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

Изобретение относится к контейнерам, предназначенным как для транспортирования, так и для длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС) в виде облученных тепловыделяющих сборок (ОТВС) реакторных установок типа ВВЭР-1000/1200.
В настоящее время для обращения с ОЯТ АЭС используются контейнеры, которые функционально специализированы по назначению:
- к онтейнеры для транспортирования и временного (до одного года) хранения ОЯТ;
- контейнеры для транспортировки ОЯТ с АЭС с последующей постановкой на длительное (до 50 лет) сухое контейнерное хранение ОЯТ.
Специализация по функциональному назначению контейнера обусловлена необходимостью решения, как правило, одной основной задачи - транспортирование или хранение ОЯТ.
Расширение функционального назначения контейнера, предусматривающее его использование, как для транспортирования, так и длительного хранения ОЯТ реакторов типа ВВЭР-1000/1200, в настоящее время полностью не решено.
Так, известен контейнер для транспортирования и временного хранения (до одного года) ОЯТ реакторов типа ВВЭР-1000 (п. России №2453006, кл. G21F 5/00, опубл. 10.06.2012).
Контейнер содержит металлический корпус, включающий днище, опору, концентрично закрепленные на днище цилиндрические обечайки с образованием полости, герметичное перекрытие упомянутой полости и внутренней полости контейнера, которое выполнено в виде двух крышек, установленных одна над другой на общем основании, нейтронную защиту, установленную на наружных поверхностях внутренней крышки, днища и цилиндрической обечайке, элементы с высокой теплопроводностью, пропущенные через слой нейтронной защиты, расположенной на цилиндрической обечайке, вышеупомянутая полость между обечайками заполнена вставкой из металла высокой плотности и теплопроводности относительно материала обечаек, в качестве элементов с высокой теплопроводностью использованы ребра V-образной формы, расположенные вдоль корпуса на длине, соответствующей длине внутренней полости контейнера. Ребра установлены основанием на цилиндрической обечайке и закреплены на ней. Ребра выступают за поверхность нейтронной защиты и скреплены между собой обечайкой, являющейся облицовкой нейтронной защиты. В зоне нейтронной защиты стенки ребер перфорированы сквозными пазами, расположенными в продольных рядах со смещением паза одного ряда по отношению к пазу другого ряда. На опоре и на наружной крышке установлены демпферы. Данный контейнер имеет следующие недостатки:
- контейнер не предназначен для длительного (до 60 лет) сухого контейнерного хранения ОЯТ;
- расположение нейтронной защиты на наружной цилиндрической поверхности контейнера и в ребрах с облицовкой между ребрами в случае аварийной ситуации приводит к возможному повреждению ребер, облицовки и нейтронной защиты, которая может быть частично утеряна;
- большая трудоемкость изготовления и закрепления с помощью сварки на корпусе контейнера V-образных теплоотводящих ребер, проходящих через слой нейтронной защиты и облицовку.
Известен другой контейнер для транспортирования и длительного хранения (до 50 лет) ОЯТ реакторов типа ВВЭР-1000/1200 (п. России №2593273, G21F5/00, опубл. 10.08.2016) с увеличенной массой и глубиной выгорания ядерного топлива (обогащение по урану-235 до 5% и выгорание до 70ГВт⋅сут/тU).
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.
Этот контейнер принимается за прототип, как наиболее близкий по конструкторскому исполнению и функциональному назначению к заявляемому изобретению.
Контейнер имеет следующие недостатки: -увеличенные габаритные размеры контейнера, позволяющие разместить до двадцати ОТВС ВВЭР-1000/1200, делают невозможным использование контейнера в транспортно-технологических операциях на существующих и проектируемых АЭС;
- форма тепловых мостов вставок нейтронной защиты, снижающая ее эффективность;
- схема обращения с контейнером, загруженным ОЯТ на АЭС, требует снятия демпферов данного контейнера, что влияет на его безопасность при падении контейнера на АЭС;
- для установки контейнера в колодец перегрузки (контейнерный отсек) реакторного зала АЭС требуется снятие нижнего демпфера для установки контейнера в универсальное гнездо, что снижает его безопасность при аварийных падениях;
- большая трудоемкость изготовления и установки V-образных теплоотводящих ребер на наружной обечайки, состоящих из облицовки из нержавеющей стали и вкладыша из алюминиевого сплава;
- отсутствует возможность горизонтального переноса контейнера при обращении на АЭС.
Решаемой задачей данного изобретения является разработка высокотехнологичной конструкции контейнера для транспортирования и длительного хранения отработавших тепловыделяющих сборок реакторов типа ВВЭР-1000/1200, обеспечивающего радиационную (гамма и нейтронную) защиту, эффективного отведения тепла от внутренней обечайки к наружной поверхности контейнера с последующим рассеиванием в окружающую среду, а также вписывающегося в массогабаритные размеры, обеспечивающие его применение в транспортно-технологических схемах обращения с ОТВС на существующих и строящихся АЭС.
