Technická zpráva
OPTIMALIZACE LINKY FERDA Fluoride Experimental Research and Development Assembly Zpráva o dílþích výstupech þ. 1 - 5
Ústav jaderného výzkumu ěež a.s. Mareþek M, Lisý F.
Prosinec 2003
Správa úložišĢ radioaktivních odpadĤ
Formátování a korektury textĤ Správa úložišĢ radioaktivních odpadĤ, 2004
Abstrakt V rámci optimalizace linky FERDA probČhly práce na realizaci plnČ automatizovaného Ĝídícího sytému pomocí modulárního programovatelného automatu SAIA PCD 2, nového programovacího nástroje SAIA PG5 a software InTouch Development 8.0 pro Ĝízení a vizualizaci technologické linky FERDA. Dále byla ovČĜena funkce vertikálního šnekového dávkovaþe v závislosti na rychlosti otáþek pĜi rĤzné zrnitosti dávkovaného prášku a dokonþeny úpravy ohĜevu fluorátoru umožĖujícího zvýšení teploty jeho vnitĜní vestavby. Bylo navrženo schéma chlazení kondenzátorĤ s nuceným obČhem cirkulujícího chladícího média. Chlazení se bude provádČt Ĝízeným vstĜikováním kapalného dusíku. ProbČhly konstrukþní úpravy na hlavách kondenzátorĤ K3 a K4 a práce na optimalizaci ohĜevu kapotáže linky.
Abstract The main aim of the progress report is devoted to optimisation of line FERDA functionality. The line, designated for verification of the Fluoride Volatility Method (FVM), was equipped by control system SAIA, composed of a modular programmable automat SAIA PCD 2 and a programming tool SAIA PG5. Visualization software InTouch Development 8.0 was also implemented. In addition to optimisation of control system, the functionality of selected technical equipment was improved as well. The operation of the screw dozer with several types of powder (uranium oxides) was verified and a modification of the fluorination reactor heating system was completed. A new construction of the cooling system of condensers was designed. The cooling will be performed by controlled injection of liquid nitrogen. Finally, a description of the new construction design of condensers heads and of the optimised heating system of the line bonnet is briefly mentioned.
3
Obsah Abstrakt ...................................................................................................................................... 3 Abstract ...................................................................................................................................... 3 Obsah.......................................................................................................................................... 4 Optimalizace linky FERDA ....................................................................................................... 5 1. Úvod ............................................................................................................................... 5 2. Zavedení automatizovaného systému na lince FERDA ................................................. 6 3. Optimalizace dávkování uranového prášku ................................................................... 7 4. ZprovoznČní Ĝízeného chlazení kondenzátorĤ................................................................ 9 5. Instalace a zprovoznČní ohĜevu kapotáže stendu ......................................................... 10 6. OvČĜení technologie shromažćování tČkavých produktĤ fluorace .............................. 12 7. ZávČr............................................................................................................................. 13
4
Optimalizace linky FERDA Cílem zakázky je optimalizace technologické linky FERDA (Fluoride Experimental Research and Development Assembly), vybudované pro experimentální ovČĜení vhodnosti technologie „ Frakþní destilace fluoridĤ“ (Fluoride Volatility Method - FVM) pro zpracování vyhoĜelého jaderného paliva a pĜípravu nového paliva založeného na bázi roztavených fluoridových solí. PĜedpokládá se využití tohoto zaĜízení v rámci projektu 6.RP ACTINET.
1.
Úvod
V roce 2002 byly dokonþeny pĜípravné práce pro zahájení vlastních experimentĤ na technologické lince FERDA. Byly dokonþeny ovČĜovací zkoušky funkþnosti aparátĤ, pĜedevším zamČĜené na jejich tČsnost a ovČĜení jejich teplosmČnných vlastností. Byly vymČnČny pĜíruby a utČsnČny zásobníky odpadních plynĤ, do kterých jsou svedeny odpadní plyny po fluoraci. Na konci roku 2002 byly provedeny dva a na poþátku roku 2003 další tĜi experimenty plamenné fluorace práškového U3O8, v nČkterých pĜípadech byla zaznamenána krátkodobá reakce uranového prášku s fluorem (Obr. 1). Po úvodních experimentech se ukázala nutnost optimalizovat funkci nČkterých aparátĤ linky tak, aby bylo možno provést dlouhodobé zahoĜení uranového prášku.
