Амортизирующее устройство для перегрузки контейнеров с тепловыделяющими сборками реакторной установки

Полезная модель относится к области оборудования для атомной энергетики, в частности к защитным средствам, используемым для предотвращения повреждений при перегрузке контейнеров со свежими тепловыделяющими сборками (ТВС), и может быть использована, например, при подъеме контейнеров с ТВС на транспортную эстакаду.
В соответствии с требованиями МАГАТЭ и правилами безопасности при транспортировании радиоактивных материалов сертифицированные контейнеры свежего топлива способны сохранять прочность и герметичность при падении на бетонную преграду в произвольном положении с высоты до 9 метров, при этом возникающие перегрузки от соударения контейнера с преградой гарантировано не превосходят допустимое значение. В современных атомных станциях при проведении погрузочно-разгрузочных работ, связанных с загрузкой или выгрузкой контейнера с ядерным топливом в шлюз защитной железобетонной оболочки, который находится на высоте порядка 40 метров, максимально возможная высота падения контейнера, соответствующая высоте подъема краном при аварийных режимах, может превысить 40 метров. Следовательно, обрыв контейнера с траверсы подъемного крана и его падение с этой высоты на бетонную площадку под порталом подъемного крана может привести к разрушению контейнера и повреждению ТВС.
Амортизирующее устройство предназначено для повышения безопасности перегрузочных работ и обеспечения сохранности перегружаемых ТВС путем снижения ударных нагрузок на контейнеры, поднимаемые с транспортного средства к транспортному шлюзу, в случае падения контейнера на бетонную площадку под порталом подъемного крана.
Известно амортизирующее устройство, применяемое с контейнером для транспортирования и длительного хранения отработавших ТВС (ОТВС), содержащее наружный корпус с крышкой, амортизаторы, жестко закрепленные на дне горизонтально расположенного наружного корпуса, и опирающийся на амортизаторы внутренний корпус с крышкой и со средствами для крепления с наружным корпусом. (Описание к патенту на изобретение RU №2400843, опубл. 27.09.2010). Контейнер снабжен чехлом с гнездами для ОТВС, установленным во внутреннем корпусе. Крышка наружного корпуса расположена в его торце, причем ее внутренняя поверхность снабжена жестко закрепленными и равномерно расположенными амортизаторами. Амортизаторы на дне наружного корпуса расположены равномерно, 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 амортизирующего устройства, помещаемого внутри наружного относительно контейнера корпуса, является сложность его использования для предохранения контейнеров, имеющих сложное поперечное сечение, например, в виде неправильного восьмигранника. В связи с чем затруднительно обеспечить равномерное размещение демпфирующих элементов вокруг контейнера. Отсутствие равномерного распределения демпфирующих элементов приведет к низкой надежности амортизирующего устройства и в случае падения контейнера он может не обеспечить защиту экологически опасного груза от воздействия ударных нагрузок, особенно, при падении с больших высот (более 9 м).
Известно также амортизирующее устройство для перегружаемых транспортных контейнеров со свежими ТВС, которое включает корпус с крышкой, средства крепления крышки с корпусом и демпфирующие узлы с противоударными элементами, жестко закрепленными на наружных боковых поверхностях корпуса и крышки и на торцевых поверхностях корпуса и крышки (Описание к патенту №2552536, опубл. 10.06.2015 г.). Демпфирующие узлы на наружных боковых поверхностях корпуса и крышки выполнены в виде поясных элементов, образованных из соосных оси корпуса концентричных цилиндрических колец, противоударные элементы которых выполнены в виде радиально установленных пластинчатых ребер с предварительным изгибом в центральной части по линии, параллельной оси корпуса, при этом пластинчатые ребра в одном ряду между соседними цилиндрическими кольцами установлены с изгибом в одну сторону, а в соседних рядах, разделенных цилиндрическим кольцом, пластинчатые ребра смещены в шахматном порядке и установлены со встречным изгибом, а демпфирующие узлы на торцевых поверхностях корпуса и крышки образованы горизонтальными кольцевыми пластинами со ступенчато изменяющимся снизу вверх наружным диаметром, между которыми размещены радиально установленные пластинчатые ребра, выполненные с предварительным изгибом в центральной части по линии, перпендикулярной оси корпуса, при этом наружный диаметр горизонтальных кольцевых пластин, замыкающих демпфирующие узлы на торцевых поверхностях крышки и корпуса, совпадает с диаметром наружных вертикальных цилиндрических колец, формирующих демпфирующие узлы на боковой поверхности крышки и корпуса, кроме того, пластинчатые ребра в демпфирующих узлах на торцевой поверхности крышки и корпуса в одном слое между соседними горизонтальными кольцевыми пластинами установлены с изгибом в одну сторону, а в ниже и выше лежащих слоях изгиб пластинчатых ребер направлен встречно и они послойно смещены по окружности, и демпфирующие узлы, закрепленные на торцевой и боковой поверхностях крышки, выполнены с технологическими проемами для доступа к грузовым цапфам, а средства крепления крышки с корпусом выполнены в виде быстродействующего дистанционно управляемого байонетного запирающего устройства.
