УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ХРАНЕНИЯ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И/ИЛИ ТРАНСПОРТИРОВКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК
IMPROVED STORAGE DEVICE FOR STORAGE AND/OR TRANSPORTATION OF FUEL ASSEMBLIES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
2
Настоящее изобретение относится к области хранения и/или транспортировки тепловыделяющих сборок типа PWR (водо-водяного ядерного реактора), которые могут облучаться (случай уранооксидного (UO) или МОКС-топлива), или не облучаться, в случае МОКС-топлива.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Такое устройство, также называемое «корзиной» или «каркасом» для хранения, содержит несколько смежных кожухов, каждый из которых способен вмещать в себя тепловыделяющую сборку.
Это устройство хранения, предназначенное для вмещения в полость упаковки, сконструировано таким образом, чтобы оно было способно выполнять одновременно три основные функции, которые будут кратко изложены ниже.
Первая из них - это теплоперенос тепла, высвобожденного топливными сборками. Как правило, используют алюминий или его сплав, из-за его надлежащей теплопроводности.
Вторая функция относится к поглощению нейтронов, и заботе о поддержании докритического состояния устройства хранения, когда оно загружено топливными сборками. Его изготавливают с использованием веществ, поглощающих нейтроны, таких как бор. Дополнительно, докритическое состояние также может быть гарантировано путем обеспечения пустот, предназначенных для заполнения водой, например, непосредственно между перегородками, образующими кожухи устройства хранения.
Наконец, третья основная функция относится к механической прочности устройства, которая обеспечивается в основном за счет наличия структурных элементов, чаще всего изготавливаемых из стали. Следует отметить, что общая механическая прочность устройства должна быть совместима с нормативными требованиями безопасности для транспортировки/временного хранения ядерных материалов, в частности, в отношении так называемых испытаний «в свободном падении».
В документах FR 2 872 955 и FR 2 650 113 раскрыты корзины для хранения тепловыделяющей сборки, в которых обеспечены некоторые из функций по-отдельности, с разъединенными элементами. В решениях, предлагаемых этими документами, для каждой перегородки толщину внешних стенок на основе алюминия задают таким образом, чтобы можно было достигнуть удовлетворительной теплопроводности. Эта толщина обеих внешних стенок зависит от общей толщины перегородки, определенной заранее для выполнения задачи компактности упаковки, в целях того, чтобы кожух вмещал как можно больше топливных сборок в заданном объеме полости этой упаковки.
eff
Затем, в случае конструкции, описанной в документе FR 2 650 113, определяют толщину стенок материала, поглощающего нейтроны, расположенных между алюминиевыми стенками, а также содержание этими стенками элементов, поглощающих нейтроны. Целью является проверка докритического состояния комплекта, образованного упаковкой, в которой расположена корзина, а также топливные сборки. Критерием поиска для этого обычно является коэффициент критичности K+3σ, меньший или равный 0,95.
Для определения этих толщин, при расчете учитывают, находится ли упаковка в конфигурации загрузки водой. У воды, которая присутствует в кожухах корзины, повышается реакционная способность в комплекте. Но когда воду вводят между стенками материала, поглощающего нейтроны, обеспечивающего перегородки, это позволяет повышать КПД элементов, поглощающих нейтроны, и, таким образом, снижать нейтронные взаимодействия между сборками. Таким образом, перегородки играют роль нейтронной изоляции между кожухами.
Однако, при существующих решениях, представляется сложным установление размеров, приводящих к удовлетворительному компромиссу с точки зрения общей массы и расходов. Несомненно, повышение толщины стенок из материала, поглощающего нейтроны, выглядит как решение, приводящее к снижению содержания элементов, поглощающих нейтроны, в этих стенках, и, таким образом, к снижению их стоимости. Однако, это оказывает сильное неблагоприятное влияние на общую массу корзины, без существенного снижения необходимого содержания элементов, поглощающих нейтроны, для удовлетворения критерию докритического состояния. Для достижения удовлетворительного содержания элементов, поглощающих нейтроны, необходимо обеспечить стенки с избыточными размерами толщины, которые несовместимы с рабочими требованиями упаковки.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, изобретение имеет целью, по меньшей мере, частичное преодоление вышеупомянутых недостатков, относящихся к вариантам воплощения согласно уровню техники.
