ДЕМПФИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО КОНТЕЙНЕРНОГО ОТСЕКА БАССЕЙНА ВЫДЕРЖКИ
DAMPERING DEVICE OF THE CONTAINER COMPARTMENT OF THE STORAGE POOL

Предлагаемое изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к устройствам, устанавливаемым в контейнерном отсеке бассейна выдержки АЭС, и может быть использовано для предотвращения возможных аварий при падении тяжелых перегружаемых объектов - контейнера с отработанными топливными сборками или чехла транспортного со свежими топливными сборками, с большой (около 20 м) высоты, ведущих к разрушению строительных конструкций здания АЭС, а также к разрушению топливных элементов, приводящему к возникновению ядерной опасности.
Большие современные транспортные контейнеры с отработанными топливными сборками (ОТС), массой порядка 110 т, в момент падения могут создавать нагрузку, более 100-кратной относительно их веса. Соответственно ударная сила при столкновении с встречной поверхностью может быть более 11000 тс. Такое большое силовое воздействие на строительные конструкции, а именно, на дно контейнерного отсека бассейна выдержки, является недопустимым, т.к. допустимый уровень удельной нагрузки на дно контейнерного отсека - около 1000 тс на кв. м, что, при площади дна бассейна в 7 м, составит около 7000 тс.
Кроме того, проектными требованиями к АЭС ограничивается локальная нагрузка, которая должна быть не более 3500 тс в месте установки демпфирующих элементов. Для предотвращения аварийных ситуаций, ведущих к возникновению аварий и разрушению строительных конструкций бассейна выдержки и здания АЭС при падении перегружаемых объектов, применяются демпфирующие устройства,
устанавливаемые на дно предохраняемого объекта, в частности, на дно контейнерного отсека бассейна выдержки.
Известна система амортизации, предназначенная для предохранения объекта от нештатных нагрузок (в космической технике, автомобильной промышленности, судостроении, машиностроении, приборостроении и т.п.) и включающая набор амортизаторов, образующих n≥2 групп, каждая из которых расположена по кольцу, плоскость которого перпендикулярна продольной оси объекта, при этом в систему дополнительно введены по крайней мере две группы амортизаторов, закрепленных диаметрально противоположно друг к другу на корпусе объекта (описание к патенту на изобретение RU№2209352, опубл. 27.07.2003 г.).
Недостатком системы является невозможность защиты от ударных нагрузок поверхностей, с которыми может контактировать тем или иным образом (например, при падении) защищаемый объект.
Известно демпфирующее устройство, устанавливаемое в контейнерном отсеке бассейна выдержки АЭС, которое содержит плиту, установленную посредством опоры на дно контейнерного отсека и расположенное под ней энергопоглощающее устройство, установленное внутри опоры на дно бассейна. Энергопоглощающее устройство характеризуется выполнением в виде совокупности не менее двух модулей, установленных друг на друга, снабженных горизонтальными разделяющими плитами, при этом модули выполнены в виде секторов и обечаек с образованием между ними сплошной полости, заполненной шариками, и пустых полостей, при этом толщина стенок обечаек модулей и горизонтальных плит увеличивается по мере приближения их ко дну бассейна, а внутренние поверхности обечаек и нижние поверхности
горизонтальных плит снабжены ослабляющими рисками (Описание к патенту на изобретение №2200989, опубл. 20.03.2003 г.).
Недостатком демпфирующего устройства является пониженный уровень защиты элементов конструкции дна контейнерного отсека из-за воздействия ударной нагрузки от опоры, воспринимающей нагрузки от плиты, на которую первой действует ударная нагрузка при падении тяжелых перегружаемых объектов, и которая передает ее на опору, что может привести к серьезным повреждениям элементов дна до наступления момента срабатывания энергопоглощающего устройства. Особенно значительными могут быть повреждения элементов конструкции дна контейнерного отсека при наклонном падении ЧТ или контейнера с ОТС (при падении под углом), когда сила удара приходится на одну сторону плиты и опоры.
