КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И/ИЛИ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
CONTAINER FOR SPENT NUCLEAR FUEL TRANSPORTATION AND/OR STORAGE

Изобретение относится к контейнерам для длительного хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), в частности, к металлическим контейнерам для транспортировки и/или хранения ОЯТ ядерных реакторов типа ВВЭР-1000.
Известен контейнер для радиоактивных материалов по патенту ЕР 0116412 А1 (G21F 5/00, 1984). Известный контейнер содержит кожух (корпус), отлитый из чугуна или стали, и экранирующий материал. При изготовлении контейнера экранирующий материал располагают внутри литьевой формы для кожуха, после чего следует заливка, например, чугуна в упомянутую литьевую форму. Таким образом, получают литой корпус, в котором экранирующий материал уже «погружен» в массив боковой стенки корпуса и занимает требуемое положение. С наружной стороны корпус контейнера имеет продольное оребрение для отвода тепла (ребра охлаждения). В верхней и нижней частях контейнера предусмотрены грузоподъемные цапфы. В варианте выполнения контейнера литой корпус размещен внутри кольцевого кожуха, который представляет собой две концентрично расположенные металлические обечайки, зазор между которыми заполнен экранирующим материалом. При этом через экранирующий материал пропущены установленные в массиве литого корпуса теплоотводящие элементы, прикрепленные (приваренные) соответственно к упомянутым обечайкам и выступающие наружу за внешнюю обечайку. Теплоотводящие элементы выполнены в виде радиальных продольных листовых элементов.
Недостатком известного контейнера является то, что он предполагает высокую трудоемкость изготовления и, следовательно, высокую стоимость. Вместе с этим в вариантах выполнения контейнера, в которых через экранирующий материал пропущены теплоотводящие элементы в виде радиальных продольных листовых элементов (по существу - в виде ребер), возможен «прямой прострел» нейтронов вдоль последних, что снижает уровень защиты от нейтронного излучения и, следовательно, - безопасность обращения с ОЯТ.
Известен контейнер для транспортировки и хранения ОЯТ по патенту JP 4036697 А (G21F 5/00, G21F 5/10, 1992). Контейнер содержит корпус, между внутренней и наружной цилиндрическими стенками которого имеется экранирующий слой для защиты от нейтронов. Через этот слой пропущены элементы с высокой теплопроводностью, которые с помощью сварки прикреплены к стенкам корпуса контейнера.
Однако известный контейнер предполагает при его изготовлении использование уникального сварочного оборудования и достаточно большой объем сварочных работ, что обуславливает высокую трудоемкость изготовления.
Известен контейнер для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов по патенту FR 2776118 A1 (G21F 5/005, 1999). Известный контейнер содержит защитное устройство, имеющее множество прилегающих друг к другу металлических коробов, закрепленных на внешней стенке контейнера и заполненных поглощающим нейтроны веществом. Каждый короб замкнут в продольном направлении трубным металлическим профилем, который может быть заполнен поглощающим нейтроны веществом еще до его закрепления на внешней стенке контейнера.
Однако конструкция защитного устройства, имеющего множество металлических коробов, одновременно прилегающих друг к другу и к внешней стенке контейнера, является достаточно сложной. Кроме того, сложно обеспечить полное прилегание металлических коробов к внешней стенке контейнера, т.е. отсутствует надежный теплопроводящий контакт между стенкой и коробами, что приводит к снижению надежности отвода тепла от контейнера в окружающую среду.
Известен контейнер для ОЯТ по патенту JP 2006105815 А (G21C 19/32, G21F 5/10, G21F 9/36, 2006). Контейнер содержит корпус, между внутренней и наружной цилиндрическими стенками которого имеется экранирующий слой для защиты от нейтронов. Через этот слой пропущены упругие элементы с высокой теплопроводностью, которые прикреплены к внутренней стенке корпуса контейнера с обеспечением контакта с наружной цилиндрической стенкой корпуса. Последняя выполнена составной из нескольких продольных кольцевых сегментов, соединяемых между собой с помощью сварки при сборке корпуса контейнера. При этом закрепленные на внутренней стенке корпуса упругие теплопроводные элементы поджимают соответствующими кольцевыми сегментами и таким образом обеспечивается контакт этих элементов с наружной стенкой корпуса контейнера в радиальном направлении, что обеспечивает теплопередачу между стенками корпуса.
Однако в известном контейнере контакт каждого из теплопроводных элементов с наружной стенкой осуществляется по линии, что предполагает большое тепловое сопротивление и уменьшает теплопередачу между стенками корпуса.
