СЪЕМНЫЙ СТЕЛЛАЖ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАННОГО ТОПЛИВА

Область техники
Техническое решение касается съемного стеллажа для временного хранения отработавших топливных кассет водо-водяного энергетического реактора мощностью 440 МВт, особо пригодно для типа ВВЭР-440 и относится к области атомного машиностроения, а именно дизайну стеллажей для хранения отработанного топлива.
Уровень техники
Для хранения отработавшего топлива из ядерных реакторов, в частности, топлива из реактора типа ВВЭР-440, на атомных электростанциях применяются два типа стеллажей, размещаемых в бассейнах выдержки. К первому типу относятся стеллажи, постоянно установленные в бассейне выдержки и предназначенные для выдержки отработавшего топлива под слоем воды на протяжении нескольких лет перед транспортировкой с электростанции на место постоянного хранения или переработки. Стеллажи данной конструкции описаны в документах US 4,187,433, US 2012/0082285 A1, RU 2465661 и CZ 21182 U1.
Ко второму типу стеллажей относятся, в частности, в случае водо-водяных реакторов мощностью 440 МВт, съемные стеллажи, предназначенные для хранения отработавшего топлива в ходе планово-предупредительных ремонтов. Съемные стеллажи в бассейне выдержки устанавливаются над стеллажами первого типа и в бассейне не находятся постоянно, а устанавливаются лишь на переходное время. Съемные стеллажи, в отличие от стеллажей первого типа, должны легко демонтироваться и легко деконтаминироваться, так как на протяжении большей части времени хранятся вне бассейна выдержки. До сих пор используемые комплекты съемных стеллажей, предназначенных для выдержки отработавших топливных кассет под слоем воды, состоят из трех секций. Каждая секция состоит из верхней, средней и нижней плиты, соединенных распорными штангами. Отдельные секции имеют ячейки для размещения топливных кассет и пеналов герметичных. Пенал герметичный представляет собой полый цилиндрический сосуд, в котором размещаются поврежденные топливные кассеты. Пенал герметичный вставляется в съемный стеллаж через верхнюю плиту, в которой предусмотрено отверстие для вставления пенала герметичного, и опирается на нижнюю плиту. Количество ячеек для топливных кассет и пеналов герметичных для отдельных секций существующего стеллажа, например, следующее:
Секция
I.
II.
III.
Итого
Герметичные пеналы
26
21
7
54
Топливные кассеты
101
98
97
296
В верхней плите в отверстия вварены фланцы с шестиугольными отверстиями и четыре петли для установки и извлечения отдельных секций в бассейн выдержки. На фланцах имеются направляющие элементы для наведения топливной кассеты. В средней плите в отверстия вварены фланцы с шестиугольными отверстиями, длина которых составляет приблизительно половину длины фланцев, установленных на верхней плите. В нижней плите предусмотрены отверстия для прохождения теплоносителя вокруг каждой топливной кассеты. На нижней поверхности каждой нижней плиты приварены ребра жесткости, для предотвращения прогиба плиты. Отдельные секции устанавливаются на опоры, приваренные к стене бассейна выдержки, несущая способность опор рассчитана на полностью загруженные секции.
Имеющиеся съемные стеллажи не в состоянии выполнить требование по «эффекту оптимального замедления», предъявляемое в связи с постоянно ужесточающимися требованиями по атомной безопасности. Указанный «эффект оптимального замедления» характеризуется необходимостью соблюдения требования по подкритичности топлива и при нестандартных условиях в бассейне выдержки, в частности, при затоплении всего бассейна водой без добавки бора или при изменении плотности теплоносителя или в условиях полного испарения теплоносителя.
Описанные невыгоды устраняются в предлагаемом техническом решении.
