ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Экспериментальное исследование плазменного процесса конверсии отвального по нуклиду из "Плазменные и высокочастотные процессы получения и обработки материалов в ядерном топливном цикле - настоящее и будущее" Установленная мощность высокочастотного генератора — 100 кВт, колебательная мощность — 25 -Ь 60 кВт, частота — 5,25 МГц. Температура воды, охлаждающей металлодиэлектрическую разрядную камеру 8 и фланец 6 питающих трубопроводов, составляла 73 °С. Тангенциальный ввод ПГб в высокочастотный разряд 12 через каналы 7 составлял 11,2 -Ь 17,3 кг/ч. [c.546] В качестве вспомогательного источника использовался пульсирующий СО2-лазер с выходной мощностью 5 Дж и частотой повторения импульсов, равной 20 кГц, установленный позади металлодиэлектрической разрядной камеры. По оценкам интенсивность света составляла 10 МВт/см , что соответствует нанряженности электрического поля 10 10 В/см. Кластер лазерной плазмы генерировался и поддерживался в плоскости высоковольтного витка индуктора, где напряжение поддерживалось па уровне 10 -Ь 14 кВ. Порог пробоя уменьшается с увеличением фокального пятна, обычные размеры которого находятся в пределах 10 10 см. Технологическая пыль, получаемая при генерировании разряда в UFe, способствует снижению порога лазерного пробоя. [c.546] в зависимости от его природы и параметров, способен генерировать или оптический, или электрический пробой и образовывать или кластер плазмы, или скопление заряженных частиц, осциллирующих в поле индуктора и вызывающих при соударениях с нейтральными частицами спонтанную ионизацию и образование электроразрядной плазмы. Этот способ генерирования потока (и-Г)-плазмы во многих отношениях превосходит все предыдущие способы, поскольку не усложняет конструктивное исполнение генератора действительно, лазер может быть расположен на известном удалении от металлодиэлектрической разрядной камеры, верхний фланец последней не загружен элементами дополнительного энергетического устройства. Единственная проблема — подобрать материал апертуры, удовлетворяющий требованиям лазерной техники и коррозионно-активной среды внутри камеры. [c.546] Эффективность применения лазера зависит от многих параметров. В первую очередь это касается давления чем выше давление в разрядной камере, тем эффективнее работает лазер. Следуюш ий фактор — влияние размеров фокального пятна при пробое. Третий фактор запыленность технологической среды обычно порог оптического пробоя понижается на порядок и более с повышением запыленности, однако эффект запыленности был существенным для лазера на СО2 и оставался незначительным для неодимового или рубинового лазеров. Очень важным параметром лазера является частота повторения импульсов чем выше этот параметр, тем стабильнее кластер заряженных частиц в зоне индуктора. На нынешнем уровне предварительного анализа можно предсказать, что для инициирования и постоянной поддержки высокочастотного индукционного разряда в UFe следует выбрать лазер с выходной мощностью не ниже 0,3 Дж, с длительностью импульса от нескольких наносекунд до lO-i-20 не, с максимально возможной частотой повторения импульсов и с соответствующим пропусканию оптическим материалом лазерной апертуры. [c.547] Все современные приложения ядерной техники и технологии, связанные с применением урана, так или иначе основаны на применении изотопа и-235, который содержится в природном уране в количестве 0,7204%. В то же время содержание изотопа 11-238 составляет 99,2739%, поэтому основная часть урана, извлеченная к настоягцему времени из урансодержащих руд, находится на отвальных полях заводов по разделению изотопов урана в виде отвального (или условно отвального) гексафторида урана. [c.549] Хорошо известно, что технология разделения изотопов урана, основанная на применении газовых центрифуг, позволяет извлекать основную массу изотопа 11-235 из гексафторида урана, давая, в качестве отхода, отвальный гексафторид урана. Лазерная технология разделения изотопов при использовании в качестве сырья газообразного иГб еще более повышает извлечение изотопа 11-235 при уменьшении себестоимости обогащенного урана. При 90-процентном обогащении урана но изотопу 11-235 из каждой тонны иГе, поступившей в разделительный процесс, 0,99 т иГд поступает на отвальное поле. Процесс накопления отвального урана продолжается в странах, обладающих разделительной технологией, с 1950 г. За это время на отвальных полях во всем мире накопились миллионы тонн отвального ПР %. [c.549] Сегодняшняя актуальность проблемы отвального гексафторида урана определяется экологическими и экономическими факторами. Экологические проблемы возникли из потенциальной и фактической опасности хранения громадных масс летучего радиоактивного фтористого продукта в стальных баллонах под открытым небом. Для некоторых регионов экологические проблемы обострились в течение