КОНТЕЙНЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ОПАСНОГО МАТЕРИАЛА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CONTAINER DEVICE FOR STORING HAZARDOUS MATERIAL AND METHOD OF MAKING SAID DEVICE

Данное изобретение относится к контейнерному устройству для долговременного хранения опасных материалов. В частности, под опасными материалами понимают ядерное топливо или другие радиоактивные материалы, которые сохраняют высокий уровень активности на протяжении весьма длительного времени и подлежат безопасному хранению, по меньшей мере, пока активность не спадет до безопасного или, по меньшей мере, допустимого уровня. По этой причине, изобретение будет описано с конкретной ссылкой на его применение к окончательному захоронению отработавшего ядерного топлива. Однако область применения изобретения не ограничивается никаким конкретным типом опасного материала. Другими материалами, которые можно отнести к разряду опасных, являются ядерное оружие или детали такого оружия, боевые газы, чрезвычайно опасные биологические материалы и т.д.
Контейнерные устройства для окончательного захоронения ядерного топлива должны удовлетворять требованиям, которые в некоторых отношениях гораздо строже требований, предъявляемых к контейнерам для перевозки или другим контейнерам для кратковременного хранения ядерного топлива. В то время как контейнерные устройства вышеупомянутой категории должны обеспечивать безопасное хранение в течение периодов времени, которые могут составлять несколько десятилетий, контейнерные устройства для окончательного захоронения должны быть безопасными в течение значительно более долгих периодов времени, например, нескольких столетий или даже тысячелетий. Например, в современном проекте исследований и разработок, направленном на создание окончательного хранилища в штате Невада в Соединенных Штатах, предварительное условие состоит в том, что хранение радиоактивных материалов должно быть безопасным на протяжении десятков тысяч лет.
Среди требований, подлежащих выполнению, есть требование, предписывающее, чтобы контейнерные устройства выдерживали экстремальные механические нагрузки, кратковременные и долговременные статические и динамические нагрузки и, ударные нагрузки, например, нагрузки, которые могут возникать в результате землетрясений или иных сейсмических подвижек или в связи с ядерными взрывами или другими военными или террористическими операциями. Также подлежат выполнению требования, предписывающие чрезвычайно долговременную стабильность, например, устойчивость к коррозии или другим явлениям распада и старения, даже под воздействием нагрева, вызванного хранящимся ядерным топливом, происходящим в материалах контейнерных устройств, или, по меньшей мере, материале деталей, повреждение которых угрожает безопасности.
В Шведской патентной заявке №0203528-5 от 29 ноября 2002 г. (заявитель Oyster International N.V.), аналогичной Международной заявке PCT/SE 2003/001837, опубликованной как WO 2004/051671 A1, предложено контейнерное устройство, пригодное для окончательного захоронения ядерного топлива и обеспечивающее удовлетворительно безопасное содержание хранящегося ядерного топлива или других видов опасного материала в течение необходимо долгого времени. В вышеупомянутой заявке также предложены способ и установка для изготовления контейнерного устройства.
Признак контейнерного устройства согласно вышеупомянутой патентной заявки, который является существенным для достижения поставленной задачи, заключается в своеобразной конструкции вложенных контейнеров законченного, герметичного контейнерного устройства, в котором несколько бетонных барьеров перемежаются металлическими барьерами между опасным материалом и другой стороной контейнерного устройства. В основном, количество таких барьеров может быть неограниченным и может выбираться в соответствии с желаемой степенью безопасности. В случае повреждения барьера под действием силы или вследствие коррозии или по какой-либо другой причине, останутся другие барьеры, предотвращающие выход хранящегося опасного материала из контейнера.
Конструкция контейнерного устройства как составной структуры обеспечивает взаимодействие между барьерами, которые попеременно выполнены из бетона и другого материала, предпочтительно, металла, что обеспечивает очень высокую механическую прочность.
Настоящее изобретение направлено на усовершенствование контейнера типа описанного в вышеуказанной патентной заявке и технологии его изготовления и обеспечивает решение проблемы оптимизации контейнерного устройства, особенно в отношении его изготовления.