Сущность изобретения
Съемный стеллаж согласно настоящему техническому решению предназначен для временного хранения отработавших топливных кассет и/или пеналов герметичных. Топливные кассеты устанавливаются в абсорбционные шестигранные трубы или в пеналы герметичные. Количество абсорбционных труб или пеналов герметичных в съемном стеллаже переменно, возможны различные сочетания, однако количество абсорбционных труб является преобладающим. Съемный стеллаж для выдержки отработавшего топлива согласно предлагаемому техническому решению у водо-водяного реактора типа ВВЭР-440 состоит из трех секций, каждая из секций состоит из верхней плиты и нижней опорной плиты, соединенных распорными штангами для создания каркаса, а также комплекта абсорбционных шестигранных труб для хранения топливных кассет, соединенных с нижней опорной плитой и проходящих через соответствующее отверстие в верхней плите, причем длина отдельных абсорбционных труб как минимум соответствует длине активной части топливной кассеты, для которой абсорбционная труба предназначена, и одновременно больше, чем расстояние между нижней опорной плитой и верхней плитой, причем абсорбционные трубы изготовлены из аустенитной стали с содержанием бора от 0,1% до 1%. Выгодным является содержание бора от 0,2% до 0,8%, а в некоторых случаях можно применять содержание бора от 0,2% до 0,7%. Указанное содержание бора приведено в весовых процентах.
Верхняя плита служит, с одной стороны, для ограничения расстояния между отдельными абсорбционными трубами, а с другой стороны, для переноса силовых воздействий, действующих на съемный стеллаж во время сейсмических событий. Абсорбционные трубы не соединены с верхней плитой жестко из-за возможных различий в тепловом расширении абсорбционных труб и остальных частей съемного стеллажа, однако в случае сейсмического события могут опираться о верхнюю плиту.
Над верхней плитой в предпочтительном исполнении съемного стеллажа располагается соединительная плита, которая соединена с устьевой частью абсорбирующих труб, к которым жестко закреплена сваркой или иным подходящим методом соединения. На верхней стороне соединительной плиты между отдельными абсорбционными трубами в предпочтительном исполнении съемного стеллажа приварены направляющие элементы для обеспечения надежного и безопасного наведения топливных кассет в ходе вставления в абсорбционные трубы съемного стеллажа. Естественно, возможен и иной способ закрепления направляющих элементов к соединительной плите, например, с помощью болтов, шпилек и т.д.
Съемный стеллаж согласно настоящему изобретению имеет верхнюю плиту, которая на участках прохождения абсорбционных труб через верхнюю плиту снабжена карманами для обеспечения промыва абсорбционных труб с наружной стороны после извлечения из бассейна выдержки. Карманы выполнены как сквозные и позволяют промывочной воде во время деконтаминации протекать по всей наружной поверхности каждой абсорбционной трубы, для обеспечения надлежащей деконтаминации всего съемного стеллажа. Карманы имеют выгодную сферическую форму и выполнены путем фрезеровки соответствующих участков верхней плиты. Соединительная плита подобным образом в данном выгодном исполнении съемного стеллажа на участке граней абсорбционных труб имеет подобные «карманы», обеспечивающие надежную промывку съемного стеллажа в ходе деконтаминации.
Если съемный стеллаж содержит ячейки для установки определенного количества пеналов герметичных, данные ячейки расположены по краю съемного стеллажа, точнее, его секции. С учетом данной компоновки нет необходимости создавать в верхней плите или в соединительной плите карманы для промывки пеналов герметичных, так как при такой компоновке промывочная вода к ним надежно проникает.
Соединение абсорбционных труб с нижней опорной плитой предпочтительно выполнено сваркой, однако возможно применение болтового соединения или иных обычно применяемых методов соединения. Количество абсорбционных труб и/или пеналов герметичных в отдельных секциях съемного стеллажа является переменным, возможны различные сочетания, однако для выполнения требований по безопасности необходимо проведение расчета подкритичности, расчета на прочность, сейсмического и термодинамического расчетов. Подходящее содержание бора в материале абсорбционных труб в данном техническом решении гарантирует выполнение требований, предъявляемых к съемному стеллажу, что касается достижения эффекта оптимального замедления. Содержание бора в аустенитной стали, из которой изготовлены абсорбционные трубы, может изменяться в зависимости от специфических условий отдельных атомных электростанций, зависит, например, от содержания бора в теплоносителе, от уровня обогащения топлива и т.д. Точное содержание бора в аустенитной стали, применяемой для изготовления абсорбционных труб, определяется расчетом с учетом требования по обеспечению подкритичности в данных условиях.
