Оптимизация расхода газов в технологии получения порошков диоксида урана методом восстановительного пирогидролиза

Диоксид урана является основой керамического ядерного топлива. В настоящее время гексафторид урана является монопольным соединением в процессах обогащения урана по изотопу U-235. Пирогидролизом этого соединения получают 25 % ядерного топлива в мире.
Условия, при которых получают порошки диоксида урана, влияют на его технологические свойства. Проблема заключается в том, что при разных условиях получаются порошки с различными технологическими параметрами: насыпная плотность с утряской, тесты на спекаемость, полная удельная поверхность, фракционный состав. Эти различия влияют на качество изготавливаемых из порошков диоксида урана топливных таблеток.
Данная работа направлена на поиск оптимальных режимов работы участка с минимальными энергетическими затратами в соотношении к производительности

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………………………………………………………10
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР …………………………………………………………………………………………………12
1.1. «Сухие» методы получения порошка диоксида урана ………………………………………………….12
1.2. Газовые методы конверсии ГФУ …………………………………………………………………………………13
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ………………………………………………………………………………………….21
2.1. Физико-химические свойства веществ основной производственной линии …………………..21
2.2. Описание установки ВПГ на ПАО «НЗХК» …………………………………………………………………24
2.2.1. Узел испарения ……………………………………………………………………………………………………25
2.2.2. Узел конверсии ……………………………………………………………………………………………………26
2.2.3. Узел восстановления и обесфторирования ……………………………………………………………30
2.2.4. Узел стабилизации ………………………………………………………………………………………………32
2.2.5. Узел конденсации HF…………………………………………………………………………………………..33
2.2.6. Узел дожигания водорода…………………………………………………………………………………….34
2.3 Получение продукта ………………………………………………………………………………………………………..34
3. ОПИСАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В РЕАКТОРЕ И
ПЕЧИ ……………………………………………………………………………………………………………………………………….37
3.1. Химизм пирогидролиза ………………………………………………………………………………………………37
3.2. Исследование кинетики процессов пирогидролиза в реакторе. …………………………………….40
4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………49
4.1. SWOT-анализ ………………………………………………………………………………………………………………….50
4.2. Структура работ в рамках научного исследования ……………………………………………………………50
4.2.1 Определение трудоемкости выполнения работ……………………………………………………………51
4.2.2 Разработка графика проведения научного исследования……………………………………………..52
4.3 Организация труда и заработной платы…………………………………………………………………………….55
4.3.1 Определение баланса времени одного рабочего ………………………………………………………….55
4.3.2 Расчет численности рабочих, служащих, ИТР и МОП…………………………………………………56
4.3.3. Расчет годового фонда заработной платы ………………………………………………………………….57
4.4. Расчёт амортизации основных производственных фондов………………………………………………..60
4.5. Калькуляция себестоимости ……………………………………………………………………………………………61
4.6. Расчёт научно-технического эффекта ………………………………………………………………………………64
5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ …………………………………………………………………………………66
5.1. Общая характеристика производства ……………………………………………………………………………….66
5.1.1. Анализ опасных и вредных факторов ………………………………………………………………………..67
5.1.2. Спецодежда и СИЗ ……………………………………………………………………………………………………69
5.2. Ядерная безопасность ……………………………………………………………………………………………………..69
5.2.1. Основные принципы и требования к ядерной безопасности ……………………………………….69
5.2.2. Предельные значения параметров ……………………………………………………………………………..70
5.2.3. Действия персонала при отклонениях от безопасного ведения процесса. ……………………71
5.3. Безопасность при работе с химическими веществами ………………………………………………………71
5.4 Радиационная безопасность ……………………………………………………………………………………………..75
5.4.1. Основы радиационной безопасности …………………………………………………………………………75
5.4.2. Радиационная безопасность при работе с ИИ …………………………………………………………….77
8.5. Производственное освещение …………………………………………………………………………………………82
8.6. Шум и вибрация ……………………………………………………………………………………………………………..82
8.7. Микроклимат ………………………………………………………………………………………………………………….83
8.8. Электробезопасность ………………………………………………………………………………………………………85
8.9. Пожарная безопасность …………………………………………………………………………………………………..86
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………………………..88
Список литературы …………………………………………………………………………………………………………………..90
ПРИЛОЖЕНИЕ А …………………………………………………………………………………………………………………….92
ПРИЛОЖЕНИЕ Б ……………………………………………………………………………………………………………………..93
Introduction ……………………………………………………………………………………………………………………………..95
Installation description ……………………………………………………………………………………………………………..96
Evaporation ………………………………………………………………………………………………………………………….96
Conversion ……………………………………………………………………………………………………………………………98
Defluorization ……………………………………………………………………………………………………………………..100
Stabilization ………………………………………………………………………………………………………………………..101
Condensation of hydrofluoric acid ……………………………………………………………………………………….102
Hydrogen afterburning ………………………………………………………………………………………………………..103
Product acquisition …………………………………………………………………………………………………………………103
Glossary………………………………………………………………………………………………………………………………….105
References ………………………………………………………………………………………………………………………………106

