ГЕРМЕТИЧНЫЙ ПЕНАЛ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
SEALED CASE FOR STORAGE OF WASTE NUCLEAR FUEL

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к средствам для хранения отработавших ядерных топливных элементов реактора РБМК-1000, и предназначено для использования в стационарных хранилищах отработанного ядерного топлива на заводах по регенерации такого топлива или на АЭС.
Хранение отработавшего ядерного топлива является существенной частью любого ядерного топливного цикла. Это может быть временное хранение до переработки отработавшего ядерного топлива либо достаточно длительное хранение до захоронения топлива в могильниках. Суммарные объемы отработавшего топлива, подлежащего хранению, непрерывно возрастают из-за значительно меньших производственных возможностей перерабатывающих заводов. Растет не только объем хранящегося топлива, но и увеличиваются предполагаемые сроки хранения, поскольку задача захоронения отработавшего ядерного топлива не решена ни в одной стране.
Основу ядерно-энергетического парка России составляют реакторы ВВЭР-1000 и РБМК-1000. Для реакторов типов ВВЭР и РБМК принята концепция замкнутого ядерного топливного цикла. Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) реакторов ВВЭР-1000 будет перерабатываться на заводе РТ-2 после его ввода в эксплуатацию. Согласно «Стратегии развития атомной энергетики в первой половине XXI века» создание завода РТ-2 запланировано на 2025-2030 гг., а вопрос переработки ОЯТ реакторов РБМК-1000 еще не решен. На площадке завода РТ-2 действует «мокрое» хранилище, предназначенное для хранения отработавшего топлива ОЯТ ВВЭР-1000 в водонаполненном бассейне, а для ОЯТ РБМК-1000 строится «сухое» хранилище. Проектом «сухого» хранилища предусматривается, что пучки твэлов (ПТ) отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) реакторов РБМК-1000 помещаются на АЭС в ампулы, которые в транспортных упаковочных комплектах транспортируются на «сухое» хранилище. Далее ампулы с ПТ должны устанавливаться в корпуса пеналов, которые, после установки крышек с клапанами и заполнения пеналов азотно-гелиевой смесью, герметизируются сваркой. Затем герметичные пеналы устанавливаются в гнезда хранения в два этажа.
Из уровня техники известен герметичный пенал хранения отработавшего ядерного топлива (см. патент РФ №2372678, Кл. G21F 5/008, 2008), который заявитель выявил как наиболее близкое устройство того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков и выбрал за прототип.
Известный герметичный пенал хранения отработавшего ядерного топлива реактора РБМК-1000 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.
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 ПТ устанавливаются в ячейки решетки. После загрузки пенала ампулами с ПТ 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.
При изготовлении партии пеналов-прототипов выявлены следующие недостатки.
Наличие центральной трубы, расположенной внутри корпуса пенала длиной 4 м, усложняет технологию изготовления корпусов пеналов, требует соосности расточек в центральной трубе и корпусе пенала, так как при установке крышки необходимо сопряжение крышки одновременно по двум посадочным поверхностям: шарикового замка с центральной трубой и конических расточек в корпусе пенала и крышке.
При опытной проверке надежности зацепления шарикового замка крышки с корпусом пенала установлена его недостаточная надежность и отсутствие информации о закрытии шарикового замка, так как после снятия усилия со стороны внешнего толкателя втулка шарикового замка поднимается под действием пружины шарикового замка, а элементы клапана под действием двух пружин клапана. При этом совмещение кромок стержня-заглушки и грибка не является сигналом о закрытии шарикового замка, так как втулка шарикового замка перемещается пружиной, преодолевающей усилия пружин клапана, и ее перемещение может происходить медленнее, чем перемещение стержня-заглушки. При поднятии пенала-прототипа за грибок крышки с совмещенными кромками стержня-заглушки и грибка наблюдалось падение порожнего пенала вследствие неполного поднятия втулки шарикового замка пружиной. При этом, при определенном положении втулки во время поднятия, шарики могут толкать втулку вниз, сжимая пружину, в результате чего происходит расцепление корпуса пенала с крышкой.