последних десятилетий в связи с тем, что отвальные поля оказались в непосредственной близости к жилым массивам. [c.549] Процесс прошел экспериментальную проверку на четырех уровнях исследование в лаборатории, проверка на стенде, испытания процесса на уровне пилотного завода, разработка и испытания аппаратуры на уровне промышленного завода. Процесс и оборудование для его осуществления были подготовлены к внедрению в еще 1989 г., но внедрения не произошло из-за общего кризиса, охватившего атомную энергетику СССР в то время. Ниже изложены основные научно-технические принципы этого процесса. [c.550] Известен и другой подход к решению изложенной выше проблемы он основан на плазменно-водородной концепции переработки отвального гексафторида урана [4], в соответствии с которой наиболее приемлемыми продуктами переработки являются безводный фторид водорода и плавленый металлический уран последний гораздо более соответствует потребностям утилизации, и даже хранения. Эта концепция имеет некоторое экснериментальное подтверждение на лабораторном уровне, которое сводится к следующему. [c.550] Гексафторид урана в смеси с аргоном инжектируют в поток аргон-гелий-водородной плазмы, генерированной в электродуговом плазмотроне, под углом 90° к последнему. Мольное соотношение водород фтор = 3 1. Условия смешения подбирают таким образом, чтобы молекулы гексафторида урана и водорода были полностью диссоциированы и частично ионизированы. Гомогенная газовая смесь U F Аг Не-Н проходит через сопло Лаваля, в расширяющейся части которого достигается скорость охлаждения смеси, равная 10 Ч- 10 К/с. Давление на выходе из камеры плазмотрона и на входе в сопло Лаваля составляет 3 атмосферы, давление на выходе из сопла — 85 Торр, температура в сопле 5000 К, число Маха при движении потока в сверхзвуковой части сопла достигает 2,85. [c.551] При охлаждении смеси U F Аг Не Н в расширяющейся зоне сопла Лаваля происходит конденсация части элементного урана и возникает двухфазный поток, содержащий тонкодисперсный порошок урана, молекулы фторида водорода, фтора, фторидов урана, атомы аргона и гелия. Поток разбавляют на выходе из сопла водородом, чтобы понизить вероятность рекомбинации молекул фторидов урана. Температура в приемнике продуктов непосредственно за соплом составляет 600 К. [c.551] В связи с изложенным предприняты попытки разработать несколько альтернативных плазменных процессов переработки отвального гексафторида урана на оксиды урана и на металлический уран с получением безводного фторида водорода основные результаты этих разработок изложены ниже. [c.552] Водопаровая плазма используется для реализации данного процесса потому, что дает возможность осуществить высокотемпературный гидролиз гексафторида урана при соотношении реагентов, близком к стехиометрическому в этом случае можно, в соответствии с уравнением (11.1), получить триуран-октаоксид изОв и практически безводный фторид водорода [5-12]. Безводный фторид водорода является сырьем для получения элементного фтора электролитическим методом. [c.552] Во время реализации данного процесса прежде всего нужно получить поток (и-Г-О-Н)-плазмы это одна из уран-фторных технологических плазм, генерируемых электрическими разрядами или в смеси гексафторида урана с различными технологическими газами, или смегнением плазмы тех же технологических газов с гексафторидом урана. В данном случае (и-Г-О-Н)-плазма генерировалась смешением потока гексафторида урана с потоком водяной (Н-ОН)-плазмы, получаемой электродуговым разрядом в перегретом водяном паре. Забегая вперед, следует сказать, что одна из проблем этой и любой другой технологии, основанной на высокотемпературном гидролизе иГб (например, газопламенной), это содержание остаточного фтора в оксидах урана. Причина заключается или в неполной конверсии исходного иГб, или в рекомбинации фторидов на выходе из реактора в приемник. В любом случае целесообразно установить форму нахождения остаточного фтора, для чего следует проанализировать на доступном сегодня уровне механизм конверсии нри высоких температурах. [c.553] Однако если даже разделение продуктов конверсии осуществлять при более низкой температуре (600 -Ь 900 К), содержание U0a F2 в продуктах конверсии должно быть значительно меньше, чем следует из равновесного состава, так как рекомбинация в конденсированной фазе протекает во много раз медленнее, чем рекомбинация в газовой фазе. [c.556] Выражение (11.39) легко преобразовать в (11.34), если пренебречь эксноненциальным членом и членами, содержащими ей до, а также заменить Ло па А/ . [c.563] Уравнение (11.56) было решено численно [18]. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными по кинетике конденсации пара в виде нейтральных агрегатов и на ионах, полученными с помощью камеры Вильсона. Достигнуто хорошее совпадение экспериментальных и расчетных величин. [c.565] Вернуться к основной статье