ТРАНСПОРТНО-УПАКОВОЧНЫЙ КОМПЛЕКТ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
TRANSPORT-PACKING KIT FOR TRANSPORTATION AND STORAGE OF SPENT NUCLEAR FUEL

Изобретение относится к передвижным защитным контейнерам типа «С» и предназначено для хранения и транспортирования отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) атомных электростанций (АЭС) всеми видами транспорта, включая воздушный.
Известны транспортно-упаковочные комплекты (ТУК) для транспортировки и хранения отработанного ядерного топлива (ОЯТ). В соответствии с нормами радиационной безопасности и рекомендациями МАГАТЭ подобные ТУК должны обеспечивать высокие радиационно-защитные и прочностные свойства, в том числе при аварийных ситуациях, возможных в процессе транспортировки и хранения ОЯТ, особенно воздушным транспортом. В соответствии с правилами TS-R-1 и НП-053-04, требования к упаковкам типа «С» более жесткие по сравнению с упаковками других классов. Самым серьезным испытанием является соударение с жесткой преградой на скорости 90 м/с.
Известен контейнер для транспортировки радиоактивного материала по патенту SU 1144632 A (G21F 5/00, 1985). Известный контейнер содержит съемные противоударные демпферы, установленные на торцах контейнера. Противоударный демпфер состоит в основном из толстостенной наружной чашки, тонкостенной внутренней чашки, кольцевого фланца и нескольких толстостенных труб. Чашки выполнены выпуклыми наружу и являются стенками герметически закрытой полости. В полости противоударного демпфера помещена в качестве поглощающего энергию материала бальзовая древесина, волокна которой расположены параллельно оси контейнера. В варианте выполнения боковая поверхность противоударного демпфера имеет тороидальную форму. Обе чашки приварены снаружи к кольцевому фланцу, который служит для центрирования противоударного демпфера при его насаживании. Кольцевой фланец закреплен на цилиндрическом контейнере с помощью болтов. Проходящие через демпфер толстостенные трубы приварены к наружной чашке и к кольцевому фланцу. Через трубы можно вдвинуть болты, с помощью которых кольцевой фланец закрепляется на контейнере. Цилиндрическая часть контейнера окружена водяной оболочкой, которая служит для экранирования активной зоны топливных элементов. Вода служит в качестве экрана для защиты от быстрых нейтронов. Наружный кожух водяной оболочки снабжен выполненными по периметру кольцевыми ребрами охлаждения из стали, предназначенными для передачи тепла. Наружный кожух закрыт на нижнем и верхнем концах выполненными по периметру толстыми кольцевыми стальными ребрами, служащими для амортизации ударов. В случае падения транспортного контейнера в осевом направлении вниз кинетическую энергию в момент удара поглощают: выпуклая наружу наружная чашка, которая является в осевом направлении относительно мягкой и податливой; набивка из бальзовой древесины, волокна которой направлены параллельно оси контейнера; проходящие через демпфер толстостенные трубы. В случае удара боковой стенки транспортного контейнера кинетическую энергию поглощает выполненная в виде тора часть наружной чашки, а также массивные концевые ребра, закрывающие наружный кожух контейнера. Поглощение кинетической энергии бальзовой древесиной в этом случае отсутствует ввиду ориентации ее волокон. В случае удара кромки транспортного контейнера имеет место комбинация обоих указанных выше случаев поглощения энергии.
К недостаткам известного устройства можно отнести низкую защищенность его боковой поверхности от ударных нагрузок при падении, что не исключает возможность разгерметизации наружного кожуха водяной оболочки в случае возникновения аварийной ситуации.
Известен контейнер для транспортирования и длительного хранения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) АЭС (п. РФ №2148864, G21F 5/008, опубл. 18.05.1998), содержащий наружный корпус с крышкой, амортизаторы, внутренний корпус с крышкой и со средствами для крепления с наружным корпусом, опирающийся на амортизаторы, жестко закрепленные на дне горизонтально расположенного наружного корпуса, снабжен чехлом с гнездами для ОТВС, установленный во внутреннем корпусе, крышка наружного корпуса расположена в его торце, причем ее внутренняя поверхность снабжена жестко закрепленными и равномерно расположенными амортизаторами, при этом на дне наружного корпуса амортизаторы расположены равномерно, а каждый амортизатор набран из стаканов, выполненных в виде полых металлических цилиндров разного диаметра, установленных друг в друге с зазорами в направлении приложения нагрузки и жестко связанных между собой в месте сопряжения.
