Реакционная камера для получения порошка диоксида урана методом пирогидролиза из гексафторида урана (варианты)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению порошка диоксида урана методом пирогидролиза. Реакционная камера для получения порошка диоксида урана из гексафторида урана выполнена в виде емкости, имеющей фильтровальную зону, первую реакционную зону для превращения гексафторида в уранилфторил и вторую реакционную зону с газораспределительной решеткой для создания псевдоожиженного слоя для восстановления уранилфторида до диоксида урана, при этом емкость выполнена с внутренним расстоянием между двумя противоположными плоскими стенками не более 104 мм для обогащения до 5 % по U²³⁵. Реакционная камера также может быть выполнена в виде емкости, разделенной вертикальной перегородкой на полости, каждая из которых имеет фильтровальную зону, первую реакционную зону и вторую реакционную зону. Изобретение обеспечивает ядерную безопасность реакционной камеры. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Группа изобретений относится к области металлургии, а именно к получению порошка диоксида урана методом пирогидролиза.

Известна установка для получения порошка диоксида урана методом пирогидролиза, раскрытая в ЕР 0230087 (опубл. 29.07.1987). Известная установка содержит, по меньшей мере, одну обогреваемую реакционную камеру, имеющую фильтровальную зону, первую реакционную зону для превращения гексафторида в уранилфторил и вторую реакционную зону с газораспределительной решеткой для создания псевдоожиженного слоя для восстановления уранилфторида до диоксида урана, средства выгрузки и транспортировки полученного порошка диоксида урана и печь для довосстановления непрореагировавшего уранилфторида. В известной установке реакционная камера относится к опасному с точки зрения ядерной безопасности типу оборудования. Кроме того, реакционная камера является «узким местом» установки в части производительности.

Наиболее близкой к предложенной является реакционная камера установки для получения порошка диоксида урана из гексафторида урана, имеющая фильтровальную зону, первую реакционную зону для превращения гексафторида в уранилфторил и вторую реакционную зону с газораспределительной решеткой для создания псевдоожиженного слоя для восстановления уранилфторида до диоксида урана (см. RU 2381993 С1, опубликовано 20.02.2010).

Техническим результатом группы изобретений является обеспечение ядерной безопасности реакционной камеры.

Технический результат достигается за счет того, что в реакционной камере для получения порошка диоксида урана из гексафторида урана по первому варианту, выполненной в виде емкости, имеющей фильтровальную зону, первую реакционную зону для превращения гексафторида в уранилфторил и вторую реакционную зону с газораспределительной решеткой для создания псевдоожиженного слоя для восстановления уранилфторида до диоксида урана, согласно изобретению емкость выполнена с внутренним расстоянием между двумя противоположными плоскими стенками, выбранным из условия обеспечения ядерной безопасности, а именно не более 104 мм для обогащения до 5% по U²³⁵.

Технический результат достигается за счет того, что в реакционной камере для получения порошка диоксида урана из гексафторида урана, выполненной в виде емкости, разделенной по меньшей мере одной вертикальной перегородкой на полости, каждая из которых имеет фильтровальную зону, первую реакционную зону для превращения гексафторида в уранилфторил и вторую реакционную зону с газораспределительной решеткой для создания псевдоожиженного слоя для восстановления уранилфторида до диоксида урана, указанная емкость выполнена с внутренним расстоянием между двумя противоположными плоскими стенками, с которыми соединена по меньшей мере одна вертикальная перегородка, выбранным из условия обеспечения ядерной безопасности, а именно не более 104 мм для обогащения до 5% по U²³⁵.

На фиг.1 показана конструкция первого варианта реакционной камеры.

На фиг.2 - то же, вид сбоку с частичным разрезом.

На фиг.3 показана конструкция второго варианта реакционной камеры с двумя внутренними трехзональными полостями.

Реакционная камера для получения порошка диоксида урана из гексафторида урана методом пирогидролиза представляет собой емкость, которая состоит из корпуса 1, верхней крышки 2 и нижней крышки 3 с газораспределительной решеткой, которые герметично соединены между собой с помощью фланцевых соединений.

Верхняя крышка 2 снабжена прямоугольным фланцем и образует компенсационный объем коробчатой формы для выравнивания давления. На фланце крышки 2 закреплены сменные металлокерамические фильтры 4. Металлокерамические фильтры 4 герметично вкручены во фланец верхней крышки 2.

В каждый металлокерамический фильтр 4 для его регенерации импульсно подается азот. Для этого предусмотрена система сопел, установленных в верхней крышке 2. Отработавший газ покидает реакционную камеру через патрубок 5 в боковой стенке компенсационного объема верхней крышки 2.

Полость реакционной камеры по первому варианту (фиг.1) состоит из фильтровальной зоны 6 (для установки металлокерамических фильтров 4), размещенной в верхней части корпуса 1, переходной реакционной зоны 7, где происходит реакция превращения гексафторида урана в уранилфторид, и реакционной зоны 8 псевдоожиженного слоя для восстановления уранилфторида до диоксида урана. Образовавшийся порошок задерживается на выходе из реакционной камеры в верхней зоне металлокерамическими фильтрами 4, а в нижней зоне - газораспределительной решеткой нижней крышки 3.

Переходная реакционная зона 7 реакционной камеры соединяет фильтровальную зону 6 с реакционной зоной 8 псевдоожиженного слоя. В зоне 7 размещено двухканальное сопло 9 для подачи гексафторида урана и смеси водорода и водяного пара.

