ЧЕХОЛ ДЛЯ ОТРАБОТАВШИХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК
COVER FOR SPENT FUEL ASSEMBLIES

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к хранению отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), а более конкретно к сухому контейнерному хранению отработавших тепловыделяющих сборок атомных электростанций (АЭС), и может быть использовано для повышения надежности и безопасности при обращении с ОЯТ.
Известны транспортные упаковочные комплекты (ТУК) для транспортировки и/или хранения ОЯТ, включающие контейнер и чехол. В соответствии с нормами радиационной безопасности и рекомендациями МАГАТЭ подобные ТУК должны обеспечивать высокие радиационно-защитные и прочностные свойства, в том числе при аварийных ситуациях, возможных в процессе транспортировки и/или хранения ОЯТ. Кроме того, контейнерное хранение высокоактивного ОЯТ предъявляет повышенные требования к обеспечению отвода тепла. При этом, исходя из технико-экономических требований по снижению затрат на организацию контейнерного хранения ОЯТ, возникает необходимость создания ТУК с максимальной вместимостью (т.е. относительно большого полезного объема) при определенных ограничениях (в частности, транспортных) их по наружному габариту.
Известен чехол для размещения и хранения отработавших тепловыделяющих сборок от реакторов ВВЭР-1000 (RU 2387032 C1, G21C 19/06, G21F 5/00, 2010). Чехол выполнен из нержавеющей стали и включает в себя центральную трубу и квадратные дистанционирующие решетки с двадцатью отверстиями для установки труб, оси которых расположены симметрично относительно центральной оси чехла в точках с определенными значениями полярных координат, в которых размещаются отработавшие тепловыделяющие сборки. К верхней и нижней дистанционирующим решеткам герметично на сварке присоединены трубы, в которых размещаются отработавшие тепловыделяющие сборки, а по периметру чехла - облицовки с образованием герметичного межтрубного пространства. Расстояние между верхней и нижней дистанционирующими решетками определяется из условия, чтобы вес чехла в воде превышал выталкивающую силу герметичного межтрубного пространства на 200-300 кг. Известный чехол позволяет повысить коэффициент полезной загрузки «мокрого» хранилища для отработавших тепловыделяющих сборок, уменьшить нагрузки на фундамент и облицовку бассейна хранилища, а также на грузоподъемный кран в условиях, когда загрузка и транспортировка кранами осуществляется дистанционно под водой.
Однако специфические характеристики известного чехла не предполагают возможности его использования при сухом способе контейнерного хранении ОЯТ.
Известен чехол для ОЯТ, используемый в ТУК для транспортировки и хранения ОЯТ по патенту RU 2127919 C1 (G21F 5/008, 1999). Чехол представляет собой сварную конструкцию и состоит из центральной трубы, дистанционирующих плит (решеток), закрепленных на центральной трубе, шестигранных труб для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, основания.
Однако известный чехол имеет относительно небольшую вместимость. Кроме того, к недостаткам чехла можно отнести недостаточную эффективность отвода тепла от шестигранных труб (по существу - от отработавших тепловыделяющих сборок) к стенке корпуса контейнера ТУК. Это связано с тем, что теплоотвод осуществляется главным образом посредством переноса тепла излучением.
Известен транспортный упаковочный комплект по патенту RU 75496 U1 (G21F 5/008, 5/10, 2008), содержащий контейнер и чехол. Чехол выполнен металлическим монолитным с каналами для установки тепловыделяющих сборок. Для увеличения поверхности передачи тепла между чехлом и корпусом контейнера внутренняя поверхность корпуса контейнера и наружная поверхность чехла имеют сопряженные кольцевые или продольные ребра охлаждения, обеспечивающие интенсификацию теплоотвода от отработавших тепловыделяющих сборок к корпусу контейнера и далее в окружающую среду в процессе транспортирования и временного хранения ТУК. Корпус контейнера имеет продольные каналы, заполненные термостойким полиэтиленом, обеспечивающим защиту обслуживающего персонала, населения и окружающей среды от нейтронного излучения.
Однако в известной конструкции не предусмотрены меры по экранированию от нейтронного излучения собственно тепловыделяющих сборок, что создает угрозу ядерной безопасности в случае увеличения количества каналов для размещения отработавших тепловыделяющих сборок (т.е. при обеспечении повышенной вместимости чехла в заданных габаритах).
