Способ и устройство для регенерации отходов порошкообразного оксида гадолиния
Владельцы патента RU 2466092:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Изобретение относится к области переработки отходов различных смесей, в частности неорганических отходов, и может быть использовано для регенерации отходов порошкообразного оксида гадолиния. Способ включает извлечение из отработанного материала порошкообразного оксида гадолиния и его очистку от примесей, причем очистку осуществляют методом флотации, при перемешивании среды флотации с дисперсной фазой мешалкой до получения гомогенной пульпы, после чего на емкость с пульпой воздействуют динамической нагрузкой в виде импульса кратковременной переменной вибрации до уплотнения массы осевшего порошка Gd2O3 до состояния монолитной массы с темным слоем загрязнений на поверхности, после чего удаляют среду флотации, затем с уплотненного осадка в виде брикета срезают верхний темный слой до слоя цвета чистого оксида гадолиния, далее остатки брикета высыпают на поддон и сушат в воздушной печи, затем формируют фракции рассеванием на вибросите, перед повторным применением регенерированного порошка Gd2O3 осуществляют контроль качества методом спектрального анализа. Изобретение обеспечивает регенерацию отходов, возможность многократного воспроизведения циклов регенерации, возможность повторного использования регенерированного материала и уменьшение экологической нагрузки процесса регенерации. 2 н.п.ф-лы., 5 ил., 1 табл., 2 пр.
Изобретение относится к области переработки отходов различных смесей, содержащих оксид гадолиния, в частности к области переработки неорганических отходов, и может быть использовано для регенерации отходов порошкообразного оксида гадолиния.
Известен в качестве прототипа способ регенерации отходов порошкообразного оксида гадолиния, включающий извлечение из отработанного материала порошкообразного оксида гадолиния и очистку целевого вещества от примесей химическим путем (с использованием химических реагентов из класса неорганических или органических кислот) (патент РФ №02240285, МПК C01F 17/00, публ. 20.11.2004 г.).
Известно в качестве прототипа устройство (патент РФ №02240285, МПК C01F 17/00, публ. 20.11.2004 г.), содержащее емкость с мешалкой, узел фильтрации отходов от осадка.
Недостатками известных способа и устройства являются отсутствие возможности обеспечения регенерации отходов, содержащих окись гадолиния и неорганические примеси (европия, самария, железа, вольфрама, карбида кремния, меди, алюминия), образовавшиеся после покрытия деталей ТВЭЛов АЭС методом плазменного напыления, возможности повторного использования регенерированного материала, а также возможности многократного воспроизведения циклов регенерации и недостаточно высокая экологичность процесса.
Задача изобретения заключается в разработке способа и устройства для его реализации, позволяющего регенерировать отходы, содержащие окись гадолиния и неорганические примеси (европия, самария, железа, вольфрама, карбида кремния, меди, алюминия), образующиеся после покрытия деталей ТВЭЛов АЭС для повторного использования их в первичном производстве.
Новый технический результат при использовании предлагаемых способа и устройства заключаются в возможности обеспечения регенерации отходов, содержащих окись гадолиния и неорганические примеси (европия, самария, железа, вольфрама, карбида кремния, меди, алюминия), образовавшиеся после покрытия деталей ТВЭЛов АЭС методом плазменного напыления, возможности повторного использования регенерированного материала, в повышении полноты выделения окиси гадолиния, а также возможности многократного воспроизведения циклов регенерации и уменьшение экологической нагрузки процесса регенерации.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе, включающем извлечение из отработанного материала порошкообразного оксида гадолиния и очистку целевого вещества от примесей, согласно предлагаемому способу, очистку целевого вещества, в виде порошкообразного оксида гадолиния, осуществляют методом флотации примесей в емкости, при перемешивании среды флотации с дисперсной фазой мешалкой, со скоростью вращения рабочего органа 80-110 об/мин и мощностью не менее 3 кВт до получения гомогенной пульпы, после чего на емкость с пульпой воздействуют динамической нагрузкой в виде импульса кратковременной переменной вибрации в горизонтальной плоскости до уплотнения массы осевшего порошка Gd2O3 до состояния монолитной массы с темным слоем загрязнений на поверхности, процесс флотации выполняют в емкости со съемным дном, опирающимся на кольцеобразный выступ в днище емкости, установленной на станине, снабженной подъемным механизмом, после чего удаляют среду флотации, затем поднимают съемное дно вместе с уплотненным осадком в виде брикета до границы раздела слоев, верхний темный слой брикета срезают механически посредством натянутой струны до слоя цвета чистого оксида гадолиния, далее остатки брикета высыпают на поддон и сушат в воздушной печи при температуре не менее 120°С в течение не менее 6 часов до полного высыхания порошка, затем формируют фракции рассеванием на вибросите в диапазоне размеров частиц 40-80 мкм, перед повторным применением регенерированного порошка Gd2O3 осуществляют контроль качества методом спектрального анализа.