Obr. 1 Plamenná fluorace U3O8 Jednotlivé experimenty fluorace se od sebe lišily v zrnitosti použitého uranového prášku, v rĤzném zdroji plynného fluoru a v rozdílném pomČru F2/N2. Po analýze jednotlivých experimentĤ byly zjištČny nČkteré nedostatky, které mohly mít vliv na jejich prĤbČh. Jeden z nedostatkĤ byl odstranČn již ve tĜetím experimentu fluorace, kdy byl použit fluor o definovaném složení. Jako zdroj fluoru byla použita tlaková láhev od firmy SOLVAY AG (SRN). V pĜedcházejících experimentech byly použity jako zdroj fluoru staré zásoby z 80. let, u kterých nebyla zaruþena odpovídající þistota a z toho vyplývající požadovaná koncentrace fluoru. V tomto období jsme tlakový fluor použít nemohli, protože pĜi úvodním pokusu o otevĜení tlakové lahve došlo k prohoĜení speciálního redukþního ventilu od firmy Air Products SA-NV (Belgie) a opČtné použití tlakového fluoru bylo možné až po dodání a zprovoznČní nového redukþního ventilu od renomované firmy Matheson (USA), který byl dodán na konci mČsíce listopadu roku 2002.
5
PĜi úvodních experimentech se max. teplota ve vnitĜní vestavbČ reaktoru pohybovala na spodní hranici, kdy je možné plamennou fluoraci uskuteþnit, bez možnosti jejího dalšího zvyšování. Tento problém byl vyĜešen zvýšením výkonu kaloriferu, který ohĜívá vnitĜní vestavbu fluorátoru. V polovinČ roku 2003 byl navržen a vyroben firmou CLASIC kalorifer o celkové pĜíkonu 12,5 kW, který má na výstupu z kaloriferu zabudován termoþlánek typu S (Pt-PtRh10). K tomuto kaloriferu byla objednána Ĝídící jednotka a kompenzaþní vedení pro termoþlánek. FázovČ Ĝízená jednotka 3FP 50/400 byla objednána u firmy ELFIS s.r.o. a byla dodána v polovinČ mČsíce záĜí. Uvedený kalorifer umožĖuje trvalý ohĜev vzduchu (prĤtok až 40 kg/h) na teplotu, která by mČla být dostaþující na ohĜátí vnitĜní vestavby reaktoru pro nastartování reakce fluoru a uranového prášku. Po zapojení nového kaloriferu bylo nutno znovu promČĜit teplosmČnné vlastnosti reaktoru, protože pĜi výraznČ zvýšeném výkonu kaloriferu jsme byli nuceni provést úpravu chlazení, které znemožĖuje pĜehĜátí vnitĜní vestavby reaktoru po nastartování fluoraþní reakce. Vzhledem k vysokému pĜíkonu kaloriferu bylo nutné též upravit stávající rozvadČþ RS, který v souþasnosti umožĖuje pĜipojit pouze zaĜízení o celkovém maximálním pĜíkonu 15 kW. Na poþátku mČsíce listopadu roku 2003 byl kalorifer zabudován do technologické linky (Obr. 2) a zahájeny první ovČĜovací testy ohĜevu reaktoru. Tyto testy prokázaly, že uvedený kalorifer ohĜeje pĜi maximálním prĤtoku vzduch na 650°C. Ukázalo se však jako nezbytné, aby se pĜed experimentem fluorace zaþal reaktor vyhĜívat v dostateþném pĜedstihu, protože vyhĜátí vnitĜní vestavby fluorátoru na požadovanou teplotu trvá nČkolik hodin.
Obr. 2 Zabudovaný kalorifer na ohĜev vzduchu
2.
Zavedení automatizovaného systému na lince FERDA
V rámci této zakázky probíhaly práce na realizaci plnČ automatizovaného Ĝídícího sytému pomocí modulárního programovatelného automatu SAIA PCD2 (Obr. 3)s rozšiĜujícím modulem od firmy SAIA-Burgess Elektronics (Švýcarsko).V souþasné dobČ se pĜechází na nový programovací nástroj SAIA PG5 (dosud byl využíván program SAIA PG4). Nový program PG5 umožĖuje snadnČjší konfiguraci, programování, oživování i diagnostiku programovatelného automatu. Uvedený mČĜící a regulaþní systém byl dále rozšíĜen o nová mČĜící místa na plamenném fluorátoru. Jedná se zejména o výstupní teplotu vzduchu z vnČjšího pláštČ fluorátoru, mČĜenou termoþlánkem typu K. Na plamenném fluorátoru pĜibyl již zmiĖovaný termoþlánek typu S, který bude mČĜit výstupní teplotu vzduchu odcházejícího z kaloriferu. V souþasnosti využíváme 25 analogových vstupĤ, 5 analogových výstupĤ a 8 dvouhodnotových výstupĤ. K výraznému rozšíĜení mČĜících míst dojde až po plném zprovoznČní plánovaného automatického chlazení kondenzátorĤ.
