КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
CONTAINER FOR SPENT NUCLEAR FUEL TRANSPORTATION AND STORAGE

Техническое решение относится к контейнерам, предназначенным как для транспортирования, так и для длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС) в виде отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС).
В настоящее время для обращения с ОЯТ АЭС используют контейнеры, которые функционально специализированы по назначению:
- контейнеры для транспортирования и временного (до одного года) хранения ОЯТ;
- контейнеры для одноразового вывоза ОЯТ с АЭС и последующего длительного (несколько десятков лет) хранения ОЯТ, а также хранения ОЯТ и последующего одноразового вывоза ОЯТ.
Специализацию по функциональному назначению контейнеров можно объяснить возможностью оптимизации конструкции контейнера, предназначенного для решения, как правило, одной основной задачи - транспортирования или хранения ОЯТ.
Расширение функционального назначения контейнера, предусматривающее его использование, как для транспортирования, так и длительного хранения ОЯТ, в настоящее время полностью не решено, например, для обращения с ОЯТ реакторов типа ВВЭР-1000/1200 и РБМК-1000.
Так, известен контейнер для транспортирования и временного хранения (до одного года) ОЯТ реакторов типа ВВЭР-1000 (п. России №2453006, кл. G21F 5/00, 2011). При использовании по назначении в контейнер на АЭС загружают ОТВС реактора ВВЭР-1000 в бассейне выдержки ОТВС под водой. После загрузки ОТВС в контейнер по технологии работ, принятой на АЭС, на контейнер устанавливают внутреннюю крышку с уплотнительными элементами, контейнер извлекают из бассейна, закрепляют внутреннюю крышку, устанавливают и закрепляют наружную крышку, производят осушку внутренней полости и грузят на железнодорожный транспортер. После доставки контейнера с ОТВС на объект длительного хранения, контейнер снимают с железнодорожного транспортера и устанавливают на пост обслуживания. На посту обслуживания контейнер с ОЯТ расхолаживают (снижают температуру внутри контейнера путем заполнения внутренней полости проточной водой), снимают наружную крышку, раскрепляют внутреннюю крышку и переносят контейнер под воду в бассейн хранения ОТВС. Снимают внутреннюю крышку и производят перегрузку ОТВС из контейнера в чехлы для хранения. После выгрузки ОТВС контейнер извлекают из воды и готовят по технологии предприятия к отправке на АЭС за очередной партией ОТВС.
Данный контейнер имеет следующие недостатки:
- контейнер предназначен для загрузки или выгрузки ОТВС только в бассейне под водой. Сухая загрузка или выгрузка ОТВС невозможна из-за отсутствия на верхнем комингсе присоединительного места (присоединительное место это кольцевая торцовая поверхность верхнего комингса по диаметру больше наружного диаметра верхней крышки), к которому при сухой загрузке (выгрузке) контейнера ОЯТ герметично дистанционно стыкуется фланец канала перегрузки;
- расположение нейтронной защиты на наружной цилиндрической поверхности контейнера и в ребрах с облицовкой между ребрами в случае аварийной ситуации приводит к повреждению ребер, облицовки и нейтронной защиты, которая может быть частично утеряна, что недопустимо;
- большая трудоемкость изготовления и закрепления с помощью сварки на корпусе контейнера V-образных теплоотводящих ребер нейтронной защиты и облицовки.
Известен контейнер для транспортирования отработавшего ядерного топлива реакторов типа РБМК-1000 (п. России №2510721, кл. G21F 5/00, 2012).
Контейнер содержит металлический корпус, включающий комингс с закрепленным на нем днищем и опорой, концентрично закрепленные на комингсе обечайки с образованием полости, герметичное перекрытие упомянутой и внутренней полостей контейнера, выполненное в виде двух крышек, установленных одна над другой на основании, нейтронную защиту и демпферы. Полость между обечайками заполнена вкладышами из металла высокой плотности, жестко закрепленными на внутренней обечайке, между вкладышами и наружной обечайкой размещены вставки из металла высокой теплопроводности, имеющие продольные каналы, в которых размещена нейтронная защита. Внутренняя крышка выполнена конической формы, установлена во внутреннюю коническую проточку основания и поджата кольцом, надетым на внутренний ряд шпилек основания. На торцовой и конической поверхности внутренней крышки имеются кольцевые канавки, в которых расположены уплотнительные элементы. На наружной крышке и опоре установлены съемные демпферы.
Этот контейнер принимается за прототип, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому техническому решению.
