ЗАХВАТ ДЛЯ ПОДЪЕМА И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ АМПУЛ С ПУЧКАМИ ОТРАБОТАВШИХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
SPENT FUEL ELEMENTS BUNDLES AMPULES LIFTING AND MOVING GRIP

Изобретение относится к ядерной технике, в частности, к средствам для обеспечения безопасности при перегрузке ампул с пучками отработавших тепловыделяющих элементов (твэлов) реактора РБМК-1000 в пеналы и предназначено для использования в камере комплектации пеналов (ККП) сухого хранилища или на АЭС.
В «сухое» хранилище отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) ампулы для отработавшей тепловыделяющей сборки (см. патент РФ №2353010 Кл. G21F 5/008, 2008), с размещенными в них пучками твэлов, поступают в транспортном чехле, установленном внутри защитного контейнера. Транспортный чехол с загруженными ампулами извлекается из защитного контейнера и помещается в приемном гнезде ККП.
В ККП осуществляется перегрузка ампул с пучками твэлов из транспортного чехла в герметичные пеналы хранения.
Масса ампулы с пучком твэлов составляет 104 кг.
Перегрузка ампул с пучками твэлов осуществляется дистанционно электромеханическим некопирующим мостовым манипулятором грузоподъемностью 500 кг (проект 1697-20-0002 разработки ОАО «Центральное конструкторское бюро машиностроения», г. Санкт-Петербург). Электромеханический некопирующий мостовой манипулятор (далее по тексту - ЭМ), содержит мост, на котором размещена тележка с приводом перемещения и с установленным на ней исполнительным механизмом, включающим телескоп. Телескоп содержит корпус, внутри которого установлены перемещающиеся на роликах внутренняя и наружная трубы. Внутри внутренней трубы смонтированы телескопические валопроводы, передающие вращательное и возвратно-поступательное движение на шпиндель, осуществляющий управление работой сменного инструмента. Сменный инструмент установлен на стеллаже в ККП и выполнен с возможностью его дистанционной сцепления и расцепления со шпинделем телескопа, для чего в головке каждого инструмента имеется шариковый замок и байонетные пазы, в которые входят штифты шпинделя.. В комплект сменного инструмента входит и захват ЭМ, предназначенный для зацепления ампулы за внутренние заплечики ее крышки для перегрузки ампул из транспортного чехла в пеналы хранения.
При транспортировке порожних ампул на АЭС и в сухом хранилище наблюдались случаи их падения в результате расцепления захвата с ампулой и запирающего устройства крышки с корпусом.
7
Известно устройство для подъема и перемещения ампул с пучками отработавших тепловыделяющих элементов (см. патент №2500044, МПК G21C 19/32, 2013), служащее для подъема упавших ампул и содержащее грузоподъемное устройство (мостовой некопирующий электромеханический манипулятор), установленное в камере комплектации пеналов и захват, установленный в полости стакана, в радиальные пазы которого введены раздвижные лапки, управляемые установленным внутри стакана штоком. Стакан выполнен с возможностью его введения в крышку упавшей ампулы при сведенных лапках, фиксации стакана в ней при разведенных лапках и снабжен вилкой, в пазу которой на оси установлен хвостовик головки, повторяющей по форме крышку ампулы, причем хвостовик головки установлен с возможностью поворота головки относительно стакана регулируемым усилием 5-15 кг. Ось соединена с хвостовиком головки и зафиксирована в вилке гайкой, причем между гайкой и щекой вилки установлена пружина, а в одной из щек вилки выполнен секторный радиальный паз, в котором размещена рукоятка, присоединенная к штоку.
Известное устройство работает следующим образом. В случае падения загруженной ампулы ее положение в ККП может быть самым различным. При нахождении крышки ампулы в зоне действия копирующих манипуляторов, стакан с введенными в его пазы раздвижными лапками, копирующим манипулятором вводится в крышку ампулы. После введения стакана в крышку ампулы раздвижные лапки выводятся из радиальных пазов и фиксируют стакан в крышке ампулы. Затем копирующим манипулятором головка выводится в вертикальное положение и, вследствие поджатая пружиной, остается в этом положении. В головку, повторяющую по форме крышку ампулы, вводится захват грузоподъемного устройства и зацепляет ее. При поднятии упавшей ампулы стакан начинает поворачиваться на оси относительно головки под действием веса загруженной ампулы до вывода ампулы в вертикальное положение. Далее упавшая ампула при отсутствии искривления устанавливается в ячейку пенала, а при искривлении ампулы устанавливается в специальный пенал с увеличенным сечением ячеек.
Проведенный анализ безопасности показал, что при перегрузке ампул в ККП также существует вероятность расцепления запирающего устройства, при котором крышка ампулы остается в захвате грузоподъемного устройства, а загруженный пучком твэлов корпус падает на столешницу ККП.