Увеличение параметра высоты слоя более 7,5 кПа приводит к забивке
фильтров, в то время как ниже 5 кПа − приводит к резкому снижению
качества изготовленных таблеток. Изменение расхода ГФУ было
исследовано в узком диапазоне от 3,0 до 3,6 м³/ч и, как показали результаты
испытаний, не приводит к значимым отличиям качественных характеристик
порошков и изготовленных таблеток, что свидетельствует о возможности
дальнейшего увеличения производительности реактора.
В ходе данной работы была изготовлена партия 14V0416 общей массой
более 3 т с увеличенным расходом ГФУ до 3,6 м³/ч. В процессе изготовления
данной партии было установлено, что расходные регулировочные клапаны не
позволяют обеспечить расход ГФУ более 3,8 м³/ч и поддерживать заданный
увеличенный расход ГФУ при снижении давления в баллонах с ГФУ.
Поэтому, работы по дальнейшему увеличению расхода до 4 м³/ч не
проводилась.
Проведённые работы показали существенное влияние высоты
кипящего слоя на свойства порошка диоксида урана. С одной стороны,
увеличение величины высоты слоя должно приводить к увеличению среднего
времени витания частиц в кипящем слое над газораспределительной
решеткой реактора и росту среднего размера зерна частиц, с другой стороны
сокращается расстояние до фильтров и повышается вероятность их забивки.
В рамках данной работы были изготовлены партии 14V0496У и 14V0682У с
увеличенным значением высоты кипящего слоя до 6,8 кПа. В процессе
изготовления по основным параметрам работы реактора отличий от штатного
режима зафиксировано не было. Полученные порошки были
проанализированы по ряду физико-химических параметров и направлены на
изготовление топливных таблеток. Результаты анализа порошков и
топливных таблеток представлены в таблицах 1-2.
Изменение режима работы печи АВВ в широком диапазоне, а именно:
снижение температуры на 100-135 ºС (уставка по всем зонам печи 600 ºС),
снижение расхода водорода на 40 % (с 6,37 м³/ч до 4 м³/ч), снижение расхода
пара на 40% (с 6,24 м³/ч до 4 м³/ч) не приводит к значимым отклонениям в
физико-химических свойствах изготовленного порошка. По результатам
разбраковки топливных таблеток, изготовленных из данных порошков,
существенных отличий по качественным характеристикам таблеток не
зафиксировано. По всем характеристикам топливные таблетки соответствуют
требованиям [12]. Каких либо специфических дефектов, связанных с
изменением режимов термообработки и расходов газов не выявлено. Было
сделано предположение о возможности снижение расхода водорода и пара,
подающихся на дообесфторивание, до 4-5м³/час без ущерба качеству
изготавливаемых порошков и таблеток.
Анализ химических примесей показал, что одновременное снижение
расхода водорода и пара с сохранением их эквимолярного соотношения
привело к повышению содержания фтора в порошке партии 14V0689/2. Ранее
проведенные эксперименты показали, что снижение расхода пара и водорода
по отдельности не приводит к увеличению содержания фтора. При этом в
литературных источниках указывается, что наиболее эффективное
обесфторивание происходит при эквимолярном соотношении пара и
водорода. Это наводит на мысль, что одновременное снижение расходов
газов привело к нарушению течения газовых потоков, что и привело к росту
содержания фтора. Вероятно, при снижении расхода водорода и пара
необходимо увеличивать расход азота для сохранения формы
аэродинамического потока и лучшей канализации фторсодержащих газов.