Центральная труба занимает определенный объем в пенале, что снижает его вместимость на одну ампулу с ПТ.
Поджатие шарика к седлу клапана пружиной не обеспечивает надежного уплотнения «металл по металлу» усилием пружины. Кроме того, усилие от избыточного давления азотно-гелиевой смеси, поджимающее шарик к седлу, частично компенсируется вследствие воздействия избыточного давления на часть шарика, расположенную между его осью симметрии и седлом. В случае паузы между закрытием клапана после заполнения пенала азотно-гелиевой смесью и сваркой кромок стержня-заглушки и торца грибка крышки возможно падение избыточного давления в пенале через закрытый клапан.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в увеличении коэффициента полезной загрузки пенала, повышении технологичности при изготовлении и надежности при эксплуатации.
Для достижения указанного технического результата в герметичном пенале хранения отработавшего ядерного топлива реактора РБМК-1000, содержащем корпус, привариваемую к нему 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, выполненную в виде набора дисков с соосными отверстиями, образующую ячейки для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, закрепленных на вертикальных стойках на расстояниях, позволяющих осуществлять установку ампул с заданной непрямолинейностью, в корпусе пенала выполнена кольцевая канавка, в центральном грибке крышки 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, а в центральное отверстие дисков решетки устанавливается дополнительная ампула с пучком твэлов.
Кроме того, к стержню-заглушке присоединена втулка с пластинами, в которых выполнены наклонные пазы, в пазах установлены подвижные оси, соединенные с замыкающими стержнями, а стержень-заглушка снабжена буртом с кольцевой канавкой, в которую установлена прокладка из эластичного материала.
Выполнение в корпусе пенала кольцевой канавки и установка в центральном грибке крышки замка 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, позволяет исключить из конструкции пенала центральную трубу, осуществлять сопряжение крышки с корпусом пенала только по коническим расточкам в корпусе пенала и крышке и, тем самым, повысить технологичность изготовления пеналов.
Исключение центральной трубы также позволяет в центральное отверстие дисков решетки установить дополнительную ампулу, что повышает коэффициент полезной загрузки пенала.
Введение в кольцевую канавку замыкающих стержней, установленных в направляющих на внутренней поверхности крышки при совмещении свариваемых кромок центрального грибка и стержня-заглушки, позволяет визуально определять по совмещению свариваемых кромок факт зацепления крышки с корпусом пенала, что повышает надежность при эксплуатации пеналов.
Присоединение к стержню-заглушке втулки с пластинами, в которых выполнены наклонные пазы, установка в пазах подвижных осей, соединенных шарнирно с замыкающими стержнями, позволяет кинематически связать опускание стержня-заглушки под действием усилия со стороны внешнего толкателя и ее поднятие под действием усилия пружины с выведением замыкающих стержней из кольцевой канавки корпуса пенала и их введением в кольцевую канавку и получать информацию о сцеплении крышки с корпусом пенала по совмещению кромок стержня-заглушки и грибка, и, тем самым, повысить надежность при эксплуатации пеналов.
Снабжение стержня-заглушки буртом с кольцевой канавкой, в которую установлена прокладка из эластичного материала, позволяет не только заменить уплотнение «металл по металлу» на более надежное уплотнение «эластичный материал-металл», но и получить большее усилие поджатая прокладки к седлу избыточным давлением азотно-гелиевой смеси за счет увеличения площади бурта стержня-заглушки по сравнению с шариком и получить в результате более надежное уплотнение клапана, сохранять избыточное давление азотно-гелиевой смеси в пенале в промежутке времени между закрытием клапана и заваркой кромок стержня-заглушки и грибка, и, тем самым, повысить надежность при эксплуатации пеналов.
Предлагаемый герметичный пенал хранения отработавшего ядерного топлива РБМК-1000 иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.
На фиг.1 показан общий вид пенала в разрезе; на фиг.2 - выносной элемент А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг 1.