Кроме того, технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в обеспечении регенерации отходов, содержащих окись гадолиния и неорганические примеси (европия, самария, железа, вольфрама, карбида кремния, меди, алюминия).
Указанный технический результат при использовании предлагаемого устройства достигается тем, что в известном устройстве, содержащем емкость с регенерируемыми отходами, с мешалкой, согласно изобретению, емкость, заполненная средой флотации с дисперсной фазой в виде порошкообразных отходов, выполнена со съемным дном, опирающимся на кольцеобразный выступ в днище емкости, и снабжена подъемным механизмом, содержит средство позиционирования мешалки, характеризующейся скоростью вращения рабочего органа 80-110 об/мин и мощностью не менее 3 кВт, при этом емкость с мешалкой и со средством позиционирования мешалки установлены на станине, выполненной с возможностью перемещения емкости вдоль центральной вертикальной оси посредством подъемного механизма, емкость совмещена с системой подачи и откачки воды в качестве среды флотации.
Предлагаемый способ поясняется следующим образом.
На фиг.1 представлена схема поэтапного осуществления предлагаемою способа, где показана вся последовательность операций от заключительного этапа плазменного напыления окиси гадолиния на детали ТВЭЛов и предшествующего этапа изобретения - сбора отходов порошкообразного оксида гадолиния до повторного напыления регенерированного порошка окиси гадолиния: сбор отходов, содержащих Gd2O3 и неорганические примеси, выделение чистого оксида гадолиния методом флотации примесей, включающим в себя засыпание отходов в емкость, перемешивание отходов с водой до образования гомогенной пульпы, воздействие на емкость с пульпой импульсной динамической нагрузкой в горизонтальной плоскости до уплотнения осевшего порошка до состояния монолитной массы, удаление среды флотации, образование уплотненного осадка в виде брикета, подъем осадка до границы раздела слоев и механическое удаление верхнего темного слоя, высыпание остатков брикета на поддон и осушение в сушильном шкафу, после очистки отходов окиси гадолиния от неорганических примесей формируют необходимую для плазменного напыления фракцию оксида гадолиния (от 40 до 80 мкм) путем рассеивания на вибросите, перед повторным напылением окиси гадолиния проверяют качество регенерированного порошка методом спектрального анализа, и если качество порошка удовлетворяет необходимым условиям применимости, то полученный порошок окиси гадолиния напыляют на детали ТВЭЛов.
На этапе сбора отходов осуществляют выгрузку из камеры плазменного аппарата и накопление до заданного количества отработанного сырья в промежуточную тару, которую направляют затем на загрузку в емкость, приведенную на фиг.2, с водой в качестве среды флотации, и перемешивают позиционированной в емкости мешалкой до образования гомогенной пульпы.
Мешалка должна обеспечивать перемешивание достаточно тяжелого вещества, каким являются отходы порошкообразного гадолиния, имеющего высокую молекулярную массу (М=362 а.е.м). Этому условию соответствует экспериментально подобранный режим перемешивания и значение характеристик мешалки, а именно скорость вращения рабочего органа 80-110 об/мин и мощность не менее 3 кВт.