Известен чехол для отработавшего ядерного топлива по патенту RU 78979 U1 (G21F 5/012, 2008). Чехол содержит основание с гнездами, закрепленную на основании центральную стойку, установленные на стойке дистанционирующие элементы, выполненные из теплопроводящих профилированных пластин с отверстиями, образующими каналы для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, и разделительные теплопроводящие вставки, установленные на центральной стойке между дистанционирующими элементами и жестко связывающие их в осевом направлении. Дистанционирующие пластины могут быть выполнены, например, из алюминия. В каналы, образованные, например, круглыми или шестигранными отверстиями в дистанционирующих пластинах, могут быть установлены трубы из борсодержащей стали для обеспечения ядерной безопасности. Центральная стойка может быть снабжена устройством под захват для перемещения штатной перегрузочной машиной АЭС. Конструкция чехла обеспечивает интенсификацию теплопередачи от отработавших тепловыделяющих сборок к периферии чехла и далее к корпусу транспортного контейнера, в который чехол устанавливают при транспортировании и/или хранении. Благодаря высокой теплопроводности конструкции теплопередача осуществляется как в радиальном, так и осевом направлениях, в результате чего выравнивается поле температур (снижаются температурные градиенты), что приводит к общему снижению температуры ОЯТ.
Однако особенности компоновки чехла не позволяют использовать для размещения отработавших тепловыделяющих сборок его центральную зону, что уменьшает полезный объем чехла. К недостаткам чехла также можно отнести использование для его изготовления материалов с разными значениями электрохимических потенциалов, что не исключает возможности возникновения электрохимической коррозии, например, после обработки чехла дезактивирующим раствором.
Известен чехол для промежуточного хранения в сухом состоянии минимум одного облученного топливного элемента по патенту FR 2932601 Al (G21C 19/06, G21F 5/00, G21F 5/008, G21F 5/10, 2009). Чехол имеет структуру с минимум двумя модулями (блоками), расположенными один над другим и выполненными каждый из материала с высокой теплопроводностью, с минимум одним отверстием (каналом) для размещения топливного элемента в центральной части и минимум одним углубленным периферийным рассеивателем тепла углублением. Каждый модуль (блок) расположен на перфорированной несущей пластине (дистанционирующей решетке) так, чтобы можно было пропускать топливные элементы. Дистанционирующие решетки смонтированы с помощью удерживающей системы с образованием зазоров между модулями (блоками). Модули собраны и установлены с помощью резьбовых соединений.
Однако известный чехол не предполагает решения задачи экранирования топливных элементов от нейтронного излучения.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является чехол для отработавших тепловыделяющих сборок, используемый в контейнере для транспортировки и/или хранения ОЯТ по патенту RU 2348085 C1 (G21F 5/00, 2009). В известном чехле может быть размещено до 19-ти отработавших тепловыделяющих сборок с максимальным суммарным тепловыделением, например, 30-40 кВт. Чехол обеспечивает строго определенное расположение отработавших тепловыделяющих сборок во внутренней полости контейнера и передачу тепла, выделяемого ОЯТ, корпусу контейнера. Чехол выполнен в виде составного цилиндра из отдельных алюминиевых блоков, внутри которых расположены шестигранные трубы для установки отработавших тепловыделяющих сборок. Для обеспечения ядерной безопасности наружная поверхность шестигранных труб покрыта самофлюсующимся борсодержащим сплавом, обеспечивающим поглощение нейтронов, выделяемых ОЯТ. Каждый алюминиевый блок заключен в герметичную оболочку из нержавеющей стали. Блоки скреплены между собой с помощью стяжек, которые одновременно являются опорными элементами чехла, взаимодействующими с днищем корпуса контейнера. Вместе с этим часть стяжек одновременно выполняет функцию такелажных элементов чехла.
Однако выполнение чехла составным в виде заключенных в герметичную оболочку из нержавеющей стали алюминиевых блоков, внутри которых расположены шестигранные трубы, предполагает высокую трудоемкость изготовления чехла.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании обладающего достаточно большой вместимостью чехла для ОЯТ реакторов типа ВВЭР-1000, особенностью которого (т.е. ОЯТ) является, в частности, интенсивное выделение тепла и интенсивные γ-излучение и нейтронное излучение.