Зацепление упавшего на столешницу корпуса с пучком твэлов известным устройством возможно только после установки крышки и ее сцепления запирающим устройством с упавшим корпусом. Так как высока вероятность смятия горловины корпуса при его падении, то повторная установка и фиксация крышки в корпус со смятой горловиной для зацепления и подъема ампулы известным устройством будет практически невозможна.
Кроме того, в случае падения корпуса с пучком твэлов его положение в ККП может быть самым различным. При нахождении горловины вне зоны действия ЭМ или копирующего манипулятора установка крышки в корпус копирующим манипулятором не всегда будет возможна.
7
Известно устройство для подъема и перемещения ампул с пучками отработавших тепловыделяющих элементов, (см. патент №2553277, МПК G21C 19/32), содержащее ЭМ с захватом, установленным в повторяющую по форме крышку ампулы головку, раздвижные лапки, управляемые штоком, и установленные на оси между щек втулки. Втулка установлена на валу, размещенном между щек вилки, расположенных перпендикулярно щекам втулки. Вилка снабжена хвостовиком, закрепленным в головке, с возможностью вращения вилки. Раздвижные лапки выполнены высотой, превышающей высоту хвостовика пучка твэлов, выходящего за пределы корпуса, и снабжены радиусными губками, диаметр которых в сведенном положении равен наружному диаметру трубы корпуса. Шток размещен в пазах кронштейнов, прикрепленных к раздвижным лапкам, и присоединен к одному из них, а вторым концом установлен в резьбовой втулке, прикрепленной с возможностью ее вращения к другому кронштейну. Известное устройство работает следующим образом.
В случае падения ампулы или ее корпуса их положение в ККП может быть самым различным. При нахождении горловины корпуса в зоне действия ЭМ и копирующего манипулятора, известное устройство с разведенными раздвижными лапками вводится в ККП и устанавливается на захват ЭМ. Далее известное устройство устанавливается над корпусом ампулы. Копирующим манипулятором втулка с раздвижными лапками устанавливаются по нормали к корпусу, а радиусные губки - параллельно корпусу.
Известное устройство опускается радиусными губками на корпус ампулы, после чего вращением резьбовой втулки, осуществляемым копирующим манипулятором, корпус зажимается радиусными губками, поднимается и, под действием веса корпуса с размещенным в нем пучком твэлов, переводится в вертикальное положение, а затем устанавливается в пенал хранения (на чертежах не показан). Далее вращением резьбовой раздвижные лапки разводятся, и известное устройство расцепляется с корпусом ампулы.
К недостаткам известного устройства относится то, что втулки с раздвижными лапками по нормали к корпусу, а радиусных губок - параллельно корпусу и сведение его лапок при зацеплении упавшей ампулы или ее корпуса возможно только в зоне действия и ЭМ, и копирующих манипуляторов. Если зона действия ЭМ охватывает практически всю площадь ККП, то зона действия копирующих манипуляторов охватывает не более 60% ее площади, что сокращает технические возможности известного устройства.
Кроме того, известное устройство, представляющее собой сменный инструмент, устанавливается на захват ЭМ, сам являющийся сменным инструментом, что усложняет как конструкцию известного устройства, так и работу при зацеплении упавшей ампулы.
Наиболее близким устройством к заявляемому устройству по совокупности признаков является захват ЭМ (чертеж 1697-24-0003), входящий в состав сменного инструмента и предназначенный для зацепления и транспортировки ампул с пучками твэлов.
Известный захват содержит корпус с присоединенной к нему головкой с шариковым замком и байонетными пазами, служащими для дистанционного сцепления головки со шпинделем телескопа ЭМ. Шпиндель снабжен штифтами, входящими в байонетные пазы головки, а внутри шпинделя установлен толкатель, причем валопроводами телескопа обеспечивается вращение шпинделя и возвратно-поступательное движение толкателя. В корпусе на осях установлены три лапки. Сведение лапок к минимальному диаметру осуществляется подпружиненными упорами, установленными в гильзе, присоединенной радиально к корпусу, и упирающимися в наружные поверхности лапок. Разведение лапок осуществляется коническим толкателем, установленным между внутренними поверхностями лапок и взаимодействующим с роликами, установленными в пазах лапок на осях. Конический толкатель соединен с подпружиненной штангой, взаимодействующей с толкателем шпинделя ЭМ. Управление толкателем осуществляется с пульта управления ЭМ.
