ферромагнитной среды используют псевдоожиженный слой ионообменных смол, создаваемый путем наложения магнитного поля, многократно меняющего свою ориентацию, причем очистку воды от ионообменных смол осуществляют непосредственно в объеме воды пенала.

2. Устройство для очистки воды пеналов хранения отработавших тепловыделяющих сборок, содержащее пенал и размещенный снаружи корпуса торообразный соленоид, отличающееся тем, что пенал дополнительно снабжен секциями магнитных катушек, установленных радиально на пенал с возможностью перемещения по поверхности вдоль оси пенала, и магнитной ловушкой, расположенной в объеме пенала на поверхности зеркала воды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2