Указанная задача решается тем, что предложен чехол для отработавших тепловыделяющих сборок, выполненный из нержавеющей стали и содержащий по меньшей мере два блока (модуля), включающие каждый верхнюю и нижнюю дистанционирующие решетки, к которым герметично на сварке присоединены шестигранные трубы для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, а по периметру каждого блока (модуля) к упомянутым дистанционирующим решеткам присоединена соответствующая облицовка с образованием герметичного межтрубного пространства, которое заполнено поглощающей нейтроны теплопроводящей заливочной композицией. Через каждый блок (модуль) пропущены продольные трубчатые элементы, которые расположены вдоль продольной оси блока (модуля) между гранями смежных шестигранных труб и герметично на сварке присоединены соответственно к верхней и нижней дистанционирующим решеткам. Блоки (модули) установлены соосно с образованием зазора между смежными дистанционирующими решетками и разъемно соединены друг с другом таким образом, что шестигранные трубы одного блока (модуля) расположены соответственно шестигранным трубам другого блока (модуля).
Вместе с этим чехол в качестве заливочной композиции содержит сплав, включающий алюминий и бор.
В варианте выполнения чехол в качестве заливочной композиции содержит сплав, включающий свинец и карбид бора.
В другом варианте выполнения чехол в качестве заливочной композиции содержит сплав, включающий медь и карбид бора.
Кроме того, к верхней и нижней дистанционирующим решеткам каждого блока (модуля) чехла герметично на сварке присоединены расположенные равномерно по окружности вокруг продольной оси чехла трубы, через которые пропущены скрепленные с чехлом стяжки, выполняющие функцию такелажных элементов последнего.
Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно позволяет повысить эксплуатационные характеристики чехла.
На фиг.1 схематично показан чехол для отработавших тепловыделяющих сборок, общий вид, продольный разрез; на фиг.2 - то же, поперечный разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - то же, вид по Б на фиг.1; на фиг.4 - узел соединения блоков чехла, продольный разрез по В-В на фиг.1; на фиг.5 - транспортный упаковочный комплект для отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, общий вид, продольный разрез, штрихпунктиром показаны отработавшие тепловыделяющие сборки.
В варианте осуществления изобретения чехол предназначен для хранения и транспортировки отработавших тепловыделяющих сборок реакторов типа ВВЭР-1000.
Чехол 1 выполнен из нержавеющей стали, например, типа 08Х18Н10Т и содержит блоки (модули) 2 и 3. Каждый блок (модуль) включает верхнюю и нижнюю дистанционирующие решетки соответственно 4, 5 и 6, 7, к которым герметично на сварке присоединены, например, 19 шестигранных труб 8 для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, а по периметру каждого блока присоединена соответствующая облицовка 9 с образованием герметичного межтрубного пространства, которое заполнено поглощающей нейтроны теплопроводящей заливочной композицией «а». С целью снижения ударной нагрузки, действующей на чехол и, соответственно, на отработавшие тепловыделяющие сборки, до допустимого уровня чехол снабжен опорными (торцевыми) демпфирующими элементами 10-12, которые установлены с наружной стороны нижней диафрагмы 5 блока 2. Опорные демпфирующие элементы 10-12 выполнены каждый с возможностью пластической деформации вдоль продольной оси 13 чехла в случае возможного аварийного нагружения последнего. В варианте осуществления изобретения чехол в качестве заливочной композиции содержит, например, сплав, включающий алюминий и бор. В другом варианте в качестве заливочной композиции чехол может содержать сплав, включающий свинец и карбид бора. Возможен вариант, когда чехол в качестве заливочной композиции содержит сплав, включающий медь и карбид бора.
Через каждый блок пропущены соответствующие продольные трубчатые элементы 14, которые расположены вдоль продольной оси блока между гранями смежных шестигранных труб 8 и герметично на сварке присоединены соответственно к верхней 4(6) и нижней 5(7) дистанционирующим решеткам. Блоки 2 и 3 установлены соосно один на другом с образованием зазора «b» между верхней дистанционирующей решеткой 4 блока 2 и нижней дистанционирующей решеткой 7 блока 3 и разъемно с помощью резьбовых соединений 15 соединены друг с другом таким образом, что шестигранные трубы 8 одного блока расположены соответственно шестигранным трубам 8 другого блока (т.е. таким образом, чтобы можно было пропускать отработавшие тепловыделяющие сборки).
Благодаря трубчатым элементам 14 достигается возможность повышения ядерной безопасности при загрузке чехла в водяном бассейне и в аварийных ситуациях, при затоплении внутренней полости контейнера ТУК водой согласно нормативным требованиям НП-061-05. В подобных ситуациях ядерная безопасность обеспечивается, в частности, благодаря:
- заполнению межтрубного пространства блоков 2 и 3 чехла заливочным борсодержащим материалом (заливочной композицией), способным поглощать нейтроны;
- установке между гранями смежных шестигранных труб 8 продольных трубчатых элементов 14 с возможностью заполнения их водой и наличию между блоками 2 и 3 зазора «b», облегчающего заполнение элементов 14 водой.
