Чехол контейнера для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок
CONTAINER COVER FOR TRANSPORTATION AND STORAGE OF SPENT REACTOR FUEL ASSEMBLY

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к чехлам транспортных контейнеров (упаковкам, транспортным упаковочным комплектам) для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок легководных ВВЭР-1000/1200/1300 реакторов с минимальным (до 7 лет) сроком выдержки, повышенным (до 70 МВт*сут/кгU) выгоранием и интенсивным тепловыделением, и может быть использовано для улучшения технических и эксплуатационных характеристик транспортных упаковочных комплексов при обращении с отработавшими тепловыделяющими сборками.
Известен контейнер для транспортировки или хранения отработавшего ядерного топлива по патенту RU 2510770 C1 (G21F 5/00, 2014), содержащий корпус, включающий стакан с днищем и герметичным перекрытием внутренней полости стакана, последний снабжен верхними цапфами и наружной оребренной оболочкой, которая установлена соосно стакану и частично перекрывает его по длине с образованием герметичной полости, в которой по длине установлена составная кольцевая перегородка из металла, обладающего высокой теплопроводностью, разделяющая объем упомянутой герметичной полости на внутреннюю и периферийную части.
Внутренняя часть герметичной полости заполнена заливочной композицией, содержащей необходимое количество водорода, и обеспечивающей нейтронную защиту. Через эту композицию пропущены продольные профилированные элементы из металла, обладающего высокой теплопроводностью, связывающие стакан с кольцевой перегородкой. При этом периферийная часть герметичной полости заполнена другой заливочной композицией, обладающей высокой теплопроводностью, а также обладающей в подвижном состоянии текучестью, достаточной для заполнения зазора между кольцевой перегородкой и оребренной оболочкой.
Величина последнего выбрана исходя из условий обеспечения технологичности контейнера и интенсификации теплоотвода от кольцевой перегородки на наружную оребренную оболочку в загруженном состоянии контейнера при тепловом воздействии отработавшего ядерного топлива. При этом стакан и его днище выполнены как одно целое из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, а наружная оболочка - из нержавеющей стали. Причем, стакан содержит антикоррозионное покрытие, нанесенное на его внутренние поверхности и по меньшей мере на часть его наружных поверхностей методом газодинамического напыления, представляющее собой коррозионностойкую композицию.
В качестве заливочной композиции контейнер может содержать бетонную композицию, включающую цемент или портландцемент в качестве связующего. Для повышения теплопроводности заливочной композиции периферийной части в качестве заполнителя используется, например, стальная дробь и/или окалина.
Несмотря на технологичность изготовления и обеспечение эффективного отвода тепла от корпуса в окружающую среду, данная конструкция контейнера имеет недостаток, ухудшающий его эксплуатационные характеристики. Это существенное увеличение массы контейнера из-за применения в заливочной композиции различных цементов и тяжелых заполнителей, имеющих высокую плотность и, соответственно, значительную массу.
Известен контейнер для транспортного упаковочного комплекта с чехлом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по патенту RU 2642449 C1 (G21F 5/00, 2018), включающий корпус из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, внугреннюю и внешнюю крышки, чехол с каналами для установки тепловыделяющих сборок. Чехол выполнен составным из литого корпуса, в котором каналы для размещения тепловыделяющих сборок оформлены трубами из борсодержащего металла, зафиксированными за счет усадки расплава высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, происходящей при изготовлении отливки чехла и прикрепленного к нему неподвижным механическим соединением опорного днища с отверстиями, расположенными напротив каналов для размещения тепловыделяющих сборок. Площадь поперечного сечения каждого из которых составляет от 0,1 до 0,9 от площади поперечного сечения канала для размещения тепловыделяющей сборки, и прикрепленного неподвижным механическим соединением глухого днища, при этом между глухим днищем и опорным днищем обеспечивается наличие свободного внутреннего пространства. Чехол зафиксирован в корпусе за счет усадки, происходящей в процессе кристаллизации расплава высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при изготовлении отливки корпуса. В нижней части корпуса контейнера выполнен оснащенный заглушкой канал, связывающий внутреннее пространство чехла, расположенное между глухим днищем и опорным днищем с окружающей средой. Верхний торец чехла, его опорное днище и глухое днище покрыты защитным покрытием, стойким к воздействию дезактивационных растворов.