Технический результат разработки:
- расширение функционального назначения контейнера, предусматривающего его использование, как для транспортирования, так и длительного хранения до 60 лет ОЯТ;
- оптимизация габаритных размеров контейнера (высота 6050 мм -6110 мм, наружный диаметр 2480 мм - 2540 мм), обеспечивающих его применение в транспортно-технологических схемах обращения с ОТВС на существующих и строящихся АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000/1200;
- оптимизация геометрии блоков нейтронной защиты контейнера для обеспечения более эффективной радиационной защиты.
Технический результат достигается тем, что в контейнере для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива, содержащем металлический корпус, включающий верхний комингс, концентрические цилиндрические внутреннюю и наружную обечайки, нижний комингс с силовым днищем, герметичное перекрытие внутренней полости контейнера двумя крышками, внутренней крышкой, установленной во внутреннюю проточку комингса верхнего, и наружной крышкой, установленной на верхнем комингсе над внутренней крышкой, полость между внутренней и наружной обечайками, заполненную вкладышами гамма-защиты, жестко закрепленными на внутренней обечайке, вставки из металла высокой теплопроводности, размещенные между вкладышами гамма-защиты и наружной обечайкой, имеющие продольные каналы, в которых размещена нейтронная защита, последняя также установлена на наружной поверхности внутренней крышки и в полости нижнего комингса, продольные ребра, установленные на наружной обечайке корпуса, съемные демпферы, установленные на наружной крышке и комингсе нижнем, каналы для проверки и контроля герметичности полостей контейнера, герметично установленные клапана расхолаживания-осушки внутренней полости, цапфы для подъема и кантования контейнера; блоки нейтронной защиты имеют продольные каналы трапециевидной формы, вкладыши гамма-защиты выполнены из углеродистой стали, каждое продольное ребро выполнено клиновидной формы из нержавеющей стали, один контур герметизирующих элементов клапанов верхнего и нижнего комингса выполнен из термо-радиационностойкой резиновой смеси, второй - из терморасширенного графита.
В межкрышечном пространстве верхнего комингса имеется возможность установки герметизирующего листа. Цапфы для подъема и кантования контейнера снабжены съемными гильзами. Контейнер для загрузки отработавших тепловыделяющих сборок имеет возможность установки в колодец перегрузки без снятия нижнего демпфера. На поверхности контейнера выполнено присоединительное место для закрепления кронштейна траверсы при горизонтальном переносе контейнера. На торцовой поверхности внутренней крышки установлено кольцо для установки захватной головки. Конструкция внутренней и наружной крышки снабжена элементами под грузозахватные приспособления. Демпфер на наружной крышке выполнен в виде набора  - образных пластин, демпфер на комингсе нижнем - в виде  образных, закрепленных на соответствующих основаниях. На наружной крышке закреплено кольцо, обеспечивающее защиту шпилек комингса верхнего при падении контейнера. В нижнем и верхнем комингсе имеется возможность установки дополнительных блоков адаптивной гамма и нейтронной защиты. Высота контейнера 6050 мм - 6110 мм, наружный диаметр 2480 мм - 2540 мм.
Выполнение вкладышей гамма защиты из углеродистой стали обеспечивает эффективную защиту от ионизирующего излучения и теплоотвод от внутренней обечайки к блокам нейтронной защиты.
Форма тепловых мостов из металла высокой теплопроводности в блоках нейтронной защиты обеспечивает эффективный теплоотвод от вкладышей гамма защиты к системе наружного оребрения контейнера.
Наличие в блоках нейтронной защиты полостей трапециевидной формы, заполненных полипропиленом, обеспечивает эффективное экранирование нейтронного излучения ОЯТ.
Силовой стальной герметичный корпус цилиндрической формы обеспечивает дополнительную гамму защиту.
Система наружного оребрения контейнера, состоящая из продольных ребер клиновидной формы из нержавеющей стали, позволяет эффективно, путем конвекции и теплового излучения, рассеивать тепло в окружающую среду. Продольные ребра являются элементами конструкции контейнера, снижающими динамические нагрузки на содержимое контейнера в нормальных и аварийных условиях эксплуатации.
В составе системы герметизации наружной и внутренней крышек контейнера для транспортировки и временного хранения используется комплект прокладок из термо-радиационностойкой резиновой смеси, а для длительного хранения - специализированные металлические или графитовые прокладки.
В межкрышечном пространстве верхнего комингса предусмотрено наличие свободного объема, позволяющего произвести установку герметизирующего листа путем его сварки с комингсом верхним при постановке контейнера с ОЯТ на длительное хранение.