Наиболее близким техническим решением по назначению, существу и достигаемому результату к заявляемому амортизатору является демпфер стационарный, устанавливаемый в бассейн выдержки отработавших сборок, который предназначен для поглощения энергии и смягчения ударов при падении загруженных транспортных контейнеров с большой высоты (15-20 м) на дно контейнерного отсека бассейна выдержки АЭС.
Демпфер представляет собой совокупность металлических демпфирующих элементов, устанавливаемых друг на друга несколькими рядами (до 10-15 рядов) по высоте. Конструктивно каждый демпфирующий элемент представляет собой две параллельные плоские кольцевые пластины, разделенные по высоте периферийными радиальными ребрами, прямыми или имеющими заданный начальный изгиб. Высоты всех демпфирующих элементов одинаковы, а диаметры колец разные, так что одни элементы в пределах каждого ряда могут быть вставлены в другие.
(http://www.ckti.ru/aes5.html - Сайт НПО ЦКТИ: Продукция - Разработки и поставки энергооборудования - Оборудование для АЭС)
Недостатком известной конструкции демпфирующего устройства является возможность резкого срабатывания всех демпфирующих элементов при падении тяжелого контейнера с ОТС в условиях неравномерно распределенной нагрузки, что может привести к «схлопыванию» демпфера и передаче на защищаемые элементы конструкции контейнерного отсека бассейна выдержки значительных усилий, которые могут привести к повреждению последних, также привести к недопустимым перегрузкам, в результате действия которых на ОТС может произойти их разрушение. Особенно большая вероятность таких событий возникает при односторонней ударной нагрузке на демпфер, которая создается при падении перегружаемых контейнеров в наклонном положении, при котором происходит резкая односторонняя деформация -сжатие демпферов с последовательной деформацией демпфирующих элементов с эффектом «домино», при этом возникает угроза схлопывания демпфера со снижением демпфирующих свойств и, как следствие, повреждение топливных сборок и элементов строительных конструкций дна контейнерного отсека бассейна выдержки.
Задачей, решаемой заявленным в качестве изобретения усовершенствованием демпфирующего устройства, является повышение надежности работы последнего при ударных нагрузках, вызванных падением контейнера с ОТС или контейнера со свежим топливом.
Техническим результатом при использовании изобретения является повышение демпфирующих свойств устройства благодаря равномерному распределению ударной нагрузки на демпфирующие элементы, которые, последовательно деформируясь, плавно гасят энергию удара при падении как очень тяжелого контейнера с ОТС, так и более
легкого - со свежим топливом, предотвращая при этом повреждение топливных сборок и элементов строительных конструкций дна контейнерного отсека бассейна выдержки.
Поставленная задача решается тем, что в демпфирующем устройстве контейнерного отсека бассейна выдержки, включающем многоуровневый демпфер, составленный из демпфирующих элементов, содержащих кольцевые пластины, разделенные закрепленными между ними радиальными ребрами - прямыми или с заданным изгибом, и характеризующихся возможностью установки демпфирующих элементов в одном уровне друг в друга, согласно изобретению верхний демпфирующий элемент выполнен в виде опорной плиты с повышенной жесткостью, определенной ее пространственной структурой, которая представлена расположенными между верхней и нижней кольцевыми пластинами радиальными упруго деформируемыми элементами в виде тавровых или двутавровых балок, наружные торцы которых закреплены на закладных элементах стенок контейнерного отсека БВ посредством обрывающихся при ударных нагрузках крепежных узлов, а демпфирующие элементы, составляющие нижележащий многоуровневый демпфер, разделены по высоте на две группы, при этом демпфирующие элементы в верхней и нижней группах дополнены прикрепленными к верхней кольцевой пластине по кольцевым рядам пластинчатыми элементами с заданным изгибом и с уменьшающейся к центру демпфирующего элемента высотой, а на нижних кольцевых пластинах демпфирующих элементов с отступом от дополнительных пластинчатых элементов размещены упорные валики, а демпфирующие элементы нижней группы многоуровневого демпфера усилены установленными между радиальными ребрами и прикрепленными к нижней и верхней кольцевым пластинам отрезками труб, кроме того пространственная структура
опорной плиты сформирована с возможностью создания под ней «сухого» объема в зоне размещения многоуровневого демпфера.
