СПОСОБ ОБРАЩЕНИЯ С ОТРАБОТАВШИМ ЯДЕРНЫМ ТОПЛИВОМ РЕАКТОРА РБМК-1000 И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
TREATMENT METHOD OF SPENT NUCLEAR FUEL OF RBMK-1000 REACTOR, AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к обращению с отработавшим ядерным топливом, а более конкретно к загрузке, транспортированию, выгрузке и размещению ампул с пучками тепловыделяющих элементов реактора РБМК-1000 в пеналах сухого хранилища.
Известен способ обращения с отработавшим ядерным топливом реактора РБМК-1000, включающий в себя разделку двухпучковой топливной сборки ядерного реактора на пучки твэлов, установку пучков твэлов в ампулы с фиксацией на них крышек, загрузку ампул с пучками твэлов в гнезда предназначенных для этого транспортных чехлов и установку их после заполнения всех гнезд в соответствующие транспортные контейнеры (см. патент РФ №2226011).
К недостаткам известного способа относится то, что после длительного хранения в пристанционных хранилищах значительная часть пучков твэлов имеет увеличенный диаметр и искривления, вследствие чего их установка в ампулы вызывает затруднения, а зачастую просто не возможна.
Также известен способ дальнейшего обращения с отработавшим ядерным топливом (см. проект «Комплекс основного технологического оборудования для транспортно-технологических операций в камере комплектации пеналов. Руководство по эксплуатации 1694-00-0003 РЭ» разработки ОАО «Центральное конструкторское бюро машиностроения», г.Санкт-Петербург), включающий установку доставленного на сухое хранилище защитного транспортного контейнера с чехлом, загруженным ампулами с пучками твэлов, на передаточную платформу, подачу передаточной платформы под приемное гнездо камеры комплектации пеналов (далее по тексту - ККП), стыковку транспортного контейнера с ККП, снятие защитной крышки с контейнера, извлечение транспортного чехла с ампулами из контейнера и установку его в приемном гнезде на подкатываемую под транспортный чехол тележку. Далее из транспортного чехла с помощью электромеханического манипулятора грузоподъемностью 500 кг извлекают по одной ампуле с пучком твэлов и устанавливают их в ячейки решетки пенала. Перегрузку ампул с пучками твэлов осуществляют дистанционно электромеханическим некопирующим мостовым манипулятором грузоподъемностью 500 кг (проект 1697-20-0002 разработки ОАО «Центральное конструкторское бюро машиностроения»). После полного заполнения всех ячеек решетки пенала ампулами с пучкаи 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. Транспортировку загруженных пеналов в гнезда хранения осуществляют мостовым краном-манипулятором грузоподъемностью 4000 кг.
К недостаткам известного способа относится то, что перегрузка ампул с пучками твэлов, осуществляемая в ККП электромеханическим некопирующим мостовым манипулятором по одной ампуле, занимает продолжительное время.
Известный способ осуществляют с помощью известных устройств, а именно: ампул для отработавших тепловыделяющих сборок, герметичного пенала хранения отработавшего ядерного топлива и контейнера для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива с установленным в нем чехлом.
Известна ампула для отработавшей тепловыделяющей сборки (см. патент РФ №2353010, G21F 5/008), содержащая цилиндрический корпус с дном, выполненный высотой, позволяющей захвату иметь доступ к силовой решетке пучка твэлов, устанавливаемого с опиранием каркасной трубой на дно ампулы, в котором помещен пучок отработавших твэлов, крышку, зафиксированную в верхней части корпуса с помощью запирающего устройства, в виде пружинного разрезного кольца, снабженную пружиной, обеспечивающей фиксацию в ампуле пучка твэлов разной длины и установленную в корпусе с зазором в виде лабиринтного уплотнения, препятствующего высыпанию частиц топлива из ампулы и обеспечивающего возможность проведения осушки пучка твэлов, загруженного в ампулу. Фиксация крышки осуществляется запорным устройством, выполненным в виде пружинного разрезного кольца, требующего при снятии крышки его сжатия стержнями механизма вскрытия крышки, воздействующими с наружной стороны ампулы.