Абсорбционная труба в нижней части снабжена переходником, который с ней жестко соединен. Переходник внутри абсорбционной трубы, во-первых, образует опорную поверхность для топливных кассет, во-вторых, предназначен для установки абсорбционной трубы в нижней опорной плите, снабженной соответствующими отверстиями, в которые вставляются концы отдельных переходников. Переходник в предпочтительном исполнении снабжен соединительной частью и фиксирующей частью, предназначенной для вставления в отверстия в нижней части. Соединительная часть переходника предпочтительно имеет круговой профиль и предназначена для вставления в абсорбционную трубу, где образует опорную поверхность для топливных кассет. Фиксирующая часть представляет собой выступ кругового профиля, предназначенный для вставления в круговое отверстие в нижней опорной плите при установке абсорбционной трубы. У съемного стеллажа согласно настоящему техническому решению соединение переходника с нижней опорной плитой предпочтительно выполнено методом сварки. Соединение переходника с нижней опорной плитой, т.е. соединение фиксирующей части с нижней опорной плитой, должно быть достаточно прочным для того, чтобы выдержало нагрузки, действующие на съемный стеллаж с тепловыделяющими сборками и при воздействии заданной сейсмической нагрузки.
Переходник далее обеспечивает достаточный доступ теплоносителя к топливной кассете внутри абсорбционной трубы тем, что снабжен сквозным отверстием, диаметр отверстия в фиксирующей части был выбран на основании расчета настолько большим, чтобы обеспечить достаточный расход теплоносителя около топливной кассеты.
В следующем предпочтительном исполнении съемного стеллажа абсорбционная труба имеет шестигранное сечение и изготовлена путем сварки шести полос (6 продольных сварных швов) или в еще предпочтительном исполнении путем сварки двух профилей, вместе образующих необходимый шестигранный профиль (лишь 2 продольных шва). Профили идентичные, каждый из них образует половину шестигранной абсорбционной трубы. Отдельные абсорбционные трубы в своей верхней части соединены предпочтительно с помощью соединительной плиты, расположенной над верхней плитой у устья абсорбционных труб, на верхней поверхности соединительной плиты наварены направляющие элементы для направления топливных кассет в соответствующие абсорбционные трубы. У съемного стеллажа с шестигранными абсорбционными трубами соединительная плита предпочтительно снабжена направляющими элементами в форме треугольных призм, закрепленных своим прямоугольным основанием к соединительной плите, по сути, у каждой из стен шестигранной абсорбционной трубы, причем предпочтительным является крепление данных треугольных призм к соединительной плите методом сварки.
Для перемещения отдельных секций съемного стеллажа предназначено крепежное приспособление. Речь идет о приспособлении, обеспечивающем надежное перемещение отдельных секций при монтаже и демонтаже съемного стеллажа в бассейн выдержки. Данное крепежное приспособление в одном предпочтительном исполнении состоит из траверсы и четырех несущих штанг. Под траверсой здесь подразумевается квадратная или прямоугольная горизонтально расположенная сварная конструкция из профилей из подходящей стали, в которую вертикально закреплены четыре несущие штанги, которые присоединяются к соответствующим петлям на съемном стеллаже. Положение штанг в горизонтальном направлении выбрано так, чтобы при перемещении съемного стеллажа гарантировалось вертикальное положение всех несущих штанг, а таким образом, и всего съемного стеллажа, что препятствует возникновению деформации при извлечении отдельных секций под влиянием несимметричного подвешивания. Крепежное приспособление спроектировано на заданный вес съемного стеллажа и проверено расчетом.
По причине возможного наличия требования по установке съемного стеллажа на опорные элементы, имеющиеся в бассейне выдержки, необходимо обеспечить возможность крепления съемного стеллажа к данным опорным элементам в конкретном бассейне. Так как опорные элементы в отдельных бассейнах отличаются, а также отличаются внутренние размеры бассейнов из-за различных производственных допусков и т.д., предпочтительно у съемных стеллажей по данному техническому исполнению для монтажа в бассейн применить систему башмаков, закрепленных на нижней опорной плите и верхней плите, которые можно подогнать по необходимости при первой установке съемного стеллажа на исходные опорные элементы. Башмаки позволяют регулировать закрепление съемного стеллажа на исходные опорные элементы тем, что соответствующие размеры башмаков подгоняются так, чтобы стеллаж было можно установить в бассейн выдержки, и чтобы башмаки точно попадали на опорные элементы, расположенные в бассейне выдержки. После подгонки башмаков по внутренним размерам бассейна выдержки и расположению исходных опорных элементов башмаки можно на съемный стеллаж закрепить жестко, так как их размеры уже не будут изменяться.