В состав конструкции клапанов в верхнем и нижнем комингсе входят прокладки из терморасширенного графита, позволяющие обеспечить герметичность внутренней полости контейнера при тепловых воздействиях в нормальных и аварийных условиях эксплуатации.
Цапфы верхнего и нижнего комингса снабжены съемными гильзами, обеспечивающими их ремонтопригодность.
Конструкция демпфера нижнего обеспечивает установку контейнера в колодец перегрузки (контейнерный отсек) без снятия демпфера нижнего, что обеспечивает безопасность контейнера при аварийных падениях.
Выполнение демпфера на наружной крышке в виде набора  образных пластин, а демпфера на комингсе нижнем - в виде  - образных пластин позволяет более эффективно снизить перегрузки на содержимом контейнера при аварийных динамических воздействиях при разных углах падения контейнера.
На поверхности контейнера выполнено присоединительное место для закрепления кронштейна траверсы, обеспечивающей, совместно с цапфами верхнего комингса, переноску контейнера в горизонтальном положении.
В состав конструкции внутренней и наружной крышек введены элементы, обеспечивающие соединение с грузозахватными приспособлениями, позволяющими выполнять снятие и установку крышек с помощью строп.
Имеется вариант исполнения конструкции верхнего и нижнего комингса контейнера с кольцевыми проточками для размещения адаптивной гамма и нейтронной защиты, выполненной, соответственно, из металла с высокой плотностью и материалом с высоким удельным содержанием водорода.
На фиг. 1 показан общий вид контейнера в разрезе; на фиг. 2 - вид контейнера сверху, вид А на фиг. 1 и вид контейнера снизу, вид Б на фиг. 1; на фиг. 3 - поперечное сечение контейнера, сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 4 - система герметизация внутренней и наружной крышек, сечение Г-Г на фиг. 2.
Контейнер представляет собой силовой стальной герметичный сосуд цилиндрической формы, состоящий из корпуса 1, имеющего внутреннюю полость для размещения чехла с ОТВС, которая герметично закрыта крышкой внутренней 2 и крышкой наружной 3.
Корпус 1 состоит из комингса нижнего 4, промежуточного отсека 5 цилиндрической формы и комингса верхнего 6, имеющего загрузочное отверстие ступенчатой формы.
Комингс нижний 4 состоит из кольца 7, силового днища 8, герметичного отсека нейтронной защиты цилиндрической формы, заполненным полипропиленом 9 и крышки 10. На боковых поверхностях комингса нижнего установлены кантовочные цапфы 11 со съемными гильзами 12. Также на боковой поверхности комингса нижнего установлены бонки 13 для закрепления кронштейна (на фиг. не показано) при переноса контейнера в горизонтальном состоянии.
Промежуточный отсек 5 состоит из внутренней обечайки 14, наружной обечайки 15, вкладышей 16, выполненных в виде толстостенных цилиндров жестко закрепленных к обечайке 14, блоков нейтронной защиты 17, которые имеют продольные каналы трапециевидной формы, заполненных полипропиленом 18. На наружной поверхности отсека 5 продольно установлены четыре ряда ребер 19.
Комингс верхний 6 имеет загрузочное отверстие ступенчатой формы с двумя торцовыми поверхностями. На одной из торцовых поверхностей имеется шпильки 20, предназначенных для установки и крепления с помощью гаек 21 крышки внутренней 2, на другой торцовой поверхности имеется шпильки 22, предназначенные для установки и закрепления с помощью гаек 23 крышки наружной 3. На наружных боковых поверхностях комингса верхнего 6 имеются четыре цапфы 24, предназначенные для кантования, подъема и переноса контейнера. На цапфы установлены съемные гильзы 25. Также на наружных боковых поверхностях имеются каналы для проверки герметичности контейнера. Во время транспортировки каналы закрываются герметичными крышками.
Крышка внутренняя 2 состоит из основания 26 и герметичного отсека, заполненного полипропиленом 27, стоек 28 и кольца 29, в которых имеются отверстия для закрепления грузозахватных приспособлений и съемной захватной головки для переноса крышки. В кольцевых проточках, имеющихся на торцовой поверхности основания 26, установлены уплотнительные элементы 30 и 31.
Крышка наружная 3 состоит из диска 32, на наружной торцовой поверхности которого имеются бонки 33 и 34 для установки грузозахватных приспособлений и съемной захватной головки для переноса крышки. Также на наружной торцовой поверхности диска 32 имеются шпильки 35, предназначенные для крепления с помощью гаек 36 демпфера верхнего 37. Демпфер выполнен в виде набора  - образных пластин, закрепленных на соответствующих основаниях. На внутренней торцовой поверхности диска 32 имеются две кольцевые проточки, в которых установлены уплотнительные элементы 38 и 39. Крышка наружная 3 оснащена кольцом защитным 40, закрепленным при помощи винтов.