Решения этой проблемы, обеспечиваемые настоящим изобретением, заключаются в создании: (1) контейнерного устройства для долговременного хранения опасного материала, особенно для окончательного захоронения ядерного топлива, и (2) способа его изготовления. Это контейнерное устройство и этот способ его изготовления имеют признаки, изложенные в независимых пунктах формулы изобретения.
Важным элементом настоящего изобретения является заливочный материал, который используется для заполнения полостей в защитных корпусах. Согласно изобретению, в качестве заливочного материала используется так называемый самоуплотняющийся бетон, часто обозначаемый SCC, иногда SCC называют бетоном с высокими характеристиками или «холодной керамикой». SCB - это бетон или бетоноподобный материал, обладающий очень низкой вязкостью (высокой текучестью) благодаря добавлению модификаторов вязкости, что позволяет ему течь только под действием тяжести, поэтому он легко и без вибрации полностью заполняет литейную опалубку даже в ее узких местах (см., например, Okamura H., and Ouchi M.: Self-Compacting Concrete, Journal of Advanced Concrete Technology, т.1, стр.5-15, апрель 2003). Поэтому с применением настоящего изобретения, реально технологически простым и экономичным способом построить контейнерное устройство по принципу вложенных контейнеров, имеющее количество контейнеров и соответствующее количество разных барьеров, которые необходимы для обеспечения нужной возможности безопасного долговременного хранения.
Вариант осуществления контейнерного устройства и способа его изготовления будет описан ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
на Фиг.1 - вид в перспективе в вертикальном разрезе законченного контейнерного устройства, выполненного способом, отвечающим изобретению;
на Фиг.2 - контейнерное устройство в разрезе по линии II-II на фиг.1;
на Фиг.3 - контейнерное устройство в разрезе по линии III-III на фиг.2;
на Фиг.4 - вид в разрезе по оси первого, внутреннего защитного корпуса, содержащего ядерную тепловыделяющую сборку и образующего центральную или самую внутреннюю часть контейнерного устройства;
на Фиг.5 - защитный корпус фиг.4, показанный в разрезе по линии V-V.
Нижеследующее описание, включая чертежи, контейнерного устройства, отвечающего изобретению, и способа, и установки для его изготовления ограничивается тем, что существенно для понимания изобретения. Очевидно, что реализация изобретения требует предмета, который не показан или не описан, но специалист в данной области, руководствуясь нижеследующим описанием, может добавить недостающие делали, опираясь лишь на свой опыт.
Контейнерное устройство 11, показанное на чертежах, приспособлено содержать тело из опасного материала F, образованное одной ядерной тепловыделяющей сборкой, или, альтернативно, четырьмя подобными ядерными тепловыделяющими сборками, собранными в «упаковку» с целью хранения. На фиг.4 и 5 схематически показано тело из опасного материала F, образованное одной тепловыделяющей сборкой, содержащей набор топливных стержней (не показаны), удерживающих соответствующий опасный материал, т.е. ядерное топливо.
Тело из опасного материала F, образованное тепловыделяющей сборкой, содержится в первом субконтейнере или защитном корпусе A, который выполнен в виде удлиненного цилиндрического тела с квадратным поперечным сечением (естественно, поперечное сечение может альтернативно быть круглым или другой неквадратной формы) и содержит боковую стенку 12 из листового металла и торцевые стенки 13A и 13B, образованные, соответственно, верхней металлической плитой и нижней металлической плитой. В камере 14, образованной боковой стенкой 12 и торцевыми стенками 13A, 13B, стержни 15 прикреплены к каждой торцевой стенке для поддерживания опорных деталей 16 на расстоянии от торцевых стенок. Эти опорные детали удерживают между собой тело из опасного материала F, так что имеется открытое пространство между тепловыделяющей сборкой и внутренней стороной боковой стенки 14 и между тепловыделяющей сборкой и торцевыми стенками 13A, 13B.