Главным преимуществом съемного стеллажа по новому техническому решению является его компактность, так как в съемных стеллажах нынешнего уровня техники вмещается не более 296 топливных кассет и пеналов герметичных, в то время как у стеллажа по новому техническому решению, при повышенных требованиях по безопасности и соблюдении «эффекта оптимального замедления», существенно повышена общая вместимость съемного стеллажа.
Пояснения к чертежам
Примерное исполнение предлагаемого решения описано со ссылкой на рисунки,
приведенные ниже:
Фиг. 1 - общий вид стеллажа спереди
Фиг. 2 - общий вид стеллажа сверху
Фиг. 3a - сечение абсорбционной трубы с переходником
Фиг. 3b - вид сверху исполнения абсорбционной трубы с переходником
Фиг. 4 - крупный план башмака
Примеры осуществленного технического решения
На Фиг. 1 и 2 показан пример одного выгодного исполнения всего комплекта съемного стеллажа для временного хранения отработавших топливных кассет реактора ВВЭР-440 с теплоносителем. Съемный стеллаж устанавливается на требуемое время в бассейн выдержки, причем устанавливается над стационарным стеллажом топлива. Съемный стеллаж в данном примерном исполнении состоит из трех секций.
Количество отдельных ячеек для топливных кассет с отработавшим топливом в отдельных секциях съемного стеллажа в данном примерном исполнении следующее:
Секция
I.
II.
III.
Итого
Пеналы герметичные
0
0
0
0
Топливные кассеты
142
133
112
387
Каждая секция съемного стеллажа образована верхней плитой 4, 5, 6, расположенной в верхней части съемного стеллажа, нижней опорной плитой 1, 2, 3, расположенной в нижней части съемного стеллажа и снабженной отверстиями для установки абсорбционных труб 10, см. ниже. Верхняя плита 4, 5, 6 и нижняя опорная плита 1, 2, 3 соединены распорными трубами 12, которые к ним жестко прикреплены, предпочтительно сваркой. Абсорбционные трубы 10 соединены с нижней опорной плитой 1, 2, 3 жестким соединением, которое обеспечит их вертикальное положение и при обращении со съемным стеллажом.
На фиг. 2 показан вид сверху съемного стеллажа по данному примерному исполнению. Абсорбционные трубы 10 имеют форму шестигранников и скомпонованы в форме пчелиных сот, т.е. каждая из шести стен абсорбционной трубы связана со стеной иной абсорбционной трубы, за исключением абсорбционных труб 10, расположенных по краям секции. Выгодой такой компоновки является максимальное количество установленных абсорбционных труб, а также высокая прочность всей конструкции. Каждая абсорбционная труба 10 в данном примерном исполнении образована двумя идентичными половинами в форме «корыта», изготовленными из листового металла толщиной 2 мм с содержанием бора не ниже 0,5% весовых. На фиг. 3a показана фронтальная проекция абсорбционной трубы, а на фиг. 3b показан вид сверху данной трубы, здесь видна форма равностороннего шестигранника. Из фиг. 3a видно, что в каждую абсорбционную трубу 10 в нижней части вставлен переходник 11, который жестко соединен с трубой сваркой. Переходник 11, показанный на фиг. 3b, относящийся предпочтительному исполнению, снабжен соединительной частью кругового профиля, которая вставляется в шестигранную абсорбционную трубу, и фиксирующей частью, которая, по сути, представляет собой выступ кругового профиля, образованный с целью вставления в соответствующее отверстие в нижней опорной плите 1-3. Отверстия в нижней плите 1, 2, 3 расположены под центром каждой абсорбционной трубы 10, для того, чтобы можно было выступ фиксирующей части вставить в отверстие. Наружный диаметр соединительной части переходника 11 выбран так, чтобы переходник было можно надежно вставить в нижнюю часть абсорбционной трубы 10. Как было выше указано, переходник 11 в абсорбционной трубе 10 предпочтительно закреплен сваркой, однако возможно применение и иных надежных способов закрепления. Естественно, возможно также выполнение отверстий в нижней плите 1, 2, 3 иной формы, чем круглой, фиксирующая часть может иметь и иную форму, однако круглая форма особо удобна для простоты производства.
