ГЕРМЕТИЧНЫЙ ПЕНАЛ ХРАНЕНИЯ АМПУЛ С ПУЧКАМИ ОТРАБОТАВШИХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
TIGHT CASE FOR STORAGE OF AMPOULES WITH BUNDLES OF SPENT FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности, к средствам для хранения отработавших ядерных топливных элементов реактора РБМК-1000 а более конкретно к средствам для обеспечения безопасности при перегрузке ампул, загруженных пучками отработавших тепловыделяющих элементов (твэлов) реактора РБМК-1000, и предназначено для использования в «сухом» хранилище отработавшего ядерного топлива.
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 (см. патент РФ №2324241). Транспортный чехол с ампулами с пучками твэлов извлекается из защитного контейнера и помещается в приемном гнезде камеры комплектации пеналов (далее по тексту - ККП). В ККП осуществляется перегрузка ампул с пучками твэлов из транспортного чехла в герметичные пеналы хранения отработавшего ядерного топлива (см. патент РФ №2372678, Кл. G21F 5/008, 2008), далее по тексту - пеналы. Перегрузка ампул с пучками твэлов осуществляется дистанционно электромеханическим некопирующим мостовым манипулятором грузоподъемностью 500 кг (проект 1697-20-0002 разработки ОАО «Центральное конструкторское бюро машиностроения»).
После полного заполнения корпуса пенала ампулами с пучками твэлов, на корпус пенала устанавливают крышку, соединяют ее с корпусом на сварке, осуществляют через клапан крышки вакуумирование и заполнение пенала азотно-гелиевой смесью с избыточным давлением, после чего герметизируют клапан сваркой и осуществляют контроль герметичности сварных швов. Далее по существующей транспортной схеме с помощью мостового крана-манипулятора, передаточной машины пеналов и перегрузочной машины полностью загруженные пеналы устанавливаются в гнезда хранения.
Известный герметичный пенал хранения отработавшего ядерного топлива реактора РБМК-1000 (см. патент РФ №2372678, Кл. G21F 5/008, 2008), в который загружаются ампулы с пучками твэлов, выбран заявителем в качестве прототипа.
Известный пенал состоит из корпуса, решетки и крышки. Корпус образован цилиндрической обечайкой, на верхнем утолщенном конце которой выполнена расточка для установки и последующей приварки крышки, и глухим днищем с амортизатором. Корпус снабжен центральной трубой для сцепления ее с крышкой до ее приварки, для чего в верхней утолщенной части трубы выполнена расточка с заходной фаской и специальной проточкой. Крышка представляет собой диск, в центральной утолщенной части которого выполнено сквозное ступенчатое отверстие, в котором расположен клапан для откачки и заполнения корпуса средой хранения, а также шариковый замок для сцепления крышки с корпусом пенала до приварки ее к корпусу. На крышке выполнены бурт и грибок грузозахватного устройства. На торце грибка выполнена кромка для заварки клапана. Клапан включает в себя шарик в центрирующей опоре, управляющую стержень-заглушку и две пружины. На верхнем торце управляющей стержня-заглушки выполнена кромка для заварки клапана.
Шариковый замок состоит из втулки, шариков, размещенных в отверстиях в центральной утолщенной части крышки, пружины и гайки.
Открытие клапана производится внешним толкателем, который, преодолевая сопротивление пружин, перемещает стержень-заглушку шарик, центрирующую опору до упора во втулку шарикового замка, а при дальнейшем перемещении стержня-заглушки происходит сжатие пружины шарикового замка. При этом шарики замка оказываются в зоне проточки, шариковый замок открывается при подъеме крышки, и крышка снимается с корпуса пенала. После снятия усилия со стороны внешнего толкателя втулка шарикового замка поднимается под действием пружины шарикового замка, а элементы клапана под действием двух пружин клапана. Решетка служит для размещения ампул с пучками твэлов в пенале и предотвращения неконтролируемого самопроизвольного перемещения их при транспортировании и хранении, которые осуществляются в вертикальном положении. Решетка выполнена в виде набора дисков с соосными отверстиями, образующими ячейки для размещения ампул с пучками твэлов. Диски закреплены на вертикальных стойках на определенных расстояниях друг от друга, рассчитываемых по формуле, что позволяет осуществлять установку ампул с допускаемой непрямолинейностью.
