Контейнер для транспортировки и/или хранения отработавших тепловыделяющих сборок
CONTAINER FOR TRANSPORTATION AND / OR STORAGE OF SPENT FUEL ASSEMBLIES

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к защитным транспортным контейнерам, и может быть применено в транспортных упаковочных комплектах для размещения при транспортировании и/или хранении отработавших тепловыделяющих сборок.
эфф
эфф
Защитный транспортный контейнер состоит из корпуса и чехла, размещенного внутри корпуса. Для безопасного транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок в соответствии с требованиями ядерной безопасности конструкция чехла должна обеспечивать подкритичность, т.е. снижение эффективного коэффициента размножения нейтронов (К) до К<0,95, и при этом достаточно эффективно отводить тепло от отработавших тепловыделяющих сборок к корпусу контейнера. Нейтронная и радиационная защита обычно конструктивно встроена в корпус контейнера. Как правило, корпус контейнера состоит из внутренней и внешней оболочек, между которыми размещен нейтронно-защитный материал для защиты окружающей среды и обслуживающего персонала от радиоактивного излучения, а также теплоотводящие элементы для предотвращения перегрева содержимого контейнера.
Известен контейнер для транспортирования и длительного хранения отработавших тепловыделяющих сборок атомных электростанций, содержащий наружный корпус с крышкой, внутренний корпус с крышкой, размещенный во внутреннем корпусе чехол с гнездами для отработавших тепловыделяющих сборок и амортизаторы. В наружном корпусе вдоль его продольной оси выполнены каналы, которые заполнены нейтронопоглощающим водородосодержащим материалом (патент RU №123207).
Недостатком указанного контейнера является сложность выполнения в наружном корпусе контейнера каналов для нейтронопоглощающего водородосодержащего материала, что обусловлено необходимостью размещения в корпусе нейтронной защиты.
Известен контейнер для хранения и транспортировки радиоактивных материалов (патент ЕР 2048671 А2). Контейнер содержит внутреннюю и внешние оболочки, между которыми находятся кольцевые экранирующие слои защиты соответственно от γ-излучения и от нейтронов. Слой защиты от γ-излучения располагается на внутренней стороне периметра слоя нейтронной защиты. Внутренняя и внешняя оболочки изготавливаются из углеродистой или нержавеющей стали. Между внутренней и внешней оболочками с заданным интервалом равномерно по окружности располагается множество рядов теплопроводящих ребер, которые обеспечивают теплоотвод из внутренней полости контейнера. Теплопроводящие ребра имеют L-образный профиль. При этом длинная сторона теплопроводящих ребер расположена радиально и приварена к внутренней оболочке, а короткая боковая часть теплопроводящих ребер упирается во внешнюю оболочку с некоторым усилием. Слой защиты от γ-излучения составлен из труднодеформируемых блоков, сформированных из свинца или свинцового сплава, помещенного в трубчатый элемент, который имеет более высокую упругость по сравнению с блоком, сформированным из свинца или свинцового сплава. Трубчатый элемент имеет более высокую теплопроводность, чем упомянутые труднодеформируемые блоки, и изготавливается из алюминия или алюминиевого сплава, меди или медного сплава. На контактную поверхность между слоем защиты от γ-излучения и внутренней оболочкой нанесен слой геля на основе оксида кремния или силиконового материала. Слой нейтронной защиты выполнен из органического материала, включающего в себя водород, и составлен из множества блоков. Каждый блок нейтронной защиты частично покрыт (перекрыт) смежными теплопроводящими L-образными ребрами, имеющими более высокую упругость по сравнению с упругостью блока нейтронной защиты. Упомянутые L-образные ребра имеют более высокую теплопроводность, чем блоки нейтронной защиты, и изготавливаются из алюминия или алюминиевого сплава, меди или медного сплава.
Однако известный контейнер предполагает высокую трудоемкость изготовления и, следовательно, высокую стоимость. Кроме того, конструкция контейнера не исключает возможности «прямого прострела» нейтронов вдоль радиально установленных теплопроводящих ребер.
Известна конструкция контейнера для хранения радиоактивных материалов (патент JP 2008082906) состоящего из двух соосных внутреннего и внешнего цилиндров, которые соединены между собой перемычками, выполняющими роль теплоотводящих элементов, образуемые при этом пространства заполнены нейтронно-поглощающим материалом. Перемычки к цилиндрам крепятся посредством сварного соединения.