Недостатками данного контейнера являются:
- контейнер предназначен для перевозки и временного (до одного года) хранения ОТВС реактора типа РБМК-1000, разделанных на пучки тепловыделяющих (ПТ) элементов и помещенных в специальные ампулы;
- контейнер предназначен для загрузки или выгрузки ОТВС только «сухим» способом, без погружения контейнера с грузозахватным оборудованием в бассейн под воду. Технология и соответствующее оборудование для загрузки (выгрузки) в данный контейнер ОТВС под водой отсутствуют, в то время как для ряда других известных контейнеров широко используется технология загрузки (выгрузки) ОТВС в контейнер «мокрым» способом, в бассейне под водой;
- оребрение наружной цилиндрической поверхности контейнера выполнено в виде плоских пластин из коррозионно-стойкой стали, имеющей низкую теплопроводность. Энерговыделение ОЯТ, перевозимого в таком контейнере, ограничено и не превышает 10 кВт.
Технический результат заключается в расширении функционального назначения контейнера, предусматривающего его использование, как для транспортирования, так и длительного хранения ОЯТ, а также возможность загрузки и разгрузки контейнера ОЯТ как в бассейне, так и «сухим» способом.
Решаемой задачей является создание контейнера для транспортирования и длительного хранения (не менее 50 лет) ОЯТ реакторов типа ВВЭР-1000/1200 с увеличенной массой и глубиной выгорания ядерного топлива (обогащение по урану-235 до 5% и выгорание до 70 ГВт·сут/тU).
Поставленная задача решается тем, что контейнер содержит металлический корпус, включающий нижний комингс с закрепленными на нем днищем, опорой и концентричными цилиндрическими обечайками с образованием полостей, герметичное перекрытие внутренней полости контейнера двумя крышками, внутренней крышкой конической формы, установленной во внутреннюю коническую проточку комингса и поджатую кольцом, надетым на внутренний ряд шпилек комингса, и наружной крышкой, установленной на верхнем комингсе над внутренней крышкой. Полость между обечайками заполнена вкладышами, жестко закрепленными на внутренней обечайке, вкладыши состоят из герметичного корпуса из углеродистой стали, заполненного гамма-защитой из материала высокой плотности. Между вкладышами и наружной обечайкой размещены вставки из металла высокой теплопроводности, имеющие продольные каналы, в которых размещена нейтронная защита. Последняя также установлена в имеющихся отсеках на наружной поверхности внутренней крышки и в опоре. На наружной обечайке корпуса установлены продольные ребра, каждое продольное ребро выполнено V-образной формы и состоит из кожуха из нержавеющей стали и вкладыша из алюминиевого сплава. На наружной крышке и опоре установлены съемные демпферы. Верхний комингс выполнен с каналами для проверки и контроля герметичности полостей контейнера, нижний комингс выполнен с каналом, в котором установлен датчик температуры, каналы в обоих комингсах имеют присоединительные места для герметичного подсоединения эксплуатационного оборудования, оба комингса снабжены клапаном расхолаживания-осушки внутренней полости, верхний комингс имеет съемные цапфы для подъема и кантования контейнера, нижний комингс имеет цапфы со съемными гильзами для кантования контейнера.
В вариантах исполнения контейнера:
- верхний и нижний комингс выполнены из коррозионно-стойкой стали;
- цилиндрические обечайки выполнены из коррозионно-стойкой стали;
- гамма-защита выполнена из свинца;
- вставки выполнены из алюминиевого сплава;
- нейтронная защита выполнена из полипропилена;
- герметизирующие элементы выполнены из термо-радиационностойкой резиновой смеси;
- кольцо, поджимающее внутреннюю крышку, закреплено на крышке с помощью крепежных элементов, например, болтов.
Наличие в верхнем и нижнем комингсах клапана расхолаживания-осушки внутренней полости контейнера позволяет по известной технологии производить расхолаживание контейнера, т.е. снижение температуры полости контейнера, в которой размещены ОТВС, путем заполнения полости проточной водой; слив воды из контейнера, осушку внутренней полости, проверку полости на герметичность и заполнение ее требуемой газовой средой после загрузки в контейнер ОТВС в бассейне выдержки атомной станции.
Размещение датчика температуры в канале нижнего комингса позволяет контролировать температуру в полости, в которой размещены ОТВС.
Выполнение каналов в верхнем и нижнем комингсах имеющих присоединительные места для герметичного подсоединения эксплуатационного оборудования позволяет производить дистанционный контроль герметичности контейнера путем измерения давления и температуры в полости, в которой размещаются ОТВС, измерения давления в полостях между уплотнительными элементами крышек, а также между внутренней и наружной крышкой.
