ЧЕХОЛ КОНТЕЙНЕРА ДЛЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к ядерной технике, в частности к транспортированию и/или хранению отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), а более конкретно к транспортированию и/или хранению отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС), преимущественно реактора ВВЭР-1000.
Известен контейнер для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива, содержащий корпус с крышкой, установленный в корпусе чехол с каналами для размещения ОТВС, содержащий, по крайней мере, один продольный теплоотводящий элемент, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, например алюминия, и установленный в центральной части чехла и (или) между двумя смежными рядами каналов для сборок.
Контейнеры с чехлами, предназначенные для транспортировки ОТВС, должны разгружаться в сухом хранилище. По существующей технологии передачи ОТВС на хранение, чехол с ОТВС извлекается из контейнера и устанавливается в приемное гнездо камеры комплектации пеналов сухого хранилища.
Контейнеры с чехлами, предназначенные для хранения ОТВС, после хранения с различной продолжительностью также будут разгружаться для передачи ОТВС на переработку. В строящемся опытно-демонстрационном центре прием ОТВС реакторов ВВЭР-1000 на переработку также будет осуществляться с извлечением чехла с ОТВС из контейнера.
К недостаткам конструкции чехла известного контейнера относится то, что для извлечения чехла из контейнера, как правило, используется унифицированный грузозахватный грибок (захват), установленный на верхнем торце центральной трубы, размещенной по вертикальной оси чехла, и который не имеет контакта с крышкой контейнера как при транспортировке, так и при хранении. Исходя из этого, установка продольного теплоотводящего элемента может обеспечить только отведение тепла в осевом направлении к днищу контейнера.
Известен чехол для отработавших тепловыделяющих сборок (см. патент №2458417, МПК G21F 5/008), который, согласно описанию, устанавливается в контейнер с заданным радиальным зазором с возможностью образования теплопроводящего контакта между наружной цилиндрической поверхностью чехла и ответной внутренней поверхностью корпуса контейнера в загруженном состоянии последнего при тепловом воздействии ОТВС.
При тепловом воздействии ОТВС этот зазор «выбирается», обеспечивая прилегание наружной цилиндрической поверхности чехла к внутренней поверхности корпуса, что способствует повышению отвода тепла от чехла к контейнеру и далее в окружающую среду.
Недостатком образования теплопроводящего контакта между наружной цилиндрической поверхностью чехла и ответной внутренней поверхностью корпуса контейнера за счет температурного расширения при тепловом воздействии ОТВС является то, что в чехол загружаются ОТВС с различной продолжительностью выдержки в пристанционных бассейнах и, следовательно, с различным остаточным тепловыделением. Вследствие этого температурные расширения чехла будут различны, и при загрузке ОТВС с более длительной выдержкой зазор не будет «выбираться» и прилегание наружной цилиндрической поверхности чехла к внутренней поверхности корпуса не будет обеспечиваться, что снижает отведение тепла от чехла к контейнеру.
В случае обеспечения гарантированного теплопроводящего контакта между наружной цилиндрической поверхностью чехла и ответной внутренней поверхностью корпуса контейнера повышенное тепловое воздействие ОТВС может привести к деформациям элементов чехла при их тепловом расширении и последующим затруднениям при извлечении ОТВС из его гнезд.
Известен чехол для отработавшего ядерного топлива (см. патент РФ на полезную модель №78979, МПК G21F 5/012), содержащий основание, закрепленную на основании центральную стойку с расположенными на ней дистанционирующими элементами, установленные на центральной стойке между ними теплопроводящие вставки, жестко связывающие дистанционирующие элементы в осевом направлении. Дистанционирующие элементы выполнены из теплопроводящих профилированных пластин с отверстиями, образующими каналы для размещения отработавших тепловыделяющих сборок.
Тепло генерируемое в тепловыделяющих элементах отработавших тепловыделяющих сборок, согласно описанию известной полезной модели, передается дистанционирующим пластинам и теплопроводящим вставкам, откуда, в свою очередь, за счет высокой теплопроводности этих пластин, отводится к корпусу транспортного контейнера без перегрева отработавших тепловыделяющих сборок путем обеспечения как радиального, так и осевого направлений отвода тепла.
Известный чехол выбран заявителем в качестве прототипа.
К недостаткам известного чехла относится то, что эффективное отведение тепла в радиальном направлении в известном чехле может быть обеспечено только при наличии теплопроводящего контакта между дистанционирующими пластинами и внутренней поверхностью контейнера. Так как для извлечения чехла из контейнера зазор между ними, безусловно, является необходимым, то образование теплопроводящего контакта между дистанционирующими пластинами и внутренней поверхностью контейнера возможно только за счет температурного расширения при тепловом воздействии ОТВС. Вследствие того, что в чехол загружаются ОТВС с различной продолжительностью выдержки в пристанционных бассейнах, и, следовательно, с различным остаточным тепловыделением, то температурные расширения дистанционирующих пластин будут тоже различными. В этом случае при загрузке ОТВС с более длительной выдержкой зазор не будет «выбираться» и прилегание дистанционирующих пластин к внутренней поверхности контейнера не будет обеспечиваться, что снизит отведение тепла в радиальном направлении.