Недостатком известной конструкции контейнера является необходимость применения сварочной операции для соединения перемычек, что обусловлено конструкцией корпуса контейнера. Кроме того, возможно попадание быстрых нейтронов в окружающую среду через теплоотводящие элементы, соединяющие внешнюю и внутреннюю оболочки и проходящие сквозь нейтронно-поглощающий материал.
Известен контейнер для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива (патент RU 2348085), содержащий металлический корпус, включающий днище, наружную и внутреннюю цилиндрические оболочки, полость между которыми заполнена материалом для поглощения нейтронов. Через материал для поглощения нейтронов пропущены элементы с высокой теплопроводностью, выполненные в виде радиальных продольных листовых элементов, которые прикреплены к наружной и внутренней цилиндрическим оболочкам корпуса с поджатием с помощью резьбовых элементов. Радиальные продольные листовые элементы имеют сквозные отверстия и/или прерывистые кромки с образованием выемок, во внутренней полости которого установлена дистанционирующая решетка (чехол). В варианте осуществления изобретения в ней может быть размещено до 19-ти отработавших тепловыделяющих сборок с отработавшим ядерным топливом с максимальным суммарным тепловыделением 30-40 кВт. Дистанционирующая решетка обеспечивает строго определенное расположение отработавших тепловыделяющих сборок во внутренней полости контейнера и передачу тепла, выделяемого отработавшим ядерным топливом, корпусу контейнера. Дистанционирующая решетка выполнена, например, в виде составного цилиндра из отдельных алюминиевых блоков, внутри которых расположены по принципу «пчелиных сот» шестигранные трубы для установки отработавших тепловыделяющих сборок. Для обеспечения ядерной безопасности наружная поверхность шестигранных труб покрыта самофлюсующимся борсодержащим сплавом, обеспечивающим поглощение нейтронов, выделяемых отработавшим ядерным топливом..
Недостатками известного изобретения являются высокая трудоемкость изготовления чехла, что обусловлено выполнением чехла составным в виде заключенных в герметичную оболочку из нержавеющей стали алюминиевых блоков, внутри которых расположены шестигранные трубы, сложность монтажа элементов с высокой теплопроводностью, проходящих через материал для поглощения нейтронов при сборке контейнера, а также выполнение корпуса из двух частей, что обусловлено необходимостью размещения в корпусе нейтронной защиты.
Указанные выше недостатки упомянутых контейнеров для транспортировки и/или хранения отработавших тепловыделяющих сборок, связанные с высокой трудоемкостью и стоимостью изготовления, а также с возможностью попадания быстрых нейтронов в окружающую среду через теплоотводящие элементы, расположенные в корпусе контейнера, обусловлены размещением нейтронно-поглощающего материала и теплопроводящих вставок внутри корпуса контейнера. Выполнение нейтронной защиты внутри корпуса связано с тем, что известные конструкции чехлов не обеспечивают необходимую защиту от нейтронного излучения.
Известен контейнер для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива (патент RU 2686457), включающий литой корпус с внутренним объемом под чехол, предназначенный для размещения тепловыделяющих сборок с отработавшим ядерным топливом. В стенку литого корпуса влит нейтронно-защитный барьер из материала с температурой плавления выше температуры плавления материала корпуса и коэффициентом теплопроводности не меньшим, чем у материала литого корпуса. При этом нейтронно-защитный барьер образует сплошную стенку.
Данный контейнер лишен недостатков, связанных с размещения теплопроводящих вставок внутри корпуса контейнера, однако, необходимость размещения нейтронно-защитного материала внутри корпуса повышает трудоемкость процесса его изготовления, включающего несколько операций, в том числе операцию по заливке нейтронно-защитного материала в стенку корпуса.
Известен чехол контейнера для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива (патент RU 2686476), включающий литой корпус с влитыми профильными металлическими трубами с плоскими гранями, образующими каналы для установки тепловыделяющих сборок, в котором трубы установлены кольцевыми рядами вплотную друг к другу с сопряжением по плоским граням вокруг центральной трубы, наружные поверхности сопрягаемых друг с другом плоских граней труб облицованы медными листами, пространство между наружной поверхностью труб внешнего кольцевого ряда и внутренней поверхностью литого корпуса заполнено вставками из нейтронно-защитного материала с температурой плавления выше температуры плавления материала литого корпуса, образующими сплошную стенку, препятствующую свободному пролету нейтронов в радиальных направлениях.