Каждая из двух торцевых стенок 13A, 13B имеет центральное отверстие, образованное рукавом 17A, 17B. Эти рукава схематически представляют средства, не показанные подробно, которые используются для введения заливочного состава - согласно настоящему изобретению, этот заливочный состав является самоуплотняющимся бетоном - в открытое пространство в камере 14 после установки тела из опасного материала F в камере. Бетон, который содержит армирующие волокна, предпочтительно из теплопроводящего материала для улучшения теплопроводящих свойств бетона, также можно принудительно вводить через отверстия с концов и/или сторон тела из опасного материала для заполнения полостей в нем, например, открытых пространств между топливными стержнями, если тело из опасного материала является тепловыделяющей сборкой, в результате чего топливные стержни будут заделаны в бетон. Вышеупомянутое средство для введения бетона может, но не обязано, содержать клапан, установленный в одной из торцевых стенок защитного корпуса A, через который вводится бетон, и клапан, установленный на другой торцевой стенке, через который избыток бетона удаляется из защитного корпуса A.
В законченном контейнерном устройстве 11 первый защитный корпус A окружен вторым субконтейнером или защитным корпусом B. Этот защитный корпус выполнен в виде удлиненного цилиндрического тела круглого поперечного сечения и содержит боковую стенку 18 из листового металла и торцевые стенки 19A и 19B, образованные нижней торцевой плитой и верхней торцевой плитой, соответственно. Слегка внутри боковой стенки проходит несколько осевых трубок 20 от верхней торцевой стенки 19A почти до нижней торцевой стенки 19B. Эти трубки служат каналами для подачи заливочного материала. Кроме того, их можно использовать в других целях, например, для скрепления боковой стенки и торцевой стенки между собой. Кроме того, они могут служить арматурными деталями и креплениями для подъемных петель или других приспособлений для облегчения подъема и транспортировки. Естественно, можно и практично обеспечивать отдельные осевые арматурные детали, особенно между боковыми стенками 24 и 30 защитных корпусов C и D, которые описаны ниже.
На каждой из торцевых стенок 19A, 19B установлены четыре опорные детали 21 для удержания защитного корпуса A в камере 22, образованной боковой стенкой 18 и торцевым стенками 19A, 19B, в результате чего защитный корпус A закреплен в центральном положении в осевом и радиальном направлениях относительно второго защитного корпуса B с зазором относительно боковой стенки 18 и торцевых стенок 19A, 19B, что лучше всего показано на фиг.1. Нижняя концевая часть каждой трубки 20 вставлена в соответствующую из опорных деталей 21, которые снабжены каналами 21А для формирования открытого соединения между камерой 22 и внутренним пространством трубок 20.
Пространство в камере 22, которое существует между первым защитным корпусом A и вторым защитным корпусом B, значительно больше, чем соответствующее пространство между первым защитным корпусом A и телом из опасного материала F, и аналогично последнее пространство полностью заполнено бетоном в законченном контейнерном устройстве 11. Стенки полого цилиндрического бетонного корпуса, который охватывает первый защитный корпус A в законченном контейнерном устройстве 11, таким образом, значительно толще стенок бетонного корпуса, который охватывает тело из опасного материала F в первом защитном корпусе A.
Нижняя сторона верхней торцевой стенки 19A защитного корпуса B имеет небольшую коническую впадину, и в самой верхней точке нижней стороны установлена трубка 23, которая сообщается с камерой 22 и простирается вверх, открываясь в пространство над торцевой стенкой 19A.
Второй защитный корпус B заключен в третий защитный корпус C, размещенный и выполненный, по существу, таким же образом, как защитный корпус B. Таким образом, защитный корпус C содержит круглую цилиндрическую боковую стенку 24 и верхнюю и нижнюю торцевые стенки 25A, 25B. Эти торцевые стенки образуют камеру 26, в которой размещены осевые трубки 27, проходящие вниз через верхнюю торцевую стенку 25A, в камеру 26 и далее вниз почти до нижней торцевой стенки 25B и входят в опорные детали 28. Опорные детали 28 снабжены каналами 28A, аналогичными каналам 21A, и совместно с аналогичными опорными деталями (не показаны) на верхней торцевой стенке 25A фиксируют второй защитный корпус B в определенном радиальном и осевом положении в камере 26.
В законченном контейнерном устройстве, пространство в камере 11, образованное между вторым защитным корпусом B и третьим защитным корпусом C, заполнено бетоном.
Наподобие нижней стороны верхней торцевой стенки защитного корпуса B, нижняя сторона верхней торцевой стенки 25A защитного корпуса C имеет небольшую коническую впадину, и в самой верхней точке нижней стороны установлена трубка 29, которая сообщается с камерой 26 и проходит вверх от торцевой стенки 25A, открываясь в пространство над этой торцевой стенкой.
