ПЕНАЛ ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВВЭР
CASE FOR VVER FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к средствам для транспортировки и хранения отработавших тепловыделяющих элементов (твэлов) реактора ВВЭР, а более конкретно, к средствам для транспортировки и хранения негерметичных твэлов ВВЭР.
Тепловыделяющая сборка (ТВС) реактора ВВЭР состоит из пучка твэлов, направляющих каналов, головки и хвостовика. Твэлы, выполненные в виде стержней, закреплены в нижней и нескольких дистанционирующих решеток. В ходе эксплуатации ВВЭР возможно образование негерметичности циркониевых оболочек твэлов. Для выявления ТВС, содержащих негерметичные твэлы, предусмотрен ряд методик контроля герметичности оболочек твэлов на работающем и остановленном реакторе. Дальнейшая эксплуатация ТВС с негерметичными твэлами ведет к выходу в теплоноситель радиоактивных элементов, в то же время прекращение эксплуатации ТВС, до выработки проектного уровня выгорания, влечет экономические потери.
На атомных станциях (АС) с ВВЭР применяются устройства для ремонта ТВС. Принцип ремонта заключается в снятии головки ТВС, извлечении негерметичного твэла, установки на его место имитатора твэла и установки головки ТВС на штатное место. При этом должно быть обеспечено место хранения негерметичного твэла, с возможностью его контроля и извлечения.
Из уровня техники известен «Контейнер для транспортировки и хранения облученных твэлов, дефектных твэлов и/или стержней дефектных твэлов» (патент РФ №2331944, кл. G21F 5/008 (2006.01)), содержащий корпус, внутреннее пространство и расположенную в нем приемную корзину для стержней твэлов, причем приемная корзина собрана посредством вставных соединений из поглощающих нейтроны плит из легкого металла и собранные плиты из легкого металла образуют приемные шахты, в которых пригнаны металлические гильзы. По меньшей мере одна металлическая гильза использована в качестве корпуса стакана для непосредственного размещения дефектных твэлов и/или стержней таких твэлов.
Известно устройство для упаковки негерметичных ядерных топливных стержней для целей транспортировки и длительного хранения или складирования (патент US №8130895 (В2), G21C 19/00, G21C 19/26, G21F 5/008, опубл. 2012 г.), которое представляет собой опорную конструкцию, повторяющую формы и размеры ТВС с концевыми элементами, в которой располагаются капсулы для размещения негерметичных топливных стержней, капсулы закрыты с обоих сторон заглушками.
Недостатком конструкции контейнера и устройства, является то, что для контроля ядерных материалов, местоположения поврежденного топлива, необходимо открытие гильзы/капсулы, при этом возможен выход радиоактивных элементов в окружающую среду.
Известен Westinghouse Quiver (Quiver System for Storing Failed Fuel Rods. YouTube [онлайн] [видео]. WestinghouseNuclear, 22 июня, 2017 [найдено 2021.09.02]. Найдено в <https://www.youtube.com/watch?v=SNtszjtYKzc>), который содержит каркас, с установленными внутри него трубками, уплотнение и крышку. В трубки помещаются поврежденные твэлы, трубки разделены дистанционирующими решетками. Крышка устанавливается с помощью винтового соединения. Westinghouse Quiver обеспечивает герметичное хранение поврежденного топлива и может быть легко повторно открыт для осмотра, инвентаризации или исследования стержней в топливном бассейне или в горячей камере.
Наиболее близким устройством к заявляемому изобретению, по совокупности признаков, является "Пенал для негерметичных тепловыделяющих элементов" (Техническое задание на поставку нестандартного технологического оборудования/изделия и/или системы филиала АО «Концерн Росэнергоатом» «Балаковская атомная станция» Предмет закупки: Пенал герметичный для хранения негерметичных ОТВС реакторов ВВЭР-1000, АО «Концерн Росэнергоатом», Балаковская АЭС, 2018.04.06 [найдено 2021.09.02]. Найдено в <http://zakupki.rosatom.ru/1805160608329>; Иванов Н.А. Совершенствование конструкции стенда инспекции и ремонта ТВС. Материалы 18-й международной научно-технической конференции молодых специалистов по ядерным энергетическим установкам, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, 2016), содержащий цилиндрический корпус с днищем, съемную пробку, изолированные от внутреннего объема сосуда, трубки охлаждения, проходящие через трубные доски пенала, направляющую, представляющую собой шестигранную трубу и предохранительные клапана в днище и пробке. Во внутреннем пространстве расположена приемная корзина для стержней твэлов, выполненная в виде блока труб с дистанционирующими и опорными решетками.