Работа с пеналом осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии крышка установлена в корпусе пенала, клапан и шариковый замок закрыты. После внесения пенала в защитную камеру управляющая стержень-заглушка внешним толкателем опускается вниз, сжимает пружины клапана, центрирующая опора упирается во втулку и сжимает пружину шарикового замка. При этом шарики замка оказываются в зоне проточки, шариковый замок открывается при подъеме крышки, крышка снимается с корпуса пенала. Ампулы с пучками твэлов устанавливаются в ячейки решетки. После загрузки пенала ампулами с пучками твэлов, крышка устанавливается на корпус пенала, при этом нижний конец центральной части крышки первоначально заходит в верхнюю часть центральной трубы, что должно способствовать совмещению свариваемых кромок крышки и корпуса пенала. Далее крышка сваривается с корпусом, управляющей стержнем-заглушкой открывается клапан, через который осуществляется вакуумирование и заполнение пенала азотно-гелиевой смесью с избыточным давлением, после чего клапан закрывается. Герметизация клапана осуществляется последующей сваркой кромок стержня-заглушки и торца грибка крышки. После контроля герметичности сварных швов, загруженные известные пеналы транспортируют в гнезда хранения.
Проведенный анализ безопасности показал, что при перегрузке в ККП ампул с пучками твэлов существует вероятность их падения на пол ККП вследствие того, что лапки захвата электромеханического некопирующего мостового манипулятора, вводимые во внутреннюю полость крышки ампулы, опираются на внутренний бурт крышки шириной всего 2 мм.
Так как ячейки для размещения ампул с пучками твэлов образованы отверстиями в дисках, закрепленных на определенных расстояниях друг от друга, в них могут быть установлены ампулы только с допускаемой непрямолинейностью. В случае падения ампула может быть деформирована и ее непрямолинейность будет превышать допускаемую. Установка деформированной ампулы с повышенной непрямолинейностью в ячейки известного пенала будет невозможна, так как ампула не сможет пройти через отверстия в дисках решетки, диаметр которых превышает диаметр ампул в 1,03 раза. Кроме того, при падении ампулы не гарантируется герметичность циркониевых трубок с топливными таблетками. Исходя из этого, деформированная при падении ампула должна устанавливаться в герметичный пенал с регулируемым в зависимости от деформации сечением ячеек.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении безопасности при перегрузке ампул с пучками твэлов за счет размещения деформированных ампул с пучками твэлов в ячейках переменного сечения герметичного пенала.
Для достижения указанного технического результата в герметичном пенале хранения ампул с пучками тепловыделяющих элементов реактора РБМК-1000, содержащем корпус, вертикальные стойки и штатную крышку с грузозахватным устройством, выполненным на крышке в виде центрального грибка и дублирующего захватного бурта, выполненного по периферии крышки, установленные в центральном грибке крышки клапан для откачки и заполнения пенала средой хранения и контроля герметичности и управляющий им стержень-заглушку, решетку, образующую ячейки для размещения ампул с пучками тепловыделяющих элементов, особенностью является то, что в корпусе пенала установлен на сварке фланец, к которому на период загрузки сухого хранилища присоединяется на болтах съемная временная крышка с центральным грибком и дублирующим захватным буртом, решетка выполнена из присоединенных на сварке к фланцу с нижней стороны продольных пластин, с верхней стороны которых выполнены пазы, в которые установлены съемные поперечные пластины, а после загрузки сухого хранилища вместо съемной временной крышки на сварке устанавливается штатная крышка.
Для герметизации предлагаемого пенала на период загрузки сухого хранилища между фланцем и временной крышкой установлена прокладка из термостойкого эластичного материала.
С учетом того, что в случае падения ампулы с пучком твэлов ее деформация и непрямолинейность может быть различной, шаг между продольными пластинами составляет 1,1 диаметра ампулы, пазы на продольных пластинах выполнены с шагом, равным 0,25 диаметра ампулы, а в съемных поперечных пластинах с нижней стороны выполнены пазы с шагом, равным шагу между продольными пластинами.
