ТРАНСПОРТНЫЙ УПАКОВОЧНЫЙ КОМПЛЕКТ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШИХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК

Полезная модель относится к ядерной энергетике, к устройствам для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС), исследовательских реакторов (ИР) и судовых установок в виде отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) и может быть использовано для транспортирования ОТВС при перевозках с учетом возможности возникновения аварийных ситуаций.
Для транспортирования и хранения ОТВС используются транспортные упаковочные комплекты (ТУК), которые в связи с отсутствием или нехваткой мощностей по переработке ОЯТ используются также для промежуточного, а иногда и длительного хранения ОТВС.
Главной опасностью при перевозке ОТВС является возможность возникновения неконтролируемой самопроизвольной цепной реакции деления ядер, которая сопровождается выделением значительной энергии вплоть до возникновения теплового взрыва. Кроме того, ОТВС являются источниками мощного ионизирующего излучения и требуется обеспечение безопасности, в частности, обслуживающего персонала, привлекаемого при загрузке ОТВС и их разгрузке.
В соответствии с нормами ядерной и радиационной безопасности и рекомендациями МАГАТЭ упаковочные комплекты должны обеспечивать высокие радиационно-защитные и прочностные свойства, в том числе при аварийных ситуациях, возможных в процессе транспортирования и хранения ОТВС.
Наряду с этим, упаковочные комплекты, создаваемые для транспортировки и хранения высокоактивного ОЯТ, должны обеспечивать возможность использования существующей инфраструктуры (например, грузоподъемные и транспортные средства), предназначенной для обращения с ОЯТ.
Для устройств, предназначенных для транспортирования и хранения ОЯТ наиболее опасными являются динамические нагрузки, возникающие при аварийных ситуациях. Такими ситуациями являются столкновения транспортных средств, перевозящих контейнеры (железнодорожная авария), а также удар по контейнеру тяжелых деталей самолетов.
Требования, предъявляемые к таким устройствам, определили состав основных элементов, входящих в транспортные упаковочные комплекты, а именно: корпус контейнера с полостью, одну или более крышки с фиксирующими элементами, чехол для ОТВС и амортизаторы (демпферы).
Известен контейнер для транспортировки и длительного хранения отработавших тепловыделяющих сборок АЭС по патенту RU 2148864, G 21 F 5/008, опубл. 2000.05.10, содержащий наружный корпус с крышкой, амортизаторы, внутренний корпус с крышкой и со средствами для крепления с наружным корпусом, опирающийся на амортизаторы, жестко закрепленные на дне горизонтально расположенного наружного корпуса, снабжен чехлом с гнездами для ОТВС, установленным во внутреннем корпусе, крышка наружного корпуса расположена в его торце, причем ее внутренняя поверхность снабжена жестко закрепленными и равномерно расположенными амортизаторами, при этом на дне наружного корпуса амортизаторы расположены равномерно, а каждый амортизатор набран из стаканов, выполненных в виде полых металлических цилиндров разного
диаметра, установленных друг в друге с зазорами в направлении приложения нагрузки и жестко связанных между собой в месте сопряжения.
Известный контейнер выполнен кованным цельнометаллическим, что предполагает высокую трудоемкость изготовления и, следовательно высокую стоимость.
Известно также устройство для транспортирования и(или) хранения груза по патенту RU 2133061, G 21 F 5/00, опубл. 1999.07.10, содержащее контейнер и амортизаторы. В контейнер введена защитная оболочка, соединенная с ним переходником, обеспечивающим сохранность груза в нормальных условиях эксплуатации и деформирующимся или разрушающимся в аварийных ситуациях, причем защитная оболочка выполнена либо в виде сегмента, а амортизаторы расположены с одной стороны между контейнером и сегментом, а с противоположной - между контейнером и грузом, либо в виде капсулы, а амортизаторы расположены между контейнером и капсулой.