При падении в процессе перегрузочных операций контейнера с ТВС, помещенного в амортизирующее устройство, ударные нагрузки воспринимаются торцевыми и боковыми демпфирующими узлами последнего, при этом на демпфирующие узлы на торцевых поверхностях корпуса и крышки приходится суммарная нагрузка от контейнера с ТВС и корпуса амортизирующего устройства. Недостатком устройства является необходимость увеличения числа горизонтальных слоев в демпфирующих узлах на торцевых поверхностях корпуса и крышки для компенсации суммарной нагрузки от контейнера с ТВС и корпуса амортизирующего устройства, что увеличивает массу амортизирующего устройства и усложняет процесс его изготовления. При этом гашение ударной нагрузки на контейнер происходит опосредовано через дно корпуса или крышки амортизирующего устройства, что не исключает жесткий контакт контейнера с ТВС с дном корпуса или крышки амортизирующего устройства и может привести к повреждению контейнера и размещенных в нем ТВС.
Наиболее близким к заявляемому в качестве полезной модели амортизирующему устройству для перегружаемых транспортных контейнеров со свежим ядерным топливом является амортизирующее устройство, используемое при перегрузочных операциях транспортных чехлов с ТВС, содержащее разъемный корпус в виде цилиндрического стакана с торцовыми стенками и демпфирующие узлы с противоударными элементами, жестко закрепленные на внутренних поверхностях корпуса с разъемом по кольцевой образующей в плоскости, перпендикулярной продольной оси цилиндрического стакана (Описание к патенту №2696017, опубл. 30.07.2019 г.). Демпфирующие узлы с противоударными элементами, размещенные на внутренних поверхностях цилиндрических частей корпуса, сгруппированы в прилегающие к корпусу предохраняемого контейнера с ТВС опоясывающие полукольца, сформированные разделенными на слои противоударными элементами в виде радиально установленных пластинчатых ребер с заданной пластичностью и с ориентированным предварительным изгибом, при этом ребра в соседних слоях опоясывающих полуколец демпфирующих узлов размещены с встречным предварительным изгибом, а демпфирующие узлы на торцовых стенках верхней и нижней частей корпуса представлены послойно разделенными многорядными наборами пластинчатых ребер с заданной пластичностью и с ориентированным предварительным изгибом, установленными в соседних рядах каждого слоя с встречным предварительным изгибом, при этом диаметры демпфирующих узлов, закрепленных на торцовых стенках верхней и нижней частей корпуса соответствуют или превышают диаметры контактирующих с ними торцовых стенок предохраняемого контейнера, кроме того, корпус снабжен наружными грузовыми цапфами, а разъем корпуса выполнен с запирающими механизмами.
Недостатком известного амортизирующего устройства является пониженный уровень защищенности контейнеров с ТВС, имеющих сложное поперечное сечение, например, в виде неправильного восьмигранника, вокруг которого сложно равномерно разместить демпфирующие элементы. При падении контейнер с ТВС оказывает неравномерное воздействие на боковые демпфирующие узлы амортизирующего устройства из-за неравномерного распределения массы вдоль и поперек сечения контейнера, что затрудняет плавное гашение энергии удара, особенно, когда необходимо смягчить ударную нагрузку при падении транспортного контейнера с ТВС с большой, порядка 40 м высоты.
