Способ выгрузки гексафторида урана из стальных контейнеров и утилизации этих контейнеров

Изобретение относится к способам извлечения жидких и газообразных веществ из стальных контейнеров и способам утилизации этих контейнеров. Результат способа: извлечение гексафторида урана из стальных контейнеров любого объема, содержащих гексафторид урана, независимо от содержания изотопа урана-235. Способ включает нагрев контейнера в замкнутом объеме до температуры перехода гексафторида в газообразное состояние. Процесс ведут в герметичной индукционной печи с металлическим секционированным охлаждаемым тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, металлическим перемещающимся охлаждаемым поддоном, металлическим охлаждаемым индуктором и металлическим охлаждаемым корпусом. Способ осуществляют в две стадии: нагрев контейнера до температуры 70-195°С и выдержка в нагретом состоянии индукционными токами частотой 500-70000 Гц. Температуру секций тигля, поддона, индуктора и корпуса печи поддерживают в пределах 70-195°С. Охлаждение секций тигля, поддона, индуктора и корпуса печи ведут высококипящими органическими теплоносителями: дифенил, ортотерфенил и др. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способам извлечения жидких и газообразных веществ, хранящихся в металлических контейнерах, и способам утилизации отработавших металлических изделий.

Практика показала, что в результате длительного хранения в стальных контейнерах такого химически агрессивного продукта, как гексафторид урана (ГФУ), стенки контейнера постепенно корродируют, и в них появляются сквозные отверстия. Наибольшую опасность представляют случаи образования сквозных отверстий в контейнере непосредственно при его нагреве в процессе выгрузки из контейнера гексафторида урана. Очевидно, что дефектные контейнеры подлежат утилизации.

Известны способы выгрузки ГФУ из стальных контейнеров путем нагрева их с целью перевода ГФУ в жидкое или газообразное состояние.

Известен способ выгрузки гексафторида урана из стальных контейнеров, в котором технологический процесс осуществляют путем нагрева контейнера до температуры испарения ГФУ горячим сжатым воздухом в автоклаве (Патент РФ №2035216, МПК: В 01 J 3/4, F 17 C 1/2, 13/08. Приоритет 06.03.92, опубл. 20.05.95 в БИ №14).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ выгрузки гексафторида урана из стальных контейнеров, включающий нагрев контейнера в замкнутом объеме парами высококипящей жидкости до температуры перехода гексафторида урана в газообразное состояние и поддержание его в этом состоянии до полного удаления гексафторида из контейнера (Пат. США №4244697, В 01 D 7/00, опубл. 13.01.1981).

Недостатками данного способа являются:

- способ предназначен только для извлечения ГФУ с высоким содержанием изотопа урана-235, т.е. для ядерно-опасных материалов, имеющих малую критическую массу и хранящихся в контейнерах малого объема (несколько литров), но совершенно не эффективен для выгрузки ГФУ из промышленных контейнеров объемом до 2,5 м³, содержащих до 10 тонн гексафторида природного урана или обедненного по изотопу уран-235;

- при нагревании контейнера с ГФУ парами высококипящих жидкостей возможно попадание ГФУ в замкнутый объем при наличии в контейнере дефектов (отверстия, трещины и др.) и загрязнение высококипящей жидкости ГФУ.

Техническим результатом предлагаемого решения является извлечение гексафторида урана из стальных контейнеров любого объема, содержащих ГФУ, независимо от содержания изотопа урана-235.

Технический результат достигается тем, что в способе извлечения гексафторида урана из стального контейнера, включающем нагрев контейнера в замкнутом объеме до температуры перехода гексафторида урана в газообразное состояние, согласно изобретению процесс ведут в герметичной индукционной печи с металлическим секционированным охлаждаемым тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, металлическим перемещающимся охлаждаемым поддоном, металлическим охлаждаемым индуктором и металлическим охлаждаемым корпусом в две стадии: нагрев контейнера до температуры 70-195°С и выдержка в нагретом состоянии индукционными токами частотой 500-70000 Гц.

Температуру секций тигля, поддона, индуктора и корпуса печи поддерживают в пределах 70-195°С.