Описанная конструкция транспорного упаковочного комплекта имеет недостаток, связанный со значительным увеличением массы, так как для фиксации каналов для размещения тепловыделяющих сборок, выполненных из борсодержащих металлических труб, чехол заполняется тяжелым расплавом чугуна с шаровидным графитом.
Кроме того, чехол является невыемным, что создает трудности при проведении работ по его дезактивации и сужает область применения транспортного упаковочного комплекта, например, исключает возможность использовать его для транспортировки дефектных отработавших тепловыделяющих сборок, помещенных в специальные пеналы.
Известен чехол для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива по патенту RU 2642853 C1 (G21F 5/00, 2018). Чехол представляет собой сварную металлоконструкцию, состоящую из центральной несущей трубы, приваренной к нижнему основанию, на котором установлены и закреплены по высоте как минимум две секции, в каналах которых размещаются тепловыделяющие сборки. Каждая секция выполнена из двух дистанционирутощих решеток из нержавеющей стали - верхней и нижней, соединенных стойками из нержавеющей стали. Между дистанционирующими решетками установлены как минимум пять теплоотводящих дисков и дистанционирующие втулки из алюминиевого сплава. Отверстия для установки отработавших тепловыделяющих сборок образованы шестигранными алюминиевыми трубами. Внутри каждой грани трубы в герметичных карманах установлены пластины из борсодержащего композита. В первом ряду относительно оси несущей трубы размещено шесть труб, а во втором - двенадцать. В верхней части несущей трубы установлена головка под грузозахватное устройство.
Недостатком заявленной конструкции чехла является сложность изготовления и сборки нейтронной защиты, а именно необходимость помещения пластин из боросодержащего композита в отдельный герметичный карман и крепление герметичных карманов с пластинами к шестигранной алюминиевой трубе, являющейся направляющей для установки отработавших тепловыделяющих сборок.
Кроме того, расчетами установлено, что энерговыделение от отработавших тепловыделяющих сборок в чехле распределено неравномерно - с максимум в центре и минимумом на периферии. Поэтому применение равноудаленных теплоотводящих дисков в каждой секции чехла не гарантирует равномерный отвод тепла от отработавших тепловыделяющих сборок по всей высоте чехла.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является чехол для отработавших тепловыделяющих сборок по патенту RU 2458417 C1 (G21F 5/008, 2012) и разработанный на его основе транспортный упаковочный комплект для отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, содержащий чехол и контейнер, включающий в себя металлический корпус с герметичным перекрытием внутренней полости контейнера по патенту RU 2459295 СТ (G21F 5/008, 2012).
Согласно патенту RU 2459295, чехол в полости контейнера установлен с заданным радиальным зазором с возможностью образования теплопроводящего контакта между наружной поверхностью чехла и внутренней поверхностью корпуса контейнера в загруженном состоянии последнего при тепловом воздействии со стороны отработавших тепловыделяющих сборок. Чехол выполнен из нержавеющей стали и включает верхнюю и нижнюю дистанционирующие решетки, к которым герметично на сварке присоединены шестигранные трубы для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, а по периметру чехла - облицовка с образованием герметичного межтрубного пространства, которое заполнено поглощающей нейтроны теплопроводящей заливочной композицией, представляющей собой сплав алюминия и бора, либо сплав, включающий свинец и карбид бора, либо сплав, включающий медь и карбид бора.
Через чехол пропущены продольные трубчатые элементы, которые расположены вдоль продольной оси чехла между гранями смежных шестигранных труб и герметично на сварке присоединены соответственно к верхней и нижней дистанционирующим решеткам.
К верхней и нижней дистанционирующим решеткам чехла герметично на сварке присоединены трубы, расположенные равномерно по окружности вокруг продольной оси чехла, через которые пропущены скрепленные с чехлом тяги, выполняющие функцию такелажных элементов последнего.
В одном варианте выполнения транспортного упаковочного комплекта корпус контейнера содержит конструкционную сталь, в другом варианте - чугун.
Для перемещения и кантования контейнера в верхней и нижней частях корпуса контейнера предусмотрены грузоподъемные цапфы. Для слива воды, осушки и заполнения внутренней полости контейнера инертным газом в верхней и нижней частях корпуса контейнера предусмотрены соответствующие клапанные устройства.