При использовании этого устройства в аварийных ситуациях снижение перегрузок на грузе обеспечивается за счет обжатия амортизаторов и для чего геометрические параметры, жесткостные и прочностные свойства переходника деформируется или разрушается, давая возможность грузу с сегментом или капсулой перемещаться и сжимать амортизаторы.
Общим недостатком названных двух устройств по патентам RU 2148864 и RU 2133061 является незащищеннось корпуса при падении в условиях погрузки для последующего транспортирования и при возможных падениях при транспортировании, поскольку демпфирующие элементы конструкции установлены внутри корпуса контейнера.
Известен транспортно-упаковочный комплект для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива по патенту RU 2127919, G 21 F 5/008, опубл. 1999.03.20, содержащий чехол, корпус с полостью, крышку, фиксирующие элементы, установленные на внутренней поверхности корпуса, отличающийся тем, что на чехле, выполненном со съемной крышкой и снабженном выдвижными упорами, установлена защитная обечайка диаметром, большим диаметра чехла, входящая в расточку на внутренней поверхности корпуса, при этом на расточке корпуса установлены шпонки.
Недостатком этого транспортно-упаковочного комплекта является то, что его использование позволяет обеспечить повышение ядерной безопасности транспортно-перегрузочных операций, но не обеспечивает радиационную безопасность в случаях аварийного разрушения корпуса контейнера.
Известен контейнер для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива по авторскому свидетельству SU 1630558, G 21 F 5/00, опубл. 1994.04.15, содержащий вертикально установленный металлический корпус, имеющий форму цилиндра, закрепленные на корпусе демпфирующие ребра, имеющие форму плоских горизонтальных колец, с выступами, радиационную защиту, состоящую из полых цилиндров, расположенных между демпфирующими ребрами, и содержащую нейтронозащитный материал, причем полые цилиндры радиационной защиты выполнены из металла с коэффициентом теплового расширения, большим коэффициента теплового расширения материала корпуса, и имеют вертикальные сквозные отверстия, заполненные нейтронозащитным материалом, а выступы имеют форму колец и образуют с демпфирующими ребрами Т-образный профиль, полые цилиндры радиационной защиты установлены на корпусе с натягом, а между выступами и полыми цилиндрами выполнены тепловые зазоры.
В таком контейнере демпфирующие ребра создают достаточно высокую ударостойкость в аварийных ситуациях Однако недостатком контейнера является то, что в контейнере совокупность элементов, обеспечивающих демпфирование удара, работоспособна в сравнительно узком диапазоне нагрузок - от нагрузки, которая вызывает начало упругой деформации элементов, до нагрузки, при повышении которой элементы схлопываются и прекращают демпфирование.
Наиболее близким по совокупности признаков является контейнер для транспортировки радиоактивного материала топлива по патенту RU 1144632, G 21 F 5/00, опубл. 1985.03.07, представляющий собой цилиндрический контейнер с двумя крышками с корпусом из углеродистой стали, в полость вставлен чехол из нержавеющей стали для установки отработавших тепловыделяющих сборок. На наружной крышке и под дном корпуса установлены демферы, состоящие из двух стенок из нержавеющей стали. На контейнере установлены шесть подъемных цапф. Внутренняя запорная крышка выполнена из углеродистой стали, наружная крышка, выполнена из нержавеющей стали Средства крепления крышек к корпусу, обеспечивают герметизацию полости корпуса. Полость контейнера и наружные части покрыты нержавеющим стальным листом и образуют герметичный стакан. Кроме того, цилиндрическая часть корпуса окружена наружным кожухом водяной оболочки, снабженным кольцевыми стальными ребрами охлаждения. В полости демпфера установлены толстостенные трубы и помещена в качестве поглощающего энергию материала бальзовая древесина, а боковая поверхность демпфера имеет тороидальную форму.
В случае падения контейнера в осевом направлении кинетическую энергию в момент удара поглощает наружная чашка демпфера, установленные в нем трубы и набивка из бальзовой древесины. В случае удара боковой стенки контейнера кинетическую энергию поглощает выполненная в виде тора боковая поверхность наружной чашки демпфера и массивные кольцевые ребра. Поглощение кинетической энергии удара бальзовой древесиной в этом случае отсутствует.
