способ газификации нелетучих соединений в трассах газовой центрифуги

Формула изобретения

1. Способ газификации нелетучих соединений в трассах газовых центрифуг, вращающихся на номинальных оборотах, включающий подачу в трассы газовых центрифуг фторирующего соединения, отличающийся тем, что в качестве фторирующего соединения используют гептафторид йода при его давлении в трассах газовой центрифуги 60÷7000 Па.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление фторирующего соединения в трассах до номинального значения повышают ступенчато.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газификацию ведут с отводом фторирующего соединения и продуктов газификации через трассу тяжелой фракции газовой центрифуги на холодную ловушку.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что газификацию ведут с отводом фторирующего соединения и продуктов газификации через трассу легкой фракции газовой центрифуги на криогенную ловушку.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что фторирующее соединение возвращают в трассу питания газовой центрифуги.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что отвод фторирующего соединения и продуктов газификации ведут периодически.

7. Способ по п.1, или 3, или 4, отличающийся тем, что после газификации нелетучих соединений газовые центрифуги выдерживают под динамическим вакуумом.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что контролируют мощность трения газовой центрифуги.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что мощности трения сопоставляют со средним значением в группе газовых центрифуг.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии разделения изотопов урана в газовых центрифугах и может быть использовано для очистки, пассивации и восстановления проходимости трасс газовых центрифуг, работающих в среде гексафторида урана.

На современных урановых заводах обогащение природного урана делящимся изотопом уран-235 осуществляют в газоцентрифужных установках, работающих в среде гексафторида урана (UF₆).

Одна из основных технических проблем любой газоцентрифужной установки - это образование твердых отложений в разделительном оборудовании в результате гидролиза и химического восстановления UF ₆, происходящих от взаимодействия с парами воды от натечки атмосферного воздуха, органическими соединениями, выделяющимися из уплотняющих конструкционных и смазочных материалов, и незащищенных пассивирующим слоем рабочих поверхностей. Твердые отложения оказывают негативное воздействие на работу газоцентрифужного оборудования, вызывая забитие трасс и дебаланс ротора центрифуг. Наиболее критическими к отложениям твердых соединений оказываются отборники (лопатки) трасс, имеющие наименьшие проходные сечения. При этом вначале уменьшается производительность самой газовой центрифуги, затем, по мере увеличения степени забития трасс, может уменьшаться производительность всей группы газовых центрифуг, что приводит к уменьшению выработки обогащенной урановой продукции и, в конечном итоге, к большим экономическим потерям.

Основным способом снижения негативного воздействия нелетучих отложений на надежность работы газовых центрифуг является периодическая дистанционная химическая обработка рабочих поверхностей центрифуг фторирующими соединениями, позволяющая газифицировать твердые соединения урана и перевести их в летучий UF₆. Причем желательно химическую обработку проводить без остановки центрифуги при ее вращении на рабочей (номинальной) частоте.

Для снижения простоев технологического оборудования разделительных каскадов известен способ удаления твердых продуктов восстановления гексафторида урана в установках, перерабатывающих гексафторид урана [Патент GB 1473075, МПК С23G 5/00, С01G 43/06. Приоритет от 06.02.1975] (аналог), в котором продукты восстановления обрабатывают гептафторидом йода при температуре 20°С или выше. Обработку проводят при давлении 200÷230 тор (26700÷30700 Па). Преимущества в использовании JF ₇ заключаются в том, что при очистке образуются только газообразные продукты реакции, детали установки не подвергаются коррозии и исключается угроза взрыва при использовании фторирующего соединения. Недостаток - обработка проводится после останова и вывода оборудования из эксплуатации. Кроме того, в газовых центрифугах имеются элементы конструкции, контакт материала которых с фторирующими соединениями при обработке не допустим.

Также предложен способ удаления урансодержащих отложений из оборудования, работающего в среде гексафторида урана [Патент US 4311678 А, МПК С01G 43/06. Приоритет от 19.01.1982] (аналог), включающий обработку урансодержащих соединений смесью бромсодержащего фторуглерода (бромтрифторметан, дибромдифторметан) и фторокислителя (гептафторид йода). При взаимодействии смеси двух газов образуется трифторид брома, реагирующий с урансодержащими отложениями при нормальной температуре с образованием UF₆ и молекулярного брома. В функции гептафторида йода входит перевод образующегося Br₂ в BrF₃ и поддержание необходимой концентрации BrF₃ в реагирующем объеме.