Известен контейнер для транспортировки и/или хранения ядерных материалов по патенту FR 2935532 A1 (G21F 5/10, 2010). Контейнер содержит корпус, включающий цилиндрические наружную и внутреннюю металлические оболочки, образующие кольцевую полость, в которой размещены средства для нейтронной защиты, а также теплопроводные средства, находящиеся в контакте с наружной и внутренней оболочками корпуса. В варианте выполнения теплопроводные средства выполнены в виде продольных профилированных металлических элементов, имеющих корытообразный профиль. Способ изготовления контейнера предусматривает, что наружная цилиндрическая оболочка имеет минимум одну продольную прорезь, ограниченную двумя продольными кромками, которые сваривают, чтобы создать кольцевую обечайку, причем усадка при сварке приводит к деформации сжатия упомянутых теплопроводных средств в радиальном направлении, при этом сварочный шов схватывает только кромки упомянутой прорези (т.е. при сварке наружная оболочка не приваривается к теплопроводным средствам). В результате усадки уменьшается диаметр наружной цилиндрической оболочки и таким образом теплопроводные средства подвергаются сжатию между внутренней и наружной оболочками корпуса, тем самым создается контакт (если он еще не был установлен) или усиливается интенсивность контакта теплопроводных средств с внутренней и наружной оболочками корпуса контейнера в радиальном направлении, что обеспечивает лучшую теплопередачу.
Недостатком известного контейнера является технологическая сложность обеспечения поджатия наружной цилиндрической оболочки ко всем продольным профилированным металлическим элементам (теплопроводным средствам), а также - возможность образования зазора между ними вследствие технологических допусков и поводки конструкции вследствие воздействия сварных швов. К недостаткам также можно отнести сложность обеспечения качества сварных швов и большую трудоемкость процесса сборки корпуса контейнера.
Известен контейнер для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива по патенту RU 2348085 C1 (G21F 5/00, 2009). Контейнер содержит металлический корпус, включающий днище, наружную и внутреннюю цилиндрические оболочки, полость между которыми заполнена материалом для поглощения нейтронов, герметичное перекрытие упомянутой полости и внутренней полости контейнера. Перекрытие выполнено, например, в виде трех защитных герметизирующих крышек, установленных одна над другой на общем основании и образующих с последним три концентричных герметизирующих контура. Две защитные герметизирующие крышки выполнены под углубление в верхней части корпуса и образуют два контура (барьера) защиты. Конструкция контейнера допускает возможность установки дополнительной наружной защитной герметизирующей крышки, которая выполнена в виде листа, который по периметру приваривают к общему основанию крышек. Корпус контейнера выполнен таким образом, что наружная цилиндрическая оболочка по высоте контейнера перекрывает кольцевые стыковые швы приварки внутренней цилиндрической оболочки к днищу и к общему основанию защитных герметизирующих крышек.
Через материал для поглощения нейтронов пропущены элементы с высокой теплопроводностью (по существу - выполняющие функцию тепловых мостов). Упомянутые элементы выполнены в виде радиальных продольных листовых элементов, которые прикреплены соответственно к наружной и внутренней оболочкам корпуса контейнера. В качестве материала радиальных продольных листовых элементов контейнер может содержать, например, медь. В варианте выполнения контейнер в качестве материала для поглощения нейтронов содержит, например, силоксановый каучук. В полость между наружной и внутренней цилиндрическими оболочками корпуса контейнера этот материал заливается в жидком состоянии с последующим твердением. Наружная цилиндрическая оболочка корпуса контейнера выполнена составной, например, из двух кольцевых сегментов с продольным оребрением, герметично соединенных между собой с помощью сварных швов. В варианте выполнения контейнер в качестве материала наружной цилиндрической оболочки корпуса содержит высоколегированную (нержавеющую) сталь. В качестве материала внутренней цилиндрической оболочки контейнер содержит низколегированную сталь. Наружная цилиндрическая оболочка корпуса контейнера закреплена на внутренней цилиндрической оболочке корпуса с поджатием посредством резьбовых элементов, которые пропущены через соответствующие отверстия, выполненные соответственно в наружной цилиндрической оболочке корпуса и в радиальных продольных листовых элементах. Таким образом, элементы с высокой теплопроводностью поджаты к наружной и внутренней оболочкам корпуса, благодаря чему существенно улучшаются условия теплопередачи в местах их соединений.
В другом варианте выполнения изобретения внутренняя цилиндрическая оболочка выполнена в виде двух концентрично расположенных обечаек, зазор между которыми заполнен, например, свинцом. В варианте осуществления изобретения днище корпуса контейнера выполнено таким образом, что является одновременно торцевым демпфирующим элементом. Это достигается благодаря тому, что с наружной стороны оно снабжено элементами, пластически деформируемыми в случае аварийного нагружения контейнера. С наружной стороны на днище также установлена нейтронная защита (материал для поглощения нейтронов, аналогичный материалу, заполняющему полость между наружной и внутренней оболочками корпуса контейнера). Аналогичная нейтронная защита установлена с наружной стороны внутренней защитной герметизирующей крышки. Для перемещения и кантования контейнера в верхней и нижней частях корпуса контейнера предусмотрены грузоподъемные цапфы. Для слива воды, осушки и заполнения внутренней полости контейнера инертным газом в верхней и нижней частях корпуса контейнера предусмотрены соответствующие клапанные устройства. Во внутреннюю полость контейнера устанавливается дистанционирующая решетка (чехол).