Недостатком прототипа является низкая защищенность его боковой поверхности от ударных нагрузок при падении, тем более при падении на штырь (аварийная ситуация, предусматриваемая нормативными документами МАГАТЭ).
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи повышения ядерной и радиоционной безопасности транспортирования и хранения ОТВС путем повышения защищенности ОТВС от повреждений и разрушений как в условиях нормальной эксплуатации (хранение и транспортирование всеми видами транспорта), так и в аварийных ситуациях, например при падениях транспортного упаковочного комплекта с ОТВС или при соударении транспортных средств между собой или преградой.
При решении указанной задачи полезная модель обеспечивает получение технического результата, заключающегося в снижении ударных нагрузок на ОТВС независимо от направления воздействия при аварийных ситуациях.
Указанный технический результат достигается тем, что в транспортном упаковочном комплекте для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок, содержащем корпус контейнера с установленными на его боковой поверхности подъемными цапфами, внутреннюю крышку и выполненную из нержавеющей стали наружную крышку, установленные на корпусе со средствами крепления и уплотнения, и образующие с корпусом два барьера герметичности, чехол с каналами из нержавеющей стали для установки отработавших тепловыделяющих сборок, вставленный в герметичный стакан, установленный в полости корпуса, и образованный облицовкой из нержавеющей стали внутренней поверхности корпуса, поверхности корпуса под установку крышек и части наружной поверхности корпуса в местах установки демпферов, и деревянные демпферы, заключенные в оболочку из нержавеющей стали и установленные на торцах контейнера, корпус контейнера выполнен из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, внутренняя крышка выполнена нержавеющей стали, чехол зафиксирован в герметичном стакане, установленом с натягом в корпусе контейнера, и выполнен в виде образующих блок каналов, каждый из которых представляет собой трубу квадратного сечения, снаружи чехол снабжен, по крайней мере, тремя ребрами жесткости, в его нижней части установлены, по крайней мере, четыре нижние стойки, а через центр проходит центральная стойка с устройством под захват в ее верхней части, при этом чехол снабжен опорой для отработавших тепловыделяющих
сборок, а центральная и нижние стойки проходят через опору и прикреплены к ней, кроме того нижний и верхний деревянные демпферы стянуты между собой и выполнены из элементов, расположенных послойно с чередованием продольного и поперечного положения слоев.
При аварийном падении ТУК силы, воздействующие на ОТВС при ударе, зависят от деформируемости элементов ТУК, воспринимающих динамические нагрузки непосредственно (корпус контейнера и демферы) или опосредованно (внешняя и внутренняя крышки и чехол). В предлагаемой полезной модели корпус выполнен из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, который обладает высокой деформационной способностью (пластичностью) и высокой сопротивляемостью хрупким разрушениям, как при нормальных, так и при отрицательных температурах вплоть до минус 40°С. Чехол, представляющий собой жесткую сварную конструкцию, обеспечивает сохранение упорядоченного расположения ОТВС и предотвращает повреждение и разрушение ОТВС. Приваренные снаружи чехла ребра жескости, обеспечивает фиксацию в радиальном направлении и исключают деформацию чехловых каналов при падении контейнера в горизонтальном положении. Деревянные демпферы выполнены из элементов в виде досок или брусков, изготовленных из ели и расположенных послойно с чередованием продольного и поперечного положения слоев. Для использования в качестве демпфирующего материала ель обладает рядом свойств: большой деформационной способностью (до 50%-60%) при слабой зависимости сопротивляемости от степени деформирования, высоким энергопоглощением и анизотропией механических свойств при продольном и поперечном положении волокон, что позволяет получить необходимые механические характеристики демпфера для снижения ударных нагрузок на элементы ТУК при его падении в любом положении на жесткое основание.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фигуре изображен транспортный упаковочный комплект. ТУК содержит корпус 1 контейнера, внутреннюю крышку 2 и наружную крышку 3, средства крепления 4 и уплотнения 5 крышек 2 и 3, чехол 6 с каналами 7 для установки ОТВС, герметичный стакан 8, три ребра жесткости 9, четыре нижние стойки 10, центральную стойку 11, опору 12 для отработавших тепловыделяющих сборок, демпферы 13, подъемные цапфы 14.