Однако, заявленная конструкция транспортного упаковочного комплекта с введением теплопроводящей заливочной композиции с большим количеством борсодержащего материала (алюминий и бор, свинец и карбид бора, медь и карбид бора) непосредственно в межтрубное пространство чехла и установкой между гранями смежных шестигранных труб продольных трубчатых элементов с возможностью заполнения их водой, при затоплении внутренней полости контейнера, имеет недостатки, влияющие на его технические и эксплуатационные показатели.
Так, межтрубное пространство чехла имеет довольно большой объем и, соответственно, для его заполнения требуется значительное количество борсодержащей заливочной композиции, рабочий элемент которой является дорогостоящим материалом. Причем бор должен быть равномерно распределен в заливочной композиции, что для большого объема технологически трудно реализуемо.
Размещение продольных трубчатых элементов (каналов) между гранями смежных шестигранных труб в теплопроводящем борсодержащем материале (заливочной композиции) приводит к уменьшению обеспечиваемой заливочной композицией эффективной площади теплоотвода, что приводит к возникновению эффекта теплового сопротивления, и соответственно к уменьшению эффективности отвода тепла от отработавших тепловыделяющих сборок центральной зоны. Кроме того, такая конструкция чехла технологически сложна в изготовлении, что приводит к его удорожанию.
Решаемой в рамках настоящего изобретения задачей является создание чехла контейнера для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива энергоблоков легководных (ВВЭР-1000/1200/1300) реакторов с минимальным (до 7 лет) сроком выдержки и повышенным (до 70 МВт*сут/кгU) выгоранием. При этом достигаемый технический результат заключается в повышении эффективности радиационной защиты, снижении стоимости улучшении эксплуатационных характеристик чехла и транспортного упаковочного комплекта в целом.
Поставленная задача решается тем, что чехол представляет собой металлоконструкцию, выполненную в виде нержавеющего пустотелого цилиндра (обечайки) с перфорированным под шестигранные трубы-каналы опорным диском, внутренняя часть которого состоит из прикрепленной к центральной части опорного диска нержавеющей стойки, на которой закреплены промежуточные диски, с вставленными в них шестигранными трубами-каналами для установки отработавших тепловыделяющих сборок, шестигранные трубы-каналы представляют собой цельные нержавеющие шестигранные трубы с надетыми на них шестигранными кольцами из борсодержащего композиционного материала, на внутренней стороне обечайки чехла размещены изготовленные из композиционного борсодержащего материала и набранные из сегментов круглые нейтронопоглощающие кольца, а свободное пространство от центральной стойки до обечайки заполнено расплавом алюминия.
Шестигранные кольца из борсодержащего композиционного материала, за счет заданного содержания бора, обеспечивают снижение эффективного коэффициента размножения (Кэфф) упаковки до Кэфф<0.95 (исходя из самого консервативного сценария), что отвечает требованиям ядерной безопасности. Размещенные на внутренней стороне обечайки чехла внешние борсодержащие кольца, также содержащие заданное количество бора, обеспечивают защиту от нейтронного излучения.
Изменяя в определенном диапазоне толщину шестигранных и внешних колец (до 105 мм), и концентрацию бора в них, можно оптимизировать использование в транспортной упаковке дорогостоящего бора, обеспечивая требуемую ядерную безопасность и увеличивая при этом эффективность радиационной защиты.
Для придания прочности конструкции чехла свободное пространство от центральной стойки до обечайки заполнено расплавом алюминия, который также обеспечивает эффективный теплоотвод к периферии чехла от расположенных в центре отработавших тепловыделяющих сборок. При этом в расплаве алюминия отсутствует дорогостоящий бор, что технологически упрощает и снижает стоимость изготовления чехла транспортного упаковочного комплекта.
На фиг. 1 показан продольный разрез чехла.
На фиг. 2 показан поперечный разрез чехла.
На фиг. 3 показан контейнер с установленным чехлом (продольный разрез).