Основным недостатком известной ампулы является невозможность извлечения пучка твэлов из ампул, расположенных в решетке пенала, вследствие того, что для снятия крышки перед извлечением требуется определенный зазор между ампулами для установки механизма вскрытия крышки. Извлечение пучка твэлов из ампулы возможно только после извлечения ампулы из решетки пенала и ее установки в специальное гнездо, что приводит к дополнительным технологическим операциям.
Известен герметичный пенал хранения отработавшего ядерного топлива (см. патент РФ №2435239, МПК G21C 19/06, 2010), содержащий корпус, установленную внутри корпуса решетку и крышку.
Корпус образован цилиндрической обечайкой, на верхнем утолщенном конце которой выполнена расточка для установки и последующей приварки крышки, и глухим днищем с амортизатором. В корпусе на верхнем утолщенном конце выполнена внутренняя кольцевая канавка.
Крышка представляет собой диск, в центральной утолщенной части которого установлен грибок, в котором установлен замок с возможностью до выполнения сварного шва соединения крышки с корпусом пенала удерживать корпус пенала введением в кольцевую канавку замыкающих стержней, установленных в направляющих на внутренней поверхности крышки при совмещении свариваемых кромок центрального грибка и стержня-заглушки. В центральном грибке крышки установлен клапан для откачки и заполнения пенала средой хранения и контроля герметичности и управляющий им стержень-заглушку.
Решетка служит для размещения ампул 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.
Загрузка ампул с пучками твэлов в известный пенал осуществляется следующим образом.
С установленного в гнездо загрузки ККП пенала снимается крышка. Ампулы с пучками твэлов захватом электромеханического некопирующего мостового манипулятора по одной зацепляются за внутреннюю расточку крышки, извлекаются из чехла и устанавливаются в ячейки решетки. После полной загрузки пенала ампулами с пучками твэлов крышка устанавливается на корпус 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.
К недостаткам известного пенала относится то, что конструктивно решетка не извлекается из корпуса пенала и предназначена только для транспортирования ампул с пучками твэлов в вертикальном положении, так как она изготовлена из набора дисков с соосными отверстиями, образующими ячейки для размещения ампул с пучками твэлов.
Зазор между внутренним диаметром ячейки решетки пенала и наружным диаметром ампулы, необходимый для обеспечения дистанционной загрузки в ККП ампул в пенал не позволяет увеличить внутренний диаметр ампулы. Внутренний диаметр корпуса пенала, определяемый конструкцией гнезд уже построенного сухого хранилища, также не может быть увеличен. Таким образом, при использовании решетки известного пенала увеличение диаметра ампул возможно только за счет сокращения количества ячеек в решетке пенала, что снижает вместимость сухого хранилища. Кроме того, перегрузка по одной ампуле с пучками твэлов из чехла в ячейки решетки занимает продолжительное время.
Известен чехол, помещаемый в контейнере для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива (см. патент РФ №2324241), содержащий соединенные между собой диафрагмы с ячейками для установки пучков тепловыделяющих элементов (твэлов) и центральную трубу с хвостовиком для грузового захвата, причем центры ячеек в плане расположены по контурам соответствующих правильных шестиугольников, имеющих общий центр, который геометрически совмещен с продольной осью центральной трубы, диафрагмы чехла жестко соединены посредством продольных стержневых элементов, расположенных вокруг диафрагм вдоль продольной оси чехла, при этом контейнер содержит трубчатые элементы, которые установлены в фиксированном положении, соответственно между смежными диафрагмами чехла соосно соответствующим несмежными между собой ячейками, причем внутренний диаметр трубчатых элементов соответствует диаметру ячеек, при этом чехол снабжен опорными демпфирующими элементами, которые установлены с наружной стороны нижней диафрагмы. Ячейки выполнены каждая с возможностью установки пучка твэлов, помещенного в ампулу. Чехол снабжен торцевыми подпружиненными элементами, которые установлены на нижней диафрагме, каждый напротив соответствующей ячейки с возможностью взаимодействия с ампулой в нормальной эксплуатации контейнера.. Опорные демпфирующие элементы выполнены каждый с возможностью пластической деформации вдоль продольной оси чехла при аварийном нагружении последнего. Продольные стержневые элементы установлены заподлицо с диафрагмами. Известный чехол, в котором осуществляется доставка ампул с ПТ на сухое хранилище, принят в качестве прототипа.