Однако для изготовления поковок металлического корпуса контейнера требуется уникальное кузнечно-прессовое оборудование. Вместе с тем достаточно трудоемкой является сварка составных частей толстостенной внутренней оболочки корпуса.
Известен контейнер для хранения и транспортировки радиоактивных материалов по патенту US 5641970 (G21F 5/00, 1997). Контейнер содержит корпус, между внутренней и наружной цилиндрическими стенками которого имеется экранирующий слой для защиты от γ-излучения и экранирующий слой для защиты от нейтронов. Через эти слои пропущены элементы с высокой теплопроводностью, которые прикреплены к стенкам корпуса контейнера.
К недостаткам известного контейнера можно отнести сложность обеспечения одновременного прилегания множества теплопроводящих элементов к стенкам корпуса контейнера.
Известен контейнер для хранения и транспортировки радиоактивных материалов по патенту ЕР 2048671 А2 (G21F 5/06, G21F 5/10, 2009). Контейнер содержит внутреннюю и внешние оболочки, между которыми находятся кольцевые экранирующие слои защиты соответственно от γ-излучения и от нейтронов. Слой защиты от γ-излучения располагается на внутренней стороне периметра слоя нейтронной защиты. Внутренняя и внешняя оболочки изготавливаются из углеродистой или нержавеющей стали. Между внутренней и внешней оболочками с заданным интервалом равномерно по окружности располагается множество рядов теплопроводящих ребер, которые обеспечивают теплоотвод из внутренней полости контейнера. Теплопроводящие ребра имеют L-образный профиль. При этом длинная сторона теплопроводящих ребер расположена радиально и приварена к внутренней оболочке, а короткая боковая часть теплопроводящих ребер упирается во внешнюю оболочку с некоторым усилием. Слой защиты от γ-излучения составлен из труднодеформируемых блоков, сформированных из свинца или свинцового сплава, помещенного в трубчатый элемент, который имеет более высокую упругость по сравнению с блоком, сформированным из свинца или свинцового сплава. Трубчатый элемент имеет более высокую теплопроводность, чем упомянутые труднодеформируемые блоки, и изготавливается из алюминия или алюминиевого сплава, меди или медного сплава. На контактную поверхность между слоем защиты от γ-излучения и внутренней оболочкой нанесен слой геля на основе оксида кремния или силиконового материала. Благодаря этому улучшается теплообмен между внутренней и внешней оболочками контейнера. Слой нейтронной защиты выполнен из органического материала, включающего в себя водород, и составлен из множества блоков. Каждый блок нейтронной защиты частично покрыт (перекрыт) смежными теплопроводящими L-образными ребрами, имеющими более высокую упругость по сравнению с упругостью блока нейтронной защиты. Упомянутые L-образные ребра имеют более высокую теплопроводность, чем блоки нейтронной защиты, и изготавливаются из алюминия или алюминиевого сплава, меди или медного сплава. Особенности исполнения известного контейнера позволяют уменьшить деформацию выполненного из свинцовых блоков слоя защиты от γ-излучения при внешнем силовом воздействии.
Однако известный контейнер предполагает высокую трудоемкость изготовления и, следовательно, высокую стоимость. Кроме того, конструкция контейнера не исключает возможности «прямого прострела» нейтронов вдоль радиально установленных теплопроводящих ребер.
Известен контейнер для радиоактивных материалов по патенту US 5786611 A (G21F 1/00, G21F 3/00, G21F 5/005, 1995). Известный контейнер содержит металлические наружный и внутренний стаканы, полость между которыми заполнена радиационно-защитным материалом, при этом внутренняя полость контейнера имеет герметичное перекрытие. В качестве радиационно-защитного материала использована
3
бетонная композиция, содержащая заполнитель из обедненного урана. Для образования бетона заполнитель смешивается с цементом для получения плотности 4-17 г/см. Определенная толщина слоя указанной защиты снижает γ-излучение радиоактивного материала в несколько раз.
Однако известный контейнер имеет ограниченную область использования и не предназначен для хранения ОЯТ, особенностью которого является интенсивное выделения тепла. Это связано с тем, что бетонная композиция, содержащая заполнитель из обедненного урана, обладает недостаточной теплопроводностью.