Абсорбционная труба 10 установлена в отверстие в верхней плите 4, 5, 6, переходник 11 фиксирующей частью вставлен в соответствующее отверстие в нижней опорной плите 1, 2, 3 и зафиксирован, предпочтительно сваркой. Все абсорбционные трубы 10 каждой секции в их верхней части, т.е. над верхней плитой 4, 5, 6, соединены с помощью соединительной плиты 7, 8, 9. На соединительной плите 7, 8, 9 для наводки топливных кассет при их вставлении в абсорбционные трубы 10 применены направляющие элементы 13, выполненные в форме треугольных призм, в данном примерном исполнении закрепленные к соединительной плите 7, 8, 9 сваркой. Как уже было указано, возможен и иной способ закрепления, например, болтом и штифтами и т.д. На каждой секции съемного стеллажа к верхней плите 4, 5, 6 закреплены, выгодно с путем сварки, несущие элементы для перемещения. Для установки секции на существующие или заранее подготовленные опорные элементы в бассейне предназначены башмаки 17. На рис. 4 показан крупный план башмака 17, установленного на опорный элемент бассейна выдержки. Башмак 17 в данном примерном исполнении предпочтительно изготовлен как блок подходящей формы, изготовленный из достаточно прочного и удобного для обработки материала. Башмак 17 предпочтительно изготовлен из аустенитной стали. Перед первой установкой съемного стеллажа в бассейн выдержки отдельные башмаки 17 будут подогнаны на размер, позволяющий надежную установку съемного стеллажа на существующие опорные элементы в бассейне выдержки. В ходе первого монтажа съемного стеллажа в бассейн башмаки 17 будут закреплены болтами к съемному стеллажу. После финальной обработки на необходимые размеры данное соединение может быть зафиксировано кольцевым сварным швом.
Устойчивость нижней опорной плиты 1, 2, 3 к прогибу помогают обеспечивать ребра жесткости, приваренные на нижнюю опорную плиту 1, 2, 3. Ребра жесткости могут быть выполнены в виде сварной конструкции из фасонного материала в виде перевернутой буквы «Т», образованной в примерном исполнении, показанном на рис. 1, арматурой 14 и арматурой 15, соединенными ребром жесткости 16.
Естественно, в случае необходимости, определенное количество абсорбционных труб можно заменить ячейками для пеналов герметичных и провести частичные изменения. Однако важно осознавать, что количество пеналов герметичных не определено точно и в конкретных исполнениях съемного стеллажа может отличаться, т.е. возможно изготовить съемный стеллаж с произвольным количеством пеналов герметичных. Т.е. можно предполагать, что согласно настоящему техническому решению могут существовать съемные стеллажи, в которых может быть установлены один, два, три или более пеналов герметичных, причем соответствующим образом уменьшится количество абсорбционных труб в съемном стеллаже.
Однако это ничего не изменяет на сути настоящего технического решения, которое определяется объемом защиты, вытекающим из патентных требований по защите.
Промышленное использование
Предполагается, что предлагаемое решение будет на практике применено для временного хранения отработанных топливных кассет и пеналов герметичных для поврежденных топливных кассет атомных реакторов ВВЭР-440, под слоем воды.
Список отметок
Поз. 1-3 - нижняя опорная плита (1, 2 и 3 секция)
Поз. 4-6 - верхняя плита (1, 2 и 3 секция)
Поз. 7-9 - соединительная плита (1, 2 и 3 секция)
Поз. 10 - абсорбционная труба
Поз. 11 - переходник
Поз. 12 - распорная труба
Поз. 13 - направляющий элемент
Поз. 14 - первая арматура
Поз. 15 - вторая арматура
Поз. 16 - ребро жесткости
Поз. 17 - башмак