Для исключения деформаций корпуса предлагаемого пенала при падении вертикальные стойки установлены в корпусе между фланцем и дном пенала.
Установка в корпусе предлагаемого пенала на сварке фланца, к которому на период загрузки сухого хранилища присоединяется на болтах временная съемная крышка с центральным грибком и дублирующим захватным буртом, позволяет:
- после установки пенала в загрузочное гнездо ККП, снять крышку и осуществить загрузку в предлагаемый пенал деформированной ампулы с пучком твэлов;
- после загрузки на предлагаемый пенал вновь поставить крышку и по существующей транспортной схеме установить его в гнездо хранения сухого хранилища;
- возвращать предлагаемый пенал в ККП для установки в него следующей деформированной ампулы в случае ее появления.
Тем самым, предлагаемый пенал позволяет использовать его в качестве средства безопасности на весь период загрузки сухого хранилища с установкой на временное хранение в гнезда хранения и, тем самым, повысить радиационную безопасность при перегрузке ампул с пучками твэлов.
Выполнение решетки из присоединенных на сварке к фланцу с нижней стороны продольных пластин, с верхней стороны которых выполнены пазы, в которые устанавливаются съемные поперечные пластины, позволяет получить ячейки переменного сечения, позволяющего устанавливать в них деформированные ампулы с различными деформациями и непрямолинейностью.
Установка после окончания заполнения сухого хранилища на предлагаемый пенал вместо временной съемной крышки штатной крышки с клапаном, позволяет обеспечить комплекс работ по принятой для известных пеналов технологии: сварку крышки с корпусом, вакуумирование и заполнение предлагаемого пенала азотно-гелиевой смесью с избыточным давлением и герметизацию клапана сваркой кромок стержня-заглушки и торца грибка крышки, контроль герметичности сварных швов и установку предлагаемого пенала на постоянное хранение в гнездо хранения.
Установка между фланцем и временной съемной крышкой прокладки из термостойкого эластичного материала позволяет осуществлять герметизацию загруженного ампулами с пучками твэлов пенала при его временном хранении на период загрузки сухого хранилища.
Выполнение решетки с шагом между продольными пластинами, составляющим 1,1 диаметра ампулы и пазов на продольных пластинах с шагом, составляющим 0,25 диаметра ампулы, выполнение в съемных поперечных пластинах пазов с шагом, равным шагу между продольными пластинами, позволяет устанавливать и фиксировать поперечные пластины в продольных, совмещая их пазы, регулируя расстояние между поперечными пластинами через 0,25 диаметра ампулы и, тем самым, получать нужное для установки деформированной ампулы поперечное сечение ячейки решетки.
Установка вертикальных стоек в корпусе между фланцем и дном пенала позволяет исключить деформации корпуса в случае падения пенала.
Предлагаемый герметичный оборотный пенал хранения отработавшего ядерного топлива РБМК-1000 иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.
На фиг.1 показан общий вид предлагаемого пенала в разрезе с временной съемной крышкой, предназначенного для размещения и временного хранения деформированных ампул с пучками твэлов;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - общий вид предлагаемого пенала в разрезе со штатной крышкой с клапаном, предназначенного для размещения и постоянного хранения деформированных ампул с пучками твэлов.