6
Obr. 3 Modulární programovatelný automat SAIA PCD-2 Od firmy Pantek byl zakoupen nový software InTouch Development 8.0 pro aplikace do 500 promČnných pro Ĝízení a vizualizaci technologické linky FERDA. InTouch je softwarový systém kategorie HMI (Human-Machine Interface), urþený pro vizualizaci a supervizní Ĝízení prĤmyslových procesĤ. InTouch umožĖuje pĜipojení prakticky k jakémukoliv prĤmyslovému automatizaþnímu Ĝídícímu zaĜízení prostĜednictvím stovek komunikaþních programĤ, tzv. I/O ServerĤ, jejichž poþet je nejvČtší ze všech HMI systémĤ. Uvedený sofware byl úspČšnČ nainstalován a odzkoušen. Automatizovaný systém musí být pravidelnČ aktualizován, protože se bČhem zkoušek linky rozšiĜuje o další mČĜená a regulaþní místa. Pro lepší možnost sledování procesu plamenné fluorace jsme zakoupili kartu Pinacle Pro TV, 20 m stínČného kabele (S-Video) a stativ pro digitální kameru SONY TRV320E. Tyto komponenty umožĖují provést v prĤbČhu plamenné fluorace digitální záznam a vizuálnČ sledovat prĤbČh procesu on-line na monitoru poþítaþe.
3.
Optimalizace dávkování uranového prášku
Abychom ovČĜili správnou funkci vertikálního šnekového dávkovaþe, provedli jsme další zkoušky za rĤzných podmínek se dvČma rĤznými typy práškĤ. V prvním kroku jsme znovu zkalibrovali otáþky motoru, který otáþí šnekem vertikálního dávkovaþe. V úvodních experimentech se prokázalo, že funkce šnekového dávkovaþe není stoprocentní. První experimenty probČhly s U3O8 oznaþeným jako PR 84-001, typ A, se zrnitostí 100-160 µm. S tímto práškem bylo provedeno celkem 24 experimentĤ s cílem ovČĜit rychlost dávkování a zjistit vliv rychlosti dávkování na zmČnu zrnitosti prášku, která se mČní vlivem nČkolikanásobného projití prášku dávkovaþem. Další experimenty byly provedeny s práškem PR 84-001, typ A, smČs Į. Zrnitost dávkovaného prášku je vidČt v následující Tab. 1: Velikost zrn [µm] Zastoupení [%]
0-50 15
50-100 25
100-160 30
160-200 20
200-250 10
Tab. 1 Zrnitost použitého U3O8. Bylo zjištČno, že reprodukovatelnost dávkování je dostateþná jen v experimentech bezprostĜednČ po sobČ následujících. Na Obr. 4 lze sledovat, jak se výraznČ liší rychlost dávkování prášku rozdílné zrnitosti v závislosti na rychlosti otáþení šneku. Abychom mohli pĜesnČji popsat tuto závislost, zakoupili jsme sítovaþku, která umožní pĜesnČ definovat zrnitost prášku. Na konci mČsíce záĜí byla u firmy Maneko spol. s r.o. objednána sítovaþka
7
Retsch AS 200 control s pĜíslušenstvím (Obr. 5). Sítovaþka by mČla být dodána v polovinČ mČsíce prosince. Uvedené výsledky byly v urþitém rozporu s výsledky dosaženými v minulosti, a proto bylo nutné provést jejich ovČĜení. Další experimenty s dávkovaþem probČhly po nainstalování nového kaloriferu, aby souþasnČ bylo provedeno ovČĜení vlivu vyšší teploty na funkci dávkování práškového paliva. RovnČž jsme ovČĜili možnost dalšího vylepšení nastartování plamenné fluorace pomocí aktivního uhlí, které bylo pĜidáno v urþitém pomČru k dávkovanému U3O8, aby se zvýšila pravdČpodobnost zahoĜení reakce fluoru a uranu. Bylo zjištČno, že rychlost dávkování samotného uhlíku je podstatnČ nižší vzhledem k jeho rozdílné zrnitosti a mechanickým vlastnostem. Bylo proto navrženo dávkování prášku do reaktoru tak, že v úvodu experimentu je dávkována smČs U3O8 a uhlíku. V této fázi experimentu se pĜedpokládá, že dojde k zapálení plamene a k zahĜátí reaktorového prostoru na vyšší požadovanou teplotu, pĜi které dojde k plamenné fluoraci þistého U3O8.