зк
тэ
тэ
зк
При этом соотношение площади F поперечного сечения борсодержащей прослойки (заливочной композиции) между смежными шестигранными трубами 8 и суммарной площади F соответствующих трубчатых элементов 14 определяется по соотношению F/F=0,2…0,4.
Величина этого соотношения зависит от материала, составляющего основу заливочной композиции, и содержания в нем поглощающего нейтроны вещества.
Наличие открытых каналов (продольных трубчатых элементов 14) в теплопроводящем борсодержащем материале при затоплении внутренней полости контейнера с ОЯТ приводит к увеличению числа замедленных нейтронов и, как следствие, к увеличению числа нейтронов, поглощенных бором (сечение поглощения нейтронов бором увеличивается с уменьшением энергии нейтрона). По существу, вода замедляет нейтроны и далее замедленные нейтроны более эффективно поглощаются бором, содержащимся в заливочной композиции. Таким образом, уменьшается число нейтронов, воздействующих на соседние тепловыделяющие сборки, загруженные в шестигранные трубы 8, и тем самым обеспечивается возможность повышения ядерной безопасности.
Вместе с этим благодаря достаточно большому массиву борсодержащего материала чехол предлагаемой конструкции вносит вклад в повышение эффективности нейтронной защиты и, следовательно, в повышение безопасности обращения с ОЯТ при использовании чехла в составе транспортного упаковочного комплекта (ТУК). Чехол также вносит дополнительный вклад (в составе ТУК) в обеспечение защиты от γ-излучения. Это достигается благодаря наличию наружной цилиндрической обшивки (облицовки), толщина которой может быть принята несколько большей, чем требуется для ее прочности, и наличию в чехле продольных трубчатых элементов, которые в совокупности имеют значительную массу, что обеспечивает поглощение γ-квантов.
К дистанционирующим решеткам каждого блока чехла герметично на сварке также присоединены трубы 16, расположенные равномерно по окружности вокруг продольной оси 13 чехла. Через трубы 16 пропущены скрепленные с блоками 2 и 3, например, с помощью резьбовых соединений тяги 17, выполняющие функцию такелажных элементов чехла.
В варианте осуществления изобретения чехол используется в составе транспортного упаковочного комплекта, включающего контейнер 18. Контейнер 18 включает металлический корпус 19 с герметичным перекрытием 20 внутренней полости «с» контейнера. Перекрытие 20 выполнено, например, в виде трех защитных герметизирующих крышек 21-23, установленных одна над другой на общем основании (на чертеже не показано) и образующих с последним три концентричных герметизирующих контура. Защитные герметизирующие крышки 21 и 22 выполнены под углубление в верхней части корпуса 19 и образуют два контура (барьера) защиты. Конструкция контейнера допускает возможность установки дополнительной наружной защитной герметизирующей крышки 23. В варианте осуществления изобретения крышка 23 выполнена в виде листа, который по периметру приваривают к общему основанию крышек. Установка дополнительной защитной герметизирующей крышки обусловлена возможностью снижения герметичности уплотнений крышек 21 и 22 в условиях длительного радиационного и термоциклического воздействия в процессе хранения ОЯТ и требованием обеспечения надежности и экологической безопасности сухого контейнерного хранения.
ну
Чехол в полости «с» контейнера 18 устанавливается с заданным радиальным зазором Δ с возможностью образования теплопроводящего контакта между наружной цилиндрической поверхностью чехла и ответной внутренней поверхностью корпуса контейнера в загруженном состоянии последнего при тепловом воздействии отработавших тепловыделяющих сборок.
ну
Величина радиального зазора Δ определяется по соотношению
ну
чт
кт
Δ<Δ-Δ,
ну
чт
кт
где Δ - радиальный зазор между наружной цилиндрической поверхностью чехла и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса при нормальных условиях, Δ - радиальное температурное расширение чехла, зависящее от температуры нагрева чехла (например, ~300°C), коэффициентов линейного расширения и модулей упругости материалов чехла (нержавеющей стали и заливочной композиции) при рассматриваемой температуре нагрева чехла, Δ - радиальное температурное расширение корпуса контейнера, зависящее от перепада температур на стенке корпуса контейнера, коэффициента линейного расширения и модулей упругости материала корпуса контейнера (т.е. конструкционной стали или чугуна).