Предлагаемый пенал (см. фиг.1) содержит корпус 1 с плоским днищем 2, к которому присоединен амортизатор 3 и крышка 4. Внутри корпуса 1 установлена решетка 5, состоящая из нескольких дисков 6, закрепленных между собой стойками 7 на определенных расстояниях друг от друга, с отверстиями 8, образующими ячейки для размещения ампул с ПТ. В корпусе 1 (см. фиг.2) выполнена кольцевая канавка 9. Крышка 4 представляет собой диск 10, в центральной утолщенной части которого выполнено сквозное ступенчатое отверстие 11, в которое установлен стержень-заглушка 12 с пружиной 13, фиксируемые в сквозном ступенчатом отверстии 11 гайкой 14 с отверстиями 15. Стержень-заглушка 12 снабжен буртом 16 с кольцевой канавкой 17, в которую установлена прокладка 18 из эластичного материала. К стержню-заглушке 12 с помощью болта 19 прикреплена втулка 20 с пластинами 21, в которых выполнены наклонные пазы 22. К внутренней поверхности диска 10 присоединены направляющие 23, в которых установлены замыкающие стержни 24, соединенные с наклонными пазами 22 посредством вилок 25 и осей 26. Крышка 4 имеет бурт 27 и грибок 28 грузозахватного устройства. На наружном диаметре диска 10 выполнены кольцевые конические обточки 29, сопрягаемые с коническими обточками 30 корпуса 1 для установки крышки 4 и ее приварки к корпусу 1. Угол наклона пазов 22 выбирается таким образом, чтобы свариваемые кромки 31 грибка 28 и 32 стержня-заглушки 12 совпадали при полном заходе замыкающих стержней 24 в кольцевую канавку 9 корпуса 1.
Предлагаемый пенал эксплуатируется следующим образом.
Установка крышек 4 на корпус 1 осуществляется в камере комплектации пеналов.
Установка крышки 4 на корпус 1 осуществляется нажатием на стержень-заглушку 12 внешним воздействием, при этом пружина 13 сжимается, а оси 26, перемещаясь по наклонным пазам 22, втягивают замыкающие стержни 24 по направляющим 23 заподлицо с диском 10. Крышка 4 устанавливается в корпус 1, сопрягаясь коническими обточками 29 и 30. После снятия внешнего воздействия со стержня-заглушки 12 пружина 13 возвращает стержень-заглушку 12 вместе с присоединенной к нему втулкой 20 с пластинами 21 в исходное положение до совмещения кромок 31 и 32 грибка 28 и стержня-заглушки 12 соответственно. При этом оси 26, перемещаясь по наклонным пазам 22, вводят замыкающие стержни 24 в кольцевую канавку 9, и крышка 4 сцепляется с корпусом 1, а прокладка 18 из эластичного материала поджимается к верхнему торцу ступенчатого отверстия 11.
Далее укомплектованный пенал подается в горячую камеру для загрузки его ампулами с ПТ, где крышка 4 специальным захватом, снабженным стержнем для внешнего воздействия на стержень-заглушку 12, снимается с корпуса 1. Ампулы с ПТ устанавливаются в 31 ячейку решетки 5, в том числе и центральные отверстия 8 в дисках 6. После загрузки пенала крышка 4 устанавливается в корпус 1, верхние конические обточки 29 и 30 крышки 4 и корпуса 1 соответственно соединяются на сварке. Стержень-заглушка 12, с установленной в кольцевой канавке 17 бурта 16 прокладкой 18, опускается вниз и через отверстия 15 в гайке 14 пенал вакуумируется, затем заполняется азотно-гелиевой смесью, после чего стержень-заглушка 12 освобождается от внешнего воздействия, прокладка 18 из эластичного материала поджимается к верхнему торцу ступенчатого отверстия 11, перекрывая сообщение внутренней полости пенала с атмосферой.
Совмещенные кромки 31 и 32 свариваются и пенал устанавливается в «сухое» хранилище.
Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить коэффициент полезной загрузки пенала, а в целом, при установке в 1-й очереди «сухого» хранилища 4840 пеналов, дополнительно разместить 4840 ампул, что эквивалентно содержимому 156 пеналов с ПТ.