ХРАНИЛИЩЕ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
SPENT NUCLEAR FUEL STORAGE

Изобретение относится к атомной энергетике и предназначено для сухого хранения отработавшего ядерного топлива реакторов РБМК-1000 и ВВЭР-1000.
Хранение отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) является существенной частью любого ядерного топливного цикла. Это может быть временное хранение до переработки отработавшего ядерного топлива, либо достаточно длительное хранение до захоронения топлива в могильниках. Суммарные объемы отработавшего топлива, подлежащего хранению, непрерывно возрастают из-за значительно меньших производственных возможностей перерабатывающих заводов.
Основу ядерно-энергетического парка России составляют реакторы ВВЭР-1000 и РБМК-1000. Для реакторов типов ВВЭР и РБМК-1000 принята концепция замкнутого ядерного топливного цикла. Переработка ОЯТ реакторов ВВЭР-1000 и РБМК-1000 пока не проводится, и его хранение в безопасных условиях в течение длительного времени становится актуальной задачей, учитывая практически полное исчерпание вместимости приреакторных бассейнов хранения ОЯТ.
Известно хранилище отработанного ядерного топлива (патент №2273067, МПК G21F 9/34), содержащее вертикальную скважину с перемычкой в верхней части скважины, размещенные в в скважине контейнеры (гнезда) с пеналами с отработавшим ядерным топливом и систему вентиляции скважины. Контейнеры выполнены в виде цилиндров с перфорированными участками в нижней части и установлены вертикально на забой скважины. Пеналы с отработавшим ядерным топливом расположены в контейнерах один над другим. При этом в скважине установлен, по меньшей мере, один свободный контейнер, а перемычка в верхней части скважины установлена ниже верхних торцов контейнеров. Контейнеры с пеналами с отработавшим ядерным топливом расположены по периметру скважины, а свободный контейнер установлен между ними в центре скважины.
В известном хранилище пеналы загружаются в контейнеры (гнезда) один на другой в виде гирлянды и удерживаются в контейнерах на заданной высоте с помощью проставок, а по центру с помощью центраторов. Выделяемое при хранении ОЯТ тепло отводится в атмосферу естественным проветриванием. Холодный воздух через перфорированные участки контейнеров попадает во внутреннее пространство контейнеров и, нагреваясь, поднимается вверх и выводится в атмосферу. При необходимости извлечения нижнего пенала верхние пеналы с ОЯТ перегружаются в свободный контейнер без извлечения на поверхность, а нижний пенал извлекается для ремонта или на переработку.
Известное хранилище выбрано заявителем в качестве прототипа.
К недостаткам известного хранилища относится то, что атмосферный воздух будет опускаться по скважине в пространстве между контейнерами с малой скоростью вследствие значительного сечения пространства между контейнерами. Исходя из этого воздух в перфорированные участки контейнеров будет поступать уже предварительно подогретым от стенок контейнеров, что приведет к уменьшению его плотности и, соответственно, к снижению естественной тяги, создающейся за счет разности плотностей воздуха в нижней и верхней частях скважины.
В результате, особенно в летний период, снижение естественной тяги может привести к повышению температуры пеналов с ОЯТ.
Наличие перфорированных участков в нижней части гнезд не позволяет использовать гнезда в качестве дополнительного барьера безопасности.
В случае падения пенала в контейнер глубиной 40-50 м неизбежно произойдет разрушение пенала и попадание ОЯТ в контейнер, что приведет к радиоактивному загрязнению как контейнера, так и скважины в целом. Кроме того, извлечение из контейнера разрушенного пенала, упавшего с такой высоты, будет практически невозможно.
Транспортирование, загрузка и выгрузка пеналов с ОЯТ из контейнеров должна осуществляться дистанционно специальным загрузочным устройством, обеспечивающим автоматическое зацепление и расцепление пеналов захватами и радиационную защиту при проведении этих операций. Исходя из этого строительство скважин глубиной 40-50 м и обеспечение каждой скважины сложными загрузочными устройствами потребует больших материальных затрат.
Задачей изобретения является повышение безопасности в процессе загрузки пеналов с ОЯТ в гнезда при длительном хранении и при последующей выдаче ОЯТ на переработку.
