Чехол контейнера для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива
CONTAINER CASE FOR TRANSPORTATION AND STORAGE OF SPENT NUCLEAR FUEL

Изобретение относится к контейнерам, предназначенным для транспортирования и временного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС) в виде облученных тепловыделяющих сборок (ОТВС).
Для размещения ОТВС в контейнерах для перевозки и хранения ОЯТ используют чехлы.
Чехол транспортно-упаковочного контейнера (ТУК) для перевозки ОЯТ должен решать ряд задач:
- дистанционирование ОТВС друг от друга для обеспечения ядерной безопасности;
- размещение максимально возможного количества ОТВС при перевозке и хранение ОЯТ в габаритах контейнеров существующей схемы обращения;
- отвод тепла от ОТВС к корпусу контейнера;
- защита ОТВС от внешних механических воздействий.
Габариты ТУК реакторов типа ВВЭР-1000/1200 для РФ ограничены существующей схемой обращения. Поэтому чехлы с максимально возможным количеством ОТВС должны вписываться в транспортно-упаковочные комплекты существующей схемы. Размещение максимально возможного ОЯТ в чехле таких габаритов требует уменьшение расстояния между ОТВС. Данное решение порождает ряд проблем:
- меньшее сечение теплоотводящих узлов затрудняет отвод большого количества тепла от ОТВС;
- уменьшение расстояния между осями ОТВС, без применения мер по экранированию от нейтронного излучения собственно тепловыделяющих сборок, при аварийной ситуации создает угрозу ядерной безопасности.
Проблема теплоотвода решается применением в конструкции чехла  материалов высокой теплопроводности, однако прочностные свойства таких материалов существенно снижаются при температурах выше 300°С. Поэтому необходимо использовать комбинацию прочных и теплопроводных материалов. Такое решение может привести к электрохимической коррозии, например, после обработки чехла дезактивирующим раствором, из-за разных значений электрохимических потенциалов материалов. В связи с этим в течение срока эксплуатации (60 лет) несколько раз требуется замена либо чехла, либо его элементов. Замена элементов значительно сокращает стоимость эксплуатации и повышает ремонтопригодность чехла.
В качестве нейтронной защиты можно использовать либо борированные алюминиевые сплавы, либо борированные стальные сплавы. Технология борирования алюминиевых сплавов в РФ отсутствует, поэтому потребуется закупка за рубежом, что влечет за собой существенное увеличение затрат и сроков. Применение борированных стальных сплавов приведет к ухудшению теплопроводности. Проблему экранирования от нейтронного излучения можно решить установкой в межтрубное пространство чехла карбида бора.
Известен чехол для размещения отработавших тепловыделяющих сборок реактора (п. России №2458417, G21F 5/008, опубл. 10.08.2012).
Чехол для облученных тепловыделяющих сборок выполнен из нержавеющей стали и содержит, по меньшей мере, два блока, включающие каждый верхнюю и нижнюю дистанционирующие решетки, к которым герметично на сварке присоединены шестигранные трубы для размещения облученных тепловыделяющих сборок, а по периметру каждого блока к упомянутым дистанционирующим решеткам присоединена соответствующая облицовка с образованием герметичного межтрубного пространства. Герметичное межтрубное пространство заполнено поглощающей нейтроны теплопроводящей заливочной композицией. При этом через каждый блок пропущены продольные трубчатые элементы, которые расположены вдоль продольной оси блока между гранями смежных шестигранных труб и герметично на сварке присоединены соответственно к верхней и нижней дистанционирующим решеткам. Блоки установлены соосно с образованием зазора между смежными дистанционирующими решетками и разъемно соединены друг с другом таким образом, что шестигранные трубы одного блока расположены соответственно шестигранным трубам другого блока.
Недостатки данного чехла заключаются в следующем:
- при размещении в данном чехле 18 ОТВС и сохранении габаритов в пределах схемы обращения в РФ конструкция не позволит эффективно отводить тепло от ОТВС;
- уменьшение расстояния между осями ОТВС (при размещении 18 и более) уменьшит количество поглощающей нейтроны теплопроводящей заливочной композиции, что приведет к цепной реакции при установке всех ОТВС.