Новизна технического решения заключается в выполнении верхнего демпфирующего элемента в виде опорной плиты с повышенной жесткостью, обусловленной ее пространственной структурой, которая представлена расположенными между верхней и нижней кольцевыми пластинами радиальными упруго деформируемыми элементами в виде, например, тавровых или двутавровых балок, наружные торцы которых закреплены на закладных элементах стенок контейнерного отсека БВ посредством обрывающихся при ударных нагрузках крепежных узлов, а также в выполнении нижележащего многоуровневого демпфера разделенным по высоте на две группы, при этом демпфирующие элементы в верхней и нижней группах дополнены прикрепленными к верхней кольцевой пластине по кольцевым рядам пластинчатыми элементами с заданным изгибом и с уменьшающейся к центру демпфирующего элемента высотой, а на нижних кольцевых пластинах демпфирующих элементов с отступом от дополнительных пластинчатых элементов размещены упорные валики, а демпфирующие элементы нижней группы многоуровневого демпфера усилены установленными между радиальными ребрами и прикрепленными к нижней и верхней кольцевым пластинам отрезками труб, кроме того пространственная структура опорной плиты сформирована с возможностью создания под ней «сухого» объема в зоне размещения многоуровневого демпфера.
Выполнение верхнего демпфирующего элемента многоуровневого демпфера в виде опорной плиты с повышенной жесткостью, обусловленной ее пространственной структурой, для организации которой использованы установленные между кольцевыми пластинами упруго деформируемые радиальные элементы в виде закрепленных на
закладных элементах стенок контейнерного отсека тавровые или двутавровые балки, обеспечивает распределение ударной нагрузки по всей поверхности демпфирующих устройств. Используемые в структуре опорной плиты радиальные упруго деформируемые элементы в виде тавровых или двутавровых балок при обычных перегрузочных операциях работают с минимальными деформациями, а при ударной нагрузке гасят часть энергии удара за счет расчетной упругой деформации. Благодаря креплению наружных торцов упруго деформируемых элементов опорной плиты на закладных элементах стенок контейнерного отсека БВ посредством обрывающихся при расчетных нагрузках крепежных узлов, при ударных нагрузках последние постепенно нагружаются до расчетного усилия их обрыва за счет деформации опорной плиты. После обрыва крепежных элементов опорная плита ложится на нижерасположенный многоуровневый демпфер, представленный разделенными по высоте двумя группами демпфирующих элементов. При нагрузке демпфирующих элементов верхней группы, которые представлены прикрепленными к обеим кольцевым пластинам радиальными ребрами и прикрепленными только к верхним кольцевым пластинам уменьшающимися к центру по высоте пластинчатыми элементами с заданным изгибом и упорными валиками, размещенными на нижних кольцевых пластинах, происходит последовательная деформация радиальных ребер и дополнительных пластинчатых элементов с заданным изгибом, которые, при уменьшении расстояния между кольцевыми пластинами, упираются в упорные валики и, за счет уменьшающейся к центру демпфирующих элементов высоты дополнительных пластинчатых элементов, демпфирующие элементы «складываются», проворачиваясь в радиальном направлении и распределяя ударную нагрузку на демпфирующие элементы нижней группы. Затем в процесс гашения ударной нагрузки вступают в работу демпфирующие элементы нижней
группы, усиленные установленными между радиальными ребрами и прикрепленными к нижней и верхней кольцевым пластинам отрезками труб, которые более жесткие и обеспечивают повышенное сопротивление ударной нагрузке, что необходимо для гашения нагрузки от падающего более тяжелого контейнера с ОТС.
Даже при падении контейнеров с ОТС или чехлов транспортных со свежими топливными сборками с наклоном (в пределах контейнерного отсека) ударная нагрузка воспринимается опорной плитой, частично гасится за счет упругой деформации балок, образующих ее пространственную структуру и, при совместном движении оторвавшейся опорной плиты вниз вместе с упавшим на нее предметом, равномерно передается на нижележащие демпфирующие элементы многоуровневого демпфера, в котором реализуется совокупность «мягкой» деформации верхней группы демпфирующих элементов и более жесткой демпфирующих элементов нижней группы.
