ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ УСРЕДНЕНИЯ
ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА АЗОТНОКИСЛЫХ РАСТВОРОВ
УРАНА РАДИОХИМИЧЕСКОГО ЗАВОДА ПО «МАЯК»
05.17.02 - Технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов
Актуальность темы исследования
Наибольшее распространение в современной производственной практике переработки ОЯТ находят различные варианты реализации совместного плутониево-уранового экстракционного цикла (РиКЕХ-процесс). Мировой объем переработки ОЯТ в различных вариантах РиКЕХ-процесса составляет 4750 т/год, часть из которых перерабатывается в России, на радиохимическом заводе (заводе РТ-1) ПО «Маяк».
Завод РТ-1 является единственным в России предприятием по переработке ОЯТ широкой номенклатуры (ОЯТ реакторов ВВЭР-440, БН-600, реакторов атомного флота, исследовательских реакторов). Помимо ОЯТ, наработанного в России, на заводе РТ-1 перерабатывается отработавшее топливо ряда зарубежных АЭС.
Радиохимический завод ПО «Маяк» в качестве товарного продукта выпускает плав гексагидрата уранилнитрата иО2(ХО3)2-6Н2О, который в дальнейшем служит сырьем для производства ядерного топлива реакторов типа РБМК. Плав иО2(ХО3)2-6Н2О получают упариванием азотнокислых растворов урана, поступающих из экстракционного цикла. Подготовка растворов к упариванию осуществляется с помощью струйного перемешивания в емкостях приема с рабочим объемом 250 м3 каждая. Целью подготовки азотнокислых растворов к упариванию является усреднение концентраций контролируемых компонентов (урана, плутония, азотной кислоты, делящегося изотопа урана и др.).
Ядерная и радиационная безопасность и качество товарного продукта существен-ным образом зависят от эффективности усреднения химического состава азотнокислых растворов урана при подготовке к упариванию. Продолжительность перемешивания на стадии подготовки растворов к упариванию на заводе РТ-1 составляет 25 ч и более. Качество усреднения химического состава растворов, подаваемых на упаривание, часто не в полной мере удовлетворяет требованиям ядерной и радиационной безопасности и технологическим требованиям последующих производств. Причиной этого может являться неравномерное распределение компонентов технологических растворов в объеме емкостей приема.
Повышение эффективности процессов усреднения химического состава азотно-кислых растворов урана при подготовке к упариванию является, таким образом, важной и актуальной задачей. Слабая масштабируемость процессов перемешивания, большой рабочий объем емкостей приема азотнокислых растворов урана, радиоактивность затрудняют экспериментальное изучение процессов усреднения химического состава азотно-кислых растворов урана. В диссертации представлены результаты исследований процессов усреднения химического состава технологических растворов в емкостях приема азотнокислых растворов урана завода РТ-1 с использованием численного моделирования методом конечных элементов.
Основные результаты работы получены в рамках НИР, выполненных кафедрой «Машины и аппараты химических производств» УрФУ по заказу ФГУП «ПО «Маяк»: № 01133 «Разработка математической модели гидродинамики перемешивания в емкости для приема азотнокислых растворов урана» (2011 г.), № П687.210.006/13 «Повышение эффективности перемешивания в емкости для приема азотнокислых растворов урана» (2013 г.).
1. Модернизирована математическая модель многокомпонентных течений (модель смеси, mixture model). Модель многокомпонентных течений дополнена разработанными неявными моделями центробежных насосов и методикой расчета концентраций урана, плутония, азотной кислоты, массовой доли 235U на основе результатов численного моделирования методом конечных элементов.
2. На основании результатов экспериментальных исследований показано, что погрешность численного расчета по модернизированной математической модели составляет не более 8 - 12 %.
3. На основании результатов исследований процессов усреднения химического состава азотнокислых растворов урана в емкостях приема:
• установлены причины недостаточной эффективности усреднения химического состава азотнокислых растворов урана при их подготовке к упариванию;
• получены распределения основных технологических параметров азотнокислых растворов урана в объеме емкости приема и зависимости неусредненностей основных технологических параметров от времени перемешивания;
• установлено, что продолжительность подготовки технологических растворов к упариванию лимитируется временем усреднения концентраций азотной кислоты и плутония в объеме емкости приема.
4. Предложены способы и разработаны технические решения по повышению эффективности исследуемых процессов.
5. На основании результатов исследований процессов усреднения химического состава азотнокислых растворов урана в емкостях приема с дополнительным струйным перемешиванием:
• установлено, что применение дополнительного струйного перемешивания приводит к ликвидации застойной зоны за счет формирования в емкости тангенциальных потоков макромасштаба;
• получены распределения основных технологических параметров азотнокислых растворов урана в объеме емкости приема и зависимости неусредненностей основных технологических параметров от времени перемешивания в емкостях с дополнительным струйным перемешиванием;
• установлено, что применение дополнительного струйного перемешивания позволяет сократить продолжительность подготовки к упариванию на 8-9 ч или увеличить долю раствора усредненного химического составляет по критерию уаУё±0,5% - с 68,3 до 92,3 %, по критерию Уау§±2,5% - с 91,6 до 96,7 %.
6. На основании результатов исследований процессов усреднения химического состава азотнокислых растворов урана в емкостях приема с дополнительным механическим перемешиванием:
• установлено, что применение дополнительного струйного перемешивания приводит к ликвидации застойной зоны за счет формирования в емкости тангенциальных потоков макромасштаба и осевых потоков мезомасштаба;
• получены распределения основных технологических параметров азотнокислых растворов урана в объеме емкости приема и зависимости неусредненностей основных технологических параметров от времени перемешивания в емкостях с дополнительным механическим перемешиванием;
• установлено, что применение дополнительного механического перемешивания позволяет сократить продолжительность подготовки к упариванию на 11 - 12 ч или увеличить долю раствора усредненного химического по критерию уаУё±0,5% - с 65,7 до 96,6 %, по критерию уаУё±2,5% - с 91,6 до 97,7 %.
7. Разработаны регрессионные модели и графические материалы, описывающие зависимости доли раствора усредненного химического состава, минимальных и максимальных значений и неусредненностей концентраций урана, плутония, азотной кислоты и массовой доли 235и от продолжительности подготовки к упариванию. Разработанные стохастические модели и графические материалы могут быть использованы в инженерных расчетах в производственных условиях и при проектировании оборудования.
Дальнейшая интенсификация процессов усреднения химического состава азотнокислых растворов урана связана со снижением времени подготовки технологических растворов к упариванию, снижением затрат электроэнергии на перемешивание и повышением химической и радиохимической однородности технологических растворов.