Известен контейнер для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива по патенту RU 9998 U1 (G21F 5/008, 1999). Известный контейнер содержит коаксиально расположенные металлические наружный и внутренний стаканы, полость между которыми заполнена радиационно-защитным материалом, при этом внутренняя полость контейнера имеет герметичное перекрытие, тепловые мосты для отвода тепла со сборок ТВЭЛ. Герметичное перекрытие внутренней полости контейнера состоит из двух герметизирующих крышек. В качестве радиационно-защитного материала использован демпферный наполнитель в виде сыпучей массы шарообразных частиц, отвержденных из расплава природного урана. Торцевые поверхности наружного стакана имеют амортизаторы в виде выступов полуторовой формы. Тепловые мосты выполнены в виде металлических перемычек определенного размера, расположенных между наружным и внутренним стаканами контейнера. Конструктивной особенностью контейнера является то, что внутренний стакан, наружный стакан и «тепловые мосты» представляют собой монолит из литьевого сплава ферритного высокопрочного чугуна.
К недостаткам известного контейнера можно отнести сложность технологии изготовления монолитного корпуса из высокопрочного чугуна. Указанный недостаток, в частности, обусловлен сложностью обеспечения достаточно высокой скорости охлаждения толстостенной отливки по всей толщине для обеспечения формирования необходимой структуры чугуна.
Известен транспортный упаковочный комплект (ТУК) для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) по патенту RU 56704 U1 (G21F 5/008, 2006). ТУК содержит корпус контейнера с установленными на его боковой поверхности подъемными цапфами, внутреннюю и наружную крышки, выполненные из нержавеющей стали, установленные на корпусе со средствами крепления и уплотнения и образующие с корпусом два барьера герметичности, чехол с каналами из нержавеющей стали для установки ОТВС, вставленный в герметичный стакан, установленный с натягом в корпусе контейнера, и демпферы. Корпус контейнера выполнен из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Герметичный стакан образован облицовкой из нержавеющей стали внутренней поверхности корпуса, поверхности корпуса под установку крышек и части наружной поверхности корпуса в местах установки демпферов на торцах контейнера.
К недостаткам известного ТУК можно отнести технологическую сложность изготовления облицовки корпуса контейнера, представляющей собой герметичный стакан из нержавеющей стали, имеющий сложную конфигурацию и устанавливаемый с натягом в ответный корпус контейнера, выполненный из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является контейнер для транспортировки и хранения радиоактивных материалов по патенту WO 2009075297 A1 (G21F 5/008, 2009). Контейнер содержит цилиндрический корпус, включающий литой чугунный стакан с днищем и герметичным перекрытием внутренней полости стакана. Герметичное перекрытие выполнено в виде защитных крышек, установленных одна над другой на оголовке стакана. Стакан снабжен наружной оболочкой (защитным кожухом), которая установлена соосно стакану с образованием технологического радиального зазора и снаружи частично перекрывает стакан по длине (высоте). Наружная оболочка (защитный кожух) включает внутреннюю и наружную обечайки (цилиндры), полость между которыми заполнена материалом, обеспечивающим нейтронную защиту. Через материал нейтронной защиты пропущены теплопередающие пластины, соединяющие между собой внутреннюю и наружную обечайки защитного кожуха. В упомянутом радиальном зазоре между чугунным стаканом и защитным кожухом, заполненным материалом, обеспечивающим нейтронную защиту, предусмотрен теплопроводный смазочный материал для уменьшения трения между внутренней обечайкой защитного кожуха и стенкой стакана. В качестве теплопроводного смазочного материала контейнер содержит пасту, содержащую металлический или графитовый порошок. Со стороны торца на днище чугунного стакана установлена нейтронная защита. Аналогичная нейтронная защита установлена с наружной стороны внутренней защитной герметизирующей крышки герметичного перекрытия.
Однако известный контейнер имеет достаточно высокую трудоемкость изготовления. Это связано с тем, что особенность его конструкции предполагает проведение механической обработки сопрягаемых цилиндрических поверхностей чугунного стакана и защитного кожуха для минимизации технологического радиального зазора между ними. В противном случае возможно вытекание из упомянутого радиального зазора теплопроводного смазочного материала и повышение коэффициента сопротивления теплоотводу, в результате чего снижается надежность контейнера.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании достаточно технологичного контейнера для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива реакторов типа ВВЭР-1000, особенностью которого (т.е. - ОЯТ) является, в частности, интенсивное выделение тепла и интенсивное нейтронное излучение.