Пространственная структура опорной плиты предусматривает также возможность создания под ней «сухой» зоны благодаря возможности использования в ней мембранных узлов. При работе демпфирующего устройства в условиях «сухой» зоны в процессе перегрузки объектов в нормальном режиме исключаются коррозионные процессы демпфирующих элементов многоуровневого демпфера, обуславливаемых используемой в БВ рабочей средой, что повышает надежность демпфирующего устройства.
Совокупный эффект от выравнивания нагрузки на демпфирующие элементы многоуровневого демпфера с опорной плитой с повышенной жесткостью, обусловленной ее пространственной структурой, формируемой радиальными упруго деформируемыми элементами в виде тавровых или двутавровых балок, наружные торцы которых закреплены на закладных элементах стенок контейнерного отсека БВ
посредством обрывающихся при ударных расчетных нагрузках крепежных узлов, позволяет более эффективно и равномерно гасить энергию удара благодаря упругой деформации элементов опорной плиты и обеспечению распределенной нагрузки на многоуровневый демпфер, у демпфирующих элементов которого также повышена сопротивляемость за счет дополнения их пластинчатыми элементами, закрепленными на верхних кольцевых пластинах и установленными с различающейся по кольцевым рядам высотой, и повышенной жесткости демпфирующих элементов нижней группы, усиленных трубными отрезками, установленными между радиальными ребрами. При этом обеспечение работы демпфирующего устройства в «сухой» зоне контейнерного отсека БВ исключает коррозионное воздействие водного раствора бассейна выдержки на элементы демпфирующего устройства, что обеспечивает повышение надежности демпфирующего устройства и предотвращает возможность повреждения элементов конструкции контейнерного отсека бассейна выдержки при работе в нормальном режиме и в аварийных ситуациях.
Пример выполнения демпфирующего устройства контейнерного отсека бассейна выдержки поясняется эскизами.
На фиг. 1 показано размещение демпфирующего устройства в контейнерном отсеке БВ.
На фиг. 2 показан общий вид демпфирующего устройства
На фиг. 3 показан вид А на фиг. 2 - опорная плита, вид сверху.
На фиг. 4 приведен эскиз многоуровневого демпфера с двумя группами демпфирующих элементов.
На фиг. 5 представлен демпфирующий элемент верхней группы многоуровневого демпфера.
На фиг. 6 представлен демпфирующий элемент нижней группы многоуровневого демпфера.
На фиг. 7 приведен эскиз узла крепления опорной плиты к закладным элементам стенок бассейна выдержки (БВ) атомной электростанции (вид В на фиг. 7).
Демпфирующее устройство устанавливается в контейнерном отсеке 1 (фиг. 1) БВ. Демпфирующее устройство содержит:
- снабженную размещенными сверху элементами гнезда универсального 2 опорную плиту 3, имеющую пространственную структуру, представленную кольцевыми пластинами 4 (фиг. 2) и радиально установленными между ними тавровыми (или двутавровыми) балками 5, наружные торцы которых закреплены на закладном элементе 6 стенки контейнерного отсека БВ крепежными узлами 7, обрывающимися при ударных расчетных нагрузках;
- многоуровневый демпфер 8, состоящий из двух групп демпфирующих элементов: верхней группы 8а (фиг. 4), подвергающейся пластической деформации при ударной нагрузке и усиленной нижней группы 86, установленных друг на друга в несколько (порядка 13-15) уровней, включающих наружные 14 и вложенные в них внутренние модули 15 (фиг. 5).
Опорная плита 3 является верхним демпфирующим элементом (фиг. 1) многоуровневого демпфера 8 (фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 4) и включает диафрагму 9 (фиг. 3) с обустроенным в ней дренажным отводом 9а для сброса протечек рабочей среды из контейнерного отсека. Диафрагма 9 с дренажным отводом 9а прикреплена к закладным элементам 6 (фиг. 2 и фиг. 7) облицовки стенки контейнерного отсека БВ (контейнерный отсек в варианте разрабатываемого проекта имеет в поперечном
сечении форму восьмиугольника) и обеспечивает создание «сухого» объема в зоне размещения многоуровневого демпфера 8.