Охлаждение секций тигля, поддона, индуктора и корпуса печи ведут высококипящими органическими теплоносителями.

В качестве высококипящих органических теплоносителей используют дифенил, ортотерфенил и др.

Проведение процесса в две стадии обусловлено тем, что после нагрева стенок контейнера до заданной температуры для обеспечения скорости и полноты испарения ГФУ требуется постоянный подвод тепла для поддержания температуры на заданном уровне.

Применение индукционных токов частотой 500-70000 Гц позволяет прогреть стальную стенку контейнера на всю глубину, что обеспечивает высокую производительность процесса испарения ГФУ и расплавления контейнеров.

При наличии в контейнере сквозных отверстий улетучивающийся через них газообразный ГФУ не конденсируется на секциях тигля, поддоне, индукторе и корпусе печи, поскольку их охлаждение ведется таким образом, чтобы их температура находилась в пределах 70-195°С, т.е. превышала температуру тройной точки ГФУ (64°С). Так как печь является герметичной, полностью исключается попадание гексафторида урана в окружающую среду.

Применение органических высококипящих теплоносителей для охлаждения секций тигля, поддона, индуктора и корпуса печи, таких как дифенил (t_кип. 254°С), ортотерфенил (t_кип. 332°C) и др., позволяет поддерживать температуру в пределах 70-190°С, исключить конденсацию ГФУ, что невозможно обеспечить при использовании в качестве охладителя воды.

Пустой стальной контейнер может быть расплавлен в этой же печи непосредственно после выгрузки гексафторида урана, а металлический расплав слит в изложницу или закристаллизован в виде компактного слитка непосредственно в плавильном тигле.

При извлечении гексафторида урана из дефектных контейнеров последние сразу же после опорожнения расплавляют в тигле и кристаллизуют в виде компактного слитка. На полученный слиток устанавливают новый контейнер с гексафторидом урана и процесс повторяют. В ходе извлечении гексафторида урана из дефектных контейнеров может быть получен компактный слиток, высота которого определяется величиной хода механизма перемещения поддона.

Возможен вариант, когда после расплавления контейнера расплав сливают в изложницу и также кристаллизуют в компактный слиток.

Полученные в результате переплава компактные слитки не радиоактивны, поскольку ГФУ весьма летучее вещество и полностью удаляется в процессе выгрузки при заявленном температурном режиме.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет экологически безопасно извлекать гексафторид урана из стальных контейнеров и, при необходимости, утилизировать дефектные порожние контейнеры в одном аппарате за один цикл последовательно проводимых технологических операций.

Процесс ведут следующим образом. В герметичную печь с двумя патрубками в верхней части корпуса: патрубок 1 - для соединения с загрузочно-разгрузочным патрубком контейнера; патрубок 2 - для выхода гексафторида урана, попавшего в тигель через отверстия в корпусе дефектного контейнера; на металлический охлаждаемый поддон устанавливают контейнер с гексафторидом урана. Загрузочно-разгрузочный патрубок контейнера герметично посредством патрубка 1 в верхней части корпуса печи, газохода и клапана соединяют с приемным аппаратом для гексафторида урана. Патрубок 2 в верхней части корпуса также герметично посредством газохода и клапана соединяют с приемным аппаратом для гексафторида урана.

Печь герметизируют, контейнер нагревают в атмосфере инертного газа или осушенного азота индукционными токами до температуры 70-195°С и выдерживают до полного испарения из него гексафторида урана и перехода в приемный аппарат по патрубку 1. При наличии в контейнере сквозных отверстий ГФУ попадает в тигель, температуру которого, а также индуктора, поддона и корпуса поддерживают с помощью теплоносителя на уровне 70-195°С, т.е. выше температуры тройной точки ГФУ 64°С, и по патрубку 2 переходит в приемный аппарат. Время выдержки в нагретом состоянии до полной выгрузки ГФУ определяется объемом контейнера и количеством ГФУ в нем. После этого дефектный порожний контейнер нагревают индукционными токами, расплавляют и кристаллизуют в виде компактного слитка или сливают в изложницу. В варианте кристаллизации расплава в слиток поддон опускают вниз на расстояние, равное толщине образовавшегося слитка, крышку отрывают, на слиток устанавливают контейнер с гексафторидом урана, крышку закрывают и цикл повторяют.