Нижняя крышка 3 содержит прямоугольный фланец с углублением для размещения газораспределительной решетки (не показана) и образует компенсационную зону коробчатой формы под ней. Нижняя крышка 3 снабжена патрубком 10 для подачи в нее смеси пара, водорода и азота и патрубком 1, герметично связанным с газораспределительной решеткой, через который порошок диоксида урана течет под действием силы тяжести из псевдоожиженного слоя и удаляется из реакционной камеры.

Согласно изобретению ядерно-безопасное исполнение реакционной камеры (фиг.2) обеспечено тем, что она конструктивно выполнена в виде плоской емкости с обеспечением параметра ядерной безопасности: «толщина слоя» (внутреннее расстояние между двумя противоположными плоскими стенками 13 и 13 емкости) безопасной величины - не более 104 мм для обогащения до 5% по U²³⁵. Кроме этого, внутренний размер реакционной камеры 104 мм является также допустимым для обогащения до 7%.

При условии обеспечения указанного ядерно-безопасного исполнения возможен вариант выполнения реакционной камеры с двумя и более внутренними трехзональными полостями в одном корпусе. На фиг.3 показан второй вариант реакционной камеры с двумя полостями. Емкость камеры разделена вертикальной перегородкой 14 на две полости, каждая из которых выполнена аналогично вышеописанной реакционной камере по первому варианту. Вертикальная перегородка 14 (или перегородки) своими вертикальными краями соединена с плоскими противоположными стенками.

Реакционная камера по первому варианту работает следующим образом.

В реакционную камеру 1, предварительно разогретую до температуры фильтровальной и переходной зоны 7 450-500°С и зоны 8 псевдоожиженного слоя 580-635°С, в переходную зону 7 через двухканальное сопло 9 подается гексафторид урана, водород и водяной пар, которые вступают друг с другом в реакцию. При этом образуется порошок уранилфторида, который опускается в зону 8 псевдоожиженного слоя.

Через патрубок 10 нижней крышки 3 под газораспределительную решетку подается смесь водяного пара, водорода и азота, создающая над газораспределительной решеткой так называемый «кипящий слой» (псевдоожиженный слой), в котором происходит восстановление уранилфторида урана до диоксида (двуокиси) урана. Под действием силы тяжести порошок диоксида урана в смеси с невосстановившимся порошком уранилфторида выгружается через патрубок 11 из реакционной камеры 1. Процесс восстановления идет непрерывно.

Выгруженный из реакционной камеры порошок с помощью шнекового транспортера подается в бункер и далее в электрическую печь для довосстановления непрореагировавшего уранилфторила до диоксида урана.

В реакционной камере по второму варианту каждая из трехзональных полостей работает аналогично реакционной камере по первому варианту.

Выполнение реакционной камеры в виде плоской емкости с ядерно-безопасным расстоянием между противоположными стенками обеспечивает безопасность реакционной камеры. Опыт показал, что применение аппарата с расстоянием между стенками более 104 мм влечет за собой наложение дополнительных ограничений для обеспечения ядерной безопасности. В частности, при отключении нагрева аппарата необходимо предусматривать устройства для автоматического отключения подачи гексафторида и пара, чтобы остановить процесс пирогидролиза и конденсации пара, так как увеличение влажности находящегося в аппарате продукта приведет к возникновению самоподдерживающейся цепной реакции деления ядер (СЦР) продукта.

Опыт эксплуатации оборудования, работающего с ядерно-опасными делящимися материалами, показывает, что при толщине слоя не более 104 мм (104 мм, 95 мм, 85 мм) для диоксида урана обогащением по урану 235 не более 5% исключает возможность возникновения СЦР при любых условиях эксплуатации. Возможно применение и меньших расстояний, но это невыгодно с точки зрения производительности процесса. Применение оборудования с большей толщиной слоя (например, 120 мм, 150 мм) при увеличении влажности продукта или появлении рядом с оборудованием водного отражателя (например, человека), а также попадании в продукт углеводородосодержащих веществ приводит к возникновению СЦР, сопровождающейся хлопками с резким повышением уровня радиоактивного излучения и нарушением целостности оборудования.

1. Реакционная камера для получения порошка диоксида урана из гексафторида урана, выполненная в виде емкости, имеющей фильтровальную зону, первую реакционную зону для превращения гексафторида в уранилфторил и вторую реакционную зону с газораспределительной решеткой для создания псевдоожиженного слоя для восстановления уранилфторида до диоксида урана, отличающаяся тем, что емкость выполнена с внутренним расстоянием между двумя противоположными плоскими стенками, выбранным не более 104 мм для обогащения до 5% по U²³⁵.

2. Реакционная камера для получения порошка диоксида урана из гексафторида урана, выполненная в виде емкости, разделенной по меньшей мере одной вертикальной перегородкой на полости, каждая из которых имеет фильтровальную зону, первую реакционную зону для превращения гексафторида в уранилфторил и вторую реакционную зону с газораспределительной решеткой для создания псевдоожиженного слоя для восстановления уранилфторида до диоксида урана, причем емкость выполнена с внутренним расстоянием между двумя противоположными плоскими стенками, с которыми соединена по меньшей мере одна вертикальная перегородка, выбранным не более 104 мм для обогащения до 5% по U²³⁵.