Указанная задача решается тем, что предложен контейнер для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива, содержащий корпус, включающий стакан с днищем и герметичным перекрытием внутренней полости стакана, последний снабжен верхними цапфами и наружной оребренной оболочкой, которая установлена соосно стакану и частично перекрывает его по длине с образованием герметичной полости, в которой по длине установлена составная кольцевая перегородка из металла, обладающего высокой теплопроводностью, разделяющая объем упомянутой герметичной полости на внутреннюю и периферийную части. Внутренняя часть герметичной полости заполнена заливочной композицией, обеспечивающей нейтронную защиту. Через эту композицию пропущены продольные профилированные элементы из металла, обладающего высокой теплопроводностью, связывающие стакан с кольцевой перегородкой. При этом периферийная часть герметичной полости заполнена другой заливочной композицией, обладающей высокой теплопроводностью, а также обладающей в подвижном состоянии текучестью, достаточной для заполнения зазора между кольцевой перегородкой и оребренной оболочкой. Величина последнего выбрана исходя из условий обеспечения технологичности контейнера и интенсификации теплоотвода от кольцевой перегородки на наружную оребренную оболочку в загруженном состоянии контейнера при тепловом воздействии отработавшего ядерного топлива. При этом стакан и его днище выполнены за одно целое из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, а наружная оболочка - из нержавеющей стали. Причем стакан содержит антикоррозионное покрытие, нанесенное на его внутренние поверхности и по меньшей мере на часть его наружных поверхностей методом газодинамического напыления, представляющее собой коррозионностойкую композицию.
В качестве коррозионностойкой композиции контейнер может содержать коррозионностойкую композицию, включающую хром и никель.
В варианте выполнения продольные профилированные элементы выполняют роль формообразующих элементов кольцевой перегородки и конструктивно совмещены с последней.
В другом варианте выполнения контейнера кольцевая перегородка включает изогнутые пластины, которые сопряжены с продольными профилированными элементами, причем эти элементы и пластины установлены поочередно, замкнуты в окружном направлении и соединены соответственно между собой с помощью резьбовых соединений.
Вместе с этим герметичное перекрытие внутренней полости стакана выполнено в виде по меньшей мере двух крышек, установленных одна над другой на оголовке стакана и образующих с ним два концентричных герметизирующих контура.
В варианте выполнения контейнер снабжен съемными нижними цапфами, которые выполнены с возможностью установки в узлах крепления, выполненных в нижней части корпуса на оребренной оболочке стакана.
Стакан может иметь имеет узлы крепления под упомянутые съемные нижние цапфы с возможностью установки последних в отсутствие наружной оребренной оболочки.
Кроме того, в качестве заливочной композиции контейнер может содержать бетонную композицию, включающую цемент в качестве связующего.
Также в качестве заливочной композиции контейнер может содержать бетонную композицию, включающую портландцемент в качестве связующего.
Возможен вариант выполнения, когда в качестве заливочной композиции контейнер содержит бетонную композицию, включающую глиноземистый цемент в качестве связующего.
Вместе с этим корпус контейнера снабжен удародемпфирующей опорой, которая закреплена на днище стакана.
Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно позволяет повысить технологичность конструкции корпуса контейнера (т.е. - упростить технологию изготовления) и повысить эффективность отвода тепла в окружающую среду. Вместе с этим изобретение обеспечивает контейнеру для транспортировки и/или хранения ОЯТ приспособляемость к многократному воздействию дезактивирующих растворов на наружные, внутренние и торцевые поверхности контейнера, в том числе соприкасающиеся с уплотнениями защитных герметизирующих крышек.
На фиг.1 схематично показан контейнер для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива, общий вид, продольный разрез (дистанционирующая решетка с ОЯТ и торцевые противоударные демпферы на чертеже не показаны); на фиг.2 - то же, поперечный разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - теплоотводящие (теплопередающие) элементы, установленные между литым стаканом корпуса контейнера и его наружной оребренной оболочкой, а также - расположение слоев соответственно нейтронозащитной и теплоотводящей бетонных композиций, поперечный разрез, элемент Б на фиг.2; на фиг.4 - отдельно литой стакан со стационарными верхними и съемными нижними грузоподъемными цапфами (штрихпунктирной линией показаны поверхности стакана, имеющие антикоррозионное покрытие, нанесенное методом газодинамического напыления).
В варианте осуществления изобретения контейнер предназначен для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива реакторов типа ВВЭР-1000, особенностью которого (т.е. - ОЯТ) является интенсивное выделение тепла и интенсивные γ-излучение и нейтронное излучение.