Технический результат, получаемый при внедрении изобретения, заключается в создании дополнительного барьера безопасности за счет выполнения герметичного гнезда, возможности контроля, как его герметичности, так и герметичности пеналов с ОЯТ в процессе хранения и повышении естественной тяги в хранилище.
Указанный технический результат достигается тем, что в хранилище отработавшего ядерного топлива, включающем установленные вертикально контейнеры (гнезда), выполненные в виде цилиндров, пеналы с отработавшим ядерным топливом, расположенные в гнездах один над другим, и систему вентиляции, хранилище снабжено камерой с монолитными железобетонными защитными стенами, в которой гнезда установлены между ее верхним и нижним перекрытиями. Гнезда снабжены защитными пробками, устанавливаемыми в гнезда на сварке после загрузки двух пеналов и снабженными пробоотборными трубками, соединяющими через запорный клапан внутреннюю полость гнезда с обслуживаемой зоной. Камера хранения снабжена оборудованием, обеспечивающим дистанционную загрузку пеналов с отработавшим ядерным топливом в гнезда хранения и установку в них защитных пробок. Система вентиляции включает в себя установленные в нижнем перекрытии камеры закладные трубы, соединяющие камеру с подкамерным пространством, соединенным, в свою очередь, посредством приточных каналов с воздухозаборными устройствами, а верхняя часть камеры соединена вытяжными каналами, выполненными внутри стен камеры, с выхлопными трубами, расположенными на крыше камеры.
В частном случае исполнения гнезда проходят через закладные, установленные в верхнем перекрытии, и опираются в подпятники, установленные на нижнем перекрытии камеры хранения.
В другом частном случае исполнения к камере хранения примыкает камера комплектации пеналов, камеры соединены между собой системой проемов с шиберами и рельсовым путем с установленной на нем передаточной машиной пеналов.
Снабжение хранилища камерой с монолитными железобетонными защитными стенами, в которой гнезда установлены между ее верхним и нижним перекрытиями, позволяет осуществить строительство на поверхности и монтаж гнезд между перекрытиями с помощью строительных кранов до возведения над камерой крыши и, тем самым, уменьшить высоту хранилища и сократить затраты на его строительство.
Снабжение гнезд защитными пробками, устанавливаемыми после загрузки двух пеналов в гнезда и присоединяемыми к гнездам на сварке, позволяет получить герметичную внутреннюю полость гнезда и, тем самым, создать дополнительный барьер безопасности. Кроме того, загрузка в гнездо двух пеналов позволяет установить их один на другой и, при снабжении пеналов амортизаторами, обеспечить сохранение их герметичности и возможность извлечения из гнезда в случае падения в гнездо. В результате обеспечивается безопасность загрузки пеналов в гнезда, их длительное хранение и последующая выдача пеналов с ОЯТ на переработку.
Снабжение защитных пробок пробоотборными трубками, соединяющими через запорный клапан внутреннюю полость гнезда с обслуживаемой зоной, позволяет осуществлять контроль герметичности гнезда и пенала с ОЯТ в процессе хранения.
После установки пеналов в гнездо и приварки к нему пробки через пробоотборную трубку из внутренней полости гнезд с установленными в них пеналами в несколько приемов откачивается воздух и подается азот до получения во внутренней полости гнезд газовой среды с содержанием в ней кислорода не более 0,4% и давлением 0,06-0,07 МПа. Это позволяет в процессе длительного хранения периодически осуществлять контроль герметичности системы «пеналы - гнездо» путем измерения давления в полости гнезда хранения. При давлении ниже 0,09 МПа гнездо и пенал герметичны. При давлении выше 0,09 МПа герметичность системы «пеналы - корпус» нарушена. Идентификация негерметичного элемента системы осуществляется замером содержания кислорода в газовой среде гнезда. В случае если содержание кислорода в полости гнезда достигло 6-7%, нарушена герметичность гнезда и в него поступает воздух из камеры.
В случае если содержание кислорода в гнезде осталось на прежнем уровне, а давление газовой среды превышает 0,09 МПа, это сигнализирует о потере герметичности пенала, вследствие попадания газа из пенала, находящегося под избыточным давлением.