Чехол представляет собой металлоконструкцию, состоящую из расположенных друг над другом в определенном порядке промежуточных стальных дисков 1. В промежуточных дисках выполнены шестиугольные отверстия, в которые установлены восемнадцать шестигранных труб-каналов 2, включающие в себя трубы 3 из нержавеющей стали, на которых надеты шестигранные нейтронопоглощающие кольца 4 из борсодержащего композитного материала на основе алюминия. Шестигранные трубы-каналы 2 устанавливаются в опорный диск 5, сверху фиксируются верхним диском 6, выполненным из высокопрочной коррозионностойкой стали. Вся металлоконструкция по наружному диаметру ограничивается обечайкой 7, свариваемой из трех колец, при этом на внутренней стороне обечайки 7 размещены изготовленные из композитного борсодержащего материала на основе алюминия и набранные из сегментов внешние нейтронопоглощающие кольца 8. К опорному диску приварена центральная стойка 9, которая выполняет функцию несущего элемента чехла, на котором расположены все остальные его составляющие. Опорный диск 5 усилен снизу радиальными ребрами 10 и кольцевой центральной опорой 11. Опорный диск 5 имеет восемнадцать сливных отверстий 12, совпадающих с центрами шестигранных труб-каналов. Стойка в верхней части снабжена гнездом для захвата 13, с помощью которого пустой чехол устанавливается и вынимается из корпуса контейнера. Шаг установки промежуточных дисков, опорного и верхнего диска обеспечивают дистанционирующие вставки и втулки 14, установленные между ними. Свободное пространство от центральной стойки до наружного диаметра заливается алюминиевым сплавом 17.
Для скрепления конструкции чехла при заливке алюминия в диске верхнем и диске опорном имеются полости для заливки, а также в дисках промежуточных выполнены сквозные каналы 18.
Предлагаемая конструкция чехла может быть использована в контейнерах с корпусами, выполненными как из нержавеющей стали, так и из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при условии выполнения следующего требования.
Помещенный в контейнер пустой чехол должен в радиальном направлении иметь расчетный зазор между обечайкой чехла и внутренней поверхностью корпуса контейнера, максимальная величина которого определяется суммарным тепловым расширением конструкционных материалов чехла и корпуса контейнера, образующемся вследствие тепловыделения загруженных в чехол отработавших тепловыделяющих сборок, температура которых зависит от времени выдержки и выгорания отработавшего ядерного топлива, и может достигать 350°С.
Использование контейнера с предлагаемым чехлом осуществляется следующим образом (фиг. 3).
Пустой чехол 19 с помощью гнезда для захвата 13 транспортируют и помещают в корпус контейнера 20. Корпус контейнера 20 закрывают как минимум двумя крышками - внутренней 21 и внешней 22. После проверки на герметичность контейнер с чехлом с помощью грузоподъемных цапф 23 транспортируют в колодец перегрузки энергоблока атомной станции.
На площадке обслуживания с контейнера снимают герметизирующие крышки 21, 22 и с помощью грузоподъемных цапф 23 устанавливают в находящееся под водой универсальное гнездо бассейна выдержки. Загрузку отработавших тепловыделяющих сборок, находящихся на стеллажах бассейна выдержки, в шестигранные трубы-каналы 2 производят поочередно под водой с помощью перегрузочной машины, являющейся оборудованием атомной станции. После загрузки отработавших тепловыделяющих сборок в шестигранные трубы-каналы 2 на контейнер под водой устанавливают внутреннюю герметизирующую крышку 21 и с помощью грузоподъемных цапф 23 вынимают из бассейна выдержки и устанавливают на площадку обслуживания. На площадке обслуживания после протяжки болтовых соединений внутренней крышки 21 с помощью предусмотренного на крышке клапанного устройства (на фиг. не показано) проводят операцию освобождения внутренних полостей корпуса контейнера 20 от воды, заполнения инертным газом и установки верхней защитной крышки 22. После проверки на герметичность и дозиметрического контроля загруженный контейнер с помощью грузоподъемных цапф 23 транспортируют к месту промежуточного хранения. В месте промежуточного хранения загруженный контейнер может находиться некоторое время до выхода температуры наружной поверхности контейнера на нормируемое значение. Затем контейнер транспортируют на переработку или к месту долговременного хранения отработавших тепловыделяющих сборок. Использование представленной конструкции чехла позволяет транспортировать и хранить в контейнерах отработавших тепловыделяющих сборок легководных (ВВЭР-1000/1200/1300) реакторов с минимальным (до 7 лет) сроком выдержки, повышенным (до 70 МВт*сут/кгU) выгоранием и интенсивным тепловыделением.
Техническое решение согласно изобретению может быть использовано для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок легководных ВВЭР-1000/1200/1300 реакторов с минимальным (до 7 лет) сроком выдержки, повышенным (до 70 МВт*сут/кгU) выгоранием и интенсивным тепловыделением. Предложенная конструкция чехла контейнера для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок обеспечивает требуемую ядерную безопасность.