К недостаткам известного чехла относится то, что в его ячейки устанавливаются 144 ампулы с пучками твэлов, которые извлекаются электромеханическим некопирующим мостовым манипулятором по одной и устанавливаются в пеналы в камере комплектации пеналов. Кроме того, так как вместимость известного пенала составляет 30 ампул, то, после полной загрузки четырех пеналов, в пятый пенал может быть установлено только 24 ампулы с пучками твэлов. Не полностью загруженный пенал не может оставаться в гнезде камеры комплектации пеналов до прибытия следующего транспортного чехла, так как его нахождение не позволяет проводить профилактические работы с оборудованием камеры комплектации пеналов. Также не полностью загруженный пенал не может быть временно установлен в гнезда хранения сухого хранилища, так как в этом случае его транспортировка должна осуществляться без его герметизации с не приваренной крышкой и клапаном, что резко снижает безопасность обращения с отработавшим ядерным топливом.
Поэтому незагруженные ампулы с пучками твэлов остаются в чехле, который вновь устанавливается в защитный контейнер, и хранится до прибытия следующего, что снижает оборачиваемость транспортно-упаковочного комплекта между АЭС и сухим хранилищем и ухудшает радиационную безопасность.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в увеличении диаметра ампул для загрузки в них на АЭС пучков твэлов с увеличенным диаметром и искривлениями и сокращении продолжительности перегрузки в сухом хранилище пучков твэлов из чехла в корпуса пеналов.
Для получения указанного технического результата в предлагаемом способе, включающем разделку двухпучковой топливной сборки ядерного реактора на пучки твэлов, размещение пучков твэлов в ампулах, размещаемых в чехле, транспортирование чехла в защитном контейнере на сухое хранилище, перегрузку пучков твэлов из чехла в пеналы, герметизацию пеналов путем приварки крышки к корпусу пенала, заполнение пеналов азотно-гелиевой смесью через клапан, герметизацию клапана, контроль герметичности сварных швов и размещение пеналов в гнездах сухого хранилища, на АЭС пучки твэлов загружают в ампулы, собранные в выемные кассеты, установленные в гнездах чехла, а в сухом хранилище краном - манипулятором поочередно извлекают выемные кассеты с пучками твэлов из чехла и устанавливают их в корпуса пеналов.
Загрузка пучков твэлов в ампулы, собранные в выемные кассеты, установленные в гнездах чехла, поочередное извлечение в сухом хранилище краном - манипулятором выемных кассет с пучками твэлов из чехла и установка их в корпуса пеналов позволяет сократить продолжительность перегрузки пучков твэлов.
Для достижения названного технического результата в предлагаемой ампуле, в отличие от известной, запирающее устройство выполнено в виде байонетного соединения.
Выполнение запирающего устройства в виде байонетного соединения позволяет осуществлять установку и снятие крышек с ампул, собранных вплотную в выемных кассетах, и, тем самым, обеспечить возможность извлечения пучков твэлов из ампул выемных кассет.
Для достижения названного технического результата предлагаемый герметичный пенал хранения отработавшего ядерного топлива реактора РБМК-1000, в отличие от известного, снабжен выемной кассетой, включающей перфорированное основание с присоединенными к нему центральной трубой, вертикальными стойками и ампулами, соединенными с центральной трубой, вертикальными стойками и между собой на сварке, причем трубчатые демпферы корпусов ампул проходят через отверстия основания и присоединены к нему.
В частном случае, оси симметрии ампул в выемной кассете располагаются в вершинах равносторонних треугольников, в центральной трубе выполнено соединение для установки съемного грибка, по форме повторяющего грибок крышки пенала, а на верхних торцах вертикальных стоек установлены амортизаторы с тарельчатыми пружинами.
Снабжение пенала выемной кассетой, включающей основание с присоединенными к нему центральной трубой, вертикальными стойками и ампулами для размещения пучков тепловыделяющих элементов, оси симметрии которых располагаются в вершинах равносторонних треугольников, а ампулы соединены с центральной трубой, вертикальными стойками и между собой на сварке позволяют получить упорядоченное размещение ампул в выемной кассете и осуществлять как загрузку пучков твэлов в ампулы, собранные в выемную кассету, так и установку выемных кассет с упорядоченным размещением ампул в корпуса пеналов. Тем самым, из конструкции пеналов исключаются решетки, что, в свою очередь, позволяет увеличить диаметр ампул на величину зазора между отверстиями в дисках решеток и ампулами. В результате, в ампулы, собранные в выемной кассете, могут быть загружены пучки твэлов с повышенным диаметром и искривлением.