На комингс нижний 4 закрепленный с помощью болтов 41 установлен демпфер нижний 42. Демпфер выполнен в виде  - образных пластин, закрепленных на соответствующих основаниях. В конструкции демпфера нижнего 42 имеется три направляющих планки 43 для установки транспортного упаковочного комплекта в гнездо универсальное.
В контейнере установлены два клапана 44, один в комингсе верхнем 6, второй - в комингсе нижнем 4, предназначенные для осуществления процессов осушки и вакуумирования, ввода во внутреннюю полость газового теплоносителя, испытаний контейнера на герметичность, ввода и вывода охладителя при расхолаживании.
В вариантах исполнения контейнера в кольцевые проточки верхнего и нижнего комингса устанавливается адаптивная гамма и нейтронная защита 45.
Использование контейнера осуществляется следующим образом.
Отработавшее ядерное топливо в виде ОТВС на АЭС загружают в чехол (на фиг. не показан), установленный во внутренней полости контейнера. Работы производятся под слоем воды в бассейне выдержки.
Перед погружением в бассейн на посту обслуживания с контейнера, снимают наружную крышку 3 с закрепленным верхним демпфером 37 и внутреннюю крышку 2, за две цапфы 24 с помощью траверсы (на фиг. не показана) контейнер переносят в бассейн, где дистанционно расцепляют траверсу от контейнера.
После загрузки контейнера ОТВС под водой в проточку комингса верхнего 6 на шпильки 20 устанавливается внутренняя крышка 2 с помощью грузозахватного устройства и захватной головки, предварительно установленной на крышку внутреннюю (на фиг. не показана). Грузозахватное устройство дистанционно отстыковывается от захватной головки внутренней крышки 2. Вертикальная траверса дистанционно соединяется с цапфами 24 верхнего комингса 6. Загруженный ОТВС контейнер полностью извлекается из воды, производится слив воды из внутренней полости контейнера. Контейнер переносится на пост обслуживания, где выполняются работы по подготовке контейнера к транспортировке:
- установка и затяжка гаек крепления крышек контейнера;
- продувка внутренней полости контейнера через клапаны верхнего 6 и нижнего комингса 4;
- дезактивация контейнера;
- проверка герметичности внутренней полости контейнера и межкрышечного пространства (уплотнительных элементов крышки наружной и внутренней).
Для последующей транспортировки контейнер может переноситься на транспортное средство, например, железнодорожный вагон, как в вертикальном, так и горизонтальном положении. Перенос контейнера в вертикальном положении осуществляется с помощью вертикальной траверсы, присоединенной к цапфам 24, с последующим опиранием на нижние цапфы 11 и кантованием из вертикального положения в горизонтальное. При переносе контейнера в горизонтальном положении траверса горизонтальная соединяется с цапфами 24 и кронштейном (на фиг. не показано), закрепляемым на боковой поверхности комингса нижнего 4. Затем контейнер закрепляется в вагоне и транспортируется на соответствующий объект мокрого хранения и переработки ОТВС, либо длительного сухого контейнерного хранения ОЯТ (до 60 лет):
- после транспортирования на объект временного мокрого хранения и переработки ОТВС контейнер извлекается из вагона и устанавливается на площадку расхолаживания в вертикальном положении. К клапанам 44 контейнера подключаются устройства системы расхолаживания и производится заполнение внутренней полости контейнера водой. После завершения процедуры расхолаживания, снимается наружная крышка 3 совместно с демпфером верхним 37, раскрепляются и снимаются гайки 21 на внутренней крышке 2. Контейнер переносится в бассейн, после чего с помощью грузозахватного устройства дистанционно снимается внутренняя крышка 2. ОТВС из контейнера перегружаются в кассеты, предназначенные для длительного хранения ОТВС под водой. Все работы в бассейне проводятся дистанционно с помощью специализированных устройств (на фиг. е показаны). После выгрузки ОТВС контейнер проходит процедуру дезактивации.
после транспортирования на объект длительного сухого контейнерного хранения ОЯТ контейнер извлекается из вагона и устанавливается на площадку обслуживания в хранилище отработавшего ядерного топлива (ХОЯТ) в вертикальном положении. На площадке обслуживания производится осушка (вакуумирование) внутренней полости контейнера с последующей закачкой инертного газа, например, азота или гелия. Далее производится постановка контейнера на длительное хранение с применением одного из способов герметизации:
а) установка герметизирующего листа в межкрышечное пространство путем его сварки с комингсом верхним 6;
б) замена на наружной крышке 3 уплотнительных элементов 38, 39 из резиновой смеси на специализированные металлические или графитовые прокладки (срок службы до 60 лет);
в) комбинация вышеприведенных способов герметизации.
Для контроля температуры наружной поверхности контейнера к его корпусу монтируется датчик температуры (на фиг. не показан).