К недостаткам описанной конструкции чехла следует отнести сложность его изготовления (необходимость облицовки граней труб медными листами), а также низкую ремонтопригодность, что обусловлено изготовлением чехла в виде монолитной конструкции.
Отработавшие тепловыделяющие сборки характеризуются высоким остаточным тепловым энерговыделением и уровнем радиационного излучения, что требует для их безопасного транспортирования и/или хранения использования специальных защитных контейнеров.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании высокотехнологичной конструкции контейнера для транспортировки и/или хранения отработавших тепловыделяющих сборок, обеспечивающего нейтронную защиту, эффективный отвод тепла от отработавших тепловыделяющих сборок, выполнение требований ядерной безопасности по подкритичности, а также вписывающегося в массогабаритные размеры существующих транспортно-упаковочных комплектов.
Технический результат заключается в повышении технологичности изготовления контейнера, что позволяет снизить трудоемкость изготовления чехла, а также стоимость изготовления корпуса контейнера при сохранении эффективности нейтронной защиты и отвода тепла от отработавших тепловыделяющих сборок.
Указанная задача решается, и технический результат достигается, благодаря тому, что в контейнере для транспортировки и/или хранения отработавших тепловыделяющих сборок, включающем металлический корпус, крышки и чехол, содержащий дистанционирующие решетки, имеющие отверстия с размещенными в них трубными каналами для отработавших тепловыделяющих сборок, и отверстия для металлических стяжек, центральная часть дистанционирующих решеток, контактирующая с трубными каналами, выполнена из материала с высокой теплопроводностью, внешняя часть дистанционирующих решеток, образующая кольцо, выполнена из композиционного материала также с высокой теплопроводностью, но при этом обеспечивающего поглощение нейтронов.
При этом внешняя часть дистанционирующей решетки выполнена из композиционного материала на основе алюминия и карбида бора, а внутренняя - из алюминиевого расплава.
При этом дистанционирующая решетка конструктивно состоит из расположенных вплотную друг к другу отдельных сегментов, образующих при укладке в ряд перфорированный диск.
При этом толщина внешней части дистанционирующего элемента составляет не менее 50 мм, а ее ширина составляет не более 140 мм.
Размещение нейтронной защиты внутри чехла в периферийной (внешней) области в виде кольца из композиционного материала с высокой теплопроводностью, обеспечивающего поглощение нейтронов, и выполненного как часть дистанционирующей решетки, позволяет упростить и сделать более технологичной, как конструкцию самого чехла, так и конструкцию корпуса контейнера, так как позволяет стантартизировать типоразмеры деталей чехла и исключает необходимость размещения нейтронной защиты и теплоотводящих элементов внутри корпуса контейнера.
Выполнение дистанционирующей решетки из отдельных сегментов, благодаря стандартизации типоразмеров деталей, и учитывая размеры самой решетки, упрощает процесс ее изготовления и сборки чехла.
Выполнение дистанционирующей решетки из материала с высокой теплопроводностью обеспечивает отвод тепла от отработавших тепловыделяющих сборок к корпусу контейнера.
Изготовление чехла контейнера для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива из отдельных элементов существенно повышает его ремонтопригодность.
Выполнение требований ядерной безопасности по подкритичности обеспечивается за счет изготовления трубных каналов из борированной нержавеющей стали.
Таким образом, заявленная конструкция контейнера обеспечивает выполнение требований ядерной безопасности, эффективный отвод тепла от отработавших тепловыделяющих сборок к корпусу контейнера и включает в себя нейтронную защиту и радиационную защиту.
Предложенный контейнер для транспортировки и хранения отработавших тепловыделяющих сборок может быть реализован следующим образом.
Конструкция изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 показан продольный разрез чехла.
На фиг. 2, 3 показаны два типа сегментов дистанционирующих элементов.
На фиг. 4, 5 показаны схемы сборки дистанционирующих элементов из двух типов сегментов.
На фиг. 6 показана часть элемента чехла между основанием и промежуточным стальным диском.
На фиг. 7 показана вставка, обеспечивающая крепление сегментов дистанционирующих элементов к центральной стойке.
На фиг. 8 показан общий вид контейнера.