Также известен чехол для размещения и хранения отработавших тепловыделяющих сборок реактора ВВЭР-1000 в контейнерах (п. России №2453007, G21F 5/00, опубл. 10.06.2012).
Чехол содержит центральную трубу, дистанционирующие решетки с двадцатью трубами, в которых размещаются облученные тепловыделяющие сборки. Трубы выполнены в виде шестигранника и установлены в два кольцевых ряда относительно оси центральной трубы, разделенных промежуточной трубой. Трубы в ряду сопрягаются друг с другом ребрами, а часть граней с наружной стороны облицована накладками радиационной защиты. Изобретение позволяет обеспечить оптимальное ядернобезопасное расположение, по крайней мере, 20 отработавших тепловыделяющих сборок в чехле и эффективный теплоотвод от отработавших тепловыделяющих сборок.
Этот чехол принимается за прототип как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому техническому решению.
Недостатки данного чехла заключаются в следующем:
- так как чехол определяет размер контейнера, то увеличенная вместимость до 20 ОТВС реактора типа ВВЭР-1000/1200 увеличивает габаритные размеры контейнера, не позволяя последнему без существенных затрат вписаться в схему обращения ОЯТ Российской Федерации;
- чехол в качестве силового каркаса использует алюминиевые сплавы, что при температурах выше 350°С не обеспечивает прочность конструкции;
- чехол разбирается только на крупные секции, что делает невозможным замену только дефектных, в ходе эксплуатации, элементов конструкции, что существенно увеличивает затраты на обслуживание чехла.
Таким образом, на сегодняшний день, проблема коррозии материалов чехла и обеспечения ядерной безопасности в авариях, при хранении и перевозке максимально возможного количества ОТВС реакторов ВВЭР-1000/1200 в существующей схеме обращения не решена.
Технический результат заключается в размещении максимального количества ОТВС реакторов типа ВВЭР-1000/1200 (18 штук) в чехле контейнера, вписывающихся в транспортно-упаковочные комплекты существующей схемы в РФ, с обеспечением параметров безопасности хранения и перевозки, в частности ядерной безопасности, теплоотвода и прочности чехла, а также с улучшением ремонтопригодности чехла и уменьшением затрат на изготовление и обслуживание.
Технический результат достигается тем, что чехол контейнера для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива, содержащий центральную несущую трубу из коррозионно-стойкой стали, на которой установлены скрепленные между собой секции, каждая из которых выполнена из двух дистанционирующих решеток из нержавеющей стали, между ними размещены шестигранные трубы для размещения облученных тепловыделяющих сборок, имеющие нейтронную защиту и установленные относительно оси центральной трубы в два кольцевых ряда, секции установлены на основание, состоящее из дистанционирующей опоры с отверстиями, по оси которых с наружной стороны установлены устройства поджима, несущая труба имеет переходник под грузозахватное устройство, отличающийся тем, что между дистанционирующими решетками параллельно им установлены теплоотводящие диски, а параллельно шестигранным трубам установлены стальные стойки, образующие вкупе с дистанционирующими решетками силовой каркас, нейтронная защита установлена внутри каждой грани трубы в виде пластины из борсодержащего композита, в первом ряду относительно оси несущей трубы размещено шесть труб, а во втором – двенадцать. Трубы первого ряда сопрягаются между собой гранями, трубы второго ряда через одну сопрягаются гранями с гранями труб первого ряда, а остальные размещают таким образом, что их ребра находятся на радиальной, проходящей между гранями труб первого ряда. Между дистанционирующими решетками установлено равное количество теплоотводящих дисков с равным расстоянием между ними. Между теплоотводящими дисками установлены алюминиевые дистанционирующие втулки.
