RU2793102C1 - Steam source for plasma separation of substances - Google Patents
Steam source for plasma separation of substances Download PDFInfo
- Publication number
- RU2793102C1 RU2793102C1 RU2022116684A RU2022116684A RU2793102C1 RU 2793102 C1 RU2793102 C1 RU 2793102C1 RU 2022116684 A RU2022116684 A RU 2022116684A RU 2022116684 A RU2022116684 A RU 2022116684A RU 2793102 C1 RU2793102 C1 RU 2793102C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- container
- substances
- substance
- plasma separation
- melting
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к плавильным устройствам, работающим с использованием метода индукционной плавки в холодном тигле (ИПХТ), предназначенным для плавки веществ, например, таких как оксиды и их сплавы, и может быть использовано для плавки, испарения и ионизации радиоактивных отходов для их плазменного разделения.The invention relates to melting devices using the cold crucible induction melting method (CIPCT) designed for melting substances, such as oxides and their alloys, and can be used for melting, vaporizing and ionizing radioactive waste for their plasma separation.
Из уровня техники известно средство для плавки оксидных материалов в индукционной печи, раскрытое в патенте RU 2737663, опубликованном 02.12.2020, МПК G21F 9/16, F27B 14/06. Данное средство может быть взято в качестве наиболее близкого аналога. Расплавление оксидных материалов, в частности, остекловывание ВАО, авторы патента предлагают осуществлять в индукционной печи, содержащей индуктор и металлический водоохлаждаемый секционированный тигель с индукционным сливным устройством горячего типа. Донная часть тигля и индуктор выполнены в форме конуса, а витки индуктора расположены напротив конусной части тигля. В нижней части конуса тигля расположено сливное устройство со сливным фланцем и сливной трубкой, которая снабжена дополнительным индуктором.From the prior art, a means for melting oxide materials in an induction furnace is known, disclosed in patent RU 2737663, published on 12/02/2020, IPC G21F 9/16, F27B 14/06. This tool can be taken as the closest analogue. The melting of oxide materials, in particular, the vitrification of high-level waste, the authors of the patent propose to carry out in an induction furnace containing an inductor and a metal water-cooled sectional crucible with a hot-type induction downcomer. The bottom part of the crucible and the inductor are made in the form of a cone, and the coils of the inductor are located opposite the conical part of the crucible. In the lower part of the crucible cone there is a drain device with a drain flange and a drain tube, which is equipped with an additional inductor.
Недостатки известного средства с точки зрения решаемой задачи можно выделить следующие. Известное средство направлено только на расплавление веществ и его использование не предполагает возможности целенаправленного испарения расплавляемого вещества. Другими словами, известное средство не рассчитано на высокие температуры, обеспечивающие испарение расплавленных радиоактивных отходов. Имеющийся тигель в предлагаемых условиях будет быстро приходить в негодность прогорая. Кроме того, даже при попытке использования известного средства в качестве источника пара оно не сможет обеспечить ионизацию испаряемых веществ, поскольку в нем не предусмотрены интегрированные средства ионизации.The disadvantages of the known tool from the point of view of the problem being solved can be identified as follows. The known means is aimed only at melting substances and its use does not imply the possibility of purposeful evaporation of the melted substance. In other words, the known tool is not designed for high temperatures, providing the evaporation of molten radioactive waste. The existing crucible under the proposed conditions will quickly become unusable and burn out. In addition, even if you try to use the known means as a source of vapor, it will not be able to provide ionization of the evaporated substances, since it does not provide integrated means of ionization.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании источника пара для плазменного разделения веществ, обладающего высокой надежностью и устойчивого к высокотемпературным воздействиям.The technical problem to be solved by the claimed invention is to create a steam source for plasma separation of substances, which is highly reliable and resistant to high temperature effects.