После образования гомогенной пульпы на емкость воздействуют импульсной динамической нагрузкой в виде импульса кратковременной переменной вибрации в горизонтальной плоскости до уплотнения массы осевшего порошка Gd2O3 до состояния монолитной массы с темным слоем загрязнений на поверхности. В эксперименте показано, что воздействие динамической импульсной нагрузкой на осаждающуюся и уплотняющуюся послойно массу порошкообразных отходов именно в горизонтальной плоскости (параллельно плоскости формирующихся слоев) способствует образованию более четкой границы расслоения фаз (что, как следствие, дает более полное выделение целевого вещества).
Применение последовательно проводимых процессов флотации и воздействия динамической нагрузкой способствует увеличению плотной и осаждающейся массы, скорости осаждения, более четкого расслоения, что в конечном итоге повышает степень выделения целевого вещества (оксида гадолиния).
В прототипе предусмотрена процедура химического преобразования вещества отходов с использованием органических или неорганических кислот, вследствие чего возникают потери целевого вещества, за счет выведения из среды реакции на этапе фильтрации той части отходов, которые переходят в водорастворимые химические соединения, а также возможно изменение структуры кристаллической решетки целевого вещества. В предлагаемом способе предложены мероприятия чисто физического характера (флотация, импульсное динамическое воздействие, принудительное разделение фаз, концентрирование осевшей массы, фракционирование), что способствует максимальному сохранению целевого вещества и неизменности структуры его кристаллической решетки. Это является важным условием для повторного применения регенерированного порошка оксида гадолиния для напыления его на детали ТВЭЛов.
Далее удаляют среду флотации до образования уплотненного осадка в виде брикета и, подняв съемное дно емкости вместе с осадком до границы раздела слоев, срезают механически темный верхний слой посредством натянутой струны.
Остатки брикета высыпают в другой поддон, который после накопления товарного количества помещают в воздушную печь, разогревают ее до температуры не менее 120°С и сушат до полного высыхания порошка не менее 6 часов.
Из высушенного порошка формируют фракцию, пригодную для плазменного напыления, в диапазоне размеров частиц от 40 до 80 мкм путем рассеивания на вибросите. Полученный порошок собирают в специальные контейнеры и отбирают пробу для контроля полученного порошка.
Для повторного использования регенерированного оксида гадолиния для нанесения его на детали ТВЭЛов методом плазменного напыления тонких пленок напыляемый материал должен иметь степень чистоты не менее 98%, гексагональную кристаллическую структуру, фракцию частиц в диапазоне размеров части or 40 до 80 мкм, при этом состав покрытия (толщиной 100 мкм) однокомпонентен.
В прототипе защитные пленочные покрытия представляют собой композиционные структуры толщиной до 10 мм, включающие каучук марки СКТН, окись гадолиния, углеродные добавки, катализаторы, примеси и т.д., т.e. требования к качеству регенерированного порошкообразного оксида гадолиния значительно ниже, чем в предлагаемом способе.
Контроль качества проводят методом спектрального анализа, который позволяет определить количество каждой из изначально присутствующих примесей (европия, самария, железа, вольфрама, карбида кремния, меди, алюминия). Количество окиси гадолиния определяют путем вычитания из 100% суммы всех примесей. Проанализировав полученные результаты, дают заключение о пригодности регенерированного порошка для напыления на детали ТВЭЛов.
В предлагаемом способе не используются химически активные ингредиенты, что делает процесс экологически чистым, а небольшие потери в массе (не более 15% за раз) обеспечивают возможность многократного воспроизведения циклов регенерации.
Предлагаемое устройство для реализации способа регенерации отходов порошкообразного оксида гадолиния поясняется следующим образом.
На фиг.2 изображена емкость 1, снабженная съемным дном 2, опирающимся на кольцеобразный выступ 3.
