Пенал для транспортирования жидкого отработавшего ядерного топлива

Полезная модель относится к области атомной промышленности, в частности, к транспортированию отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) ядерных реакторов на переработку, а именно, к конструкции пенала для транспортирования жидкого отработавшего ядерного топлива.
Гомогенные реакторы российского происхождения работают на водном растворе уранилсульфата UO2SO4. Существуют реакторы, в которых использованы другие типы растворов.
Согласно рекомендациям МАГАТЭ, работы по выводу из эксплуатации ядерных объектов должны начинаться только после удаления с площадки ядерного топлива и других источников излучения.
Обеспечение безопасности технологии обращения с растворами солей урана, отработавших в активной зоне, является безусловным требованием при работах по выводу из эксплуатации установок с жидкосолевыми ядерными реакторами.
При извлечении топлива из реактора, его временном хранении, загрузке в транспортный контейнер и транспортировании к месту переработки, в том числе воздушным транспортом, необходимо выполнять нормативные требования по обеспечению безопасности работ.
Из уровня техники известен контейнер, пригодный для хранения и транспортировки расщепляющегося материала (Патент РФ №2331123, G21F 5/002, опубл. 10.08.2008), который содержит внутренний кольцеобразный приемник (внутреннюю камеру), размещенный внутри наружной кольцеобразной камеры. На верхней части контейнера предусмотрены два противоположных отверстия для введения расщепляющегося материала в приемник и извлечения расщепляющегося материала из приемника. Отверстия экранированы фланцами и герметизированы крышками.
Кольцеобразный контейнер обладает свойством ударостойкости. Наружная камера функционирует как амортизатор для защиты внутренней камеры. Если наружная камера разрывается, расщепляющийся материал содержится во внутренней камере. Наружная камера также функционирует с целью содержания в ней пролившегося расщепляющегося материала в том случае, если разрушение получает внутренний приемник. Контейнер изготавливается формовочным литьем из полиэтилена.
Контейнер обеспечит транспортирование расщепляющегося материала только без значительных механических нагрузок, преимущественно внутри объекта, но не обеспечит безопасность при транспортировании между объектами, например, при перевозке жидкого ОЯТ ядерных реакторов на предприятия по его переработке, в том числе при транспортировании воздушным транспортом.
Известна емкость для хранения жидких радиоактивных отходов (Авторское свидетельство SU №1153720, G21F 9/22, опубл. 27.08.1999), содержащая корпус (бак) с крышкой, трубопровод подвода радиоактивной среды, сообщенный с нижней частью емкости, и трубы подвода и отвода газа. Емкость снабжена установленными по ее высоте конусообразными разделительными перегородками, ориентированными центральной частью вверх и герметично закрепленными между стенкой бака и вертикальной трубой отвода газа. Внутренняя полость трубы отвода газа связана клапанами и гидрозатвором соответственно с верхней и нижней частями каждой замкнутой секции между перегородками, а внутри трубы отвода газа размещен перфорированный трубопровод подвода радиоактивной среды. Каждая секция подключена через клапаны к трубе отвода газа. Подключение каждой секции к трубе подвода газа выполнено через перфорированные наклонные трубки, размещенные под каждой перегородкой.
Емкость может быть использована для транспортирования жидких радиоактивных отходов внутри объекта без значительных механических нагрузок, однако невозможно обеспечить защиту емкости, соответствующую требованиям безопасности при транспортировании между объектами, например, при перевозке жидкого ОЯТ ядерных реакторов на предприятия по его переработке, особенно при транспортировании воздушным транспортом.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемой полезной модели, заключается в повышении безопасности при выполнении работ по загрузке жидкого ОЯТ в пенал, транспортировании пенала в специальных транспортных упаковках, в том числе воздушным транспортом, и выгрузке жидкого ОЯТ из пенала.
Указанный технический результат достигается тем, что пенал для транспортирования жидкого отработавшего ядерного топлива содержит корпус с крышкой, трубку подвода и отвода отработавшего ядерного топлива, сообщенную с нижней частью пенала, и патрубок газовый. В горловине корпуса установлен штуцер топливный, соединенный с трубкой подвода и отвода отработавшего ядерного топлива, и штуцер газовый, соединенный с патрубком газовым. В верхней части внутренней полости корпуса установлен аэратор, по меньшей мере, один, и биологическая защита. При этом штуцер топливный или трубка подвода и отвода отработавшего ядерного топлива и штуцер газовый или патрубок газовый проходят через биологическую защиту. Кроме того, штуцер топливный снабжен герметизирующей пробкой. В патрубке газовом установлен запорный клапан, а на торце патрубка газового установлено приспособление с каналом, форма и протяженность которого выбрана из условия предотвращения попадания жидкого отработавшего ядерного топлива в патрубок газовый. Геометрические параметры пенала выбраны из условия обеспечения ядерной безопасности, а диаметр трубки подвода и отвода отработавшего ядерного топлива выбран из условия обеспечения загрузки и выгрузки транспортируемого отработавшего ядерного топлива с учетом его физических свойств.
