СТЕЛЛАЖ ДЛЯ УПЛОТНЕННОГО ХРАНЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

Полезная модель относится к ядерной технике, в частности, к стеллажам, предназначенным для хранения свежего или отработавшего ядерного топлива, а более конкретно - для хранения тепловыделяющих сборок (ТВС) со свежим или отработавшим топливом реакторов
Из уровня техники известны следующие стеллажи.
Так, из описания к патенту РФ №2467417 (опубликован 10.10.2012) известен стеллаж для уплотненного размещения и хранения отработавших тепловыделяющих сборок ядерного реактора. Стеллаж содержит множество прямых многогранных труб из нейтронопоглощающего материала. Трубы установлены относительно друг друга с зазором по смежным граням. Дистанционаторы группируют и соединяют трубы параллельно друг другу по регулярной сетке с образованием множества смежных отделений, приспособленных для размещения отработавших ТВС. Каждая из многогранных труб образует сплошную стенку соответствующего отделения. Дистанционаторы выполнены в виде ступенчатых пластин из нержавеющей марки стали, установленных ступенями на верхнем и нижнем торцах каждой грани многогранных труб, соединенных сваркой по наружным торцам. Для монтажа дистанционаторов на гранях труб в гранях и дистанционаторах выполнены сквозные соосные отверстия, причем в гранях труб - конусные, в дистанционаторах - ступенчатые с наружной проточкой. Соединение дистанционатора с гранью трубы осуществляется посредством установки в указанные соосные отверстия крепежной детали, состоящей из конусной головки, соразмерной конусному отверстию в грани, и цилиндрического хвостовика, соразмерного ступени малого диаметра ступенчатого отверстия, дистанционатора и последующей его вварки в дистанционатор по окружности торца цилиндрического хвостовика указанной крепежной детали.
Кроме этого, известен стеллаж для хранения отработавшего ядерного топлива, включающий контейнер с решетками, образующими ячейки, в которых установлены чехлы с топливом, при этом решетки регулируются по высоте (Патент США №4820472, опубликован 11.04.1989).
Наиболее близким аналогом к патентуемому стеллажу является стеллаж, выполненный из нержавеющей стали, который включает верхнюю и нижнюю дистанционирующие решетки, к которым при помощи сварки присоединены шестигранные трубы (чехлы) для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, а по периметру стеллажа - облицовка с образованием межтрубного пространства, заполненного теплопроводящим материалом (теплопроводящей композицией) (Патент РФ №2463677, опубликован 10.10.2012).
Недостатком конструкции известных стеллажей на основе дистанционированных между собой и размещенных в треугольной решетке цельнотянутых шестигранных труб из бористой стали являются высокие технологические отклонения их геометрических характеристик. Это делает необходимым, для обеспечения беспрепятственной установки ТВС в стеллажи, иметь шестигранную трубу с большим внутренним размером «под ключ». Однако, поскольку эффективный коэффициент размножения нейтронов увеличивается с увеличением зазора между ТВС и шестигранной трубой, это является препятствием для внедрения современных видов ядерного топлива с повышенным обогащением и ураноемкостью (более 5% U-235). С другой стороны, обеспечение ядерной безопасности за счет повышения содержания бора в стали свыше 1,8% вес. не представляется возможным, поскольку это приводит к существенному снижению пластичности стали, что затрудняет обработку заготовок и изготовление трубы.
Известно также проектное техническое решение, согласно которому шестигранная труба формируется посредством сложной технологии сварки между собой шести листов из нержавеющей стали с добавкой бора (http://www.skoda-js.cz/ru/products-and-services/spent-nuclear-fuel-storage/compact-spent-fuel-storage-racks.shtmlj. Поскольку технология сварки применима только при относительно низких содержаниях бора (около 1,0% вес.), то это также является препятствием для использования новых видов топлива.
Техническим результатом патентуемого решения является снижение расхода металла при изготовлении труб, обеспечение возможности использования современных видов топлива с повышенным обогащением и ураноемкостью за счет более высокой точности изготовления многогранных труб.