Задачей, решаемой заявленными в качестве полезной модели усовершенствованиями амортизирующего устройства, является обеспечение плавного гашения энергии удара при падении его с загруженным контейнером с ТВС и предотвращение повреждения контейнера и заключенных в нем ТВС.
Техническим результатом при использовании амортизирующего устройства является повышение сохранности контейнера и ТВС и повышение надежности устройства при ударных нагрузках различных направлений, благодаря плавному сопротивлению ударным нагрузкам всеми элементами амортизирующего устройства.
Поставленная задача решается тем, что в амортизирующем устройстве для перегрузки асимметричных контейнеров с тепловыделяющими сборками, содержащем разъемный по плоскости, перпендикулярной оси корпуса, корпус с крышкой, снабженные запирающим механизмом, демпфирующие узлы с противоударными пластинчатыми элементами с заданной пластичностью и с ориентированным предварительным изгибом, сгруппированными для боковых поверхностей частей корпуса разделительными кольцами в опоясывающие концентрические кольцевые элементы, а демпфирующие узлы для торцевых поверхностей корпуса - горизонтальными пластинами, разделяющими противоударные пластинчатые элементы на слои, согласно полезной модели в полости корпуса установлены направляющие узлы с функциями пластически деформируемых демпфирующих узлов, при этом демпфирующие узлы для боковых поверхностей частей корпуса установлены на их наружных поверхностях, а демпфирующие узлы для торцевых поверхностей корпуса и крышки - внутри обоих элементов, и демпфирующие узлы, размещенные внутри торцевых частей корпуса, дополнены различающимися по высоте установленными между ребрами и прикрепленными только к верхней или нижней горизонтальной пластине в демпфирующих узлах на торцевых частях корпуса пластинами с предварительным изгибом, соответствующим изгибу соседних ребер в данном слое.
Отличительными признаками амортизирующего устройства для перегрузки асимметричных контейнеров со свежими ТВС являются:
- установка в полости корпуса направляющих узлов с функциями пластически деформируемых демпфирующих узлов,
- размещение демпфирующих узлов на поверхности корпуса и крышки на их наружных поверхностях, а на торцовых поверхностях корпуса и крышки - внутри этих элементов,
- усовершенствование демпфирующих узлов на торцевых поверхностях дополнением их пластинами с предварительным изгибом, установленными между ребрами в демпфирующих узлах и соответствующих изгибу соседних ребер.
Установка в полости корпуса амортизирующего устройства направляющих узлов с функциями пластически деформируемых демпферов позволяет расширить область использования амортизирующего устройства за счет обеспечения возможности установки в корпусе контейнеров различной формы, которым, при этом, обеспечивается жесткая фиксация в полости и внутренняя амортизация при падениях.
Размещение демпфирующих узлов на боковой цилиндрической поверхности корпуса и крышки с наружной их стороны и наличие в полости корпуса направляющих узлов с функциями демпферов обеспечивает равномерность защиты корпуса амортизирующего устройства от боковых ударных нагрузок различной направленности и повышает сохранность помещенных в транспортный контейнер ТВС суммарной компенсацией ударной нагрузки боковыми демпфирующими элементами и внутренними направляющими узлами с функциями демпферов. Установка демпфирующих узлов на торцевых поверхностях корпуса и крышки амортизирующего устройства внутри обоих элементов исключает жесткий контакт контейнера с ТВС с днищем амортизирующего устройства при падениях перегружаемого амортизирующего устройства с контейнером с ТВС по вертикали или под углом, что обеспечивает плавное гашение ударной нагрузки при пластической деформации элементов демпфирующих узлов, расположенных между перегружаемым контейнером и дном или крышкой корпуса амортизирующего устройства. Усовершенствование демпфирующих узлов, размещенных на торцевых поверхностях корпуса и крышки, путем установки в них дополнительных пластин с предварительным изгибом между радиальными ребрами, разделяющими горизонтальные пластины, повышает эффективность демпфирующих узлов и обеспечивает сохранность контейнера и ТВС.