Аэратор может быть выполнен преимущественно в виде сетки, размещенной внутри кольца.
Биологическая защита может быть выполнена преимущественно в виде пробки, например, из свинца.
Штуцер газовый выполнен в виде быстроразъемного соединения.
Герметизирующая пробка может быть установлена в штуцере топливном по посадке «шар-конус», а штуцер топливный снабжен накидной гайкой для прижатия герметизирующей пробки.
Канал может быть выполнен в виде лабиринта.
Крышка может быть снабжена грибком, преимущественно полым.
Дно корпуса со стороны внутренней полости может иметь коническую форму.
На корпусе и крышке выполнена резьба для их соединения.
Корпус пенала представляет собой герметичный сосуд для приема жидкого ОЯТ, дно которого со стороны внутренней полости может иметь коническую форму для облегчения слива жидкого ОЯТ из пенала.
Штуцер топливный и трубка подвода и отвода жидкого ОЯТ, сообщенная с нижней частью пенала, предназначены для заполнения пенала жидким ОЯТ или его слива. Наличие в штуцере топливном герметизирующей пробки и накидной гайки для ее прижатия предотвращает выход топлива из пенала при его транспортировке и обеспечивает защиту персонала при обращении с пеналом, что повышает безопасность работ. Установление герметизирующей пробки в штуцере топливном по посадке «шар-конус» обеспечивает надежную герметизацию.
Штуцер газовый, соединенный с патрубком газовым, предназначен для вакуумирования пенала при заполнении его жидким ОЯТ, замены в нем газовой среды и контроля герметичности пенала после заполнения жидким ОЯТ.
Запорный клапан, установленный в патрубке газовом, открывается при достижении минимально необходимого избыточного давления, выпуская газ из внутренней полости пенала через штуцер газовый, обеспечивая безопасность эксплуатации пенала.
Приспособление с каналом заданной формы и протяженности, например, в виде лабиринта, установленное на торце патрубка газового, предотвращает попадание жидкого отработавшего ядерного топлива в патрубок газовый, способствует повышению безопасности при эксплуатации пенала.
Наличие в верхней части внутренней полости корпуса аэраторов преимущественно в виде сетки позволяет задерживать на них капли жидкого ОЯТ, образующиеся при барботировании во время заполнения пенала, тем самым предотвращает попадание капель жидкого ОЯТ в патрубок газовый, повышая безопасность работ.
Биологическая защита, установленная в верхней части внутренней полости корпуса, через которую проходят штуцер топливный или трубка подвода и отвода отработавшего ядерного топлива и штуцер газовый или патрубок газовый, обеспечивает защиту персонала от ионизирующего излучения жидкого ОЯТ в вертикальном направлении во время установки/снятия крышки, тем самым повышает безопасность при эксплуатации пенала.
Геометрические размеры и форма пенала выбраны из условия обеспечения ядерной безопасности при транспортировании отработавшего ядерного топлива.
Выбор диаметра трубки подвода и отвода отработавшего ядерного топлива, исходя из условия обеспечения загрузки и выгрузки транспортируемого отработавшего ядерного топлива с учетом его физических свойств, позволяет обеспечить требования по безопасному проведению указанных операций.
Крышка обеспечивает защиту установленных в горловине корпуса штуцеров топливного и газового от механических повреждений при обращении с пеналом. Грибок на крышке пенала является конструктивным элементом, выполняющим две функции: он служит строповым устройством при выполнении транспортно-технологических операций с пеналом, а также является элементом, входящим в систему демпфирования упаковки, обеспечивающей безопасность при транспортировании пенала в составе специальных транспортных упаковочных комплектов.
В качестве графического изображения представлен чертеж пенала для транспортирования жидкого отработавшего ядерного топлива в разрезе.
Пенал для транспортирования жидкого отработавшего ядерного топлива содержит корпус 1 с крышкой 2, на которых выполнена резьба для их соединения. Дно корпуса 1 со стороны внутренней полости выполнено конической формы. Трубка подвода и отвода отработавшего ядерного топлива 3, сообщенная с нижней частью пенала, соединена со штуцером топливным 4, установленным в горловине корпуса 1. Трубка подвода и отвода отработавшего ядерного топлива 3 и штуцер топливный 4 являются элементами топливного канала для загрузки жидкого ОЯТ в пенал и его выгрузки. В горловине корпуса 1 установлен также штуцер газовый 5, который выполнен в виде быстроразъемного соединения и соединен с патрубком газовым 6. Эти элементы образуют газовый канал для откачки газа из пенала при вакуумировании пенала для заполнения его жидким ОЯТ, замены в пенале газовой среды и контроля герметичности пенала после заполнения жидким ОЯТ.