На чертежах представлены следующие позиции: сегменты дистанционирующих элементов 1; промежуточные диски 2; шестигранные трубные каналы 3; опорный диск 4; верхний диск 5; сегмент типа «А» 6; сегмент типа «Б» 7; центральная стойка 8; кольцевая центральная опора 9; сливные отверстия 10; гнездо для захвата 11; вставка 12; стяжки 13; гайки с шайбами 14; направляющие 15; втулки 16, корпус контейнера 17.
Заявленный контейнер для транспортировки и/или хранения отработавших тепловыделяющих сборок состоит из корпуса, крышек и чехла для отработавших тепловыделяющих сборок. Корпус имеет цилиндрическую форму и может быть выполнен из высокопрочного чугуна или нержавеющей стали. Стенки корпуса выполнены сплошными без каких-либо каналов и вставок. Нейтронная защита встроена в чехол.
Чехол представляет собой металлоконструкцию, состоящую из расположенных вплотную друг над другом сегментов дистанционирующих элементов 1 и промежуточных стальных дисков 2. Сегменты 1 и промежуточные диски 2 имеют шестиугольные отверстия, в которые устанавливают восемнадцать шестигранных трубных каналов 3, выполненных из борированной нержавеющей стали. Шестигранные трубные каналы 3 устанавливают в опорный диск 4 и сверху фиксируют верхним диском 5, выполненным из высокопрочной коррозионностойкой стали.
Сегменты дистанционирующих элементов 1 состоят из двух типоразмеров (фиг. 2, 3): сегмент типа «А» 6 и сегмент типа «Б» 7. Сегменты 6, 7 во внешней части выполнены из композиционного материала на основе алюминия и карбида бора, а в центре (в пределах шестиугольных отверстий) из алюминиевого сплава. Это позволяет обеспечить интенсивный теплоотвод и одновременно защиту от нейтронного и гамма излучений.
Сегменты дистанционирующих элементов 1 изготавливают с помощью известных технологий следующим образом: предварительно спрессованный по профилю внешней части сегмента порошок карбида бора помещают в пресс-форму для литья алюминия под давлением, совпадающую с профилем сегмента тип «А» или тип «Б». Далее проводят литейную операцию с использованием расплава алюминия, в результате которой получается монолитный сегмент, внешняя часть которого состоит из карбида бора, пропитанного расплавом алюминия, а центральная перфорированная часть - только из расплава алюминия.
При этом толщина дистанционирующего элемента 1 составляет не менее 50 мм, а ширина кольца, выполненного из композиционного материала, составляет не более 140 мм. Указанные размеры гарантируют эффективную нейтронную защиту.
Шесть сегментов одного типа, уложенные в ряд, образуют перфорированный диск дистанционирующего элемента 1 (фиг. 4, 5). Форма перфорации диска выполнена таким образом, чтобы выполнять теплоотвод от трубных каналов.
К опорному диску 4 приварена центральная стойка 1, которая выполняет функцию несущего элемента чехла, на котором расположены все остальные его составляющие.
Опорный диск 4 усилен снизу радиальными ребрами (на фиг. не показаны) и кольцевой центральной опорой 9. Опорный диск 4 имеет восемнадцать сливных отверстий 10, совпадающих с центрами шестигранных труб-каналов. Стойка в верхней части снабжена гнездом для захвата 11, с помощью которого пустой чехол устанавливают и вынимают из корпуса контейнера.
Крепление сегментов к центральной стойке между соседними рядами, а также опорным, верхним и промежуточными дисками обеспечивают вставки 12 с кольцевым выступом (фиг. 1, 6). Соединение всех частей чехла в единую конструкцию обеспечивается расположенными по периметру чехла восемнадцатью стяжками 13 посредством фиксации гайками с шайбами 14 и втулками 15.
Для облегчения установки в трубные каналы отработавших тепловыделяющих сборок, на верхнем диске 5 по периметру шестиугольных отверстий приварены направляющие 16.