Крепежные узлы 7 (фиг. 2, фиг. 3), используемые для крепления опорной плиты 3, рассчитаны на нагрузку опорной плиты перегружаемым объектом и представлены кронштейнами 10, закрепленными посредством втулок 11 и шпилек 12 с гайками 13 (фиг. 2, фиг. 7) на поверхности закладных элементов 6 (фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 7), установленных в стенках отсека БВ. Особенность крепления опорной плиты 3 к закладным элементам 6 в стенках контейнерного отсека БВ состоит в том, что при всех режимах работы она служит основанием для гнезда универсального, но в случае падения контейнера или ЧТ с ОТС обеспечивает равномерное распределение ударной нагрузки по всей поверхности многоуровневого демпфера. Для этого материал и размеры шпилек выбраны так, чтобы при достижении определенной суммарной нагрузки, (при падении контейнера с ОТС или ЧТ со свежим топливом), возникающей под действием упруго деформируемых при ударной нагрузке радиальных балок 5, шпильки разрывались бы без разрушения плиты опорной и кронштейнов, давая возможность плите опорной с гнездом универсальным и упавшими на нее контейнером с ОТС или чехла транспортного с топливными сборками падать на многоуровневый демпфер.
Многоуровневый демпфер 8, состоящий из нескольких (порядка 13-15 уровней), установленных друг на друга демпфирующих элементов, располагается в «сухом» объеме контейнерного отсека, создаваемом опорной плитой с диафрагмой 9, введенной в структуру опорной плиты 3, и разделен конструктивно по высоте на две группы демпфирующих элементов (фиг. 4). Каждый уровень верхней и нижней группы демпфирующих элементов составлен из наружных 14 и вложенных в них
внутренних модулей 15 (фиг. 4 и фиг. 5). Наружные модули 14 верхней группы демпфирующих элементов и вставленные в них внутренние модули 15 выполнены в виде двух параллельных пластин: верхней 16 и нижней 17 (фиг. 5), разделенных радиальными, закрепленными вертикально к обеим пластинам, пластинчатыми ребрами 18, сформированными с заданным изгибом по линии, параллельной поверхности пластин 16 и 17.
К верхним пластинам 16 в каждом модуле 14 и 15, между радиальными ребрами 18 прикреплены дополнительные пластины 19, 20 и 21, установленные кольцевыми рядами (фиг. 5) и различающиеся по высоте - с уменьшением высоты пластин в кольцевых рядах, располагающихся ближе к центру модуля демпфирующего элемента, а на нижних пластинах 17 (фиг. 5) модулей 14 и 15, с отступом от края дополнительных пластин 19, 20 и 21 размещены валики 22, выполняющие функции упорных элементов, которые приварены к поверхности пластин 17 с таким расчетом, чтобы концы дополнительных пластин 19, 20 и 21 при сжатии демпфирующих модулей не скользили по поверхности нижних пластин 17. Каждый демпфирующий элемент включает в себя дополнительные пластины нескольких типов, отличающихся по высоте, ширине и толщине. Пластины 19, 20 и 21 выполнены также с заданным погибом по линии, параллельной поверхности пластин 16 и 17.
В демпфирующих элементах 23 нижней группы (на фиг. 6), составленных также из наружных 24 и внутренних 25 кольцевых модулей, включающих также верхние 26 и нижние кольцевые пластины 27, кроме прикрепленных к обеим кольцевым пластинам радиальных ребер 28 и прикрепленных к верхним пластинам 26 пластинчатых элементов 29, 30, и 31, снабженных упорными валиками 32,
располагающихся на нижних кольцевых пластинах 27, между радиальными ребрами 28 жестко закреплены отрезки труб 33, высота которых соответствует высоте радиальных ребер 28.