В верхней части внутренней полости корпуса 1 установлена биологическая защита 7, через которую проходят топливный канал и газовый канал. При этом через биологическую защиту 7 проходят штуцер топливный 4 или трубка подвода и отвода отработавшего ядерного топлива 3 и штуцер газовый 5 или патрубок газовый 6. В пенале, представленном на чертеже, биологическая защита 7 выполнена в виде пробки, через которую проходят штуцер топливный 4 и патрубок газовый 6.
В верхней части внутренней полости корпуса 1 установлены два аэратора 8, выполненные в виде сетки, размещенной внутри кольца.
Штуцер топливный 3 снабжен герметизирующей пробкой 9 и накидной гайкой 10 для прижатия герметизирующей пробки 9. В патрубке газовом 6 установлен запорный клапан 11, а на торце патрубка газового 6 установлено приспособление с каналом 12, форма и протяженность которого выбрана из условия предотвращения попадания жидкого ОЯТ в патрубок газовый 6. В пенале, представленном на чертеже, канал в приспособлении 12 выполнен в виде лабиринта.
Крышка 2 корпуса 1 снабжена грибком 13.
Работа пенала осуществляется следующим образом.
К штуцеру газовому 5 подключается вакуумный насос, а к штуцеру топливному 4 подключается трубопровод и запорная арматура для соединения его с комплексом оборудования для выгрузки и временного хранения жидкого ОЯТ. При включении вакуумного насоса клапан 11 в патрубке газовом 6 открывается, и во внутренней полости корпуса 1 создается разряжение. Жидкое ОЯТ через штуцер топливный 4 и трубку подвода и отвода ОЯТ 3 поступает в пенал. Капли жидкого ОЯТ, образующиеся при барботировании во время заполнения пенала, задерживаются на сетках аэраторов 8, предотвращая попадание капель жидкого ОЯТ в патрубок газовый 6. Приспособление 12 с каналом в виде лабиринта, установленное на торце патрубка газового 6, также предотвращает попадание жидкого ОЯТ в патрубок газовый 6. После заполнения пенала жидким ОЯТ штуцер газовый 5 подключается к установке замены среды с гелием и производится заполнение гелием внутреннего свободного объема пенала. После чего штуцер топливный 4 отключается от трубопровода для подачи топлива, и на него устанавливается по посадке «шар-конус» герметизирующая пробка 9, которая прижимается накидной гайкой 10. Контроль герметичности пенала осуществляется с помощью гелиевого течеискателя. Корпус 1 закрывается крышкой 2 с грибком 13 для предотвращения механического повреждения штуцеров и дополнительного демпфирования при транспортировке пенала в составе ТУК.
Биологическая защита 7, установленная в верхней части внутренней полости корпуса 1, обеспечивает защиту персонала от ионизирующего излучения жидкого ОЯТ в вертикальном направлении во время установки/снятия крышки 2.
Диаметр трубки подвода и жидкого ОЯТ 3 выбран из условия обеспечения загрузки и выгрузки транспортируемого ОЯТ с учетом его физических свойств, в частности, для водного раствора уранилсульфата выбрана трубка 3 с наружным диаметром 6 мм при толщине стенки 1 мм.
3
Геометрические параметры пенала выбраны из условия обеспечения ядерной безопасности. Габаритные размеры пенала для транспортирования жидкого ОЯТ водного раствора уранилсульфата составляют - диаметр 70,0 мм, длина не более 711,5 мм. Объем загружаемого жидкого ОЯТ для водного раствора уранилсульфата не более 1,76 дм.
Основной конструкционный материал пенала - сталь 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72. Материал биологической защиты 7 - свинец С3 по ГОСТ 3778-98.
Проведенный расчет по оценке состояния конструкции пенала, загруженного жидким ОЯТ, при аварийном механическом воздействии, вызванном вертикальным осевым падением пенала дном на жесткое основание с высоты 1,7 м (максимально возможная высота падения пенала при загрузке пеналов в транспортную упаковку ТУК), позволил сделать вывод, что при этом сохраняется целостность и герметичность пенала, что, в свою очередь, исключает выход жидкого ОЯТ из пенала.
Перевозка пеналов может осуществляться в контейнере SKODA VPVR/M, размещаемом в упаковке ТУК-145/С. Для обоснования выбранной конструкции была проведена серия численных расчетов по анализу процессов взаимодействия упаковки ТУК-145/С, загруженной пеналами с жидким ОЯТ, с жесткой преградой при столкновении со скоростью 90 м/с. Установлено, что во всех рассмотренных случаях столкновений (осевом, боковом и угловом) пеналы с жидким ОЯТ, находящиеся внутри контейнера SKODA VPVR/M, сохраняют свою целостность и герметичность, что исключает выход жидкого ОЯТ из пеналов и попадания его в полость контейнера SKODA VPVR/M в случае авиационной аварии.
Таким образом, перевозка пеналов в нормальных и аварийных условиях соответствует требованиям безопасности российского документа НП-053-04 и правил МАГАТЭ SSR-6 для упаковок типа С и типа В, соответственно, в том числе перевозимых по воздуху.