Для введения лапок известного захвата в проточку крышки ампулы толкатель шпинделя телескопа поднимается вверх, при этом под действием пружины штанга и соединенный с ней конический толкатель захвата тоже поднимаются вверх, а подпружиненные упоры сводят лапки до минимального диаметра и они вводятся в крышку ампулы под внутренние заплечики проточки. Далее толкателем шпинделя конический толкатель захвата перемещается вниз и, взаимодействуя с роликами на лапках и сжимая пружины упоров, разводит лапки до касания ими стенки проточки в крышке. В результате лапки зацепляют ампулу за внутренние заплечики крышки. Вращением шпинделя осуществляется поворот ампулы для считывания ее бинарного кода.
Известный захват принят заявителем в качестве прототипа.
Осуществить известным захватом зацепление и поднятие упавшей ампулы не представляется возможным, так как зацепление ампулы осуществляется за внутренние заплечики ее крышки и возможно только при вертикальном положении ампулы.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в возможности зацепления, поднятия и транспортирования упавшей ампулы ЭМ.
Для достижения указанного технического результата в захвате, содержащем корпус, установленные на корпусе через подшипниковый узел гильзу с головкой, снабженной шариковым замком и байонетными пазами, и в корпусе -штангу, соединенный с ней конический толкатель, установленные на осях лапки и ролики, подпружиненные упоры, упирающиеся в наружные поверхности лапок, корпус выполнен из двух соединенных шарнирно частей.
На верхней части корпуса установлена гильза с присоединенной к ней головкой, снабженной шариковым замком и байонетными пазами.
Штанга установлена на шлицевом соединении во втулке, размещенной между гильзой и головкой, и соединена гибким валом с винтом, установленным в резьбовой втулке, расположенной в нижней части корпуса. Винт соединен через подшипник с коническим толкателем.
Между коническим толкателем и внутренними поверхностями лапок выше их оси вращения размещены ролики, установленные на осях в пазах рычагов, а рычаги установлены на осях в расточке нижней части корпуса.
Выполнение корпуса из двух соединенных шарнирно частей и установка на верхней части корпуса гильзы с присоединенной к ней головкой, снабженной шариковым замком и байонетными пазами, позволяет дистанционно сцеплять верхнюю часть корпуса со шпинделем телескопа ЭМ.
Установка штанги на шлицевом соединении во втулке, размещенной в верхней части корпуса между гильзой и головкой, установка винта в резьбовой втулке, расположенной в нижней части корпуса, и соединение штанги с винтом гибким валом позволяет передать крутящий момент от головки, приводимой во вращение шпинделем ЭМ, винту. Соединение штанги с винтом гибким валом позволяет осуществить передачу крутящего момента от штанги к винту при расположении верхней и нижней частей корпуса под углом друг к другу.
Соединение винта через упорный подшипник с коническим толкателем позволяет передать от винта коническому толкателю только возвратно поступательное перемещение.
Размещение роликов между коническим толкателем и внутренними поверхностями лапок выше их оси вращения, установка роликов на осях в пазах рычагов, и установка рычагов на осях в расточке нижней части корпуса позволяет осуществить при возвратно-поступательном перемещении конического толкателя взаимодействие через ролики конического толкателя с внутренними поверхностями лапок. При перемещении конического толкателя вниз, он, воздействуя через ролики на внутренние поверхности лапок, расположенные выше их оси вращения, поворачивает лапки, разводя их верхние части и сжимая пружины подпружиненных упоров, упирающихся в наружные поверхности лапок и сводя одновременно расположенные ниже осей части лапок с зажимными губками, зацепляя ими упавшую ампулу.
Зацепляя упавшую ампулу ближе к ее крышке и поднимая ее, за счет смещения места зацепления ампулы от ее центра тяжести и шарнирного соединения частей корпуса, под действием веса ампулы осуществляется поворот нижней части корпуса с зацепленной ампулой относительно верхней части и в результате ампула переводится в практически вертикальное положение, в котором ампула может транспортироваться ЭМ и устанавливаться над пеналом хранения.
При перемещении конического толкателя вверх, подпружиненные упоры, упирающихся в наружные поверхности верхних частей лапок, сводят их, одновременно разводя нижние части лапок и расцепляя их с ампулой. В результате предлагаемый захват может дистанционно устанавливаться в ЭМ, вращением шпинделя ЭМ осуществлять сведение и разведение лапок захвата и зацепление упавшей ампулы в зоне действия ЭМ без помощи копирующих манипуляторов и последующее расцепление с ней. При поднятии ампулы под действием ее веса осуществляется ее переход из горизонтального в практически вертикальное положение, позволяющее осуществить транспортирование ампулы к пеналу хранения в зону действия копирующих манипуляторов. После размещения ампулы в ячейке пенала хранения вращением шпинделя ЭМ в обратном направлении осуществляется расцепление с ампулой.
Предлагаемый захват для подъема и перемещения ампулы иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 - фиг. 6.
На фиг. 1 показан захват с разведенными лапками перед зацеплением ампулы в разрезе;
на фиг. 2 - верхняя часть захвата в разрезе;
на фиг. 3 - нижняя часть захвата в разрезе;
на фиг. 4 - соединение захвата с телескопом ЭМ;
на фиг. 5 - захват при зацеплении корпуса ампулы;
на фиг. 6 - захват с поднятой ампулой.
Предлагаемый захват размещен в ККП сухого хранилища на стеллаже сменного инструмента ЭМ.
Предлагаемый захват (см. фиг. 1, 2 и 3) содержит корпус 1, выполненный из верхней 2 и нижней 3 частей, соединенных шарнирно осями 4. На верхней части 2 корпуса 1 через подшипниковый узел 5 установлена гильза 6 с присоединенной к ней головкой 7, снабженной шариковым замком 8 и байонетными пазами 9. Между гильзой 6 и головкой 7 размещена втулка 10, в которой установлена на шлицевом соединении 11 штанга 12, цилиндрический хвостовик 13 которой проходит через втулку 14 и соединен гибким валом 15 с винтом 16, установленным в резьбовой втулке 17, расположенной в нижней части 3 корпуса 1. Винт 16 соединен через подшипник 18 с коническим толкателем 19, снабженным коническими 20 и цилиндрической 21 поверхностями.
Также в нижней части 3 корпуса 1 размещены лапки 22, установленные на осях 23, в наружные поверхности 24 которых выше их осей 23 упираются подпружиненные упоры 25. Между коническим толкателем 19 и внутренними поверхностями 26 лапок 22 выше их осей 23 вращения размещены ролики 27, установленные на осях 28 в пазах 29 рычагов 30. Рычаги 30 установлены на осях 31 в расточке 32 нижней части 3 корпуса 1. Предлагаемый захват используется следующим образом.
Захват хранится в ККП на стеллаже сменного инструмента (на чертежах не показан). При необходимости его использования шпиндель 33 телескопа ЭМ располагается (см. фиг. 4) над головкой 7 таким образом, чтобы его пальцы 34 располагались над байонетными пазами 9. Шпиндель 33 вводят в головку 7, и поворачивают, при этом происходит закрытие шарикового замка 8 и байонетного соединения 35 и захват присоединяется к телескопу 36 ЭМ. ЭМ подводится (см. фиг. 5) к корпусу 37 упавшей ампулы 38 таким образом, чтобы нижняя часть 3 с разведенными лапками 22 располагалась по нормали к корпусу 37 ампулы 38 как можно ближе к ее крышке 39. Выдвижением телескопа 36 захват опускается так, чтобы лапки 22 установились на корпус 37. Включают вращение шпинделя 33, в результате чего вращающий момент через гильзу 6 и соединенную с ней втулку 10 передается шлицевым соединением 11 штанге 12 и далее через гибкий вал 15 - винту 16. Вращаясь, винт 16 опускается вниз и через подшипниковый узел 18 передает поступательное движение коническому толкателю 19. Конический толкатель 19, перемещаясь вниз, взаимодействует своими коническими поверхностями 20 с роликами 27, отклоняя ролики 27 с рычагами 30. Ролики 27, взаимодействуя в свою очередь с внутренними поверхностями 26 лапок 22, поворачивают лапки 22 вокруг их осей 23, раздвигая подпружиненные упоры 25. При этом нижние части лапок 22 сдвигаются друг к другу, зажимая корпус 37 ампулы 38. При выходе роликов 27 на цилиндрическую поверхность 21 конического толкателя 19, корпус 37 ампулы 38 зацепляется лапками 22 и прижимается к ним коническим толкателем 19. Далее осуществляется (см. фиг. 6) поднятие ампулы 38 телескопом 36 ЭМ. При поднятии ампулы 38, вследствие смещения ее места зацепления от ее центра тяжести и шарнирного соединения осями 4 верхней 2 и нижней 3 частей корпуса 1, под действием веса загруженной пучком твэлов ампулы 38 осуществляется поворот нижней части 3 корпуса 1 с зацепленной ампулой 38 относительно верхней части 2. В результате ампула 38 устанавливается в наклонное положение, в котором она транспортируется ЭМ и устанавливается над пеналом 40 хранения, находящимся в зоне действия копирующих манипуляторов. С помощью ЭМ ампулу 38 устанавливают над ячейкой пенала и копирующими манипуляторами заводят ее конец в ячейку, после чего телескопом 36 ЭМ опускают ампулу в ячейку. Далее вращением шпинделя 33 ЭМ в обратную сторону поднимают конический толкатель 19 вверх, при этом подпружиненные упоры 25, взаимодействуя с наружными поверхностями 24 лапок 22, расположенными выше осей 23, раздвигают нижние части лапок 22 и расцепляют их с ампулой 38.
В случае падения корпуса 37 при расцеплении его с крышкой 39, поднятие корпуса 37 осуществляется идентично поднятию ампулы 38.