Контейнер содержит корпус, включающий литой стакан 1 с днищем «а». Стакан с днищем выполнен за одно целое из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и снабжен наружной оребренной оболочкой (кольцевым кожухом) 2 из нержавеющей стали. Особенностью высокопрочного чугуна с шаровидным графитом является наличие на поверхностях отливки выступающих зерен графита, что обуславливает специфические требования к надежности сцепления наносимого покрытия и его устойчивости к радиационному воздействию. Согласно изобретению стакан содержит антикоррозионное покрытие 3, нанесенное на его внутренние поверхности (поверхности внутренней полости стакана) и на часть его наружных поверхностей методом газодинамического напыления (гиперзвуковой металлизации), представляющее собой коррозионностойкую композицию. На наружных поверхностях стакана 1 антикоррозионное покрытие 3 нанесено, например, в местах установки защитной герметизирующей крышки стакана и торцевого противоударного демпфера. В варианте осуществления изобретения коррозионностойкая композиция включает никель и хром и по своему химическому составу отвечает составу коррозионностойкой стали типа 08Х18Н10Т. Покрытие, нанесенное газодинамическим методом на высокопрочный чугун с шаровидным графитом, обеспечивает более высокую адгезионную прочность по сравнению с покрытием, нанесенным металлизацией электродуговым или газотермическим напылением или гальваническим способом, и сочетает в себе необходимые механические свойства и стойкость при дезактивации. Таким образом, изобретение обеспечивает контейнеру для транспортировки и/или хранения ОЯТ приспособляемость к многократному воздействию дезактивирующих растворов на его наружные, внутренние и торцевые поверхности, в том числе соприкасающиеся с уплотнениями защитных герметизирующих крышек. Это, в конечном счете, позволяет повысить эксплуатационные характеристики контейнера.
Оболочка 2 установлена соосно стакану 1 и снаружи частично перекрывает его по длине (по существу - по высоте) с образованием герметичной полости, в которой по длине установлена составная кольцевая перегородка 4 из металла, обладающего высокой теплопроводностью, например из меди. Кольцевая перегородка 4 разделяет объем упомянутой герметичной полости на внутреннюю (центральную) «b» и периферийную «с» части. Внутренняя часть «b» герметичной полости заполнена заливочной композицией 5, обеспечивающей нейтронную защиту. Заливочная композиция содержит в своем составе необходимое количество водорода. В загруженном состоянии контейнера при взаимодействии быстрых нейтронов с ядрами водорода происходит их эффективное замедление с последующим поглощением на конструкционных материалах контейнера. Таким образом, обеспечивается необходимая защита от нейтронного излучения. Через заливочную композицию (т.е. - материал нейтронной защиты) 5 пропущены продольные профилированные элементы 6 из металла, обладающего высокой теплопроводностью (например, из меди), связывающие стакан 1 с кольцевой перегородкой 4. В варианте выполнения элементы 6 имеют, например, корытообразный профиль.
В варианте осуществления изобретения продольные профилированные элементы 6 выполняют роль формообразующих элементов кольцевой перегородки 4 и конструктивно совмещены с последней. При этом перегородка 4 включает изогнутые пластины 7, которые сопряжены с продольными профилированными элементами 6. Элементы 6 и пластины 7 установлены поочередно, замкнуты в окружном направлении и соединены соответственно между собой с помощью резьбовых соединений.
Периферийная часть «с» герметичной полости заполнена заливочной композицией 8, обладающей высокой теплопроводностью, а также обладающей в подвижном состоянии (до отверждения) текучестью, достаточной (приемлемой) для заполнения зазора «d» между кольцевой перегородкой 4 и оребренной оболочкой 2. Вместе с этим композиция 8 вносит вклад в обеспечение нейтронной защиты. Величина зазора «d» выбрана исходя из условий обеспечения технологичности контейнера (по существу - условий обеспечения возможности сборки металлоконструкции контейнера и возможности укладки заливочной композиции 8 после монтажа оболочки 2 на стакане 1) и обеспечения интенсификации теплоотвода от кольцевой перегородки 4 на наружную оребренную оболочку 2 в загруженном состоянии контейнера при тепловом воздействии отработавшего ядерного топлива. Благодаря наличию гарантированного зазора «d» упрощается сборка корпуса контейнера за счет облегчения установки оребренной оболочки 2 на стакане 1 со смонтированными на нем продольными профилированными элементами 6 и кольцевой перегородкой 4. Заполнение полостей «b» и «с» корпуса контейнера заливочными композициями соответственно 5 и 8 производится поочередно через предусмотренные в конструкции контейнера заливочные отверстия (на чертеже не показано), которые затем герметично перекрывают.
Стакан 1 корпуса контейнера снабжен герметичным перекрытием внутренней полости «е» стакана. Герметичное перекрытие выполнено, например, в виде двух защитных герметизирующих крышек 9 и 10, установленных одна над другой на оголовке «f» стакана и образующих с последним два концентричных герметизирующих контура. Защитные герметизирующие крышки 9 и 10 выполнены под углубление в верхней части стакана 1 и образуют два контура (барьера) защиты.