Предлагаемый пенал, предназначенный для размещения деформированных ампул с пучками твэлов, (см. фиг.1) содержит корпус 1 с плоским днищем 2, к которому присоединен амортизатор 3. В корпусе 1 на сварке установлен фланец 4 с резьбовыми отверстиями 5, заглушенными с нижней стороны фланца 4 колпачками 6. К фланцу 4 на болтах 7 присоединяется временная съемная крышка 8 с прокладкой 9, выполненной из термостойкого эластичного материала, центральным грибком 10 и дублирующим захватным буртом 11. Во временной съемной крышке 8 установлены направляющие штифты 12 и выполнены отверстия 13 для установки болтов 7, а во фланце 4 выполнены отверстия 14 для направляющих штифтов 12, также заглушенные с нижней стороны фланца 4 колпачками 6. Внутри корпуса 1 установлена решетка 15 (см. фиг.2), состоящая из продольных пластин 16, присоединенных на сварке к фланцу 4, и съемных поперечных пластин 17, устанавливаемых в пазы 18, выполненные на продольных пластинах 16 с образованием прямоугольных ячеек 19. Продольные пластины 16 установлены с шагом, превышающим диаметр отверстий в дисках решетки известного пенала, а пазы 18 выполнены с верхней стороны продольных пластин 16 на глубину, составляющую 0,5 их высоты с шагом, равным 0,25 диаметра ампулы. Соответственно, на нижней стороне съемных поперечных пластинах 17 выполнены пазы 20 также на глубину, составляющую 0,5 их высоты и на расстоянии, равном шагу между продольными пластинами 16. При установке поперечных пластин 17 пазы 20 входят в пазы 18, выполненные на продольных пластинах 16. Переустановкой поперечных пластин 17 по пазам 18 расстояние между поперечными пластинами 17 может изменяться через 0,25 диаметра ампулы и, тем самым, получается нужное для установки деформированной ампулы с пучком твэлов поперечное сечение ячейки 19 решетки 15. Между фланцем 4 и плоским днищем 2 установлены вертикальные стойки 21.
Предлагаемый пенал комплектуется штатной крышкой 22 (см. фиг.3) известного пенала, которая устанавливается на предлагаемый пенал по окончанию заполнения сухого хранилища.
Предлагаемый пенал, предназначенный для размещения деформированных ампул с пучками твэлов и служащий в качестве средства безопасности, эксплуатируется следующим образом.
В случае падения ампулы с пучком твэлов и ее деформации предлагаемый пенал вводится в ККП и устанавливается в гнездо загрузки. С помощью копирующего манипулятора, на который может быть установлен гайковерт, отворачиваются болты 7 и захватом мостового крана-манипулятора временная съемная крышка 8 зацепляется за центральный грибок 10 и дублирующий захватный бурт 11 и без поворота, по прямой отводится в сторону. Упавшая деформированная ампула электромеханическим некопирующим мостовым манипулятором при помощи специального устройства переводится в вертикальное положение и устанавливается в прямоугольную ячейку 19 решетки 15, причем поперечное сечение прямоугольной ячейки 19 можно изменять переустановкой съемных поперечных пластин 17 по пазам 18. Такая переустановка может выполняться как до установки деформированной ампулы по результатам визуальной оценки величины деформации, так и после размещения ее, когда между продольными пластинами 16 устанавливается поперечная пластина 17 в ближайший к установленной деформированной ампуле паз 18.
После размещения деформированной ампулы в прямоугольной ячейке 19 решетки 15 зацепленная краном - манипулятором временная съемная крышка 8 с прокладкой 9 устанавливается на фланец 4, при этом, когда направляющие штифты 12 входят в отверстия 14 фланца 4, оси отверстий 13 в крышке совпадают с осями резьбовых отверстий 5 во фланце 4. Копирующим манипулятором в отверстия 13 крышки вставляются болты 7, которые затем заворачиваются гайковертом в резьбовые отверстия 5 фланца 4, поджимая термостойкую эластичную прокладку 9 к фланцу 4 и герметизируя предлагаемый пенал. Затем предлагаемый пенал зацепляется краном - манипулятором за центральный грибок 10 и дублирующий захватный бурт 11 и транспортируется в гнездо хранения сухого хранилища на временное хранение.
В случае появления следующей деформированной ампулы предлагаемый пенал возвращается в ККП и подобным же образом в него устанавливается следующая деформированная ампула.
По заполнению «сухого» хранилища на предлагаемый пенал устанавливают штатную крышку 22, и по принятой технологии соединяют ее с корпусом на сварке, осуществляют через клапан крышки вакуумирование и заполнение пенала азотно-гелиевой смесью с избыточным давлением, после чего герметизируют клапан сваркой и осуществляют контроль герметичности сварных швов. Далее по существующей транспортной схеме с помощью мостового крана-манипулятора, передаточной машины пеналов и перегрузочной машины полностью загруженный предлагаемый пенал устанавливается в гнездо хранения на постоянное хранение.