Данная емкость помещается на станину, как приведено на фиг.3, где 7 - станина с мотором, электроприводом и устройством регулирования скорости вращения рабочего органа и мощности вращения, 1 - емкость, приведенная на фиг.2, 5 - мешалка, 6 - устройство позиционирования, 4 - подъемный стол, двигающийся в вертикальной плоскости, 8 - система для откачки воды.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В устройство позиционирования 6 вставляют мешалку 5, устанавливают ее по центру емкости 1, загружают отходы и заполняют емкость водой, при этом емкость установлена на подъемный стол 4. Затем на станине выставляют режим работы мешалки - скорость вращения рабочего органа 80-110 об/мин, мощность не менее 3 кВт, и включают процесс перемешивания порошкообразных отходов. Мешалку поддерживают в рабочем состоянии до образования гомогенной пульпы, затем, не останавливая процесс перемешивания, перемещают подъемный стол 4 с емкостью до полного вывода мешалки из среды флотации. Далее осуществляют импульсное воздействие динамической нагрузкой в виде импульса кратковременной переменной вибрации в горизонтальной плоскости до уплотнения массы осевшего порошка Gd2O3 до состояния монолитной массы с темным слоем загрязнений на поверхности.
После уплотнения массы осадка среду флотации удаляют посредством системы откачки воды 8, а съемное дно вместе с образовавшимся уплотненным осадком в виде брикета поднимают путем перемещения подъемного стола 4 вертикально вверх до границы раздела слоев.
Верхний темный слой брикета 13 срезают механически, как показано на фиг.4, посредством натянутой струны 10, и перемешают его при помощи лопатки 9 в подставленный поддон 11, до слоя цвета чистого оксида гадолиния 12.
После удаления верхнего слоя подъемный стол вместе со съемным дном опускают, снимают емкость со станины и высыпают остатки брикета на поддон для чистого оксида гадолиния. Затем порошок сушат в воздушной печи при температуре не менее 120°С до полного высыхания порошка не менее 6 часов.
Затем рассеиванием на вибросите формируют фракцию, пригодную для плазменного напыления тонких пленок на детали ТВЭЛов с размером частиц от 40 до 80 мкм.
Полученный порошок собирают в специальные контейнеры и отбирают пробу для контроля полученного порошка.
Контроль качества проводят методом спектрального анализа.
Регенерированный порошок используют для повторного напыления на детали ТВЭЛов.
Все условия и режимы предложенного способа и устройства для его реализации подобраны экспериментальным путем.
Таким образом, использование предлагаемого способа и устройства обеспечивает возможность регенерации отходов, содержащих окись гадолиния и неорганические примеси (европия, самария, железа, вольфрама, карбида кремния, меди, алюминия), образовавшиеся после покрытия деталей ТВЭЛов АЭС методом плазменного напыления, возможность повторного использования регенерированного материала и многократного воспроизведения циклов регенерации без экологической напряженности в производственной зоне.
Возможность промышленной реализации предлагаемого способа регенерации отходов порошкообразного оксида гадолиния и устройства для его осуществления подтверждается следующим примером.
Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемый способ отработан в два этапа.
Первоначально определялись условия извлечения из отработанной массы отходов, содержащих порошкообразные оксид гадолиния и неорганические примеси (европия, самария, железа, вольфрама, карбида кремния, меди, алюминия), чистого оксида гадолиния.
Затем опытным путем определялись соответствующие каждому этапу процесса извлечения чистого оксида гадолиния элементы и параметры устройства, позволяющего реализовать процесс очистки целевого вещества.
Для определения условий извлечения из отработанной массы отходов чистого оксида гадолиния отбирают около 1 кг отходов и загружают в емкость со съемным дном фиг.2, установленную в условиях примера на столе. В емкость добавляют среду флотации, в качестве которой выступает дистиллированная вода, в количестве, равном количеству порошка (около 0,5 л). Керамической лопаткой осуществляют процесс флотации осадка в водной среде до получения гомогенной пульпы.