ну
ну
Для контейнера с внутренним диаметром, например, 1600 мм радиальный зазор Δ может быть принят равным 5…6 мм. В загруженном состоянии контейнера при тепловом воздействии со стороны отработавших тепловыделяющих сборок этот зазор «выбирается», тем самым обеспечивается прилегание наружной цилиндрической поверхности чехла к внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, что способствует повышению отвода тепла от чехла на стенку корпуса контейнера и через нее - в окружающую среду. Это достигается за счет более высокой температуры чехла по сравнению с температурой корпуса контейнера и выполнению чехла из нержавеющей стали, обладающей более высоким коэффициентом температурного расширения по сравнению с материалом корпуса контейнера (конструкционной сталью или чугуном). Заданная величина радиального зазора Δ обеспечивается путем механической обработки наружной цилиндрической поверхности чехла.
Использование чехла в промышленности осуществляется следующим образом.
ну
Чехол 1 с заданным радиальным зазором Δ устанавливают в контейнер 18. При установке чехол опускается в полость «с» корпуса контейнера до упора в днище. Контейнеры 18 с установленным чехлом 1 при снятых защитных герметизирующих крышках устанавливают в загрузочный бассейн, бассейн заполняется водой, и осуществляется загрузка под водой отработавшего ядерного топлива (отработавших тепловыделяющих сборок). После загрузки контейнера устанавливают его внутреннюю защитную герметизирующую крышку 21, загруженный контейнер извлекают из водяного бассейна и устанавливают на площадку обслуживания. Внутреннюю полость «с» контейнера с помощью предусмотренных на контейнере клапанных устройств (на чертеже не показано) освобождают от воды. Затем затягивается болтовое соединение крепления внутренней защитной герметизирующей крышки 21 и производится контроль герметичности соединения крышки 21 с корпусом 19. Аналогичным образом закрывается защитная герметизирующая крышка 22 и производится контроль герметичности ее соединения с корпусом 19. Защитные герметизирующие крышки 21 и 22 образуют два контура (барьера) защиты. Затем при необходимости устанавливается наружная защитная герметизирующая крышка 23, выполненная в виде листа, который приваривают к общему основанию крышек 21-23. После производится осушение внутренней полости «с» контейнера и при необходимости заполнение ее 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 (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.
Транспортировка и хранение контейнера с ОЯТ сопровождаются достаточно интенсивным тепловыделением активной части ОЯТ. Например, в варианте осуществления изобретения, при загрузке в контейнер 19 отработавших тепловыделяющих сборок ядерного реактора типа ВВЭР-1000 мощность тепловыделения внутри контейнера составляет 30-40 кВт.
ну
В начальный период хранения контейнера в результате теплового воздействия со стороны ОЯТ происходит разогрев чехла. Наличие плотно упакованного во внутренней полости чехла теплопроводящего материала (заливочной композиции) и его контакт со всеми шестигранными трубами, внутри которых размещены отработавшие тепловыделяющие сборки, обеспечивает достаточно интенсивный отвод тепла на наружную цилиндрическую поверхность (облицовку) чехла, установленного с заданным радиальным зазором в полости «с» корпуса контейнера. В результате теплового воздействия со стороны тепловыделяющих сборок происходит температурное расширение чехла, зазор Δ «выбирается» и между наружной цилиндрической поверхностью чехла и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса контейнера образуется теплопроводящий контакт (по существу обеспечивается прилегание наружной цилиндрической поверхности чехла к внутренней цилиндрической поверхности корпуса контейнера), что существенно повышает теплоотдачу. Таким образом, обеспечивается интенсивный отвод тепла на стенку корпуса контейнера и через нее - в окружающую среду.
Таким образом, благодаря особенности исполнения чехла для отработавших тепловыделяющих сборок изобретение позволяет создать чехол, обладающий достаточно большой вместимостью и обеспечивающий при этом повышение эффективности отвода тепла от отработавших тепловыделяющих сборок к периферии чехла и далее к корпусу контейнера, в который чехол устанавливают при транспортировке и/или хранении, повышение эффективности нейтронной защиты и, следовательно, повышение надежности и безопасности обращения с ОЯТ. Вышеотмеченное, в конечном счете, позволяет повысить эксплуатационные характеристики чехла для отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов.