ШЕСТИГРАННЫЕ ТРУБЫ ДЛЯ СТЕЛЛАЖЕЙ БАССЕЙНОВ ВЫДЕРЖКИ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА ВОДО-ВОДЯНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Полезная модель относится к ядерной технике, в частности, к шестигранным трубам для стеллажей бассейнов, предназначенных для хранения отработавшего ядерного топлива, а более конкретно - для хранения тепловыделяющих сборок (ТВС) со свежим или отработавшим топливом реакторов ВВЭР.
10
10
10
11
10
Операции с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ) требуют создания конструкций и материалов, обеспечивающих, в первую очередь, ядерную и радиационную безопасность. Обеспечение ядерной безопасности достигается, в том числе, использованием в средствах обращения материалов, содержащих В (В имеет наибольшее из всех элементов сечение поглощения нейтронов). У нас в стране пошли по пути создания борсодержащих сталей. В природном боре содержится 20% В и 80% В, поэтому для необходимого количества В в стали общее количество бора должно быть в четыре раза больше.
Из уровня техники известны следующие варианты изготовления труб для стеллажей хранения отработавшего ядерного топлива.
Известно 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.shtml). Поскольку технология сварки применима только при относительно низких содержаниях бора (около 1,0% вес.), то это также является препятствием для использования новых видов топлива.
Кроме этого, из описания к патенту США №4746487 (дата публикации 24.05.1988) известен стеллаж для хранения отработавших ядерных топливных стержней, имеющий множество параллельных трубок шестигранной формы, на которые нанесено напылением покрытие.
Также известна шестигранная труба для задержки нейтронных потоков, устанавливаемая в чехле контейнера для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок. Труба выполнена цельной из нержавеющей стали. Поверх трубы надеты шестигранные кольца из борсодержащего композиционного материала на основе алюминия. На внутренней стороне обечайки трубы размещены изготовленные из борсодержащего композиционного материала на основе алюминия и набранные из сегментов круглые нейтронопоглощающие кольца (патент РФ №2707871, опубликован 02.12.2019). Однако данная труба не предназначена для хранения отработавшего ядерного топлива в бассейнах выдержки.
Наиболее близким аналогом к патентуемому решению является конструкция многогранных труб для стеллажа уплотненного хранения отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, каждая из которых собрана из прокатанных и механически обработанных пластин бористой стали, скрепленных друг с другом без зазоров 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 (патент РФ №163187, опубликован 10.07.2016).
Недостатками аналога являются трудоемкость изготовления труб, а также их относительно низкая прочность.
Техническим результатом патентуемого решения является сокращение трудозатрат на изготовление труб с одновременным повышением эффективности радиационной защиты, улучшением прочностных и эксплуатационных характеристик трубы для хранения ядерных отходов.
4
Заявленный технический результат достигается за счет использования конструкции шестигранной трубы для стеллажей бассейнов, предназначенных для хранения отработавшего ядерного топлива реакторов ВВЭР, выполненной из нержавеющей стали с нанесенным методом холодного газодинамического напыления алюминиевоматричным композитом, армированным карбидом бора (ВС/Al).
Использование шестигранной формы трубы является обязательной для стеллажей бассейнов выдержки и обусловлено формой тепловыделяющих сборок.
Использование в качестве покрытия алюминиевоматричного композита, армированного карбидом бора и нанесенного методом холодного газодинамического напыления на трубы, изготовленные из коммерчески недорогих сплавов позволит производить лучшие по критерию эффективность-стоимость изделия с повышенной эффективностью радиационной защиты. В этом случае получается синергия - совместная работа субстрата (изделия, служащего подложкой) и покрытия. А именно, субстрат, обладая лучшими механическими свойствами, в том числе более высокой ударной вязкостью, по сравнению с материалом аналога, задает пространственную структуру изделия, в то время как покрытие играет функциональную роль - обеспечивает нейтронную защиту.
4
4
4
Способ нанесения ВС/Al на поверхность чехла - низкотемпературное газодинамическое напыление (НТГДН) (иначе - холодное газодинамическое напыление (ХГН)). В процессе ХГН покрытие формируется в результате пластических деформаций частиц, с высокой скоростью соударяющихся с подложкой. ХГН не требует сильного нагрева напыляемых частиц, и температура процесса не достигает точки плавления исходного порошка, что объясняет многие преимущества метода, что позволяет обеспечить толстослойное BC/Al композитного покрытия, защищающего от нейтронов. Толщина покрытия может изменяться от 0,6 до 3 мм. Оптимальное значение толщины покрытия для чехлов стеллажей бассейнов выдержки реакторов ВВЭВ 1000/1200 (при содержании в напыляемом материале 27% В и 73% Al) 0,9 мм.
2
В частности, труба может быть изготовлена из коррозионностойкой жаропрочной стали (типа 08Х18Н10Т), обладающей ударной вязкостью не менее 200 Дж/см при температуре 20°С.
Далее решение поясняется с помощью фигур, на которых изображено следующее.
На фигуре 1 - общий вид трубы;
На фигуре 2 - вид А-А по фигуре 1.
Труба 1 представляет собой шестигранную конструкцию из стали 08Х18Н10Т, собранную на специальном стенде из пластин, сваренных между собой лазерной сваркой с напыленным на них слоем 2. Напылению предшествует операция дробеструйной обработки внешней поверхности трубы. Средний размер частиц порошков Al и B4C соответственно 180 и 50 мкм. Режимы холодного напыления и параметры процесса приведены в таблице.
Линия подачи порошка
Газ
Сжатый воздух
Давление
2.30±0.05 МПа
Температура
25°C
Интенсивность подачи
15±5 г/мин
Ускоряющая линия
Газ
Сжатый воздух
Давление
2.20±0.05 МПа
Температура
300…350°C
Сопло
Материал
Сталь
Впускное отверстие
29 мм (круглое)
горловина (поперечное сечение в самом узком месте)
5×5 мм (квадратная)
Выходное отверстие
200×6мм(прямоугольник)
Длина сходящегося участка
120 мм
Длина расходящегося участка
300 мм
Скорость перемещения (хода) по соплу
0.05 мм/с
Расстояние до подложки
15 мм
Таким образом, патентуемая конструкция трубы позволяет обеспечить ядерную безопасность при использовании новых видов топлива за счет улучшения геометрии труб, уменьшить металлоемкость стеллажа и уменьшить технологические отклонения элементов конструкции стеллажа.