Заявленный технический результат достигается за счет конструкции стеллажа для уплотненного хранения тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, выполненного в виде дистанционированных между собой, размещенных в многоугольной решетке многогранных труб, каждая из которых собрана из прокатанных и механически обработанных листов (пластин) бористой стали, скрепленных друг с другом посредством крепежных средств, при этом пластины с внешней стороны соединены с помощью крепежных элементов, а в верхней и нижней частях каждой пластины расположены дистанционирующие элементы, толщина которых равна половине зазора между трубами.
В частности, многогранные трубы могут представлять собой четырехгранные трубы, которые размещены в квадратной решетке либо многогранные трубы могут представлять собой шестигранные трубы, которые размещены в треугольной решетке.
В частности, крепежный элемент для крепления пластин друг к другу без зазора представляет собой уголок из нержавеющей стали, который крепится по всей длине стыков смежных пластин посредством крепежных средств. Для более плотного прилегания листов друг к другу и выдерживания точных размеров смежные грани по длине подвергаются механической обработке.
Таким образом, за счет большей точности изготовления листового проката (пластин, листов) обеспечивается более точная геометрия канала, что, при неизменном шаге размещения ТВС, позволяет приблизить внутреннюю поверхность многогранной трубы к ТВС и, тем самым, снизить эффективный коэффициент размножения нейтронов в стеллажах. За счет установки крепежных элементов с внешней стороны пластин обеспечивается жесткость конструкции трубы.
Расход металла при изготовлении труб снижается за счет использования многогранных труб сборной конструкции на основе листового проката, обеспечивающего выход годного до 80%, в то время как существующие технологии производства цельнотянутых труб характеризуются низким выходом годного на уровне 30%.
Шаг установки чехлов и их дистанционирование обеспечивается с помощью дистанционирующих элементов в верхней и нижней частях чехлов.
В качестве материала пластин может использоваться бористая сталь, например, стальЧС-82 (04Х14Т3Р1Ф), при этом содержание бора может достигать 1,3-1,8%вес. Также может быть выбрана бористая сталь с содержанием бора до 3,0% вес. В качестве материала уголков может использоваться нержавеющая сталь, например, сталь типа 08Х18Н10Т.
Расстояние от поверхности ТВС до внутренней поверхности многогранной трубы не должно превышать толщину трубы при содержании бора в стали 1,3-3% вес., при этом расстояние между наружными сторонами многогранных труб (чехлов) в стеллажах должно быть больше толщины стенки трубы в 3-10 раз. Увеличение расстояния более чем в 10 раз нецелесообразно по причине снижения вместимости стеллажа, уменьшение расстояния менее чем в 3 раза не позволит обеспечить ядерную безопасность.
Существующие отработанные технологии изготовления листового проката позволяют обеспечить более жесткие допуски на толщину стенки полос и, тем самым, при обеспечении свободной установки и извлечения ТВС, дает возможность максимально уменьшить расстояние между ТВС и внутренней поверхностью чехла, что дает возможность обеспечить ядерную безопасность стеллажей при использовании современных видов топлива.
Далее решение поясняется с помощью фигур, на которых изображено следующее.
На фигуре 1 - стеллаж с трубами, вид сверху;
На фигуре 2 - общий вид трубы;
На фигуре 3 - вид Б-Б по фигуре 2;
На фигуре 4 - вид А на фигуре 2;
На фигуре 5 - вид В на фигуре 2.
Труба (фигура 2-5) представляет собой шестигранную конструкцию, собранную из пластин 1. Стыки пластин снаружи закрыты уголками 2, которые крепятся к пластинам с помощью резьбовых соединений или заклепок 3. В верхней и нижней частях каждой пластины расположены дистанционирующие элементы. В стеллаже шестигранные трубы снизу устанавливаются и крепятся в нижнюю плиту стеллажа при помощи втулок, а сверху свариваются направляющие и дистанционирующие элементы.
Таким образом, патентуемая конструкция стеллажа позволяет обеспечить ядерную безопасность при использовании новых видов топлива за счет улучшения геометрии труб, уменьшить металлоемкость стеллажа и уменьшить технологические отклонения элементов конструкции стеллажа.