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного изобретения, заключается в минимизации высокотемпературного воздействия на стенки и дно емкости с испаряемым веществом с одновременным обеспечением ионизации испаренного вещества. Также устройство расширяет арсенал источников пара для плазменного разделения веществ.The technical result achieved by using the claimed invention is to minimize the high-temperature effect on the walls and bottom of the container with the evaporated substance while ensuring the ionization of the evaporated substance. The device also expands the arsenal of steam sources for plasma separation of substances.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что источник пара для плазменного разделения веществ включает открытую сверху емкость с жаропрочным дном и боковыми стенками, выполненными из трубок с возможностью заполнения охладителем, причем дно емкости выполнено по меньшей мере с одним технологическим отверстием, высокочастотный индуктор, размещенный вокруг стенок емкости, по меньшей мере один проводящий тугоплавкий стержень, проходящий через технологическое отверстие дна емкости и по меньшей мере частично размещенный внутри емкости, причем стержень установлен с возможностью продольного перемещения через отверстие, и электрод, расположенный над емкостью вокруг ее* открытой части.The technical problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the source of steam for plasma separation of substances includes a vessel open from above with a heat-resistant bottom and side walls made of tubes with the possibility of filling with a coolant, and the bottom of the vessel is made with at least one process hole, a high-frequency inductor placed around the walls of the container, at least one conductive refractory rod passing through the technological hole in the bottom of the container and at least partially located inside the container, the rod being mounted for longitudinal movement through the hole, and an electrode located above the container around it * open part.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается также в следующем частном варианте реализации устройства.The technical problem is solved, and the technical result is also achieved in the next particular embodiment of the device.
Проводящий тугоплавкий стержень источника пара может быть выполнен из вольфрама.The conductive refractory rod of the steam source can be made of tungsten.
Применение охлаждаемой емкости в сочетании с индукционным нагревом и тугоплавким стержнем, установленным с возможностью продольного перемещения внутри емкости, позволяет сформировать локальную зону расплавления и испарения загруженного в емкость вещества. Охлаждение стенок емкости ограничивает распространение расплавления вещества, а, следовательно, минимизирует высокотемпературное воздействие на стенки и дно емкости и, тем самым, повышает ее надежность и долговечность. Высокая частота переменного тока индуктора совместно с теплотой, передаваемой от тугоплавкого стержня, функционирующего как катод, позволяет поддерживать температуру испарения рабочего вещества. Вольфрам обладает высокой температурой плавления, поэтому его использование в качестве материала стержня предпочтительно. Электрод над емкостью выполняет функции анода и совместно с катодом обеспечивает ионизацию испаряемого вещества.The use of a cooled container in combination with induction heating and a refractory rod installed with the possibility of longitudinal movement inside the container makes it possible to form a local zone of melting and evaporation of the substance loaded into the container. Cooling the walls of the container limits the spread of the melting of the substance, and, therefore, minimizes the high-temperature effect on the walls and bottom of the container and, thereby, increases its reliability and durability. The high frequency of the alternating current of the inductor, together with the heat transferred from the refractory rod, which functions as a cathode, makes it possible to maintain the evaporation temperature of the working substance. Tungsten has a high melting point, so its use as a rod material is preferable. The electrode above the container acts as an anode and, together with the cathode, provides ionization of the evaporated substance.
Источник пара для плазменного разделения веществ поясняется чертежом (фиг. 1), на котором схематически изображена его конструкция.The steam source for the plasma separation of substances is illustrated in the drawing (Fig. 1), which schematically shows its design.