Rychlost dávkování [kg/h]
4 3,5
2
R = 0,8882
3 2,5 2
U3O8 100-160µm U3O8 smČs
2
R = 0,9276
1,5 1 0,5 0 0
5
10
15
20
Rychlost otáþek [ot/min]
Obr. 4 Závislost rychlosti dávkování dvou druhĤ prášku na otáþkách
Obr. 5 Sítovaþka Retsch
8
4.
ZprovoznČní Ĝízeného chlazení kondenzátorĤ
Pro první etapu plánovaných technologických zkoušek bylo chlazení primárního kondenzátoru UF6 Ĝešeno jednoduchým systémem - ochlazováním kapalným dusíkem z Dewarovy nádoby. Pro tento systém byla zakoupena dávkovací bezpeþnostní hlavice na Dewarovu nádobu vþetnČ elektronického ovládání, signalizace nedostateþného množství kapalného dusíku v Dewarce a regulaci (I/0) topení v závislosti na tlaku v DewarovČ nádobČ. PonČvadž tento zpĤsob chlazení bylo nutno ovládat ruþnČ a nebyla možná dostateþnČ pĜesná regulace, zapoþaly práce na zprovoznČní Ĝízeného chlazení kondezátorĤ. Bylo navrženo technologické schéma, které umožní chlazení plynného chladícího media (dusíku) pomocí pĜímo Ĝízeného vstĜikování kapalného dusíku do výparníku. Nerezový výparník byl navržen v hlavních dílnách ÚJV ěež a.s.. Ustoupili jsme od používání pĤvodnČ navrženého chladícího vzduchu, protože se tím vyhneme nebezpeþí ucpání technologického potrubí pevným oxidem uhliþitým a krystalickou vodou. Celý chladící cyklus (Obr. 6) byl navržen jako uzavĜený s vhodným cirkulaþním þerpadlem (Obr. 7) a odpouštČním pĜebyteþného plynného dusíku, abychom snížili už tak znaþnČ vysokou spotĜebu kapalného dusíku. ěízené odpouštČní dusíku je dále nezbytné, aby nedošlo k pĜekroþení maximálního povoleného tlaku v chladících prostorech kondenzátorĤ. Kondenzátory jsou v chladící vČtvi konstruovány na pĜetlak 0,07 MPa. PĜi úvodních ovČĜovacích experimentech byly využity jako zdroj kapalného dusíku 30 litrové Dewarovy nádoby, které však mají výrazné omezení v rychlosti dávkování a v množství nadávkovaného kapalného dusíku, neboĢ konstrukce chladící hlavice na DewarovČ nádobČ umožĖuje z bezpeþnostních dĤvodĤ dosáhnout jen pĜetlak 0,03 MPa. Proto byl objednán vhodnČjší zdroj kapalného dusíku (Dewarova nádoba o vČtším objemu), který bude plnČ vyhovovat ve všech sledovaných parametrech našim požadavkĤm. Tl. þidlo
Kapalný dusík
Výparník
10-35°C K2
-80°C
-50°C K3
K4
Obr. 6 Obecné navrhovaného schéma chlazení
9
VývČva
Obr. 7 Zakoupená lopatková bezmazá vývČva typ 40 S
Pro uvedený systém bylo potĜeba z hmotnostní bilance podle uvedeného vzorce pĜibližnČ spoþítat spotĜebu kapalného dusíku. PĜi výpoþtu byly zanedbány teplotní ztráty do okolí.
ml .'vapH (Tb ) ml .c pT .(Tžad Tl )
( mvst ml ).c pT .(Tvst Tžad )
198,83 ml + 1,0709 (173-77) ml = 1,0423 (75 000 – x) (298-173) ml = 22,62 kg ~ 28,03 l kapalného N2 Z orientaþního výpoþtu je patrné, že spotĜeba kapalného dusíku za hodinu se bude pohybovat kolem 30 litrĤ. Je zĜejmé, že staré Dewarovy nadoby jsou nevyhovující, a proto jsme kontaktovali firmu LINEQ s r.o., která dodává vČtší Dewarovy nádoby s tvoĜiþem tlaku. Jako nejvhodnČjší se jeví typ XL240PB o pracovním objemu 240 litrĤ.
5.