Установленные на центральной стойке между дистанционирующими пластинами теплопроводящие вставки, жестко связывающие их в осевом направлении, способствуют передаче тепла от дистанционирующих пластин, расположенных в центральной зоне чехла, нагреваемых активной частью ОТВС, к верхним и нижним пластинам, расположенным в районе расположения головки и хвостовика ОТВС, но не к стенкам контейнера, с которыми теплопроводящие вставки не имеют контакта.
В примере конкретного исполнения известная полезная модель чехла предусматривает изготовление дистанционирующих пластин из алюминия, а каналов для размещения ОТВС - из борсодержащих труб. Чтобы установить трубы в отверстия, выполненные в пластинах, необходим зазор между отверстиями и трубами. Так как сварка алюминия с борсодержащей сталью не возможна, то контакты кромок отверстий в дистанционирующих решетках с борсодержащими трубами будут иметь площадь теплопроводящего контакта, недостаточную для эффективного отведения тепла от борсодержащих труб к дистанционирующим пластинам. Поэтому наиболее эффективно тепло будет отводиться от труб к основанию пенала и далее к днищу контейнера, а к корпусу контейнера в радиальном направлении отведение тепла будет менее эффективным.
Днище присоединяются к корпусу на сварке, и поэтому имеет теплопроводящий контакт площадью, достаточной для эффективного отведения тепла от днища к нижней части корпуса. Внутренняя герметизирующая защитная крышка устанавливается на корпус через уплотнительные прокладки, вследствие чего площадь теплопроводящего контакта корпуса с крышкой значительно меньше, чем с днищем. Вследствие этого, количество отводимого тепла на корпус через днище значительно превышает количество тепла, отводимого на корпус через крышку. А так как корпус контейнера имеет высоту около 5 м и, как правило, развитую наружную поверхность за счет оребрения, увеличивающую поверхность теплообмена с атмосферой, именно от корпуса отводится наиболее значительная часть выделяемого ОТВС тепла. Неравномерность отведения тепла на корпус и температурный градиент на нем снижают отведение тепла в атмосферу и способствуют перегреву ОТВС внутри контейнера.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является интенсификация отведения тепла в радиальном направлении к корпусу контейнера.
Технический результат - создание теплопроводящих контактов между чехлом и внутренней поверхностью корпуса контейнера по всей высоте чехла с сохранением возможности постановки и извлечения чехла из корпуса контейнера.
Для решения поставленной задачи в известном чехле, установленном в контейнер, и содержащем основание, закрепленную на основании центральную стойку с расположенными на ней дистанционирующими пластинами с отверстиями, в которых установлены трубы, образующие каналы для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, смежные дистанционирующие пластины соединены рядами теплопроводящих вставок. Теплопроводящие вставки содержат пружинящие элементы и присоединенные к ним пластины с площадками.
Площадки выполнены посредине пластин и расположены параллельно внутренней поверхности корпуса контейнера с выступанием за дистанционирующие пластины, равным или несколько превышающим величину зазора между дистанционирующими пластинами и внутренней поверхностью корпуса контейнера. Торцы пластин в месте присоединения их к пружинящим элементам расположены под дистанционирующими пластинами.
В частном случае исполнения пружинящие элементы выполнены в виде разрезных колец.
В другом частном случае исполнения трубы, образующие каналы, присоединены к основанию и дистанционирующим пластинам на сварке.
В другом частном случае исполнения внутренняя полость центральной стойки заполнена материалом с высокой теплопроводностью, например алюминием.
Соединение смежных дистанционирующих пластин рядами теплопроводящих вставок позволяет обеспечить тепловой контакт между всеми дистанционирующими пластинами и осуществить отведение тепла от наиболее нагретых дистанционирующих пластин, расположенных в районе средней активной части ОТВС к менее нагретым дистанционирующим пластинам, расположенным в районе головки и хвостовика ОТВС и снизить градиент температур на элементах чехла.
Наличие в теплопроводящих вставках пластин с площадками, выполненными посредине пластин и расположенными параллельно внутренней поверхности контейнера с выступанием за дистанционирующие пластины, равным или несколько превышающим величину зазора между дистанционирующими пластинами и внутренней поверхностью корпуса контейнера, позволяет получить ряды теплопроводящих контактов между дистанционирующими пластинами и внутренней поверхностью корпуса контейнера по всей высоте чехла и, тем самым, интенсифицировать отведение тепла в радиальном направлении от дистанционирующих пластин к внутренней поверхности корпуса контейнера по всей высоте чехла.
Наличие в теплопроводящих вставках пружинящих элементов и расположение торцов пластин в месте присоединения их к пружинящим элементам под дистанционирующими пластинами позволяет при взаимодействии пластин с корпусом контейнера сдвигать площадки под дистанционирующие пластины в радиальном направлении за счет упругости пружинящих элементов и, тем самым, обеспечить установку и извлечение чехла из контейнера с сохранением контакта площадок с внутренней поверхностью корпуса контейнера.