В соответствии с настоящим изобретением источник пара для плазменного разделения веществ (см. фиг. 1) включает в себя открытую сверху емкость (1) с жаропрочным дном (2) и боковыми стенками (3), выполненными из трубок с возможностью заполнения охладителем. Высокочастотный индуктор (4) размещен вокруг емкости (1) напротив ее боковых стенок (3). Дно (2) емкости (1) выполнено по меньшей мере с одним технологическим отверстием (5). В упомянутое отверстие (5) установлен с возможностью продольного перемещения по меньшей мере один проводящий тугоплавкий стержень (6), являющийся первым электродом. Стержень (6) проходит через технологическое отверстие (5) и по меньшей мере частично размещен внутри емкости (1). Предпочтительно, стержень (6) выполнен из вольфрама, обладающего высокой температурой плавления. Второй электрод (7) установлен над емкостью (1) вокруг ее открытой части. Второй электрод (7) может быть выполнен как единым, так и из нескольких частей.In accordance with the present invention, a steam source for plasma separation of substances (see Fig. 1) includes a container (1) open at the top with a heat-resistant bottom (2) and side walls (3) made of tubes that can be filled with coolant. A high-frequency inductor (4) is placed around the container (1) opposite its side walls (3). The bottom (2) of the container (1) is made with at least one technological hole (5). At least one conductive refractory rod (6), which is the first electrode, is installed in said hole (5) with the possibility of longitudinal movement. The rod (6) passes through the technological hole (5) and is at least partially placed inside the container (1). Preferably, the rod (6) is made of tungsten, which has a high melting point. The second electrode (7) is installed above the container (1) around its open part. The second electrode (7) can be made as a single or from several parts.
Исполнение электрического подключения первого и второго электродов, а также высокочастотного индуктора может быть исполнено любым известным для специалиста в данной области техники способом и не является объектом заявляемого изобретения.The execution of the electrical connection of the first and second electrodes, as well as the high-frequency inductor, can be performed by any method known to a person skilled in the art and is not the subject of the claimed invention.
Предложенный источник пара для плазменного разделения веществ работает следующим образом.The proposed steam source for plasma separation of substances works as follows.
Испаряемое вещество, например, оксид, в форме порошка размещается в емкости (1). При необходимости, вещество (порошок) можно добавлять в емкость (1) сверху, по мере его испарения. Боковые стенки (3) емкости (1) представляют собой трубки, заполняемые охладителем. Тип охладителя и средство его подачи могут быть выбраны любыми, известными для специалиста в данной области техники. После на высокочастотный индуктор (4) подается питание.The substance to be evaporated, for example an oxide, is placed in the form of a powder in a container (1). If necessary, the substance (powder) can be added to the container (1) from above, as it evaporates. The side walls (3) of the container (1) are tubes filled with coolant. The type of coolant and its means of supply may be any known to those skilled in the art. After that, power is supplied to the high-frequency inductor (4).
В рабочем режиме устройства в емкости (1) постоянно находится вещество как в твердом состоянии (порошок), так и в жидком, расплавленном состоянии, которое располагается на поверхности твердого вещества в центральной части емкости (1). Благодаря наличию боковых стенок (3) в виде трубок с охладителем порошок по периферии емкости (1) не плавится. Другими словами, охлаждаемая емкость (1) в сочетании с засыпанным в нее веществом выполняет функции тигля, в котором происходит процесс расплавления и испарения самого же вещества. Таким образом, обеспечивается долговечность устройства и его устойчивость к высоким температурам.In the operating mode of the device, the container (1) constantly contains a substance both in a solid state (powder) and in a liquid, molten state, which is located on the surface of the solid in the central part of the container (1). Due to the presence of side walls (3) in the form of tubes with a coolant, the powder does not melt along the periphery of the container (1). In other words, the cooled container (1) in combination with the substance poured into it performs the functions of a crucible in which the process of melting and evaporation of the substance itself takes place. Thus, the durability of the device and its resistance to high temperatures is ensured.
Испарение происходит с верхней поверхности жидкого вещества. Поскольку проводимость расплавов оксидов, как правило, намного больше проводимости оксидов в твердом состоянии, то расплав вещества можно нагревать индукционно, посредством высокочастотного индуктора (4). Однако, проводимость оксидов меньше, чем у металлов, и, следовательно, для обеспечения нужной толщины скин-слоя требуется большая частота. Поэтому необходим именно высокочастотный индуктор.Evaporation occurs from the upper surface of the liquid substance. Since the conductivity of oxide melts, as a rule, is much greater than the conductivity of oxides in the solid state, the melt of a substance can be heated inductively, by means of a high-frequency inductor (4). However, the conductivity of oxides is less than that of metals, and therefore a higher frequency is required to provide the desired skin thickness. Therefore, a high-frequency inductor is needed.