В иллюстрируемом варианте осуществления предусмотрен также четвертый защитный корпус D, в который заключен третий защитный корпус C в центральном положении в радиальном и осевом направлении, и который, по существу, идентичен защитному корпусу C за исключением размеров. Соответственно, защитный корпус D содержит круглую цилиндрическую боковую стенку 30 и верхнюю и нижнюю торцевые стенки 31A, 31B. Эти боковая и торцевые стенки образуют камеру 32, в которой размещены осевые трубки 33, имеющие такую же функцию, что и трубки 27, и проходят в опорные детали, которые аналогичны опорным деталям 28. Кроме того, в наивысшей точке камеры 32 установлена трубка 34, которую можно приспособить для соединения со всасывающим устройством для цели, которая будет описана.
В законченном контейнерном устройстве 11, пространство в камере 32, образованное между третьим защитным корпусом C и четвертым защитным корпусом D, заполнено бетоном.
Очевидно, на чертежах показано контейнерное устройство, отвечающее изобретению, в упрощенном виде, где опущены многие детали, которые не составляют часть изобретения и которые не обязательно иллюстрировать и описывать, чтобы специалист в данной области мог применять изобретение. Например, на практике, субконтейнеры или защитные корпуса с A по D должны быть снабжены вспомогательными элементами, обеспечивающими подъем и другие манипуляции с ними, возможно, также измерительными или следящими устройствами.
Изготовление контейнерного устройства согласно изобретению можно осуществлять на установке, в которой различные элементы устройства, предпочтительно, собираются, по меньшей мере, частично, под водой, как в установке, проиллюстрированной и описанной в вышеупомянутой патентной заявке, а также в установке, проиллюстрированной и описанной в WO 01/78084.
До этапа, на котором защитные корпуса контейнерного устройства заполняются бетоном, защитные корпуса можно собирать разными способами. Согласно одной процедуре, самый внешний защитный корпус D, на который еще не установлена верхняя торцевая стенка 31A, сначала устанавливается в подводном положении, после чего второй снаружи защитный корпус C, также без верхней торцевой стенки, помещается в самом внешнем защитном корпусе D. Аналогично, второй изнутри защитный корпус, также без своей верхней торцевой стенки, помещается во втором снаружи защитном корпусе C, и, наконец, самый внутренний защитный корпус A помещается в защитном корпусе B, после чего тело из опасного материала F помещается в защитном корпусе A.
По выполнении вышеописанных этапов, защитные корпуса A, B, C и D последовательно снабжаются своими верхними торцевыми стенками.
Естественно, вышеописанную сборку защитных корпусов D, C, B и A можно также производить в надводном положении, а затем помещать собранные защитные корпуса в подводное положение, после чего тело из опасного материала F помещается в защитный корпус A и монтируются верхние торцевые стенки защитных корпусов.
Дополнительная возможность состоит в сборке защитных корпусов D, C и B в надводном положении, размещении тела из опасного материала F в защитном корпусе A в подводном положении, и сборки D+C+B защитных корпусов в подводном положении и размещении блока, образованного защитным корпусом A и находящимся в нем телом из опасного материала F, в вышеупомянутой сборке D+C+B и, наконец, монтаже верхних торцевых стенок защитных корпусов D, C и B.
Введение заливочного материала, т.е. самоуплотняющегося бетона, преимущественно осуществляется в подводном положении, когда собранное контейнерное устройство 11 заполнено водой. Бетон, который, как упомянуто выше, может преимущественно содержать короткие армирующие волокна из теплопроводящего материала, подается через одну или, предпочтительно, несколько или все трубки 33 самого внешнего защитного корпуса D, при желании, под некоторым давлением для ускорения введения. На фиг.1 направление введения символически указано стрелкой, обозначенной строчной буквой в маленьком кружке. Последующие этапы введения бетона аналогично указаны стрелками, обозначенными строчными буквами в маленьких кружках.