Корпус 1 контейнера отлит совместно с днищем из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. В верхней части корпуса 1 выполнена ступенчатая расточка, в которой установлены внутренняя крышка 2 и наружная крышка 3 со средствами крепления 4 в виде шпилек и уплотнения 5 в виде резиновых уплотнительных колец, и создающие с корпусом 1 контейнера два барьера герметичности. Внутренняя крышка 2 и наружная крышка 3 изготовлены из нержавеющей стали. Внутренняя полость корпуса 1 контейнера, поверхности под установку внутренней крышки 2 и наружной крышки 3 и часть наружной поверхности корпуса 1 контейнера имеют составную свариваемую из нержавеющей стали облицовку, образующую герметичный стакан 8.
На боковой поверхности корпуса 1 установлены и укреплены подъемные цапфы 14, изготовленные из нержавеющей стали.
Внутрь корпуса 1 контейнера вставлен чехол 6, предназначенный для упорядоченного размещения ОТВС. Чехол 6 с каналами 7 представляет собой сварную конструкцию из труб квадратного сечения, выполненных из нержавеющей стали. Трубы сварены между собой и образуют блок, например, из двадцати или сорока восьми каналов 7 для размещения в них ОТВС. К блокам, образованным из каналов 7, снаружи приварены три ребра жесткости 9, а к нижней части приварены четыре нижние стойки 10. Через центр блока проходит центральная стойка 11 квадратной формы с устройством под захват в верхней части. Нижние стойки 10 и центральная стойка 11 проходят через опору 12 для ОТВС в виде кольца, выполненую в виде кольца, и жестко присоединены к ней.
В торцах корпуса 1 контейнера установлены и стянуты между собой четырьмя шпильками деревянные демпферы 13, облицованные нержавеющей сталью. Демпферы 13
выполнены из деревянных элементов (досок, брусков) расположенных послойно с чередованием продольного и поперечного положения слоев. В вертикальном положении нижний демпфер, установленный на днище крпуса 1, служит основанием ТУК.
Полезная модель может быть осуществлена следующим образом:
Укомплектованный ТУК поступает в помещение для загрузки. Перед загрузкой ОТВС в транспортный упаковочный комплект демонтируются демпферы 13 и раскрепляются и удаляются на позицию хранения последовательно наружная крышка 3 и внутренняя крышка 2. Корпус 1 контейнера с чехлом 6 устанавливается в загрузочный бассейн, бассейн заполняется водой и производится загрузка под водой герметичных отработавших тепловыделяющих сборок. После загрузки на корпусе 1 контейнера устанавливается средства уплотнения 5 в виде резиновых колец и с помощью средств крепления 4 в виде шпилек к корпусу 1 притягивается внутренняя крышка 2. После контроля средств уплотнения 5 в виде уплотнительных резиновых колец устанавливается наружная крышка 3. Далее корпус 1 контейнера с установленными на нем внутренней 2 и наружной крышек извлекают из бассейна, затем устанавливаются демпферы и ТУК транспортируется на площадку временного хранения. Тук транспортируется и обслуживается в вертикальном положении.
Испытания натурной модели ТУК при падении с девяти метров подтвердили, что заявляемая полезная модель обеспечивает сохранение целостности корпуса, предотвращает разгерметизацию крышек, предотвращает деформацию и повреждение ОТВС и, в конечном итоге, повышает ядерную и радиационную безопасность транспортирования и хранения ОТВС и обеспечивает снижение ударных нагрузок на транспортируемые ОТВС.