В состав модуля фабрикации-рефабрикации Опытно-демонстрационного энергетического комплекса (ОДЭК), создаваемого на территории АО «СХК», входит комплекс карботермического синтеза (КТС) смешанного нитридного уран-плутониевого топлива.
Разработка выполнялась в рамках проекта «Прорыв» под руководством Госкорпорации «Росатом».
Карботермический синтез нитридного топлива основан на восстановлении диоксидов урана и плутония углеродом в потоке азота. В комплекс оборудования КТС входят шесть высокотемпературных садочных печей горизонтального типа, в которых осуществляется процесс карботермического синтеза нитридов урана и плутония, и шесть камер охлаждения, которые позволяют извлекать готовую продукцию, не охлаждая печь. Внутри печей размещены реторты, обеспечивающие герметичность реакционной зоны при проведении синтеза. Боксы, шлюзы и печи связаны между собой транспортной системой перемещения лодочек.
Исходные шашки диоксидов урана и плутония, насыщенные углеродом, располагаются в лодочках. Загрузка шашек осуществляется через входной бокс. В этом же боксе выполняется установка лодочек на специальные транспортные подложки. Бокс заполнен азотом с низким содержанием кислорода и паров воды. В шлюзовых боксах производится замена азотной атмосферы на аргоновую. Шлюзовые камеры герметично стыкуются с входным боксом и корпусами транспортной системы через герметичные шиберные механизмы. Конструкция шиберов обеспечивает беспрепятственный проход подложки с лодочкой в транспортную систему, которая доставляет лодочки к загрузочным боксам печей. В загрузочных боксах печей размещены устройства загрузки и выгрузки лодочек с шашками, которые осуществляют установку лодочек в печи. Шиберные механизмы печи позволяют отделить газовую среду загрузочных боксов от среды внутри печи. В итоге лодочки поступают в высокотемпературную печь, где и происходит синтез нитридов.
Конструкция реторты обеспечивает тесный контакт продуваемого технологического газа с продуктом в лодочках. Система отвода газа обеспечивает эвакуацию газообразных продуктов реакции карботермического синтеза. После завершения реакции синтеза нитридов лодочки попадают в камеры охлаждения, которые позволяют уменьшить рабочий цикл печей и увеличить их производительность за счет неполного расхолаживания, что позволяет извлекать лодочки с термообработанными шашками из печи. Камера охлаждения имеет герметичный водоохлаждаемый корпус, который герметично стыкуется с шиберными механизмами. Атмосфера внутри камер охлаждения – аргон с пониженным содержанием кислорода и влаги. После охлаждения лодочки с конечным продуктом – шашками из нитридов урана и плутония – посредством транспортно-технологической системы через выходной шлюз попадают в выходной бокс.
В реакционное пространство реторты через систему подачи газов могут поступать три вида газа: азот, азото-водородная смесь и аргон. Переключение подачи газа и контроль расхода осуществляются автоматически по заданной программе с помощью регуляторов массового расхода. Особенностью работы печей карботермического синтеза нитридов является то, что нагрев и выдержка шашек выполняются сначала в азотной, а затем азото-водородной (для удаления излишков углерода) среде, после чего перед охлаждением среда меняется на аргон во избежание образования «полуторных» нитридов. Аргон в корпус печи подается постоянно.
Установки газоочистки сдувочных газов размещаются в отдельных боксах над каждой печью синтеза, что позволяет минимизировать длину труб от печи до бокса, облегчить чистку труб от отложений аэрозолей, а также сократить занимаемые площади. В состав газоочистного оборудования входят холодные ловушки, фильтры, запорная и регулирующая арматура, побудитель разряжения, КИП.
На этапе разработки компонентов комплекса карботермического синтеза нитридов урана и плутония специалисты НПФ «Сосны» выполнили расчеты в обоснование безопасности оборудования. В частности, был выполнен расчет прочности конструкций при различных нагрузках; рассчитаны тепловые и гидравлические параметры установки; обоснована ядерная и радиационная безопасность комплекса. В ходе предварительных испытаний была установлена хорошая сходимость результатов тепловых расчетов и экспериментальных данных. Результаты расчетов подтверждают, что установка карботермического синтеза отвечает нормативным правилам атомной промышленности и требованиям технического задания.
Публикации:
«Атомная энергия», т. 125, вып. 5, 2018: Установка карботермического синтеза нитридов для производства смешанного нитридного уран-плутониевого топлива
«Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика», №4, 2019: Разработка и верификация CFD-модели печи карботермического синтеза нитридов урана и плутония
Количество просмотров: 4044