Для осуществления этого, задачей изобретения является обеспечение устройства хранения для временного хранения и/или транспортировки тепловыделяющих сборок  типа водо-водяного ядерного реактора, причем упомянутое устройство предназначено для помещения в полость упаковки и включает в себя несколько соседних кожухов, каждый из которых предназначен для приема тепловыделяющей сборки, причем кожухи ограничены разделительными перегородками, по меньшей мере, одна из которых ограничивает по любой своей стороне первый кожух и второй кожух топливной сборки.
Согласно изобретению упомянутая перегородка содержит:
- две первые стенки, каждая из которых частично ограничивает, соответственно, своей внешней поверхностью, упомянутый первый и второй кожухи, причем обе первые стенки изготовлены из первого материала, представляющего собой сплав алюминия, свободный от элементов, поглощающих нейтроны, причем обе первые стенки ограничивают первое межстеночное пространство, расположенное между ними;
- две вторые стенки, расположенные в первом межстеночном пространстве и изготовленные из второго материала, содержащего элементы, поглощающие нейтроны, и отличного от первого материала, причем каждая вторая стенка имеет внешнюю поверхность, обращенную к одной из обеих первых стенок, а также внутреннюю поверхность, расположенную таким образом, чтобы обе внутренние поверхности обеих вторых стенок были обращены друг к другу и ограничивали второе межстеночное пространство, расположенное между ними, причем расстояние между внутренней и внешняя поверхности каждой второй стенки задает толщину e2, тогда как расстояние E задано между внешней поверхностью каждой второй стенки и срединной плоскостью перегородки, параллельной первым и вторым стенкам, причем толщина e2 и расстояние E отвечают следующему условию:
0,1 ≤ e2/E ≤ 0,43.
Неожиданно, это конкретное обеспечение размеров позволяет обеспечивать функцию удовлетворительного докритического состояния, при ограничении:
- объема/массы вторых стенок, что оказывается выгодным для выполнения рабочих требований;
- содержания объема элементов, поглощающих нейтроны, во втором материале, с ограничением, таким образом, затрат на приобретение/стоимости изготовления вторых стенок;
- общего количества элементов, поглощающих нейтроны, для существенной экономии финансовых средств;
- сложности в классифицировании составных элементов, что также приводит к экономии финансовых средств;
- стоимости первых стенок, которые представляют собой элементы, являющиеся стандартными, обычными в промышленности;
- сложностей в достижении надлежащих характеристик теплопереноса для первых стенок, поскольку в них отсутствуют элементы, поглощающие нейтроны.
Иными словами, изобретение демонстрирует существование ограниченного диапазона допустимых размеров перегородок, обеспечивающего достижение всех вышеупомянутых преимуществ. С этой точки зрения, следует отметить, что известно существование сильной связи между количеством атомов водорода, расположенных в водяном зазоре, предназначенном для введения во второе межстеночное пространство при условиях загрузки/разгрузки (эти атомы вносят непосредственный вклад в замедление нейтронов), и количеством элементов, поглощающих нейтроны, во вторых стенках, в целях поглощения нейтронов после того, как они были замедлены посредством водяного зазора. Однако, никакие элементы согласно уровню техники не могут дать возможность предсказать существование такого узкого диапазона обеспечения допустимых размеров, удовлетворительно выполняющего все налагаемые критерии.
С другой стороны, изобретение обладает, по меньшей мере, любыми из следующих возможных характеристик, взятых по отдельности или в сочетании.
Для достижения даже более эффективного компромисса, толщина e2 и расстояние E должны удовлетворять следующему условию:
0,15 ≤ e2/E ≤ 0,32.
Расстояние E составляет 20-30 мм.
Второй материал содержит элементы, поглощающие нейтроны, выбранные из бора и кадмия, даже если могут подразумеваться и другие элементы, поглощающие нейтроны, без отступления от объема изобретения.
Каждая вторая стенка прижата к соответствующей первой стенке, принимая, например, форму покрытия, осажденного на внутренней поверхности первой стенки.
В качестве альтернативы, зазор J присутствует между каждой второй стенкой и соответствующей первой стенкой, причем зазор J составляет 1-5 мм. Этот диапазон величин обеспечивает КПД для высушивания между двумя стенками, сразу после сливания воды из упаковки.