Затем на емкость с пульпой воздействуют динамической нагрузкой в виде импульса кратковременной переменной вибрации в горизонтальной плоскости до уплотнения массы осевшего порошка Gd2O3 до состояния монолитной массы с темным слоем загрязнений (примесей) на поверхности, в условиях примера применяют постукивание по стенкам емкости керамической лопаткой. Именно при совмещении последовательно операций перемешивания и динамического воздействия на флотируемый порошкообразный материал достигаются максимальные скорость осаждения и степень уплотнения осадка. После осаждения порошкообразной массы отходов водную среду откачивают (в условиях примера - грушей).
Затем поднимают съемное дно вместе с уплотненным осадком в виде брикета до границы раздела слоев, верхний темный слой брикета срезают механически посредством натянутой струны, до слоя цвета чистого оксида гадолиния так, как показано на фиг.5, где 1 - емкость, 13 - темный верхний слой, 10 - натянутая струна, 11 - поддон для сбора грязного порошка. Остатки брикета высыпают на поддон для чистого порошка и сушат в воздушной печи при температуре не менее 120°С в течение не менее 6 часов до полного высыхания порошка.
Пример 2. Для определения соответствующего каждому этапу процесса извлечения чистого оксида гадолиния элементов особенностей конструкции и режимов работы устройства в виде опытной установки, позволяющего реализовать процесс очистки целевого вещества была собрана экспериментальная установка, приведенная на фиг.3, где 7 - станина с мотором, электроприводом и устройством регулирования скорости вращения рабочего органа и мощности вращения, 1 - полимерная емкость, приведенная на фиг.2, 5 - мешалка, 6 - устройство позиционирования, 4 - подъемный стол, двигающийся в вертикальной плоскости, 8 - система для откачки воды. В качестве емкости использовано полиэтиленовое ведро, имеющее кольцеобразное отверстие в днище, как изображено на фиг.2, и съемное дно из вакуумной резины, толщиной 1,5 см. Мешалка выполнена в виде металлического прута толщиной 1 см с рамкой, сваренной из того же прута. В качестве системы откачки воды использован насос с подведенными к нему шлангами и емкость для сбора среды флотации.
В емкость 1, помещенную на подъемный стол станины 4, погружали мешалку 5, засыпали 7 кг порошкообразных отходов оксида гадолиния, устанавливали различные режимы размешивания и включали процесс перемешивания порошкообразных отходов. Опытным путем было установлено, что оптимальная скорость вращения рабочего органа для флотации отходов оксида гадолиния 80-110 об/мин, а мощность не менее 3 кВт.
Мешалку поддерживают в рабочем состоянии до образования гомогенной пульпы, затем, не останавливая процесс перемешивания, перемещают подъемный стол 4 с емкостью до полного вывода мешалки из среды флотации. Далее осуществляют постукивание металлическим прутом, толщиной 1,5 см, по стенкам емкости, в горизонтальной плоскости до уплотнения массы осевшего порошка Gd2O3 до состояния монолитной массы с темным слоем загрязнений на поверхности. Затем удаляют среду флотации, скачивая ее с помощью системы откачки воды 8, до ее полного отсутствия на поверхности осадка.
Съемное дно вместе с образовавшимся уплотненным осадком в виде брикета поднимают путем перемещения подъемного стола 4 вертикально вверх до границы раздела слоев.
Верхний темный слой брикета 13 срезают механически посредством натянутой струны 10 до слоя цвета чистого оксида гадолиния 12, как показано на фиг.4, и перемещают его в поддон для сбора отходов 11, сдвигая его в горизонтальной плоскости при помощи лопатки 9.
После удаления верхнего слоя подъемный стол вместе со съемным дном опускают, снимают емкость со станины и высыпают остатки брикета на поддон для чистого оксида гадолиния. Затем порошок сушат в воздушной печи при температуре не менее 120°С до полного высыхания порошка не менее 6 часов.