Расположение осей симметрии ампул в вершинах равносторонних треугольников позволяет осуществить требуемую плотность упаковки пучков твэлов в выемной кассете.
Соединение ампул между собой, с центральной трубой и вертикальными стойками на сварке позволяет обеспечить требуемую жесткость конструкции выемной кассеты.
Выполнение в частном случае в центральной трубе соединения для установки съемного грибка, по форме повторяющего грибок крышки пенала, позволяет установить в ККП с помощью манипулятора на центральную трубу грибок и осуществить зацепление за него захвата крана-манипулятора, предназначенного для транспортировки пеналов в ККП, извлечение выемных кассет с пучками твэлов из чехла и их установку в корпуса пеналов.
Установка на верхних торцах вертикальных стоек амортизаторов с тарельчатыми пружинами позволяет, после размещения чехла с кассетами в защитном контейнере, установкой защитной крышки на контейнер поджать тарельчатые пружины и зафиксировать выемную кассету от перемещения в гнезде чехла при транспортировке в горизонтальном положении.
Для достижения названного технического результата в чехле, помещаемом в контейнере для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива, в отличие от известного, трубчатые элементы (гнезда) установлены на нижней диафрагме с возможностью размещения в них выемных кассет в каждом гнезде, а гнезда жестко соединены между собой ребрами в несколько ярусов.
В частном случае для обеспечения ядерной безопасности гнезда чехла могут быть выполнены из борсодержащей стали.
Установка гнезд на нижней диафрагме с возможностью размещения выемной кассеты в каждом гнезде, позволяет осуществить загрузку, транспортировку и перегрузку пучков твэлов в выемных кассетах и, тем самым, сократить продолжительность перегрузки выемных кассет с пучками твэлов из чехла в корпуса пеналов.
Соединение гнезд между собой ребрами в несколько ярусов позволяет обеспечить необходимую жесткость чехла и обеспечить отведение тепла от чехла к корпусу контейнера.
Выполнение гнезд чехла из борсодержащей стали позволяют обеспечить ядерную безопасность чехла при более полной загрузке чехла ампулами.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - чехол с установленными в него выемными кассетами в защитном контейнере;
на фиг.2 - разрез Б-Б на фиг.1;
на фиг.3 - выемная кассета;
на фиг.4 - чехол;
на фиг.5 - схема реализации предложенного способа перегрузки выемных кассет, загруженных пучками твэлов, из чехла в корпуса пеналов в ККП сухого хранилища;
Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности.
При подготовке к отправке на АЭС грибки устанавливают в центральных трубах выемных кассет, выемные кассеты извлекают из корпусов пеналов и устанавливают в гнезда чехлов, после чего снимают грибки. Чехлы устанавливают в защитные контейнеры и отправляют на АЭС. На АЭС снимают крышки с ампул выемной кассеты, загружают пучки твэлов в ампулы выемных кассет, и закрывают ампулы крышками. Загруженные чехлы в защитных контейнерах транспортируют на сухое хранилище. В сухом хранилище защитный контейнер устанавливают под приемным гнездом, снимают с него защитную крышку и лебедкой поднимают чехол, загруженный выемными кассетами с пучками твэлов, в приемное гнездо ККП.С помощью копирующего манипулятора осуществляют установку грибков в центральные трубы выемных кассет, краном-манипулятором зацепляют поочередно за грибки выемные кассеты с пучками твэлов, извлекают их из чехла и устанавливают в корпуса пеналов, размещенных в гнездах ККП. Далее известным способом осуществляют герметизацию пеналов путем приварки крышки к корпусу пенала, заполнение пеналов азотно-гелиевой смесью через клапан, герметизацию клапана, контроль герметичности сварных швов и размещение пеналов в гнездах сухого хранилища
В подготовленный к отправке на АЭС защитный контейнер (см. фиг.1 и 2) установлен чехол 1, в гнездах 2 которого установлены выемные кассеты 3 пеналов.