Осуществляемые в этих случаях либо перегрузка пеналов из негерметичного гнезда, либо перегрузка ОТВС из негерметичных пеналов позволяют повысить безопасность хранения ОЯТ в предлагаемом хранилище.
Снабжение камеры хранения оборудованием, обеспечивающим дистанционную загрузку пеналов с ОЯТ в гнезда камеры хранения и установку в них защитных пробок, в частности перегрузочной машиной пеналов, позволяет повысить безопасность в процессе загрузки пеналов с ОЯТ в гнезда камеры хранения, длительного хранения и последующей выдачи ОЯТ на переработку.
Включение в систему вентиляции установленных в нижнем перекрытии камеры закладных труб, соединяющих камеру с подкамерным пространством, соединенным, в свою очередь, посредством приточных каналов с воздухозаборными устройствами, позволяющее подать свежий атмосферный воздух непосредственно в нижнюю часть камеры, и соединение верхней части камеры вытяжными каналами, выполненными внутри стен камеры, позволяющее сохранить плотность нагретого воздуха в вытяжных каналах, позволяет увеличить естественную тягу, создаваемую за счет разности плотностей подаваемого в нижнюю часть камеры атмосферного воздуха и нагретого воздуха в верхней части камеры.
Расположение выхлопных труб на крыше камеры также способствует увеличению естественной тяги за счет использования высоты камеры. Прохождение гнезд через закладные, установленные в верхнем перекрытии, и их опирание в подпятники, установленные на нижнем перекрытии камеры хранения соосно с закладными, позволяет установить гнезда вертикально и, при температурном удлинении гнезд, позволить им перемещаться в вертикальном направлении внутри закладных.
Примыкание к камере хранения камеры комплектации пеналов, соединенных между собой системой проемов с шиберами и рельсовыми путями с установленными на них передаточной машиной пеналов, позволяет, в случае доставки ОТВС (загруженных в ампулы пучков твэлов реактора РБМК-1000 или ОТВС реактора ВВЭР-1000) в предлагаемое хранилище не загруженными в пеналы, осуществить в камере комплектации пеналов загрузку ОТВС в пеналы и передать загруженные пеналы с помощью передаточной машины пеналов в предлагаемое хранилище.
Предлагаемое хранилище иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3.
На фиг. 1 изображено предлагаемое хранилище в разрезе;
на фиг. 2 - гнездо хранения, загруженное пеналами и закрытое защитной пробкой;
на фиг. 3 - схема передачи загруженных пеналов из камеры комплектации пеналов в камеру хранения.
Хранилище содержит (см. фиг. 1) камеру хранения 1 с монолитными железобетонными стенами 2 и верхним 3 и нижним 4 перекрытиями, между которыми смонтированы гнезда 5 хранения пеналов 6. Гнезда 5 установлены в камере 1 по рядам с шагом 1×1 м.
Для охлаждения гнезд 5 и загруженных в них пеналов 6 хранилище снабжено естественной системой вентиляции. Система вентиляции содержит установленные в нижнем перекрытии 4 камеры 1 закладные трубы 7, соединяющие камеру 1 с подкамерным пространством 8, соединенным, в свою очередь, посредством приточных каналов 9 с воздухозаборными устройствами 10, а верхняя часть 11 камеры 1 соединена вытяжными каналами 12, выполненными внутри монолитных стен, с выхлопными трубами 13, расположенными на крыше 14 камеры 1.
В верхнем перекрытии 3 (см. фиг. 2) установлены закладные 15, а соосно с ними на нижнем перекрытии 4 закреплены подпятники 16, снабженные направляющими ребрами 17. В подпятниках 16 вертикально установлены цилиндрические гнезда 5, проходящие через закладные 15 верхнего перекрытия 3. Гнездо 5 состоит из корпуса 18 и защитной пробки 19. Корпус 18 состоит из ступенчатого оголовка 20, трубы 21 и донышка 22, соединенных между собой на сварке. Внутри трубы 21 установлены на сварке в три яруса направляющие ребра 23. Защитная пробка 19 устанавливается в корпус 18 и присоединяется к нему на сварке после установки в него друг на друга двух пеналов 6. Защитная пробка 19 снабжена пробоотборной трубкой 24 с запорным клапаном 25.