Бетон выходит из трубки или трубок в камеру 32 самого внешнего защитного корпуса D вблизи дна камеры, стрелка b, постепенно поднимается в камере 32, пока уровень бетона не достигнет верхней стороны второго снаружи защитного корпуса C, где он входит в трубки 27, стрелка с, втекает в камеру 26 защитного корпуса C вблизи его дна, стрелка d, и постепенно поднимается в этой камере. Когда уровень бетона достигает верхней стороны второго изнутри защитного корпуса B, бетон втекает в трубки 20, стрелка е, и в камеру 22 защитного корпуса C вблизи его дна, стрелка f.
По мере того как бетон постепенно поднимается в камере 22 защитного корпуса B, он также поднимается через защитный корпус A и его камеру 14 и также через тепловыделяющую сборку, образующую тело из опасного материала F, в результате чего топливные стержни тепловыделяющей сборки оказываются заделанными в бетон. Когда камера 22 защитного корпуса B, а значит, и защитный корпус A, тепловыделяющая сборка в нем, полностью заполнена, избыточный бетон выходит из трубки 23, стрелка g, чтобы далее заполнить камеру 26 защитного корпуса C. Аналогично, когда камера 26 защитного корпуса C полностью заполнена, бетон будет поступать в трубку 29, стрелка h, и выходить в камеру 32 защитного корпуса D, стрелка I, чтобы далее заполнять эту камеру до тех пор, пока она не будет полностью заполнена, и излишек бетона не начнет выходить через трубку 34, стрелка j.
Теперь все полости в контейнерном устройстве заполнены самоуплотняющимся бетоном, часть которого помечена штриховкой в средней части фиг.1. В ходе введения бетона, бетон постепенно выгоняет воду в полостях вверх. Обратный поток бетона можно предотвратить, обеспечив один или несколько каналов, через которые бетон вводится и выводится из защитных корпусов с помощью самозакрывающегося клапана (не показан).
В альтернативе, описанной выше, в которой тело из опасного материала F, содержащее ядерную тепловыделяющую сборку или несколько таких сборок, размещается в защитном корпусе A до того, как этот защитный корпус будет помещен в защитный корпус B, можно целесообразно выполнить разливку бетона вокруг тела из опасного материала F в защитном корпусе и позволить бетону застыть до того, как блок, состоящий из защитного корпуса A и тела из опасного материала F, заделанного в бетон, будет помещен в защитный корпус B.
Вышеописанное введение самоуплотняющегося бетона, означающее, что бетон следует извилистым путем через контейнерное устройство, является предпочтительным, но не обязательным. Альтернативой будет введение бетона в камеру 32 защитного корпуса A, как описано, в результате чего он входит в эту камеру через верхнюю торцевую стенку 31 и перемещается вниз в пространство, образованное между боковой стенкой 30 и боковой стенкой 24 второго снаружи защитного корпуса C, но затем ему позволяют постепенно подниматься во всех защитных корпусах и теле из опасного материала F одновременно, пока камера 32 защитного корпуса D и, таким образом, все контейнерное устройство 11, не будет полностью заполнено, и излишек бетона не начнет выходить через трубку 34.
На конечной фазе введения самоуплотняющегося бетона, и некоторое время после завершения введения, пока бетон достаточно не отвердеет, бетон можно поддерживать под определенным избыточным давлением, так что затвердевший бетон будет предварительно напряжен натянутыми арматурными деталями.
Введение бетона и выгон воды можно усилить путем применения всасывания к трубке 34.
Естественно, количество защитных корпусов контейнерного устройства может быть больше или меньше количества защитных корпусов согласно варианту осуществления контейнерного устройства, описанного выше лишь для примера.
В иллюстративном варианте осуществления контейнерного устройства, самый внутренний защитный корпус A построен несколько иначе, чем другие, окружающие его, защитные корпуса B, C и D, но, тем не менее, в основном, построен так же, как они, поскольку образует камеру, в которой содержится тело из опасного материала F, и которая заполняется самоуплотняющимся бетоном, в который полностью заделано тело из опасного материала. Это предпочтительно и особенно пригодно в описанном применении, когда тело из опасного материала представляет собой одну или несколько ядерных тепловыделяющих сборок, но не является обязательным признаком изобретения. Таким образом, опасный материал можно держать в контейнере, который сам не заполнен бетоном для заделки опасного материала, который в нем находится, но загерметизирован и помещен в защитный корпус, например защитный корпус B, и заделан в бетон там.