К опорному диску 4 снизу через центры сливных отверстий 14 к периферии приваривают ребра (на фиг. не показаны) и кольцевую опору 9, сверху приваривают стойку 8 с приваренным к ней в верхней части гнездом для захвата 11. По периметру опорного диска 4 в резьбовые отверстия с равным угловым шагом вкручивают восемнадцать стяжек 13, на каждую стяжку надевают втулку 15 и устанавливают в проточке опорного диска 4, на стойку 8 надевают вставку 12. Затем на втулки 15, пропустив сквозь отверстия через стяжки 13, и на вставку 12 устанавливают первый ряд сегментов дистанционирующих элементов 1, состоящий из шести сегментов тип «А» 6 (фиг. 2). Перфорация внутренней поверхности сегментов должна совпадать с перфорацией опорного диска 4. Затем на каждую стяжку опять надевают втулку 15 и устанавливают в проточке сегмента дистанционирующих элементов 1, на стойку 8 опять надевают вставку 12. Потом на втулки 15, пропустив сквозь отверстия через стяжки 13, и на вставку 12 устанавливают второй ряд сегментов дистанционирующих элементов 1, состоящий из шести сегментов тип «Б» (фиг. 3), при этом перфорация внутренней поверхности сегментов второго ряда должна совпасть с перфорацией сегментов первого ряда. Затем на каждую стяжку снова надевают втулку 15 и устанавливают в проточке сегмента дистанционирующего элемента 1, на стойку 8 опять надевают вставку 12. Потом на втулки 15, пропустив сквозь отверстия через стяжки 13, и на вставку 12 устанавливают третий ряд сегментов дистанционирующих элементов 1, состоящий из шести сегментов тип «А» 6 (фиг. 2), при этом перфорация внутренней поверхности сегментов третьего ряда должна совпасть с перфорацией сегментов второго ряда. Затем на каждую стяжку опять надевают втулку 15 и устанавливают в проточке сегмента дистанционирующего элемента 1, на стойку 8 опять надевают вставку 12. Потом на втулки 15, пропустив сквозь отверстия через стяжки 13, и на вставку 12 устанавливают четвертый ряд сегментов дистанционирующего элемента 1, состоящий из шести «перевернутых» сегментов типа «Б» 7 (фиг. 3), при этом перфорация внутренней поверхности сегментов четвертого ряда должна совпасть с перфорацией сегментов третьего ряда. Ряды укладывают вплотную. Аналогичном образом укладывают еще десять рядов сегментов дистанционирующего элемента 1, образуя ярус сегментов.
Затем на каждую стяжку опять надевают втулку 15 и устанавливают в проточке последнего ряда сегмента дистанционирующего элемента 1, а на стойку 8 надевают вставку 12, и вплотную с сегментами дистанционирующего элемента 1 устанавливают промежуточный диск 2, профиль перфорации которого совпадает с профилем перфорации сегментов 6, 7. Аналогичном образом укладывают еще шесть ярусов сегментов и пять промежуточных дисков 2.
Первый и второй ярус сегментов дистанционирующего элемента 1 образованы из четырнадцати рядов каждый, третий ярус сегментов - из двенадцати рядов, четвертый, пятый, шестой ярус сегментов - из одиннадцати рядов каждый и седьмой ярус состоит из одного ряда.
Затем в шестиугольные отверстия, образованные сегментами дистанционирующего элемента 1 и промежуточными дисками 2, устанавливают восемнадцать шестигранных трубных каналов 3, снизу они упираются в углубления опорного диска 4, а сверху упираются в углубления верхнего диска 5, установленного отверстиями на стяжки 13 и зафиксированного с помощью гаек с шайбами 14. На верхнем диске 5 по кромке периметра восемнадцати шестиугольных отверстий приваривают направляющие 16.
Собранный чехол помещают в цилиндрический корпус 17, выполненный из металла (чугун или нержавеющая сталь).
Во время эксплуатации контейнера для транспортировки и хранения отработавших тепловыделяющих сборок тепло, излучаемое тепловыделяющими сборками, передается по дистанционирующим элементам 1 от центра к периферии, изготовленной из теплопроводящего нейтронно-поглощающего композиционного материала, через которую далее тепло передается к стенке корпуса 17 и отводится в окружающую среду. При этом нейтронное излучение, испускаемое тепловыделяющими сборками будет задерживаться кольцом, образованным сегментами 6, 7, препятствующим пролету нейтронов в радиальных направлениях.
Техническое решение согласно изобретению может быть использовано для транспортировки и/или длительного хранения отработавших тепловыделяющих сборок. Предложенная конструкция контейнера для транспортировки и/или длительного хранения отработавших тепловыделяющих сборок в нормальных и аварийных условиях эксплуатации обеспечивает нейтронную и радиационную безопасность в соответствии с требованиями, предъявляемыми к контейнерам указанного назначения нормативными документами РФ и рекомендациями МАГАТЭ.