В варианте осуществления контейнер в качестве заливочных композиций 5 и 8 содержит, например, бетонные композиции, включающие, каждая, цемент в качестве связующего. В другом варианте в качестве заливочных композиций контейнер может содержать бетонные композиции, включающие портландцемент в качестве связующего. Возможен вариант, когда контейнер в качестве заливочных композиций содержит бетонные композиции, включающие глиноземистый цемент в качестве связующего. При использовании в качестве заливочной композиции 8 бетонной композиции повышение ее теплопроводности (например, до уровня 1,5-3 Вт/м·град) обеспечивается за счет использования в качестве заполнителя, например, стальной дроби и/или окалины. Дробь и окалина имеют существенно более высокое значение теплопроводности по сравнению с теплопроводностью цементного камня. При достаточно большом объеме заполнителя в композиции расстояние между частицами заполнителя сокращается (вплоть до возникновения контакта между ними) и передача большей части теплового потока в загруженном состоянии контейнера при тепловом воздействии ОЯТ в этом случае происходит через металлический заполнитель (дробь и окалину), что приводит к значительному повышению теплопроводности бетонной композиции в целом. Повышение теплопроводности композиции 7 повышает количество отводимой тепловой энергии и обеспечивает возможность снижения температуры ОЯТ до допустимого уровня.
Вместе с этим композиция 8 является эффективной защитой от прямострельного нейтронного излучения, что повышает радиационную безопасность.
Корпус контейнера снабжен опорой 11, которая закреплена на днище «а» стакана 1 и выполнена таким образом, что является одновременно торцевым демпфирующим элементом. Это достигается благодаря тому, что опора снабжена элементами, пластически деформируемыми в случае аварийного нагружения контейнера. Упомянутые элементы выполнены, например, в виде пустотелых оболочек с ребрами. Со стороны торца на днище внутреннего стакана установлена нейтронная защита 12 (материал, обеспечивающий нейтронную защиту, аналогичный материалу, заполняющему кольцевую полость «b» между стаканом 1 и перегородкой 4). Аналогичная нейтронная защита 13 установлена с наружной стороны внутренней защитной герметизирующей крышки 9.
Для перемещения и кантования контейнера в верхней части корпуса контейнера предусмотрены, например, четыре грузоподъемные цапфы 14. В варианте выполнения контейнер снабжен нижними съемными цапфами 15, которые выполнены с возможностью установки в узлах крепления, выполненных в нижней части корпуса стакана 1 на наружной оребренной оболочке 2. Вместе с этим стакан 1 имеет узлы крепления под съемные нижние цапфы 15 с возможностью установки последних в отсутствие наружной оребренной оболочки. Стакан, выполненный в виде достаточно тяжелой отливки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, предполагает, в частности, проведение механической обработки как его наружных поверхностей, так и его внутренней полости, предназначенной для размещения ОЯТ. Для обработки литого стакана могут быть использованы крупногабаритные токарные, карусельные или расточные станки. Для перемещения литого стакана и его установки на один из указных станков может быть использован, например, внутрицеховой мостовой кран. Для захвата стакана грузозахватными средствами могут быть использованы хомуты, жестко охватывающие корпус стакана. Более технологичным для перемещения корпуса стакана представляется использование двух пар верхних и нижних цапф 14 и 15. Верхние цапфы 14 закреплены стационарно и в дальнейшем служат для перемещения контейнера с ОЯТ в процессе его штатной эксплуатации. Нижние цапфы 15 являются съемными и их демонтируют при установке на стакан наружной оребренной оболочки 2, которая, в свою очередь, имеет узлы крепления под установку цапф 15. Таким образом, в процессе эксплуатации контейнера с ОЯТ съемные цапфы 15, при необходимости, могут быть установлены в узлах крепления, выполненных в нижней части корпуса контейнера на наружной оребренной оболочке 2. Это позволяет облегчить обращение с контейнером при его кантовании, подъеме и перемещении.
Во внутренней полости «е» стакана 1 установлены направляющие элементы 16, взаимодействующие с соответствующими ответными элементами защитной герметизирующей крышки 9 и дистанционирующей решетки (чехла) с ОЯТ (на чертеже не показано). Направляющие элементы 16 обеспечивают заданное угловое положение защитной крышки 9 и дистанционирующей решетки относительно продольной оси корпуса контейнера. Для слива воды, осушки и заполнения внутренней полости «е» контейнера инертным газом в верхней и нижней частях корпуса контейнера предусмотрены соответствующие клапанные устройства (на чертеже не показано).
На период транспортировки на корпусе контейнера монтируют съемные торцевые противоударные демпферы (на чертеже не показано). В качестве таких демпферов могут быть использованы, например, съемные противоударные демпферы по патенту RU 2400843 (G21F 5/008, 5/08, 2010). Конструкция известного демпфера по существу представляет собой открытый конвектор, что позволяет интенсифицировать теплоотдачу корпуса контейнера.