Использование в демпфирующих узлах на наружной поверхности корпуса и крышки и на внутренних торцевых стенках корпуса и крышки амортизирующего устройства в качестве противоударных элементов пластинчатых ребер с заданной пластичностью и с ориентированным предварительным изгибом и дополнение указанных демпфирующих узлов пластинчатыми элементами с соответствующим соседним ребрам изгибом и различной высотой обеспечивают определенность пластической деформации демпфирующих узлов при ударных нагрузках различного направления за счет поочередно включающихся в работу предварительно изогнутых и закрепленных послойно пластинчатых ребер, разделяющих слои элементов, и установленных между ними и различающихся по высоте дополнительных пластинчатых элементов, что усиливает способность демпфирующих узлов к плавному поглощению энергии ударных нагрузок.
Наличие ориентированного предварительного изгиба пластинчатых ребер задает протекание деформационного процесса в демпфирующих узлах в области пластических деформаций, параметры которых также являются заданными, в частности, подбором материала пластинчатых ребер и пластинчатых элементов и углом предварительного изгиба. Это способствует определенности и стабильности деформационного процесса. Благодаря размещению пластинчатых ребер и пластинчатых элементов с противонаправленным предварительным изгибом между пластинами, разделяющими на горизонтальные слои демпфирующих узлов, сформированных на торцевых стенках корпуса, повышается суммарное поглощение энергии при деформации пластинчатых ребер и пластинчатых элементов в случае падения амортизирующего устройства на торцовые стенки корпуса под углом, как наиболее опасной аварийной ситуации.
Пример выполнения заявленного амортизирующего устройства для перегрузки контейнеров со свежими ТВС поясняется эскизами.
На фиг.1 приведен эскиз амортизирующего устройства с размещенным в нем контейнером с ТВС.
На фиг.2 - приведен эскиз корпуса амортизирующего устройства в изометрии.
На фиг 3 представлен эскиз общего вида крышки,
На фиг.4 - эскиз нижней секции корпуса амортизирующего устройства.
На фиг.5 изображены демпфирующие узлы, размещенные на наружной поверхности средней секции корпуса и крышки.
На фиг.6 приведен эскиз по разрезу А-А на фиг.1 (демпфирующий узел, помещенный в нижнюю секцию или в крышку).
На фиг.7 изображен общий вид перегружаемого контейнера с ТВС.
Амортизирующее устройство для перегрузки контейнера с ТВС (фиг. 1 и фиг. 2) включает корпус, разделенный на секции: нижнюю 1, соединяемую фланцевым соединением 2 со средней основной корпусной деталью 3 резьбовыми элементами 4, и крышку 5, снабженную по разъему 6 со средней основной корпусной деталью 3 запирающим механизмом 7 с ручным или электромеханическим приводом (на чертежах не показаны).
На наружной поверхности секций 1 и 3 корпуса закреплены демпфирующие узлы 8 (фиг. 2), опоясывающие части корпуса 1 и 3 по кольцу, а на крышке 5 - демпфирующие узлы 9 (фиг.4) в виде полуколец, обеспечивающих доступ к грузовым цапфам 10, размещенным на поверхности средней корпусной детали 3. Демпфирующие узлы 8 и 9 (фиг.6) представляют собой наборы из концентричных колец 11 (или полуколец 11а - в демпфирующих узлах 9), разделенных закрепленными между ними радиальными ребрами 12, выполненными из пластичного материала с предварительным изгибом по линии, параллельной вертикальной оси корпуса. При этом радиальные ребра в соседних кольцевых рядах демпфирующих узлов 8 или 9, разделенных кольцами 11 или полукольцами 11а, установлены с встречным изгибом.
Демпфирующие узлы 13, установленные внутри полости нижней секции 1 и в полости крышки 5 (фиг 3 и фиг. 4) конструктивно аналогичны, сформированы из разделенных горизонтальными пластинами 14 и установленных послойно и по кольцевым рядам противоударных элементов в виде пластинчатых ребер 15 с ориентированным предварительным изгибом по линии 16, параллельной пластинам 14, и установленных между ребрами 15 дополнительных пластин 17, 18 и 19 с предварительным изгибом, отличающихся по высоте и прикрепленных, в нижнем демпфирующем узле - только к верхним горизонтальным пластинам 14, а в верхнем демпфирующем узле - только к нижним разделяющим горизонтальным пластинам 14. При этом пластинчатые ребра 15 и дополнительные пластины 17, 18 и 19 сгруппированы в соседних кольцевых рядах с встречным изгибом и выполнены из материала с заданным пределом текучести.