В камере 1 устанавливается (см. фиг. 1) на подкрановых путях 26 перегрузочная машина 27, обеспечивающая дистанционную загрузку пеналов 6 с ОЯТ в корпуса 18 гнезд 5 и последующую установку в них защитных пробок 19.
В случае доставки в предлагаемое хранилище ОТВС (загруженных в ампулы пучков твэлов реактора РБМК-1000 или ОТВС реактора ВВЭР-1000) не загруженными в пеналы 6 загрузка ОТВС в них осуществляется в камере 28 комплектации пеналов 6 (ККП), примыкающей к камере 1.
ККП 28 (см. фиг. 3) соединена с камерой 1 проемами 29 и 30, перекрываемыми шиберами 31 и 32 соответственно, а также рельсовым путем 33 с установленной на нем передаточной машиной 34 пеналов 6. ККП 28 снабжена оборудованием (на чертежах не показанным), обеспечивающим загрузку ОТВС в пеналы 6, герметизацию пеналов 6 сваркой и их заполнение азотно-гелиевой смесью под избыточным давлением, а также манипулятором 35, служащим для загрузки пеналов с ОЯТ в передаточную машину 34.
Предлагаемое хранилище эксплуатируется следующим образом.
Загруженные ОЯТ пеналы 6 через проем 29 с открытым шибером 31 опускают из ККП 28 манипулятором 35 в передаточную машину 34, которая по рельсовому пути перемещается под проем 30. Через проем 30 два загруженных ОЯТ пенала 6 последовательно втягиваются в гнезда поворотного магазина (на чертежах не показан) перегрузочной машины 27. После загрузки пеналов 6 перегрузочная машина 27 устанавливается над гнездом 5 камеры 1. Перегрузочной машиной 27 из гнезда 5 извлекается защитная пробка 19 и размещается в третьем гнезде поворотного магазина. В гнездо 5 последовательно один на другой опускаются два пенала 6 и защитная пробка 19. После установки в гнездо 5 защитной пробки 19 над гнездом 5 создаются безопасные условия работы персонала, которым осуществляется герметизация гнезда 5 сваркой кромок защитной пробки 19 и корпуса 18, после чего через пробоотборную трубку 24 и запорный клапан 25 из внутренней полости гнезда 5 в несколько приемов откачивается воздух и подается азот до получения в ней газовой среды с содержанием кислорода не более 0,4% и давлением 0,06-0,07 МПа. Отведение тепла осуществляется естественной системой вентиляции. Атмосферный воздух через воздухозаборные устройства 10 и приточные каналы 9 поступает в подкамерное пространство 8, из которого по закладным трубам 7 нижнего перекрытия 4 попадает в камеру 1. Нагретый стенками гнезд 5 воздух поднимается в верхнюю часть 11 камеры 1 и по вытяжным каналам 12 через выхлопные трубы 13 сбрасывается в атмосферу.
В процессе длительного хранения периодически осуществляется контроль герметичности системы «пеналы - гнездо» путем измерения давления в полости гнезда 5 через пробоотборную трубку 24 и открытый запорный клапан 25. При давлении ниже 0,09 МПа гнездо 5 и пенал 6 герметичны. При давлении выше 0,09 МПа герметичность системы «пеналы - корпус» нарушена. Идентификация негерметичного элемента системы осуществляется замером содержания кислорода в газовой среде гнезда 5. В случае если содержание кислорода в полости гнезда 5 достигло 6-7%, нарушена герметичность гнезда.
В случае если содержание кислорода в гнезде 5 осталось на прежнем уровне, а давление газовой среды превышает 0,09 МПа, это сигнализирует о потере герметичности пенала 6 вследствие поступления газа из пенала 6, находящегося под избыточным давлением.
В этих случаях осуществляется либо перегрузка пеналов 6 из негерметичного гнезда 5, либо перегрузка ОТВС из негерметичных пеналов 6 в герметичные, что позволяет повысить безопасность хранения ОЯТ в предлагаемом хранилище.