Предлагаемая выемная кассета 3 (см. фиг.3) содержит центральную трубу 4, к нижнему торцу которой присоединено перфорированное основание 5, а к верхнему торцу гильза 6 для установки в нее съемного грибка 7, по форме повторяющего грибок крышки пенала. Выемная кассета 3 состоит из тридцати примыкающих друг к другу своими корпусами 8 ампул 9, соединенными на сварке пластинами 10 с центральной трубой 4, пластинами 11 с вертикальными стойками 12 и между собой в местах примыкания. Оси симметрии ампул 9 располагаются в вершинах равносторонних треугольников, аналогично расположению ячеек в решетке пенала. Ампулы 9 снабжены в нижней части донышками 13, присоединенными к корпусам 8, и трубчатыми демпферами 14, проходящими через отверстия 15 в основании 5 и присоединенными на сварке к основанию 5. На ампулы 9 в верхней части устанавливаются крышки 16 на байонетном соединении 17. Крышки снабжены пружинами 18. Съемный грибок 7 устанавливается в гильзу 6, в частном случае на резьбе 19. На верхние торцы вертикальных стоек 12 установлены демпферы 20 с тарельчатыми пружинами 21. Сборка выемной кассеты из тридцати примыкающих друг к другу корпусов 8 ампул 9 позволила, применяя для их изготовления стандартные трубы, увеличить внутренний диаметр корпуса 8 ампулы 9 с 91 мм до 94 мм.
В это же время диаметр описанной окружности выемной кассеты, по сравнению с решеткой пенала, уменьшился с 629 до 620 мм, что обеспечивает дистанционную установку выемных кассет в корпуса пеналов без затруднений.
В отправляемом на АЭС контейнере съемные грибки 7 сняты из центральных труб 4 выемных кассет 3 для обеспечения установки пучков твэлов в примыкающие к центральной трубе 4 ампулы 9.
Предлагаемый чехол 1 (см. фиг.4) содержит центральную трубу 22, к нижнему торцу которой присоединено основание 23, на верхней стороне которого установлены гнезда 24. Гнезда 24 соединены между собой в несколько ярусов ребрами 25. К верхнему торцу центральной трубы 22 присоединен хвостовик 26. В частном случае гнезда 22 могут быть выполнены из борсодержащей стали.
Предлагаемые чехол 1, выемная кассета 3, собранная из ампул 9, работают при реализации предложенного способа следующим образом.
При подготовке к отправке на АЭС транспортно-упаковочных комплектов, выемные кассеты 3 за грибок 7 извлекают из корпусов пеналов и устанавливают в гнезда 2 чехла 1. Грибок 7 по резьбе 17 извлекается из центральной трубы 4. Заполненный выемными кассетами 3 чехол 1 устанавливают в защитный контейнер и отправляют в составе транспортно-упаковочного комплекта на АЭС. На АЭС с ампул 9 снимают крышки 16, в ампулы 9 выемных кассет 3 загружают пучки твэлов и вновь устанавливают крышки 16, фиксируя их на байонетном соединении 17, при этом пучки твэлов поджимаются пружинами 18. Затем чехол 1 с загруженными пучками твэлов выемными кассетами 3 помещают в защитный контейнер и устанавливают на него защитную крышку, которая поджимает тарельчатые пружины 21 демпферов 20 и фиксирует выемные кассеты 3 в гнездах 24 чехла 1 при последующем транспортировании в горизонтальном положении защитного контейнера. В сухом хранилище защитный контейнер устанавливают под приемным гнездом и снимают с него защитную крышку. За хвостовик 26 чехол 1 зацепляют захватом лебедки, которой поднимают загруженный выемными кассетами с пучками твэлов чехол 1 в приемное гнездо ККП, устанавливая его на подкатываемую под него тележку. Затем копирующим манипулятором устанавливают грибки 7 в гильзы 6 центральных труб 4 выемных кассет 3, поочередно захватом крана-манипулятора зацепляют выемные кассеты 3 с пучками твэлов за грибок 7, извлекают их из чехла 1, устанавливают в корпуса пеналов, размещенные в гнездах ККП, и снимают грибки 7 копирующим манипулятором. Далее известным способом осуществляют герметизацию пенала путем приварки крышки к корпусу пенала, заполнение пенала азотно-гелиевой смесью через клапан, герметизацию клапана, контроль герметичности сварных швов, транспортировку и установку пенала в гнездо сухого хранилища.