Для запуска процесса испарения, возможно, например, использовать металлическую затравку, помещаемую перед запуском индуктора (4) на поверхность порошкообразного вещества в емкости (1). После включения индуктора (4) эта затравка индукционно нагревается и постепенно разрушается, но при этом успевает создать вокруг себя слой из проводящего расправленного вещества.To start the evaporation process, it is possible, for example, to use a metal seed placed before starting the inductor (4) on the surface of the powdered substance in the container (1). After the inductor (4) is turned on, this seed is inductively heated and gradually destroyed, but at the same time it manages to create a layer of conductive straightened substance around itself.
Через технологическое отверстие (5) в дне (2) емкости (1) сквозь толщу порошкообразного вещества (оксида) проложен проводящий стержень (б) из тугоплавкого и химически инертного вещества, предпочтительно, вольфрама. За счет возможности продольного перемещения стержня (6) обеспечивается касание его верхней части и жидкого, расплавленного вещества. Таким образом, расплавленное вещество, совместно со стержнем (6) выполняет роль катода для зажигания вакуумного дугового разряда и ионизации испаренного вещества. Электрод (7), выполняющий роль анода, расположен над емкостью (1) вокруг ее открытой части.A conductive rod (b) made of a refractory and chemically inert substance, preferably tungsten, is passed through the technological hole (5) in the bottom (2) of the container (1) through the thickness of the powdered substance (oxide). Due to the possibility of longitudinal movement of the rod (6), it is ensured that its upper part touches the liquid, molten substance. Thus, the molten substance, together with the rod (6), acts as a cathode for ignition of a vacuum arc discharge and ionization of the evaporated substance. The electrode (7), acting as an anode, is located above the container (1) around its open part.
Кроме того, важно отметить, что работа катода сопряжена с большим тепловым излучением, требующим отдельного охлаждения. Предлагаемое устройство обеспечивает отведение тепла от катода и исключает его локальный перегрев за счет того, что катод проложен внутри емкости (1), а, следовательно, сквозь толщу рабочего вещества. При этом, поглощаемого тепла недостаточно для расплавления вещества и последующего повреждения емкости (1), но достаточно для поддержания совместно с индуктором (4) температуры испарения вещества. Также, поскольку стержень (6) выполнен из тугоплавкого вольфрама, то он не плавится под индукционным воздействием.In addition, it is important to note that the operation of the cathode is associated with high thermal radiation, which requires separate cooling. The proposed device ensures the removal of heat from the cathode and eliminates its local overheating due to the fact that the cathode is laid inside the container (1), and, consequently, through the thickness of the working substance. At the same time, the absorbed heat is not enough to melt the substance and subsequently damage the container (1), but it is sufficient to maintain, together with the inductor (4), the evaporation temperature of the substance. Also, since the rod (6) is made of refractory tungsten, it does not melt under induction action.
Таким образом, заявленный источник пара для плазменного разделения веществ обеспечивает минимизацию высокотемпературного воздействия на стенки и дно емкости с испаряемым веществом с одновременной ионизацией испаренного вещества, что приводит к высокой надежности и долговечности устройства.Thus, the claimed steam source for plasma separation of substances minimizes the high-temperature effect on the walls and bottom of the container with the evaporated substance with simultaneous ionization of the evaporated substance, which leads to high reliability and durability of the device.
Также устройство расширяет арсенал источников пара для плазменного разделения веществ.The device also expands the arsenal of steam sources for plasma separation of substances.