Выполнение цапф верхнего комингса съемными позволяет произвести их замену или ремонт.
Выполнение нижних цапф со съемными гильзами позволяет произвести замену или ремонт гильз.
Выполнение вкладышей в виде герметичного стального корпуса из углеродистой стали, заполненных гамма-защитой из свинца, позволяет обеспечить эффективную защиту от гамма-излучения в широком диапазоне температур, которые могут превышать температуру плавления свинца.
Выполнение продольных ребер V-образной формы, состоящих из кожуха из нержавеющей стали и вкладыша из алюминиевого сплава позволяет более интенсивно путем конвекции и излучения рассеивать тепло в окружающую среду, при этом ребра являются элементами конструкции, гасящими импульсы внешних динамических нагрузок, воздействующих на контейнер, в случае возникновения аварийных ситуаций.
Закрепление на внутренней крышке кольца, поджимающего крышку, позволяет обеспечить опускание контейнера под воду в соответствии с требованиями безопасности, которое требует полное раскрепление внутренней крышки производить после переноса контейнера и его неполного погружении в воду в подвешенном состоянии. Снятие (установка после загрузки в контейнер ОТВС) внутренней крышки с закрепленным на ней кольцом производится при нахождении контейнера в бассейне под водой.
Наличие съемной опоры на торцовой поверхности внутренней крышки позволяет производить транспортирование в контейнере всей существующей номенклатуры ОТВС реакторов типа ВВЭР-1000/1200.
Наличие на торцовой поверхности внутренней крышки устройства поджима позволяет при транспортировании незагруженного ОТВС контейнера зафиксировать от продольных перемещений дистанционирующую решетку, которая устанавливается в контейнер и служит для размещения в ней ОТВС.
На фиг. 1 показан общий вид контейнера в разрезе; на фиг. 2 - вид контейнера сверху, вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - поперечное сечение контейнера, сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - герметизация внутренней и наружной крышек, элемент В на фиг. 1; на фиг. 5 - каналы проверки герметичности в верхнем комингсе, сечение Г-Г на фиг. 2.
Контейнер (см. фиг. 1, 2, 3, 4 и 5) состоит из металлического корпуса 1, включающего комингс верхний 2 с двумя группами каналов «а» для проверки герметичности, опору 3, днище 4; комингс нижний 5, внутреннюю 6 и наружную 7 обечайки, вкладыши 8, состоящие из герметичного корпуса 9, заполненного гамма-защитой 10, вставки 11, имеющие продольные каналы, в которых размещена нейтронная защита 12, ребра 13, состоящие из кожуха 14 и вкладыша 15, нейтронную защиту 16, расположенную в опоре 3, съемные цапфы 17, предназначенные для кантования контейнера, цапфы 18 со съемными гильзами 19, шпильки 20, шпильки 21. Внутренняя полость контейнера закрыта внутренней крышкой 22, на внешней поверхности которой установлена нейтронная защита 23, имеющая облицовку 24. В проточках крышки установлены уплотнительные элементы 25 и 26. На торцовой внутренней поверхности крышки установлены съемные опоры 27 и устройство поджима 28. Крышка имеет переходник 29, предназначенный для ее подъема. На внутренней крышке 22 закреплено кольцо 30 при помощи болтов 31. На комингсе верхнем 2 установлена наружная крышка 32. В концентричных проточках крышки 32 установлены уплотнительные элементы 33 и 34. Крышка 32 имеет переходник 35, предназначенный для ее подъема. На опоре 3 установлен демпфер 36, на наружной крышке 32 - демпфер 37. Оба комингса снабжены клапаном расхолаживания-осушки внутренней полости 38. Нижний комингс выполнен с каналом, в котором установлен датчик температуры 39.
Использование контейнера осуществляется следующим образом.
Отработавшее ядерное топливо в виде ОТВС на АЭС сначала загружают в дистанционирующую решетку (на фиг. не показана), которую затем устанавливают в контейнер. Возможен вариант, в котором дистанционирующую решетку сначала устанавливают в контейнер, а затем загружают в нее ОТВС. Как в первом, так и во втором случае работы проводят под водой в бассейне выдержки, для чего перед погружением в бассейн на посту обслуживания с контейнера, внутри которого установлена дистанционирующая решетка, снимают демпферы 36 и 37, наружную крышку 32 и внутреннюю крышку 22; за две цапфы 17 с помощью траверсы (на фиг. не показана) контейнер переносят в бассейн, где дистанционно отстыковывают траверсу от контейнера.