Общим недостатком известных конструкций Westinghouse Quiver и «Пенала для негерметичных тепловыделяющих элементов» является то, что при открытии этих устройств, с расположенными в них негерметичными твэлами, возможен выход радиоактивных элементов, находящихся во внутреннем объеме устройств, в рабочую среду, в которой происходит операция. С учетом того, что на ВВЭР разгерметизация твэлов, в основном, носит единичный характер, то предполагается периодическое открытие/закрытие устройств для загрузки негерметичных твэлов в течение длительного времени, пока устройство не будет заполнено.
Задачей изобретения является разработка конструкции пенала для хранения и транспортировки дефектных (негерметичных) твэлов, которая позволит размещать единичные твэлы ВВЭР. При этом должна быть обеспечена изоляция от окружающей среды негерметичных твэлов и визуальный контроль расположения твэлов в пенале, при его открытии.
Технический результат заключается в снижении выхода радиоактивных элементов в окружающую среду при обращении с негерметичным топливом.
Указанный технический результат достигается тем, что в пенале, содержащем цилиндрический корпус с днищем, съемную пробку, изолированные от внутреннего объема сосуда, трубки охлаждения, проходящие через трубные доски пенала, направляющую, представляющую собой шестигранную трубу и предохранительные клапана в днище и пробке, предлагается расположить уплотненный диск с предохранительным клапаном, разделяющий нижний и верхний объем пенала. В пенале предлагается расположить ячейки для твэлов, которые представляют собой тонкостенные трубки с перфорацией, заглушкой внизу и локализующим устройством вверху. Ячейки для твэлов крепятся локализующим устройством в уплотненном диске. При открытой пробке, полости пустых ячеек с открытыми локализующими устройствами контактируют с верхним объемом пенала, что обеспечивает возможность установки в них твэлов. После установки твэла и закрытия локализующего устройства, отсекается верхний объем пенала и открывается перфорация в трубке ячейки, связывающая полость ячейки с нижним объемом пенала, обеспечивая дополнительное охлаждение и снижение давления в яейках. Тем самым, среда, контактирующая с местом разгерметизации, будет локализована в нижнем объеме пенала. При этом, одним из элементов узла локализации будет головка твэла, что обеспечит визуальный контроль расположения твэлов при открытии пенала.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-4:
фиг. 1 - общий вид пенала для тепловыделяющих элементов ВВЭР;
фиг. 2 - локализующее устройство пенала для тепловыделяющих элементов ВВЭР (цанговый наконечник открыт) (фрагмент А фиг. 1);
фиг. 3 - локализующее устройство пенала для тепловыделяющих элементов ВВЭР (цанговый наконечник закрыт) (фрагмент А фиг. 1);
фиг. 4 - расположение клапанов в пенале для тепловыделяющих элементов ВВЭР (фрагмент Б фиг. 1).
Патентуемый пенал для тепловыделяющих элементов ВВЭР содержит цилиндрический корпус 1 с днищем 2, изолированные от внутреннего объема сосуда трубки охлаждения 3, проходящие через трубные доски 4 пенала, чехол из поглощающего нейтроны материала 5, уплотненную пробку 6 с грузозахватным элементом 7, уплотненный диск 8. Уплотненный диск 8 разделяет внутреннюю полость пенала на верхний 9 и нижний объем 10. В пенале располагаются ячейки для твэлов 11 с локализующими устройствами 12.
Ячейки для твэлов 11 представляют собой тонкостенные трубки 13 с перфорацией 14 и локализующим устройством вверху 12. Ячейки для твэлов 11 закреплены локализующим устройством 12 в уплотненном диске 8. Локализующее устройство 12 состоит из цангового наконечника 15, гайки 16 и втулки 17. При открытом состоянии локализующего устройства 12 (цанговый наконечник 15 открыт) негерметичный твэл 18 устанавливается в ячейку для твэлов 11, при этом верхний объем 9 пенала объединен с внутренней полостью ячейки для твэлов 11. Гайка 16 имеет резьбовое соединение со втулкой 17. За счет вращения гайки 16 осуществляется вертикальное перемещение втулки 17, за счет этого закрывается цанговый наконечник 15, при этом частью локализующего соединения становится головка негерметичного твэла 18. При перемещении втулки 17 открывается перфорация 14 на трубке ячейки для твэлов 13, обеспечивая сообщение рабочей среды внутри ячейки для твэлов 11 с нижним объемом 10 пенала.
Уплотненная пробка 6 герметизирует внутренний объем пенала. Клапаны 19, расположенные в уплотненном диске 8 и уплотненной пробке 6, открываются при превышении внутреннего давления установленной величины. В днище 2 расположен клапан 20, открывающийся при снижении внутреннего давления ниже установленной величины.