Claims (6)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2793102C1 true RU2793102C1 (en) | 2023-03-29 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001242290A (en) * | 2000-02-25 | 2001-09-07 | Ngk Insulators Ltd | Device and method for incineration melting disposal of radioactive waste |
JP2002030354A (en) * | 2000-07-13 | 2002-01-31 | Kobe Steel Ltd | Scrap melting method and scrap melting device |
EP1484770A1 (en) * | 2003-06-04 | 2004-12-08 | Japan Nuclear Cycle Development Institute | Glass melter and method for operating the same |
RU2667268C2 (en) * | 2013-04-26 | 2018-09-18 | Комиссарья А Л'Энержи Атомик Э Оз Энержи Альтернатив | Electromagnetic induction furnace and use thereof for melting mixture of metal(s) and oxide(s), said mixture representing corium |
RU2737663C1 (en) * | 2019-12-25 | 2020-12-02 | Российская Федерация от имени Государственной корпорации по атомной энергии "Росатом" | Induction furnace with cold crucible for vitrification of hlw |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001242290A (en) * | 2000-02-25 | 2001-09-07 | Ngk Insulators Ltd | Device and method for incineration melting disposal of radioactive waste |
JP2002030354A (en) * | 2000-07-13 | 2002-01-31 | Kobe Steel Ltd | Scrap melting method and scrap melting device |
EP1484770A1 (en) * | 2003-06-04 | 2004-12-08 | Japan Nuclear Cycle Development Institute | Glass melter and method for operating the same |
RU2667268C2 (en) * | 2013-04-26 | 2018-09-18 | Комиссарья А Л'Энержи Атомик Э Оз Энержи Альтернатив | Electromagnetic induction furnace and use thereof for melting mixture of metal(s) and oxide(s), said mixture representing corium |
RU2737663C1 (en) * | 2019-12-25 | 2020-12-02 | Российская Федерация от имени Государственной корпорации по атомной энергии "Росатом" | Induction furnace with cold crucible for vitrification of hlw |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Амиров Р.Х. и др. Экспериментальное исследование процессов вакуумно-дугового испарения и ионизации вещества (гадолиния), моделирующего уран, для разработки технологии плазменной сепарации отработавшего ядерного топлива, ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том, 1, с.136-145. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3485104B2 (en) | Oven for ion source | |
JP4190581B2 (en) | Improved method and apparatus for dissolving particulate material | |
JPH077102B2 (en) | Melt furnace for waste treatment and its heating method | |
WO2004084235A1 (en) | Vitrification method | |
NO141183B (en) | PLASMA BURNER. | |
RU2793102C1 (en) | Steam source for plasma separation of substances | |
KR100767036B1 (en) | Evaporation source with nozzle part | |
PL120001B1 (en) | Process for manufacturing carbon electrodes in the place of their usenaznachenija | |
US2207746A (en) | Apparatus for converting metals and the like | |
US8498320B2 (en) | Melting furnace having a gas supplying apparatus | |
KR20110075106A (en) | High purity metal production apparatus and high purity metal production method | |
EP0845789A1 (en) | Method of melting treatment of radioactive solid wastes | |
US2265180A (en) | Process for converting metals and the like | |
KR100219827B1 (en) | Method for melting incineration residue and apparatus therefor | |
JP7313122B2 (en) | Hot water tapping method in induction heating melting device and induction heating melting device | |
US2745891A (en) | Apparatus for melting highly reactive metals | |
JPH1152095A (en) | Waste separation apparatus and separation method | |
RU2780195C1 (en) | Induction vitrification furnace for high level waste | |
JPH0248420A (en) | Method and equipment for thermally melting corrosive material | |
RU2787929C1 (en) | Heating method and device for its implementation | |
JPH10332890A (en) | Batch melting, ingot making equipment and melting, ingot making method | |
US4264778A (en) | Extraction furnace | |
RU2116868C1 (en) | Device for production of ultrafine metal powders | |
JP2004091246A (en) | Melting method of iron phosphate glass | |
JPH08312927A (en) | Method and apparatus for heating slag in ash melting furnace |