Устройство хранения имеет несколько кожухов, - от четырех до двадцати четырех кожухов, причем каждый кожух предназначен для приема ядерной топливной сборки.
По меньшей мере, один из кожухов имеет поперечное сечение четырехугольной формы.
По меньшей мере, некоторые из упомянутых перегородок изготавливают с использованием конструктивных узлов с выемками, причем конструктивные узлы пересекаются и уложены один на другом вдоль направления укладки, параллельной осям кожухов.
В качестве альтернативы, по меньшей мере, некоторые из упомянутых перегородок частично изготавливают с использованием трубчатых элементов, каждый из которых внутри себя образует один из упомянутых кожухов, причем стенки этих трубчатых элементов составляют упомянутые первые стенки перегородок. В этой альтернативе, вторые стенки снаружи прикреплены к трубчатым элементам.
Задачей изобретения также является обеспечение упаковки для временного хранения и/или транспортировки ядерных топливных сборок типа водо-водяного ядерного реактора, причем упаковка содержит полость, в которую помещают устройство хранения, как было описано выше.
Наконец, задачей изобретения является обеспечение комплекта, содержащего такую упаковку, а также топливные сборки, расположенные в кожухах устройства хранения этой упаковки.
Другие преимущества и характеристики изобретения станут ясными из не ограничивающего подробного описания, приведенного ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Это описание будет сделано применительно к прилагаемым чертежам, на которых:
- Фиг. 1 представляет перспективное изображение устройства хранения для временного хранения и/или транспортировки ядерных топливных сборок согласно настоящему изобретению;
- Фиг. 2 представляет собой частичный поперечный разрез, взятый вдоль поперечной плоскости P по Фиг. 1;
- Фиг. 3 представляет разрез в поперечном направлении перегородки устройства хранения, показанной на Фиг. 2;
- Фиг. 4 представляет собой график, содержащий три кривые, показывающие содержание карбида бора во вторых стенках перегородки, как функцию соотношения размеров, связанных с этими вторыми стенками;
- Фиг. 5a и 5b показывают первую возможную конструкцию для перегородки устройства хранения; и
- Фиг. 6 представляет вторую возможную конструкцию для перегородки устройства хранения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Применительно к Фиг. 1-2 представлено устройство 1 хранения, которое помещено в полость упаковки (не представлена) для транспортировки и/или временного хранения облучаемых ядерных топливных сборок типа водо-водяного ядерного реактора (не представлены). Традиционно, когда упаковка вмещает в себя устройство 1 хранения, и когда она загружается облучаемыми топливными сборками, все эти элементы образуют комплект, создание которого также является задачей изобретения.
Как видно на Фиг. 1-2, устройство 1 хранения содержит несколько соседних кожухов 2, расположенных параллельно, причем каждый из последних простирается вдоль продольной оси 4. Каждый из кожухов 2 способен принимать, по меньшей мере, одну топливную сборку с квадратным поперечным сечением, а предпочтительно, одну такую. Обеспечено несколько кожухов, - от четырех до двадцати четырех, например, двадцать кожухов, как на Фиг. 1.
Таким образом, кожухи 2 обеспечены так, чтобы они были расположены бок о бок друг с другом. Их создают за счет нескольких разделительных перегородок 9, 11 параллельных осям 4, а также параллельных продольной оси упаковки, проходящей через ее дно и крышку. Перегородки 9, 11 образованы с использованием конструктивных 6a, 6b узлов с выемками, уложены вдоль направления 8 укладки, которое предпочтительно параллельно продольной 4 оси кожухов 2. Для удобства, в дальнейшем описании предполагается, что понятие «высота» связана с направлением 8 укладки.
Перегородки 9, 11 расположены параллельно и перпендикулярно друг к другу, таким образом, чтобы узлы 6a были расположены параллельно друг к другу, тогда как узлы 6b также расположены параллельно друг к другу, но перпендикулярно к узлам 6a.
Когда конструктивные узлы 6a, 6b уложены вдоль направления 8 укладки, перегородки 9, 11, возникающие из-за них, ограничивают все кожухи 2, каждый из которых имеет сечение в поперечном направлении почти квадратной формы. Конечно, кожухи 2 могут иметь любую другую форму, позволяя придавать различную форму удерживаемым в них топливным сборкам, такую как гексагональная форма.