Известен также способ газификации нелетучих соединений урана из газовых центрифуг, работающих в среде гексафторида урана, бинарной смесью бромсодержащего газа и реагента, фторирующего бром [RU 2219132 С2, МПК 7 С01G 43/06. Приоритет от 13.02.2002. Опубл. 20.12.2003. Бюл. №35] (аналог). В качестве бромсодержащего газа используют трифторид брома при парциальном давлении в смеси не более 90% от величины давления насыщения пара BrF ₃ при выбранной температуре обработки, а мольное отношение BrF₃ к фторирующему реагенту брома выбирают в диапазоне от 0,04 до 1. В качестве фторирующего реагента использован JF₇, который выполняет функции, аналогичные предыдущему аналогу.

Два последних способа-аналога могут быть использованы для удаления твердых продуктов коррозии гексафторида урана из вращающихся газовых центрифуг.

К недостаткам последних аналогов можно отнести использование бинарных газовых смесей, сложность поддержания необходимого соотношения реагентов в реакционном объеме, неконтролируемое протекание реакции между продуктами фторирования и фторирующим соединением, возможность конденсации BrP₃ на рабочих поверхностях газовых центрифуг, невозможность контроля этого процесса, сложности в дальнейшей переработке образующейся многокомпонентной смеси, из которой затруднительно выделить гексафторид урана.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ восстановления проходимости трасс газовой центрифуги [Заявка RU 2002130172 А, МПК 7 В04В 15/00, 5/08. Приоритет 11.11.2002. Опубл. 20.07.2004, БИПМ №20], где в трассы газовой центрифуги, работающей на рабочей (номинальной) частоте вращения на инертном по отношению к коррозионным отложениям, конструкционным материалам и фторирующим соединениям рабочем газе в установленном режиме, подают фторирующее соединение, взаимодействующее с отложениями в трассах газовой центрифуги и переводящее их в летучее соединение.

Отличием способа является то, что его осуществляют на рабочей (номинальной) частоте вращения газовой центрифуги. Для восстановления проходимости трасс используется химическое воздействие фторирующего соединения на отложения и удаление образующихся летучих соединений с потоком инертного газа. Для направленного воздействия фторирующего соединения на отложения в трассах создают специальные гидравлические режимы работы газовых центрифуг.

Этот способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком способа-прототипа является малое объемное содержание фторирующего соединения в рабочем газе и, как следствие, длительное время газификации отложений, что приводит к простоям центрифужных установок и потерям разделительной мощности каскадов; невозможность контроля хода газификации отложений в трассах; сложность последующей переработки многокомпонентной смеси инертного газа, фторирующего соединения и продуктов газификации. Все это приводит к тому, что прототип не обеспечивает контролируемого восстановления проходимости трасс в таких чувствительных к внешним воздействиям аппаратах, как газовые центрифуги.

Задачи, решаемые изобретением, - упрощение реализации способа газификации нелетучих соединений и контролируемое восстановление проходимости трасс газовой центрифуги, а также:

- очистка и пассивация рабочих поверхностей газовых центрифуг перед подачей гексафторида урана;

- регенерация фторирующего соединения для его повторного использования;

- минимизация простоя центрифужного оборудования;

- в десятки раз меньшее время восстановления проходимости трасс газовой центрифуги;

- отсутствие сложной стационарной установки для подачи и сбора газов;

- в десятки раз меньшее потребление количества фторокислителя;

- использование только штатной схемы эксплуатации газовой центрифуги;

- отсутствие дорогостоящего фреона-350 и его очень больших потерь;

- отсутствие установки по регенерации фреона-350.

Перечисленные выше задачи достигаются техническим решением, сущность которого состоит в том, что в способе газификации нелетучих соединений в трассах газовой центрифуги, вращающейся на номинальных оборотах, включающем подачу в трассы газовой центрифуги фторирующего соединения, в качестве фторирующего соединения используют гептафторид йода при его давлении в трассах газовой центрифуги 60÷7000 Па.

Кроме того, перечисленные выше задачи достигаются также дополнительными техническими решениями, заключающимися в том, что давление фторирующего соединения в трассах до номинального значения повышают ступенчато;

что газификацию ведут с отводом фторирующего соединения и продуктов газификации через трассу тяжелой фракции газовой центрифуги на холодную ловушку; что газификацию ведут с отводом фторирующего соединения и продуктов газификации через трассу легкой фракции газовой центрифуги на криогенную ловушку;

что фторирующее соединение возвращают в трассу питания газовой центрифуги; что отвод фторирующего соединения и продуктов газификации ведут периодически; что после газификации нелетучих соединений газовые центрифуги выдерживают под динамическим вакуумом; что контролируют мощность трения газовой центрифуги; что мощности трения сопоставляют со средним значением в группе газовых центрифуг.