При извлечении гексафторида урана из контейнеров, находящихся в рабочем состоянии, перемещающийся поддон служит для извлечения порожнего контейнера из печи.

Пример 1. Экспериментальную проверку предложенного способа проводили в герметичной индукционной печи с медным секционированным охлаждаемым (холодным) тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, диаметром 100 мм, медным перемещающимся охлаждаемым поддоном и никелевой охлаждаемой крышкой, частотой источников питания 2400 Гц и с максимальной мощностью 200 кВт. В качестве охлаждающей жидкости использовали дифенил, имеющий температуру кипения 254°С.

Контейнер с ГФУ диаметром 80 мм, высотой 160 мм и толщиной боковой стенки 10 мм, в которой было просверлено отверстие диаметром 1 мм, устанавливали в герметичную печь с холодным тиглем на поддон. Контейнер при помощи патрубка 1 в верхней части корпуса печи соединяли герметично с газоходом, по которому ГФУ поступал в приемный аппарат. Клапан на загрузочно-разгрузочном патрубке контейнера открывали. Второй патрубок в верхней части корпуса печи также герметично соединяли газоходом с приемным аппаратом. На обоих газоходах открывали запорные клапаны. Охлаждение секций тигля, поддона, индуктора и корпуса печи вели дифенилом, поддерживая температуру в пределах 100-120°С.

Контейнер нагревали в атмосфере аргона индукционными токами частотой 2400 Гц при мощности 10-12 кВт до 150°С и выдерживали в течение 11 мин до полного испарения ГФУ из контейнера, а также из тигля, в который он попадал через просверленное отверстие в стенке контейнера. Окончание процесса испарения фиксировали по падению давления в рабочем объеме. Клапаны на газоходах закрывали, газоход, соединяющий контейнер с приемным аппаратом, отсоединяли, мощность на индукторе повышали до 150-170 кВт и контейнер расплавляли в течение 20 мин. Подачу энергии на индуктор прекращали, расплав кристаллизовался в форме компактного слитка. Крышку тигля открывали, поддон опускали на 25 мм, на полученный слиток устанавливали контейнер с ГФУ, также имеющий отверстие в боковой стенке, и процесс повторяли. После выгрузки ГФУ из трех контейнеров и их переплава полученный слиток извлекали из тигля и анализировали на содержание урана, которое не превысило 0,0002 мас.%.

Пример 2. Отличие от примера 1 состояло в том, что извлечение ГФУ вели из контейнера без отверстий в корпусе. Патрубок 2 в верхней части корпуса печи, тем не менее, также герметично соединяли газоходом с приемным аппаратом. Это делали для страховки - на случай образовании отверстия(й) в контейнере в процессе извлечения из него ГФУ. После выгрузки ГФУ крышку корпуса печи открывали и порожний контейнер извлекали из тигля с помощью перемещающегося поддона. Поддон возвращали в исходное положение и цикл повторяли.

Приведенные примеры подтверждают эффективность предлагаемого технического решения.

1. Способ выгрузки гексафторида урана из стальных контейнеров, включающий нагрев контейнера в замкнутом объеме до температуры перехода гексафторида в газообразное состояние, отличающийся тем, что процесс ведут в герметичной индукционной печи с металлическим секционированным охлаждаемым тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, металлическим перемещающимся охлаждаемым поддоном, металлическим охлаждаемым индуктором и металлическим охлаждаемым корпусом в две стадии: нагрев контейнера до температуры 70-195°С и выдержка в нагретом состоянии индукционными токами частотой 500-70000 Гц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру секций тигля, поддона, индуктора и корпуса печи поддерживают в пределах 70-195°С.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что охлаждение секций тигля, поддона, индуктора и корпуса печи ведут высококипящими органическими теплоносителями.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве высококипящих органических теплоносителей используют дифенил, ортотерфенил и др.