В устройстве 1 хранения, представленном на Фиг. 1-2, где кожухи 2 имеют квадратное поперечное сечение, конструктивные узлы 6a образуют разделительные перегородки 9, параллельные направлению 10, тогда как конструктивные узлы 6b образуют разделительные перегородки 11, параллельные направлению 12, причем направления 8, 10 и 12 перпендикулярны друг к другу.
Является предпочтительным, чтобы каждый из узлов 6a, 6b простирался между двумя периферийными 14 перегородками, к которым он прикреплен, причем эти периферийные 14 перегородки позволяют устройству 1 хранения быть закрытым по бокам. В качестве поясняющего примера и как представлено, эти периферийные 14 перегородки могут быть обеспечены в количестве четырех, причем каждая из них простирается по всей высоте устройства 1 и частично ограничивает периферийные кожухи 2 этого устройства 1.
С другой стороны, как четко ясно из вышесказанного, перегородки 9, 11 участвуют в ограничении нескольких кожухов 2 по любой своей стороне. С этой точки зрения, Фиг. 3 показывает часть одной из разделительных перегородок 9, ограничивающих по любой своей стороне первый кожух 2, а также второй кожух 2, причем их две оси 4 расположены во вспомогательной плоскости, ортогональной к плоскости перегородки 9. На Фиг. 3 представлены только два кожуха 2, но как было упомянуто ранее, следует понимать, что является предпочтительным, чтобы эта перегородка 9 была обеспечена таким образом, чтобы она ограничивала один или более других кожухов 2 по любой своей стороне. Перегородка 9 по Фиг. 3 далее будет описана более подробно, и следует считать, что другие перегородки 9, а также вышеупомянутые перегородки 11, имеют идентичную или сходную конструкцию.
Перегородка 9 обладает симметрией вдоль срединной плоскости 20, ортогональной к поперечной плоскости P по Фиг. 1. На каждой стороне этой плоскости 20, перегородка 9 включает в себя первую 22 стенку, параллельную к срединной плоскости 20, и содержащую внешнюю 24 поверхность, а также внутреннюю 26 поверхность. Внешняя 24 поверхность частично ограничивает соответствующий кожух 2, тогда как две внутренние 26 поверхности обеих стенок 22 ограничивают первое межстеночное пространство 28, расположенное между ними.
Первые 22 стенки изготавливают из сплава алюминия, свободного от элементов, поглощающих нейтроны. Указывается, что под элементами, поглощающими нейтроны, понимают элементы, которые обладают эффективным поперечным сечением, выше 100 барн для тепловых нейтронов. В качестве указывающих примеров, в сплаве алюминия отсутствует бор, гадолиний, гафний, кадмий, индий, и т.д.
В случае конструкции с уложенными и пересекающимися сборками с выемками, каждая первая 22 стенка, таким образом, оказывается сегментированной вдоль направления высоты устройства 1.
Толщина e1 каждой первой 22 стенки составляет, например, 5-25 мм, тогда как расстояние «a», разделяющее обе внешние 24 поверхности, составляет порядка 40-100 мм, тогда как расстояние «d», разделяющее обе внутренние 26 поверхности, составляет порядка 30-60 мм.
В первом 28 межстеночном пространстве, с каждой первой 22 стенкой связана вторая 30 стенка, параллельная срединной плоскости 20. Каждая стенка 30 содержит внешнюю 34 поверхность, а также внутреннюю 36 поверхность. Внешняя 34 поверхность обращена к внутренней 26 поверхности ее первой, связанной с ней стенки, тогда как обе внутренние 36 поверхности обращены друг к другу и ограничивают второе 38 межстеночное пространство, расположенное между ними.
4
Вторые 30 стенки изготавливают из второго материала, содержащего элементы, поглощающие нейтроны, например, из сплава, содержащего карбид бора (BC), предпочтительно, из сплава алюминия.
В случае конструкции с уложенными и пересекающимися сборками с выемками, каждая вторая стенка 22 также сегментирована вдоль направления высоты устройства 1.