о
При повышенных температурах эксплуатации (350С) в алюминиевых сплавах ухудшаются прочностные показатели в отличие от сплавов стали. Введенные в секции чехла стальные стойки вкупе с дистанционирующими решетками из нержавеющей стали образуют силовой каркас, обеспечивающий требуемые прочностные характеристика чехла в период эксплуатации и при аварийных ситуациях.
Применение равноудаленных теплоотводящих дисков в каждой секции обеспечивает равномерный отвод тепла от ОТВС, не допуская образования в них зон перегрева.
Применение нейтронной защиты в виде пластин из борсодержащего композита, установленных внутри каждой грани трубы, во-первых, обеспечивает надежное экранирование нейтронного излучения, во-вторых, технология изготовления таких пластин применяется в РФ, и она обладает более низкой стоимостью по сравнению с технологиями, описанными выше.
Предложенное расположение шестигранных труб позволяет вписаться в существующую схему обращения ТУК реакторов типа ВВЭР-1000/1200 для РФ.
Изобретение позволяет при техническом обслуживании чехла заменять только дефектные части конструкции, что снижает затраты на время и стоимость изготовления.
Большая часть чехла изготавливается из стандартного проката листов, труб и прутков, что также значительно снижает металлоемкость и затраты на изготовление конструкции.
На фиг.1 изображена конструкция чехла для размещения отработавших тепловыделяющих сборок реактора ВВЭР-1000/1200; на фиг. 2 – вид сверху на чехол; на фиг. 3 – разрез одной из секций.
Чехол представляет собой сварную металлоконструкцию, состоящую из центральной несущей трубы 1, приваренной к нижнему основанию 2, на котором установлены и закреплены по высоте как минимум две секции, в каналах которых размещаются тепловыделяющие сборки.
Каждая секция выполнена из двух дистанционирующих решеток из нержавеющей стали – верхний 3 и нижний 4, соединённых стойками 5 из нержавеющей стали. Между дистанционирующими дисками 3 и 4 установлены как минимум пять теплоотводящих дисков 6 и дистанционирующие втулки 7 из алюминиевого сплава. Отверстия для установки ОТВС образованы шестигранными алюминиевыми трубами 8. Внутри каждой грани трубы 8 в герметичных карманах (на фиг. не показаны) установлены пластины 9 из борсодержащего композита. В первом ряду относительно оси несущей трубы 1 размещено шесть труб, а во втором – двенадцать.
В верхней части несущей трубы 1 установлена головка 10 под грузозахватное устройство.
В основании 2 чехла под шестигранными трубами 8 имеются восемнадцать отверстий, в которых установлены устройства поджима 11, служащие для поджима ОТВС к внутренней крышке контейнера во время транспортировки, а также поджима чехла к контейнеру при перевозке порожнего контейнера.
Сборка чехла осуществляется следующим образом.
На основание 2 с приваренной центральной несущей трубой 1 снизу устанавливаются устройства поджима 11, сверху – нижняя дистанционирующая решетка 4. В дистанционирующую решетку 4 вкручиваются стальные стойки 5, на них нанизываются через втулки 7 теплоотводящие диски 6. В шестигранные отверстия теплоотводящих дисков 6 устанавливаются шестигранные трубы 8 с установленными на каждую грань пластинами борсодержащего композита 9. Вся сборка накрывается верхней дистанционирующей решеткой 3, образуя секцию чехла. Поджатие верхней дистанционирующей решетки 3 к стойкам секции осуществляется вкручиванием стальных стоек 5 в нижнюю дистанционирующую решетку 4 следующей секции. Процесс повторяется до самой верхней секции. Сверху верхней дистанционирующей решетки 3 устанавливается защитный диск 12, прикручиваемый болтами 13 к стойкам последней секции. На центральную несущую трубу 1 устанавливается головка 10 для грузозахватного оборудования.
Ремонт вышедших из строя в процессе эксплуатации деталей.
Для замены дефектной детали необходимо разобрать чехол в последовательности, обратной сборке, дойдя до дефектной детали. Заменить деталь, и собрать чехол. Поджимные устройства 11 снимаются без разбора чехла.