Недостатком данного контейнера является то, что он не предназначен для транспортирования воздушным транспортом. Из-за отсутствия демпфирующих устройств наружного корпуса и соответствующих демпфирующих устройств внутреннего корпуса в аварийных условиях перевозки возникают большие динамические ударные нагрузки, которые приведут к разрушению контейнера и ОТВС.
В качестве прототипа выбран транспортно-упаковочный комплект для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива, включающий контейнер, на торцах которого установлены съемные противоударные демпферы, которые соединены между собой с помощью стяжек, расположенных вокруг корпуса контейнера вдоль продольной оси последнего. Съемные противоударные демпферы выполнены каждый в виде набора, состоящего по меньшей мере из двух плоских колец, установленных перед торцом контейнера, и по меньшей мере двух плоских колец, охватывающих боковую поверхность корпуса контейнера. Все кольца в наборе установлены соосно и жестко соединены посредством продольных труб, пропущенных через сквозные отверстия в кольцах. Упомянутые отверстия выполнены по меньшей мере в два ряда таким образом, что их центры равномерно распределены по концентричным окружностям. При этом трубы, пропущенные через отверстия по меньшей мере одного ряда, взаимодействуют с торцом контейнера. Съемный противоударный демпфер в качестве труб содержит трубы из нержавеющей пластически деформируемой стали.
Известный контейнер содержит торцовые съемные противоударные демпферы, которые являются поглотителями энергии, но в момент удара при аварийной ситуации воздушного транспорта являются недостаточными. Не исключено раскрытие стыков соединения корпуса контейнера и крышки, что повлечет за собой выход ОЯТ наружу.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в снижении динамических ударных нагрузок на контейнер независимо от направления воздействия при аварийных ситуациях, возможных в процессе транспортировки и хранения ОЯТ, особенно воздушным транспортом. Кроме того, стоит задача транспортирования как можно большей массы перевозимого груза, например не менее 2000 кг, самолетом типа АН-124.
Технический результат достигается тем, что в транспортно-упаковочном комплекте для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива, включающем контейнер, на торцах которого установлены съемные противоударные демпферы, каждый выполнен в виде набора, состоящего по меньшей мере из двух колец, установленных перед торцом контейнера, согласно изобретению кольца соединены между собой концентричными цилиндрами, контейнер представляет собой двухкорпусную конструкцию, в которой каждый из корпусов выполнен в виде стакана с герметично установленной крышкой, при этом крышка внутреннего корпуса обращена к днищу внешнего корпуса, имеющего торцовые кольца, на которых установлен боковой демпфер, представляющий собой цилиндр с продольными ребрами, на торцах которых симметрично закреплены цилиндрические обечайки, выходящие за их пределы, частично охватывающие боковую поверхность торцевых съемных противоударных демпферов и снабженные дисками, соединенными между собой продольными ребрами, на каждом боковом демпфере закреплен второй торцовый съемный противоударный демпфер, охватывающий первый и представляющий собой коаксиально расположенные цилиндры, соединенные между собой кольцами. Диски могут быть выполнены разнотолщинными и перфорированными. Все демпферы выполнены из титанового сплава. Контейнер выполнен из нержавеющей стали.
Роль динамической защиты состоит в гашении основной части энергии транспортного контейнера при ударе о преграду, при этом транспортный контейнер сохраняет герметичность. Динамическая защита в предложенной конструкции выполнена в виде дополнительных боковых и торцевых демпферов особой конструкции, выполненных предпочтительно из титанового сплава, что позволяет значительно погасить действие динамических ударных нагрузок на контейнер независимо от направления воздействия при аварийных ситуациях. Кроме того, двухконтурное исполнение контейнера исключает его разгерметизацию даже при возможном раскрытии стыка одного из контуров.
На фиг. 1 схематично показан транспортно-упаковочный комплект для транспортировки и хранения ОЯТ, на фиг. 2 - то же, вид А на фиг. 1 (показано соединение с контейнером бокового демпфера и цилиндрической обечайки с дисками посредством торцовых колец); на фиг. 3 - то же, вид Б на фиг. 1 (показано соединение внутреннего корпуса с крышкой).