Затем рассеиванием на вибросите формируют фракцию, пригодную для плазменного напыления, с размером частиц от 40 до 80 мкм. Полученный порошок собирают в специальные контейнеры и отбирают пробу для контроля полученного порошка.
Контроль качества регенерированного оксида гадолиния проводят методом спектрального анализа.
Анализ полученных результатов показал, что суммарное количество примесей в порошке окиси гадолиния, очищенном с использованием предлагаемого устройства для регенерации отходов окиси гадолиния в виде опытной установки, не превышает 1%.
Сравнение результатов спектральных анализов (СА) наличия примесей в целевом веществе, полученных с применением предлагаемого устройства (имеющего металлические элементы конструкции), с результатами, полученными при реализации предлагаемого способа вручную на отдельных фрагментах конструкции (не влияющих на чистоту регенерируемого материала: емкость из органического инертного материала, ручная мешалка - керамическая лопатка, средство для откачки среды флотации - резиновая груша), показало, что расхождение результатов находится в пределах погрешности СА и не превышает 10%. Т.е. применение металлических элементов предлагаемого устройства не повлияло на степень чистоты целевого продукта.
Таким образом, как это показали эксперименты, при использовании предлагаемых способа и устройства обеспечивается возможность регенерации отходов, содержащих окись гадолиния и неорганические примеси (европия, самария, железа, вольфрама, карбида кремния, меди, алюминия), образовавшиеся после покрытия деталей ТВЭЛов АЭС методом плазменного напыления, возможность повторного использования регенерированного материала, повышения полноты выделения окиси гадолиния, а также возможность многократного воспроизведения циклов регенерации без значительной экологической нагрузки в производственной зоне.
1. Способ регенерации отходов порошкообразного оксида гадолиния, включающий извлечение из отработанного материала порошкообразного оксида гадолиния и очистку целевого вещества от примесей, отличающийся тем, что очистку целевого вещества в виде порошкообразного оксида гадолиния осуществляют методом флотации примесей в емкости при перемешивании среды флотации с дисперсной фазой мешалкой со скоростью вращения рабочего органа 80-110 об/мин и мощностью не менее 3 кВт до получения гомогенной пульпы, после чего на емкость с пульпой воздействуют динамической нагрузкой в виде импульса кратковременной переменной вибрации в горизонтальной плоскости до уплотнения массы осевшего порошка Gd2O3 до состояния монолитной массы с темным слоем загрязнений на поверхности, процесс флотации выполняют в емкости со съемным дном, опирающимся на кольцеобразный выступ в днище емкости, установленной на станине, снабженной подъемным механизмом, после чего удаляют среду флотации, затем поднимают съемное дно вместе с уплотненным осадком в виде брикета до границы раздела слоев, верхний темный слой брикета срезают механически посредством натянутой струны до слоя цвета чистого оксида гадолиния, далее остатки брикета высыпают на поддон и сушат в воздушной печи при температуре не менее 120°С в течение не менее 6 ч до полного высыхания порошка, затем формируют фракции рассеванием на вибросите в диапазоне размеров частиц 40-80 мкм, перед повторным применением регенерированного порошка Gd2O3 осуществляют контроль качества методом спектрального анализа.
2. Устройство для реализации способа по п.1, включающее емкость, содержащую регенерируемые отходы, с мешалкой, отличающееся тем, что емкость, заполненная средой флотации с дисперсной фазой в виде порошкообразных отходов, выполнена со съемным дном, опирающимся на кольцеобразный выступ в днище емкости, и снабжена подъемным механизмом, содержит средство позиционирования мешалки, характеризующейся скоростью вращения рабочего органа 80-110 об/мин и мощностью не менее 3 кВт, при этом емкость с мешалкой и со средством позиционирования мешалки установлены на станине, выполненной с возможностью перемещения емкости вдоль центральной вертикальной оси посредством подъемного механизма, емкость совмещена с системой подачи и откачки воды в качестве среды флотации.