В варианте воплощения, продемонстрированном на Фиг. 3, зазор J обеспечен между 26 внутренней поверхностью и обращенной к ней внешней 34 поверхностью. Этот зазор J составляет, например, 1-5 мм, для обеспечения надлежащей эффективности высушивания между обеими стенками 22, 30, сразу после выпуска воды из упаковки. В качестве альтернативы, вторая 30 стенка может быть прижата к внутренней 26 поверхности ее соответствующей первой стенки, для ограничения просачивания воды. Для осуществления этого, может быть воплощена технология нанесения второй 30 стенки на первую 22 стенку, например, таким образом, чтобы последняя принимала форму покрытия, осажденного на внутреннюю 26 поверхность. Например, это может быть композит, содержащий металлическую матрицу с загруженными частицами, содержащий элементы, поглощающие нейтроны.
Толщина e2 каждой первой 22 стенки составляет, например, 2-10 мм, тогда как расстояние «E», отделяющее внешнюю 34 поверхность от срединной плоскости 20, составляет, например, 15-40 мм, и даже предпочтительно 20-30 мм.
4
Один из признаков изобретения состоит в выборе размеров для толщины e2 и расстояния E, таким образом, чтобы они удовлетворяли условию 0,1 ≤ e2/E ≤ 0,43, а более предпочтительно, 0,15 ≤ e2/E ≤ 0,32, соответствующему случаю, когда E составляет 23,5 мм, и достигаются величины e2, для которых удовлетворяется условие Keff+3σ, с максимальным содержанием карбида бора (BC) 25%.
Несомненно, было отмечено, что эти диапазоны соотношений размеров успешно приводят к получению перегородок, удовлетворяющих критериям затрат, массы и докритического состояния.
Теперь обратимся к Фиг. 4, где показан график, на котором представлены кривые (a) и (b) и (c), представляющие собой зависимость содержания объема карбида бора в сплаве алюминия, требуемого для достижения коэффициента критичности Keff+3σ, равного величине 0,95, от соотношения e2/E.
Для кривой (a) расстояние E задано равным 23,5 мм, тогда как для кривой (b) расстояние E задано равным 20 мм, а для кривой (c) расстояние E задано равным 30 мм.
Неожиданно было обнаружено, эти кривые показали, что для соотношений e2/E, равных 0,1-0,43, объемное содержание карбида бора, достаточное для удовлетворения критерия докритического состояния, не превышает 26%, что облегчает изготовление вторых 30 стенок при разумных затратах.
Также неожиданно было обнаружено, что эти кривые показали, что минимальное содержание, удовлетворяющее критерий докритического состояния, соответствует идентичному соотношению e2/E, независимо от величины E, причем это оптимальное соотношение Rop почти равно 0,23. Таким образом, три кривые смещены по оси ординат, соответствующей содержанию карбида бора. Чем выше величина E, тем ниже требуется объемное содержание карбида бора, и наоборот.
Это содержание даже снижается примерно до 25%, когда соотношение e2/E составляет 0,23, а величины E составляют более 20.
Для величин E, больших или равных 23,5 мм, это содержание еще больше снижается до значений менее 23%, когда соотношение e2/E задано равным 0,2-0,25.
Обратимся теперь к Фиг. 5a и 5b, где показаны узлы 6a, 6b для формирования перегородок 9, 11, на двух различных конфигурациях при компоновке. Каждый из этих узлов 6a, 6b имеет разделители 40, разделяющие две вторые 30 стенки. Они снабжены выемками 42, сделанными на первых 22 стенках, для обеспечения компоновки путем укладывания штабелями и пересечения, способом, описанном в документе FR 2 872 922. В дополнение, указано, что вторые 22 стенки не простираются по пересекающимся частям, так что они прерываются вдоль каждого узла 6a, 6b. Это способствует возникновению экономии финансовых средств, без ослабления критерия докритического состояния, поскольку пересекающиеся зоны обладают достаточно низким коэффициентом критичности.
Согласно другому варианту воплощения, показанному на Фиг. 6, обеспечены трубчатые элементы 50 с квадратным поперечным сечением, каждый из которых образует один из кожухов 2. Все или лишь некоторые из четырех стенок трубчатого элемента 50 образуют первые 22 стенки, которые снаружи покрыты второй 30 стенкой. Перегородка 9, таким образом, образуется за счет обращения друг к другу частей двух соседних трубок 50.
Конечно, специалисты в данной области техники могут обеспечить различные модификации вышеописанных устройств хранения 1, но лишь в виде не ограничивающих примеров.