Полость части корпуса 3 (фиг.1) снабжена направляющими узлами 20, обладающими свойствами пластически деформируемых демпфирующих узлов и включающими пластинчатые вертикальные плиты 21, размеры которых определены размерами боковых граней ЧТ (фиг. 7). Плиты 21 равномерно разнесены по высоте средней части 3 корпуса и жестко соединены с внутренней поверхностью корпусной детали 3 пластинчатыми ребрами 22 с предварительным изгибом по линиям 23, параллельным вертикальной оси корпуса.
На верхнем торце средней корпусной детали 3, стыкуемой с нижним торцом крышки 5, выполнен байонетный затвор с установленным на нем запирающим механизмом с дистанционно управляемым электромеханическим или ручным приводом (на чертеже не показаны).
Установка контейнера с ТВС в корпус амортизирующего устройства осуществляется с ориентированием по направляющим узлам 20, после чего он закрывается крышкой 5, и стык корпусной детали 3 и крышки 5 запирается байонетным затвором с помощью дистанционно управляемого механизма запирания.
При падении амортизирующего устройства с помещенным в него перегружаемым контейнером с ТВС горизонтально (с горизонтальным расположением продольной оси), амортизация осуществляется в основном за счет пластического деформирования ребер 12 в наружных демпфирующих узлах 8 и 9, разделяющих их кольцевых или полукольцевых элементов 11 и 11а, пластинчатых ребер 22 внутренних направляющих узлов 20 и пластинчатых ребер 15 в верхнем и нижнем демпфирующих узлах с установленными в них различающимися по высоте дополнительными пластинами 17, 18 и 19.
При вертикальном падении амортизирующего устройства на жесткое основание происходит сжатие верхнего или нижнего демпфирующих узлов, при этом сначала начинают пластически изгибаться приваренные к нижней и верхней горизонтальным пластинам 14 вертикальные ребра 15 по предварительно заданному изгибу по линиям 16, а затем в этот процесс включаются дополнительные различающиеся по высоте пластины 17,18 и 19, меньшей высоты, чем ребра 15, обеспечивая тем самым относительную равномерность энергопоглощения в ходе деформирования (осадки) демпфирующего узла. Наличие предварительного изгиба ребер 15 и установленных между ними дополнительных пластин 17, 18 и 19 способствует определенности и стабильности деформационного процесса.
При падении амортизатора на жесткое основание под углом (нижним или верхним демпфирующими узлами 8 или 9) начинают пластически изгибаться вертикальные ребра 12 с кольцевыми элементами 11 или полукольцевыми элементами 11а и пластинчатые ребра 22 в направляющих узлах 20. Наличие предварительного изгиба ребер 12 в демпфирующих узлах на наружной поверхности и ребер 22 в направляющих узлах внутри корпуса способствует определенности и стабильности деформационного процесса. Наличие жестких кольцевых элементов 11 и 11а в боковых демпфирующих узлах 8 и 9, разделяющих деформируемые ребра 12 на слои, обеспечивает включение в работу большего количества ребер в начальный момент времени.
При этом использование амортизирующего устройства с размещением демпфирующих узлов на торцевых поверхностях корпуса и крышки внутри обоих элементов исключает жесткий контакт контейнера с ТВС с днищем амортизирующего устройства при падениях перегружаемого амортизирующего устройства с контейнером с ТВС по вертикали или под углом и обеспечивает плавное гашение ударной нагрузки при пластической деформации элементов демпфирующих узлов, расположенных между перегружаемым контейнером и днищем или крышкой корпуса амортизирующего устройства. Усовершенствование демпфирующих узлов, размещенных в полости нижней секции корпуса и в полости крышки, путем установки в них дополнительных пластин с предварительным изгибом между радиальными ребрами, разделяющими горизонтальные пластины, повышает эффективность демпфирующих узлов и обеспечивает сохранность контейнера и ТВС.
Размещение демпфирующих узлов на боковой цилиндрической поверхности корпуса и крышки с наружной их стороны и наличие в полости корпуса направляющих узлов с функциями демпферов обеспечивает равномерность защиты корпуса амортизирующего устройства от боковых ударных нагрузок различной направленности и повышает сохранность помещенных в транспортный контейнер ТВС суммарной компенсацией ударной нагрузки боковыми демпфирующими элементами и внутренними направляющими узлами с функциями демпферов.