چكيده فارسي :
چكيده
زيركونيوم ماده اي است كه براي ساخت غلاف سوخت راكتورهاي هسته‌اي استفاده مي شود. براي توليد زيركونيوم خالص اسفنج زيركونيومي داراي ناخالصي در دماي مناسب( حدود 300 درجه سلسيوس ) با يد گازي واكنش داده، زيركونيوم تترايديد توليد مي شود. سپس زيركونيوم تترايديد گازي نفوذ كرده و به فيلمان فلزي با دماي مشخص ( حدود 1400 درجه سلسيوس ) رسيده وتجزيه مي شود و زيركونيوم خالص بر روي فيلمان نشست مي‌كند. در اين فرايند كه به فرايند يديد يا روش ون آركل و دبور مشهور است، پارامترهايي نظير دماي اسفنج ناخالص، دماي فيلمان، فيزيك و هندسه دستگاه بر سرعت فرايند مؤثر است. در شركت سوخت راكتور هاي هسته اي اصفهان پايلوت اين فرايند اجرا و نصب شده است. هدف از انجام اين پژوهش تعيين دماي مناسب اسفنج زيركونيوم ناخالص براي رسيدن به مقدار بيشينه سرعت نشست زيركونيوم است. همچنين بررسي اثر تغيير هندسه فيلمان و تغيير فشار محفظه راكتور بر نرخ نشست زيركونيوم نيز مورد بررسي قرار گرفته است. شبيه سازي فرايند يديد توسط نرم افزار كامسول ورژن 5/5 انجام گرفته است و معادلات نفوذ براي انتقال جرم و تابش و رسانش براي انتقال حرارت به صورت همزمان به روش المان محدود توسط نرم افزار كامسول حل شده است. راكتور از يك محفظه استوانه اي شكل تشكيل شده است كه اسفنج زيركونيوم ناخالص در ديواره داخلي محفظه و فيلمان فلزي به شكل U در وسط راكتور قرار گرفته است.
براي دماي 1400 درجه سلسيوس فيلمان، در دماي 250 درجه سلسيوس جداره بيشينه سرعت نشست زيركونيوم( 3/3 موس بر ساعت(موس رسانش الكتريكي فيلمان است)) اتفاق افتاد كه نسبت به دماي جداره 200 و300 درجه سلسيوس به ترتيب 2/0 و 2/2 موس بر ساعت افزايش داشت. استفاده از دو فيلمان مشابه به جاي يك فيلمان، نرخ نشست زيركونيوم را كاهش داده اما در زمان يكسان مقدار زيركونيوم خالص نشست كرده تقريبا دو برابر شده است. در دماي ثابت 1400 درجه سلسيوس فيلمان، دماي بهينه جداره راكتور براي سيستم دو فيلمان 260 درجه سلسيوس بدست آمد. تغيير شكل فيلمان از U شكل به مربعي نرخ نشست زيركونيوم را بطور نامحسوس كاهش داده و در دماي 1400 درجه سلسيوس فيلمان، دماي بهينه جداره براي سيستم با فيلمان مربعي شكل 240 درجه سلسيوس محاسبه شد. با افزايش طول فيلمان U شكل نرخ نشست زيركونيوم(48/2 موس بر ساعت) نسبت به حالت پايه(3/3 موس بر ساعت) كاهش يافته اما قطر فيلمان در مدت زمان فرايند 56 ساعت 6/2 سانتي متر بدست آمد كه نسبت به حالت پايه % 8 بيشتر است. افزايش فشار محفظه راكتور موجب كاهش نرخ نشست زيركونيوم و همچنين كاهش مقدار زيركونيوم محصول در انتهاي فرايند شد.
چكيده انگليسي :
Abstract
Zirconium is a material used to make fuel pods for nuclear reactors. To produce pure zirconium, a zirconium sponge with impurities at the right temperature (About 300 ° C) Reacts with gaseous iodine to produce zirconium tetraiodide. The zirconium tetraiodide diffuses the gas and reaches the metal filament at a certain temperature (about 1400 degrees Celsius) and decomposes, and the pure zirconium deposits on the filament. In this process, which is known as the iodide process or Van Arckel and Deboer method, parameters such as sponge temperature, filament temperature, geometry, and machine geometry affect the rate of deposition of zirconium. The pilot for this process has been implemented and installed in Isfahan Nuclear Reactor Fuel Company. The purpose of this study is to determine the appropriate temperature of the zirconium sponge to achieve the maximum amount of zirconium production. The effect of changing the filament geometry and changing the reactor pressure on the deposition rate of zirconium has also been investigated. The iodide process is simulated by Comsol software version 5.5 and the diffusion equations for mass and radiation transfer and conduction for heat transfer were solved. The reactor consists of a cylindrical chamber in which the impure zirconium sponge was placed in the inner wall of the chamber and a U-shaped metal filament is located at the center of the reactor.
When filament temperature is 1400 ° C at a sponge temperature of 250 ° C, the maximum zirconium deposition rate (3.3 MHOS / hr (the MHOS is the electrical conductivity of the filament)) was obtained, which was greater than 3.1 and 1.1 MHOS / hr obtained at 200 and 300 ° C sponge temperatures respectively. Using two similar filaments instead of one reduced the deposition rate of zirconium but at the same process time the amount of pure zirconium deposition almost doubled. At a constant filament temperature of 1400 ° C, the optimum reactor wall temperature for the two-filament system was 260 ° C. Changing the filament from U-shape to square showed no effect on the deposition rate of zirconium. At a filament temperature of 1400 ° C, the optimum wall temperature for the system was calculated to be 240 ° C. By increasing the length of the U-shape filament, the deposition rate of zirconium (2.48 MHOS / hr) decreased compared to the base state (3.3 MHOS / hr), but the diameter of the filament during the 56 hr process time was 2.6 cm, which compared to the base state was 8% higher. Increasing the reactor pressure reduced the zirconium deposition rate as well as the amount of zirconium product at the end of the process.