Устройство работает следующим образом. Пространственная структура опорной плиты 3 формирует металлоконструкцию повышенной жесткости, в которой радиальные упруго деформируемые балки 5, закрепленные на несущей металлоконструкции внутри плиты, содержат элементы крепления к закладным деталям 6 стенок бассейна выдержки в виде обрывающихся шпилек 12 (на фиг. 2) при заданном усилии, возникающем при деформации упруго деформируемых балок под действием ударных нагрузок.
При нормальной эксплуатации контейнерного отсека бассейна выдержки перегружаемый объект устанавливается на плиту 3, при этом многоуровневый демпфер 8 остается ненагруженным, поскольку вес перегружаемого объекта воспринимается опорной плитой 3 с упруго деформируемыми балками 5, торцы которых закреплены на закладных элементах 6 стенок БВ крепежными узлами, включающими кронштейны 10, втулки 11 и шпильки 12 с гайками 13 (на фиг. 2, фиг. 7), рассчитанными на эксплуатационные нагрузки от суммарного веса опорной платы и перегружаемого объекта.
При падении перегружаемых объектов в контейнерный отсек БВ опорная плита 3, закрепленная через балки заданной жесткости на закладных элементах 6 стенок БВ шпильками 12, используемыми в крепежных узлах, обрывающихся при расчетной заданной нагрузке, возникающей после упругой деформации балок 5 в
демпфер 8, который оказывает сопротивление последовательно «складывающимися» демпфирующими элементами верхней группы 8а за счет срабатывания в каждом их уровне радиальных пластинчатых ребер 18, прикрепленных к кольцевым пластинам 16 и 17, и дополнительных пластин 19, 20 и 21, которые при уменьшении расстояния между кольцевыми пластинами упираются в валики 22, создавая дополнительное сопротивление ударной нагрузке. Демпфирующие элементы верхней группы последовательно «складываются», проворачиваясь в радиальном направлении за счет уменьшающейся к центру дополнительных пластин 19, 20 и 21 и распределяя ударную нагрузку на демпфирующие элементы нижней группы. Демпфирующие элементы нижней группы 86, усиленные установленными между радиальными ребрами 25 и прикрепленными к нижней 23 и верхней 24 кольцевым пластинам отрезками труб 30, которые имеют большую жесткость, обеспечивают повышенное сопротивление ударной нагрузке.
В результате плавное гашение энергии удара обеспечивается последовательным «срабатыванием» опорной плиты 4 при упругой деформации балок 5 и обрыве шпилек 12 в крепежном узле 7, равномерной последовательной пластической деформацией демпфирующих элементов в верхней группе демпфирующих элементов 8а многоуровневого демпфера 8 и поглощением остаточных нагрузок усиленной нижней группой 86 демпфирующих элементов.
Диафрагма 9, прикрепленная к закладным элементам 6 (на фиг. 2) облицовки стенки контейнерного отсека БВ, снабжена дренажным отводом 9а для отвода протечек рабочего раствора из объема контейнерного отсека БВ, что обеспечивает создание «сухого» объема в зоне размещения многоуровневого демпфера 8.
протечек рабочего раствора из объема контейнерного отсека БВ, что обеспечивает создание «сухого» объема в зоне размещения многоуровневого демпфера 8.
Использование демпфирующего устройства предлагаемой конструкции в контейнерных отсеках БВ, благодаря формированию управляемого противостояния ударной нагрузке за счет последовательного «срабатывания» опорной плиты при упругой деформации определяющих ее пространственную структуру элементов в виде тавровых или двутавровых балок, приводящей к последующему обрыву крепежных узлов, передаче равномерной нагрузки на поверхность демпфирующих элементов, и за счет выравнивания направления воздействия и равномерной передаче ударной нагрузки через опорную плиту на поверхность многоуровневого демпфера, оказывающего последовательное плавное сопротивление пластично деформируемыми демпфирующими элементами верхней группы и жесткое радиальное сопротивление демпфирующими элементами нижней группы, обуславливает плавное гашение энергии удара и предохраняет содержимое контейнера с ОТС или чехла транспортного с топливными сборками и элементы конструкции контейнерного отсека и БВ от повреждений.