После загрузки контейнера ОЯТ с помощью грузозахватного устройства (на фиг. не показано) в коническую проточку комингса 5 устанавливают внутреннюю крышку 22 с закрепленным на ней болтами 31 кольцом 30, при этом кольцо 30 надевается на шпильки 21. Дистанционно отстыковывают от переходника 29 внутренней крышки 22 грузозахватное устройство. Дистанционно соединяют траверсу с цапфами 17. Приподнимают контейнер на высоту, при которой верхний комингс 2 выступает над водой, и закрепляют несколькими гайками кольцо 30. Полностью извлекают загруженный ОЯТ контейнер из воды и переносят его на пост обслуживания, где выполняют следующие работы:
- закрепляют кольцо 30 с установкой и затяжкой всех гаек;
- производят дезактивацию контейнера;
- по шпилькам 20 устанавливают и закрепляют гайками наружную крышку 32;
- подстыковывают к клапанам расхолаживания-осушки 38 и каналам «а» технологическое оборудование, производят слив воды из внутренней полости контейнера, продувают каналы «а», проводят проверку герметичности всех полостей, заполняют внутреннюю полость контейнера инертным газом, например, гелием. После чего каналы «а» и клапаны расхолаживания-осушки 38 герметично закрывают;
- устанавливают нижний демпфер 36 и верхний демпфер 37.
Для транспортирования контейнер с помощью траверсы, соединяемой с цапфами 17, переносят в вертикальном положении на транспортное средство, например, железнодорожный транспортер, опирают на нижние цапфы 18 и опускают, при этом контейнер переходит из вертикального положения в горизонтальное.
Закрепляют контейнер в вагоне и транспортируют на соответствующий объект (региональный объект хранения и переработки ОЯТ). После транспортирования контейнер на объекте извлекают из вагона и устанавливают на площадку расхолаживания в вертикальном положении. Проверяют герметичность внутренней полости контейнера и полости между внутренней крышкой 22 и наружной крышкой 32. Подключают к клапанным устройствам контейнера 38 устройства системы расхолаживания и производят расхолаживание (снижают температуру внутри контейнера с ≈ плюс 320°C до ≈ плюс 40°C). После расхолаживания демонтируют демпферы 36 и 37, снимают наружную крышку 32, раскрепляют и снимают часть гаек, крепящих кольцо 30. Переносят контейнер в бассейн выдержки, при этом после опускания контейнера в воду до уровня выступания торца верхнего комингса 2 примерно на 0,2 м над водой снимают все оставшиеся гайки крепления кольца 30, затем контейнер опускают полностью, после чего с помощью грузозахватного устройства дистанционно снимают внутреннюю крышку 22, извлекают ОТВС из дистанционирующей решетки и размещают их в другой дистанционирующей решетке, предназначенной для длительного хранения ОТВС под водой. Все работы в бассейне проводят под водой с помощью устройств, управляемых дистанционно (на фиг. не показаны). После выгрузки ОТВС из контейнера производят работы с контейнером, аналогичные работам после загрузки ОТВС в контейнер.
При использовании контейнера для длительного хранения в нем ОЯТ проводят следующие работы:
- снимают демпфера 36 и 37;
- устанавливают с опорой на торцовую поверхность комингса 2 дополнительную крышку и герметично приваривают ее к комингсу;
- для дистанционного контроля герметичности полостей между уплотнительными элементами 25, 26, 33 и 34 в гнезда каналов «а» комингса 2 герметично устанавливают запорную арматуру с датчиками, при этом информация с датчиков передается по кабельной линии на пульт контроля;
- для контроля температуры внутри контейнера к датчику температуры 38 подсоединяют кабельную линию, выходящую на пульт контроля.
Для транспортирования контейнера с ОЯТ после длительного хранения проводят следующие работы:
- срезают дополнительную крышку, приваренную к комингсу 2;
- демонтируют с гнезд каналов «а» запорную арматуру с датчиками;
- устанавливают демпфера 36 и 37.
После этого контейнер готов к транспортированию.
Разработанная конструкция контейнера для транспортировки и хранения ОЯТ реакторов типа реакторов типа ВВЭР-1000/1200 с повышенным обогащением по урану-235 до 5%, выгоранием ядерного топлива до 70 ГВт·сут/тU и остаточным суммарным энерговыделением до 40 кВт, обеспечивает как эффективную защиту от гамма-излучения и нейтронов, так и эффективный отвода тепла от загруженного в контейнер ОЯТ, что отвечает требованиям по безопасной перевозке и хранению ОЯТ.