Выполнение пружинящих элементов в виде разрезных колец позволяет компенсировать большее температурное удлинение теплопроводящих вставок, по сравнению с температурным удлинением центральной стойки, в пределах упругих деформаций разрезных колец и сохранить тепловые контакты площадок с внутренними стенками. Кроме того, выполнение пружинящих элементов в виде разрезных колец позволяет осуществить их присоединение к пластинам и дистанционирующим пластинам на сварке, создавая между ними надежный тепловой контакт.
Присоединение труб, образующие каналы, к основанию и дистанционирующим пластинам на сварке позволяет не только увеличить прочностные характеристики чехла, в частности его жесткость, но и увеличить площади тепловых контактов между всеми дистанционирующими пластинами и осуществить отведение тепла от наиболее нагретых дистанционирующих пластин, расположенных в районе средней активной части ОТВС к менее нагретым дистанционирующим пластинам, расположенным в районе головки и хвостовика ОТВС и снизить градиент температур на элементах чехла.
Заполнение внутренней полости центральной стойки материалом с высокой теплопроводностью, например алюминием, позволяет не только использовать центральную стойку чехла в качестве несущего элемента при его транспортировке, но и увеличить количество отводимого тепла из центральной части чехла к его основанию, и далее к днищу контейнера.
Предлагаемая полезная модель чехла иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 1 изображен чехол с загруженной ОТВС;
на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 - предлагаемый чехол, размещенный в контейнере.
Чехол 1 (см. фиг. 1 и 2) включает в себя основание 2 с присоединенной к нему центральной стойкой 3. К центральной стойке 3 присоединены на сварке дистанционирующие пластины 4, в отверстия которых установлены на сварке трубы 5, образующие каналы для размещения ОТВС 6, также присоединенные к основанию 2. ОТВС 6, установленные в трубах 5, опираются своими хвостовиками 7 в основание 2, а их головки 8 располагаются выше верхней дистанционирующей пластины 4. Смежные дистанционирующие пластины 4 по краям соединены рядами теплопроводящих вставок 9, состоящими из пластин 10 с площадками 11 посредине и пружинящими элементами 12, выполненными в виде разрезных колец. Места присоединения торцов 13 пластин 10 расположены под дистанционирующими пластинами 4. К центральной стойке 3 присоединено устройство 14 под захват для извлечения чехла 1, а внутренняя полость центральной стойки 3 может быть заполнена материалом 15 с высокой теплопроводностью, например алюминием.
Чехол 1, как правило, снабжен демпфером 16, который при установке чехла 1 в контейнер 17 (см. фиг. 3), опирается на его днище 18. Контейнер 17 снабжен герметизирующей защитой крышкой 19, устанавливаемой на корпус 20 через уплотнительные прокладки 21. Площадки 11 пластин 10 выполнены параллельными внутренней поверхности 22 корпуса 20 и с выступанием «Г» за дистанционирующие пластины 4, равным или несколько превышающим величину зазора «В» между дистанционирующими пластинами 4 и внутренней поверхностью 22 корпуса 20.
Чехол 1 устанавливается в корпус 20 контейнера 17, при этом пластины 10, взаимодействуя с корпусом 20, сдвигают площадки 11 под дистанционирующие пластины 4 в радиальном направлении за счет упругости пружинящих элементов 12.
Таким образом обеспечивается установка и извлечение чехла 1 из контейнера 17 с сохранением контакта площадок 11 с внутренней поверхностью 22 корпуса 20 сохраняется контакт площадок 11 с внутренней поверхностью 22 корпуса 20.
После загрузки ОТВС 6 в трубы 5 чехла 1 и установки герметизирующей защитой крышки 19 на корпус 20 тепло, генерируемое ОТВС 6, передается трубам 5 и основанию 2 чехла 1, на котором своим хвостовиком 7 установлена ОТВС 6. Чехол 1 своим демпфером 16 устанавливается непосредственно на днище 18 контейнера 17 и между ними образуется теплопроводящий контакт площадью, обеспечивающей эффективное отведение тепла от основания 2 к днищу 18, в том числе и от материала 15 с высокой теплопроводностью, которым заполнена центральная стойка 3.
Тепло от труб 5 также передается и к присоединенным к ним на сварке дистанционирующим пластинам 4. За счет соединения дистанционирующих пластин 4 рядами теплопроводящих вставок 9 тепло, поступающее от ОТВС 6 к дистанционирующим пластинам 4, отводится от наиболее нагретых дистанционирующих пластин 4, расположенных в районе средней активной части ОТВС 6 к менее нагретым дистанционирующим пластинам 4, расположенным в районе головки 8 и хвостовика 7 ОТВС 6. Одновременно тепло от дистанционирующих пластин 4 по теплопроводящим вставкам 9 через площадки 11, соприкасающиеся с внутренней поверхностью 22 корпуса 20, отводится к корпусу 20 и через развитую наружную поверхность контейнера 17 поступает в атмосферу. В результате отведения тепла через ряды теплопроводящих контактов между площадками 11 и внутренней поверхностью 22, расположенных по всей высоте чехла 1, интенсифицируется отведение тепла в радиальном направлении, что приводит к общему снижению температуры ОТВС 6.