Таким образом, основной отличительной особенностью заявляемого способа является использование в качестве фторирующего соединения гептафторида йода при контролируемом газосодержании полости роторной группы и трасс газовых центрифуг, поскольку эти величины связаны между собой функционально.

Интенсификации удаления твердых отложений с поверхности трасс способствует то, что во вращающемся на номинальных оборотах роторе газовой центрифуги от взаимодействия набегающего высокоскоростного потока газа с отборником трассы поверхность последней нагревается до температуры более 100°С и более. Повышенная температура поверхности трассы способствует ускорению химических реакций гептафторида йода с коррозионными отложениями урана за счет снижения энергии активации при повышенной температуре и позволяет фторировать оксифторидные соединения урана, которые не поддаются газификации при нормальных условиях. Причем интенсификация процесса газификации происходит без специального нагрева трасс.

Скорость химических реакций газификации отложений возрастает с повышением давления JF₇ в трассах. Однако максимальное газосодержание JF₇ в трассах имеет предел по мощности трения газовой центрифуги, возрастающей с увеличением газосодержания ротора. С другой стороны, при давлении в трассах JF₇ выше заявленной величины (7000 Па) продукты газификации (в частности, фтористый водород) могут попасть через молекулярный насос в зароторное пространство и привести к выходу центрифуги из строя.

Низший предел давления JF₇ в трассах (60 Па) определяется с одной стороны тем, что в условиях недостатка фторирующего соединения химические реакции гептафторида йода с твердыми отложениями могут идти с образованием элементного йода, оседающего в виде кристаллов в трассах газовой центрифуги.

Гептафторид йода имеет молекулярную массу 260 а.е.м. Основным конечным продуктом реакции газификации нелетучих соединений в полости ротора и трассах является пентафторид йода JF₅ (M 230 а.е.м.) JOF ₅ (М 246 а.е.м.). Последние также могут выступать как фторирующие агенты. Молекулярные массы JF₇, JOF ₅ и JF₅ не выходят за пределы масс, на которых обеспечивается эффективная работа молекулярного насоса ротора газовой центрифуги. Гептафторид йода является мягким фторирующим соединением для органических соединений. В емкости JF ₇ находится в сжиженном состоянии и при работе с ним отсутствует необходимость в громоздких ресиверах и протяженных коллекторных трубопроводах. Обработка рабочих поверхностей гептафторидом йода не требует создания специальных гидравлических режимов работы газовых центрифуг, что существенно упрощает обработку. Гептафторид йода не приводит к образованию на рабочих поверхностях газовых центрифуг при газификации стойких нелетучих соединений. Давление паров JF₇, JOF₅ и JF₅ позволяет выводить их остаточное количество из объема газовых центрифуг последующей выдержкой в условиях динамического вакуума. Основными продуктами газификации являются легколетучие фтористый водород и гексафторид урана.

Гептафторид йода и продукты газификации из газовых центрифуг выводятся на конденсацию к холодной (-50÷-70°С), охлаждаемой солевым рассолом, и криогенной (-196°С), охлаждаемой жидким азотом, ловушкам. Гексафторид урана и пентафторид йода при температуре около -50÷-70°С в основном собираются в холодной ловушке. Гептафторид йода и фтористый водород - в основном в ловушках, охлаждаемых жидким азотом.

При размораживании ловушек гептафторид йода нацело отделяется от основной массы продуктов газификации за счет более высокой летучести паров. Оставшиеся в ловушке UF ₆ и JF₅ направляют соответственно в разделительное производство и на фторирование элементным фтором до JF₇. Прочие продукты реакции утилизируют.

Таким образом, предложенные фторирующее соединение в виде JF₇ и технологические режимы газификации, являющиеся существенными признаками заявляемого способа, обеспечивают достижение технического результата.

На прилагаемых к описанию чертежах приведены: фиг.1 - блок-схема обвязки агрегата газовых центрифуг для подачи в трассу питания JF₇ и отвода по трассам отбора продуктов газификации; фиг.2 - временная диаграмма изменения мощности трения трех центрифуг, имеющих различную исходную степень забития трасс, при ступенчатом увеличении давления гептафторида йода в трассе отвода тяжелой фракции; фиг.3 - микрофотографии состояния внутренней поверхности отборника трассы газовой центрифуги до (а) и после (б) обработки гептафторидом йода.