Instalace a zprovoznČní ohĜevu kapotáže stendu
BČhem roku 2003 byly také zahájeny konstrukþní úpravy na hlavách kondenzátorĤ. Tyto úpravy by mČly zabránit pĜedþasné kondenzaci a ucpání kondenzátorĤ tČkavými fluoridy. Teplo používané k ohĜátí hlav kondenzátorĤ je po prĤchodu kondenzátory využito k ohĜevu kapotáže linky (Obr. 8). Tato úprava nahradila špatnČ regulovatelný ohĜev pomocí infrazáĜiþĤ, který byl používán doposud. K ohĜevu kapotáže a hlav kondenzátorĤ je používán kalorifer o celkovém pĜíkonu 3 kW, který je regulován pomocí jednofázové tyristorové jednotky EUROTHERM typ 7100A. Do vnitĜního prostoru kapotáže je zabudován nový interiérový odporový snímaþ teploty (Obr. 9), který sleduje teplotu uvnitĜ kapotáže. Na poþátku mČsíce prosince probČhly experimenty, které ovČĜili funkþnost nového ohĜevu kapotáže. Z grafu na Obr. 10 vyplývá, že ohĜev kapotáže na požadovanou hodnotu trvá pĜibližnČ 2 hodiny. Teplota v kapotáži se od požadované hodnoty liší pĜi nejvhodnČji zadaných parametrech regulátoru v ustáleném stavu o +/- 2°C. Tato malá odchylka teploty nebude mít žádný vliv na prĤbČh experimentu.
10
Obr. 8 Upravené hlavy kondenzátorĤ. Šipky ukazují potrubí, které ohĜívá hlavy kondenzátorĤ K3 a K4 a následnČ kapotáž.
Obr. 9 Odporový snímaþ teploty interiérový zabudovaný v kapotáži 70 60
Teplota [°C]
50 40 30 20 10
360
336
312
288
264
240
216
192
168
144
120
96
72
48
24
0
0
ýas [min.]
Obr. 10 Závislost teploty kapotáže na þase pĜi rĤzných parametrech regulátoru
11
6.
OvČĜení technologie fluorace
shromažćování
tČkavých
produktĤ
K plnému ovČĜení technologie shromažćování tČkavých produktĤ je zapotĜebí, aby probČhl v plném rozsahu experiment fluorace uranového prášku. Proto jsme nejprve provedli kontrolu starého zásobníku na UF6, který obsahuje 13,07 kg UF6 pĜipraveného na lince v minulosti (Obr. 11). Na tomto zásobníku byla zkontrolována funkce teplotních þidel a zásobník byl opatĜen novým antikorozním nátČrem. Po ovČĜení funkce ventilĤ bude zásobník využit ke shromažćování novČ vyrobeného hexafluoridu uranu. Vlastní zásobník je ocelová tlaková nádoba o objemu 25 dm3, naplnČná asi do poloviny mČdČnými Raschigovými kroužky o prĤmČru 20 mm. Nádoba je opatĜena dvČma snímaþi teploty Pt 100 a dvČma vlnovcovými ventily s teflonovou kuželkou o JS 4 mm. K temperování (cyklus ohĜev – chlazení) slouží duplikátorový ocelový plášĢ o pracovním objemu 60 l, vybavený dvČma topnými bojlerovými tČlesy. Do topného pláštČ byl umístČn had z mČdČné trubky, umožĖující úþinné chlazení temperovací kapaliny kapalným þi plynným dusíkem.
Obr. 11 Starý zásobník na UF6
12
7.
ZávČr
Na základČ uvedených výsledkĤ lze konstatovat, že práce na optimalizaci linky FERDA probČhly podle pĜedpokladĤ. PĜedepsané dílþí výstupy byly splnČny, a to i pĜesto, že došlo ke zpoždČní dodávek nČkterých objednaných komponent. Jedná se pĜedevším o Dewarovu nádobu na kapalný dusík o objemu 240 l a sítovaþku Retsch. Nutno však zdĤraznit, že i pĜes tento skluz v dodávkách probČhly požadované experimenty dávkování práškového U3O8 v pĜedpokládaném rozsahu. Lze konstatovat, že navržený optimalizovaný systém je plnČ funkþní a povede bez vČtších problémĤ ke koneþnému vyĜešení Ĝízeného chlazení kondenzátorĤ a transportu tČkavých fluoridĤ do zásobního kontejneru. V souþasné dobČ je technologická linka FERDA pĜipravena pro zahájení experimentĤ plamenné fluorace simulovaného paliva a kondenzace tČkavých fluoridĤ. Realizace tČchto experimentĤ je pĜedpokládána v rámci následného programu výzkumu a vývoje v této oblasti.
13
Správa úložišĢ radioaktivních odpadĤ DláždČná 6, 110 00 Praha 1 Tel. 221 421 511 E-mail:
[email protected] www.surao.cz