Во внутреннюю полость «е» контейнера устанавливается дистанционирующая решетка (на чертеже не показано). В варианте осуществления изобретения в ней может быть размещено до 18-ти отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) с ОЯТ с максимальным суммарным тепловыделением 30-40 кВт. Дистанционирующая решетка (чехол) обеспечивает строго определенное расположение ОТВС во внутренней полости «е» контейнера и передачу тепла, выделяемого ОЯТ, корпусу контейнера. В варианте осуществления изобретения чехол в полости контейнера устанавливается с заданным радиальным зазором с возможностью образования теплопроводящего контакта между наружной цилиндрической поверхностью чехла и внутренней поверхностью корпуса контейнера в загруженном состоянии последнего при тепловом воздействии со стороны отработавших тепловыделяющих сборок.
Использование контейнера в промышленности осуществляется следующим образом.
Во внутреннюю полость «е» контейнера устанавливают дистанционирующую решетку (чехол). Чехол при установке опускается в полость «е» корпуса контейнера до упора в днище «а» стакана 1. Корпус контейнера с чехлом устанавливают в заполненный водой загрузочный бассейн и осуществляют загрузку под водой отработавшего ядерного топлива (ОТВС). После загрузки контейнера устанавливают его внутреннюю защитную герметизирующую крышку 9, загруженный контейнер извлекают из водяного бассейна и устанавливают на площадку обслуживания. Внутреннюю полость «е» контейнера с помощью предусмотренных на контейнере клапанных устройств (на чертеже не показано) освобождают от воды. Затем осуществляют крепление внутренней защитной герметизирующей крышки 9 и производят контроль герметичности соединения крышки 9 с оголовком «f» стакана 1 (т.е. с корпусом контейнера). Аналогичным образом закрывается защитная герметизирующая крышка 10 и производится контроль герметичности ее соединения с корпусом контейнера. После производится осушка внутренней полости «е» контейнера и открытых наружных поверхностей и при необходимости - заполнение полости «е» инертным газом с помощью предусмотренных на контейнере клапанных устройств (на чертеже не показано). После этого контейнер с ОЯТ транспортируют к месту промежуточного (предварительного) хранения (на территории АЭС или в прилегающем к ней хранилище). В месте промежуточного хранения загруженный контейнер может находиться длительное время. Затем контейнер с ОЯТ транспортируют к месту окончательного хранения в региональное хранилище или - на переработку. На период транспортировки к месту окончательного хранения (захоронения) ОЯТ с целью предохранения контейнера с ОЯТ от разрушения при возможных аварийных ситуациях и повышения радиационной защиты персонала при транспортировке оснащают съемными противоударными демпферами, которые практически не препятствуют съему тепла от контейнера.
Радиационная безопасность обеспечивается за счет использования сочетания стакана 1, оболочки 2, кольцевой перегородки 4, элементов 6 и материала заливочных композиций (нейтронной защиты) 5 и 8.
Ядерная безопасность обеспечивается, в частности, защитой ОТВС от перегрева в различных условиях хранения контейнера с ОЯТ за счет необходимого теплоотвода из внутренней полости «е» контейнера, благодаря имеющим высокую теплопроводность элементам 6, контактирующим со стаканом 1, кольцевой перегородке 4, композиции 8 и оребренной оболочке 2 корпуса контейнера. Транспортировка и хранение контейнера с ОЯТ сопровождаются достаточно интенсивным тепловыделением активной части ОЯТ. В результате теплового воздействия со стороны отработавших тепловыделяющих сборок происходит температурное расширение чехла, упомянутый радиальный зазор между наружной цилиндрической поверхностью чехла и внутренней поверхностью стакана 1 корпуса контейнера «выбирается» и тем самым между этими поверхностями обеспечивается возможность образования теплопроводящего контакта, что существенно повышает теплоотдачу. Кольцевая перегородка 4 из металла с высокой теплопроводностью равномерно распределяет тепловой поток в окружном направлении и через композицию 8, обладающую высокой теплопроводностью, передает его на всю площадь наружной поверхности оребренной оболочки (кольцевого кожуха) 2, которая равномерно передает тепловой поток посредством ребер в окружающую среду. Таким образом, обеспечивается интенсивный отвод тепла на наружную оребренную оболочку 2 корпуса контейнера и через нее - в окружающую среду. Увеличение передаваемого теплового потока и, соответственно, снижение температуры ОЯТ предохраняет его от перегрева и возможного температурного его разрушения, что повышает безопасность и, в конечном счете, позволяет повысить эксплуатационные характеристики контейнера.
Таким образом, благодаря особенности исполнения контейнера для транспортировки и/или хранения ОЯТ изобретение позволяет создать контейнер, обеспечивающий повышение технологичности конструкции корпуса контейнера, а также повышение эффективности отвода тепла в окружающую среду и приспособляемость корпуса к многократному воздействию дезактивирующих растворов, что позволяет повысить эксплуатационные характеристики контейнера.