Для проверки эффективности заявляемого способа газификации нелетучих соединений был выбран агрегат [Патент RU 2077392 С1, МПК 6 В04В 5/08, В01D 59/20. Приоритет от 04.07.94. Опубл. 20.04.97. Бюл. №11], содержащий 20 параллельно включенных газовых центрифуг. Некоторые центрифуги имели уменьшенную проходимость трасс отбора. Наличие пониженной проходимости трасс было установлено измерением мощности трения газовых центрифуг на специальных гидравлических режимах и подтверждено последующей продувкой трасс азотом (фиг.4).

Ниже приведены конкретные примеры осуществления изобретения.

Пример 1. После разгона до рабочей частоты вращения газовые центрифуги были выведены на гидравлический режим по гептафториду йода, соответствующий промежуточным значениям давления в заявленном диапазоне: давление в трассе питания - 800 Па, давление в трассе отбора тяжелой фракции - 4000 Па, давление в трассе отбора легкой фракции - 800 Па. Давление в трассах до номинальных значений поднимали ступенчато. Обработку газовых центрифуг JF7 на номинальном режиме провели в течение 24 часов зачетного времени. В ходе газификации отложений контролировали изменение мощности трения каждой газовой центрифуги. Качество восстановления проходимости трасс оценивали сравнением изменения мощности трения центрифуг в целом по агрегату.

Технологический режим газификации состоял в том, что газовую смесь JF₇ и продуктов газификации из трасс отвода тяжелой фракции газовых центрифуг через холодную ловушку возвращали в трассу питания агрегата. Периодически из агрегата через трассу отвода легкой фракции центрифуг выводили часть газовой смеси на криогенную ловушку для фракционного разделения продуктов газификации.

Из данных временной диаграммы (см. фиг.2) видно, что на каждом этапе увеличения давления JF ₇ в отборе тяжелой фракции мощность трения газовых центрифуг в начале резко увеличивается в соответствии с возрастанием давления в трассах. Выдержка газовых центрифуг при постоянном давлении JF₇ приводит к плавному уменьшению мощности трения, что свидетельствует об увеличении проходимости трасс отбора тяжелой и легкой фракций. Обработка трасс в течение суток привела к тому, что мощность трения центрифуг с пониженной исходной проходимостью трасс перестала отличаться от средней мощности трения по группе газовых центрифуг в агрегате.

По окончании зачетного времени вращающиеся на номинальных оборотах газовые центрифуги выдержали 30 минут под динамическим вакуумом для удаления с поверхностей трасс и деталей роторной группы сорбированных продуктов химических реакций. Агрегат остановили и провели проверку состояния деталей роторной группы. По результатам проведенных испытаний изменения физико-механических свойств конструкционных материалов не отмечено.

Пример 2. Обработка JF ₇ была распространена на пассивацию трасс новых газовых центрифуг, прошедших предварительную стадию вакуумной сушки перед напуском гексафторида урана. При вакуумной сушке на внутренней поверхности трасс отборников возможна конденсация труднолетучих органических веществ, выделяющихся из конструкционных материалов и которые в дальнейшем способны восстанавливать до нелетучих соединений химически активный UF₆.

После разгона до рабочей частоты вращения газовые центрифуги вывели на гидравлический режим по гептафториду йода: давление в трассе питания - 360 Па, давление в трассе отбора тяжелой фракции - 2700 Па, давление в трассе отбора легкой фракции - 4800 Па. Давление в трассах до указанных значений поднимали ступенчато. Обработку гептафторидом йода провели в течение 60 минут зачетного времени.

На фиг.3а,б приведены микрофотографии канала отборника газовой центрифуги до и после обработки JF₇ . Из фиг.3б видно, что кристаллы труднолетучих органических соединений (показаны в выделенном квадрате на фиг.3а), которые осели в канале отборника трассы при вакуумной сушке, полностью удалены. Поверхность канала имела чистый металлический блеск (на фотографиях стрелкой показан поперечный срез стенки трубки трассы).

Таким образом, реализация заявляемого способа позволяет газифицировать нелетучие соединения с рабочих поверхностей и трасс газовых центрифуг, вращающихся на номинальной частоте, без видимых следов агрессивного воздействия фторирующего соединения на детали роторной группы, которое могло бы привести к снижению ресурсной надежности газовых центрифуг. Предложенный способ является простым с точки зрения его осуществления, не требует останова и вывода оборудования из эксплуатации, отличается минимальным временем обработки газовых центрифуг, что уменьшает себестоимость очистки трасс, а также позволяет разделить и утилизировать продукты газификации.