ТУК выполнен в виде контейнера 1 двухкорпусной конструкции, состоящей из наружного корпуса 2 и внутреннего корпуса 3. Корпус 2 имеет оребренный по наружной поверхности цилиндрической поверхности стакан 4 (см. фиг. 2), закрытый герметично крышкой 5. Герметизация обеспечивается с помощью двух уплотнительных элементов 6 и 7. Оребрение стакана 4, являющееся боковым демпфером, состоит из обечайки 8, торцового кольца 9 и продольных ребер 10. На ребра 10 надеты и закреплены сваркой обечайки 11 с кольцом 12. Корпус 3 выполнен в виде стакана 13, закрытого герметично крышкой 14 (см. фиг. 2 и 3). Герметизация обеспечивается с помощью уплотнительных элементов 15 и 16. Корпус 3 установлен внутри корпуса 2 с опорой своим днищем на крышку 5.
Материал стаканов 4 и 13, крышек 5 и 14 - нержавеющая сталь. Материал обечаек 8 и 11, ребер 10 и колец 9 и 12 - титановый сплав.
На торцах контейнера установлены съемные противоударные демпферы 17 и 18, которые выполнены из титанового сплава и состоят из коаксиально расположенных цилиндров, соединенных между собой кольцами. Демпферы крепятся с помощью болтового соединения к торцевому кольцу 9 (см. фиг. 1 и 2).
На контейнер 1 установлены демпферы боковые 19 и демпферы торцовые 20. Демпфер 19 выполнен из титанового сплава и состоит из цилиндрической обечайки 21, на наружной поверхности которой установлены разнотолщинные перфорированные диски 22, соединенные между собой ребрами 23. Демпфер 19 крепится к кольцу 12 с помощью болтового соединения (см. фиг. 2).
Демпфер 20 выполнен из титанового сплава и состоит из коаксиально расположенных цилиндров 24, соединенных между собой кольцами 25. Демпфер 20 крепится с помощью болтового соединения к демпферу боковому 19.
Использование транспортно-упаковочного комплекта в промышленности осуществляется следующим образом.
Отработавшее ядерное топливо (ОТВС) сначала загружают в дистанционирующую решетку (на фиг. 1 не показано), которую затем устанавливают в стакан 13 внутреннего корпуса 3, закрывают стакан 13 герметизирующей крышкой 14. При необходимости, производится осушение внутренней полости корпуса 3 и заполнение его инертным газом с помощью предусмотренных клапанных устройств (на фиг. не показано). Далее корпус 3 устанавливают днищем на герметизирующую крышку 5 корпуса 2. Надевают на корпус 3 цилиндр 4 корпуса 2 и закрепляют цилиндр 4 на герметизирующей крышке 5 с помощью болтового соединения. На имеющиеся фланцы корпуса 2 болтовым соединением устанавливают торцевое кольцо 9, при помощи которого контейнер 1 оснащают боковым демпфером. На торцах контейнера 1 устанавливают съемные противоударные демпферы 17 и 18, затем последовательно устанавливают демпферы 19 и 20. При этом последние устанавливают непосредственно перед загрузкой в авиационное транспортное средство.
Противоударные демпферы обеспечивают снижение перегрузок, действующих на контейнер 1, до допустимого уровня во всех возможных аварийных ситуациях, регламентированных нормативными документами РФ и МАГАТЭ, при любых, в том числе и наиболее неблагоприятных углах падения ТУК (например, падение на угол ТУК).
В случае аварийного падения ТУК с ОЯТ на боковую поверхность происходит поэтапное гашение энергии за счет последовательного разрушения демпфера 19 и продольных ребер 10. При падении ТУК с ОЯТ на торцевую поверхность происходит продольная волнообразная деформация взаимодействующих с торцом контейнера колец сначала демпферов 20, а затем демпферов 18, сопряженных с плоскими кольцами, с величиной ускорения торможения, не превышающей допускаемую продольную перегрузку для контейнера, при которой он сохраняет герметичность.
После транспортировки ТУК в региональное хранилище освобождение контейнера 1 от съемных противоударных демпферов 2 производится в обратной последовательности. Затем съемные противоударные демпферы возвращают на АЭС для транспортировки последующего контейнера с ОЯТ, а доставленный в региональное хранилище контейнер с ОЯТ устанавливают в месте хранения.
Проведенные прочностные расчеты данной конструкции ТУК показали, что при всех возможных вариантах соударения контейнера с жесткой преградой при скорости 90 м/с он сохраняет герметичность внутренней полости, в которой размещается ОЯТ.