ЧЕХОЛ ДЛЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к ядерной энергетике, к устройствам для обращения с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС), преимущественно реакторов ВВЭР-1000, исследовательских реакторов (ИР) и судовых установок в виде отработавших тепловыделяющих сборок (ТВС) и может быть использовано для размещения в контейнере при их транспортировании и/или хранении.
Поскольку при транспортировании и хранении отработавших ТВС имеется опасность возникновения неконтролируемой самопроизвольной цепной реакции деления ядер, которая сопровождается выделением значительной энергии вплоть до возникновения теплового взрыва, обращение с радиоактивными материалами, имеющими высокое остаточное тепловыделение, предъявляет повышенные требования к предотвращению перегрева и обеспечению эффективного отвода тепла.
Отвод тепла, генерируемого внутри упаковочного контейнера для тепловыделяющего радиоактивного материала, осуществляют на основе естественных физических процессов переноса тепла, таких как естественная конвекция, лучистый теплообмен, теплопроводность элементов конструкции и другое.
Размещение и транспортирование отработавшего ядерного топлива в виде ТВС осуществляют в чехле, установленном в транспортном контейнере.
Известен чехол для отработавших сборок ядерного реактора по патенту SU 1445449, G21C 19/07, опубл. 1995.12.10, содержащий основание с гнездами, закрепленную на основании центральную стойку с устройством под захват, дистанционирующие элементы в виде решетки и концевую деталь, закрепленную на центральной стойке, имеющие гнезда в виде открытых пазов U-образной формы, и установленные в гнездах трубчатые каналы для отработавших сборок, снабженные закрепленными в верхней части фланцами с грузозахватными устройствами, а каждый паз концевой детали снабжен поворотным затвором.
Известен чехол для отработавшего ядерного топлива по патенту RU №78979, G21F 5/012, содержащий основание, закрепленную на основании центральную стойку с расположенными на ней дистанционирующими элементами, выполненными из пластин с высокой теплопроводностью и снабженными отверстиями, образующими каналы для размещения отработавших тепловыделяющих сборок и разделительные теплопроводящие вставки, установленные на центральной стойке между дистанционирующими элементами и жестко связывающие их в осевом направлении.
Недостатком известного чехла является ограничение по допустимым механическим нагрузкам на чехол из-за незначительных прочностных характеристик пластин, выполненных из материалов с высокой теплопроводностью, например, алюминия.
Наиболее близким по совокупности признаков является чехол для размещения и хранения отработавших тепловыделяющих сборок реактора ВВЭР-1000 РФ №1653456 опубл. 1996.12.10, выполненный из нержавеющей стали и содержащий центральную трубу, дистанционирующие элементы в виде перегородок, которые имеют отверстия под установку двенадцати шестигранных труб для размещения в них отработавших тепловыделяющих сборок, а оси труб расположены в точках с определенными значениями полярных координат.
Недостатком известного чехла является ограничение по допустимой тепловой нагрузке на конструкцию упаковки из-за недостаточно эффективного отвода тепла.
Чехол контейнера для транспортирования ОЯТ должен обладать следующими основными функциями:
- механической прочности, обеспечивающей сохранение целостности геометрической формы в нормальных и аварийных условиях перевозки, что обеспечивает сохранение контроля над критичностью массы ядерного материала в этих условиях;
- рассеяния тепла, создаваемого материалами, размещенными в чехле.
Тепло, генерируемое в твэлах отработавших ТВС, передается корпусу контейнера, за счет теплопроводности элементов конструкции чехла (дистанционирующие элементы в виде дисков), где, в свою очередь, отводится к наружной поверхности корпуса.
Для эффективного отвода тепла рационально использовать в чехле элементы из материала хорошо проводящего тепло, например алюминий, медь и сплавы алюминия и меди, вместе с элементами из конструкционного материала для обеспечения механической прочности. То есть, например, изготавливают дистанционирующие перегородки с одинаковыми геометрическими размерами и формой из разных материалов и размещают их попеременно по длине чехла с целью создания последовательности компонентов, каждый из которых выполняет, по меньшей мере, одну из указанных функций.
Предлагаемая полезная модель направлена на обеспечение ядерной и радиационной безопасности транспортирования и хранения ОЯТ с повышенным начальным обогащением топлива и увеличенным выгоранием, что одновременно сопровождается увеличением тепловой нагрузки на упаковку. Актуальность решения такой задачи значительно возрастает в связи с современными требованиями к транспортным упаковочным комплектам, заключающимся в увеличении вместимости контейнера (чехла) по количеству ОТВС, и при этом, не допускающими существенного увеличения размеров и массы упаковки в сравнении с образцами конструкций предыдущего поколения.
При решении указанной задачи полезная модель обеспечивает получение технического результата, заключающегося в интенсификации теплопередачи от отработавших ТВС к корпусу контейнера без перегрева отработавших ТВС путем обеспечения более эффективного отвода тепла.
Указанный технический результат достигается тем, что предложен чехол для отработавшего ядерного топлива, содержащий основание, закрепленную на основании центральную стойку с расположенными на ней дистанционирующими элементами, и трубы для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, при этом на центральной стойке расположены чередующиеся дистанционирующие элементы в виде диска с центральной втулкой и наружной обечайкой, выполненные из материала с высокой теплопроводностью и дистанционирующие элементы выполненные из нержавеющей стали.
Сущность полезной модели поясняется чертежом.
На фигуре 1 изображен чехол для отработавшего ядерного топлива, содержащий основание 1, центральную стойку 2, чередующиеся дистанционирующие элементы 3 и дистанционирующие элементы 4, борсодержащие трубы 5 для отработавших ТВС, установленные в отверстия дистанционирующих элементов. Дистанционирующие элементы 3 и 4 установлены на центральной стойке 2.
На фигуре 2 изображен дистанционирующий элемент 3 выполненный из материала с высокой теплопроводностью, например, из алюминия или меди и представляющий собой диск переменной толщины, имеющий в центре втулку, а по периметру - обечайку в виде двусторонней отбортовки, высота которых превышает толщину диска. Конструктивно втулка обеспечивает установку диска на центральную стойку, а функционально предназначена для теплопередачи в осевом направлении, т.е. вдоль центральной стойки. Обечайка также способствует теплопередаче в осевом направлении чехла. Дистанционирующие элементы 4, также установленные на центральной стойке 2, выполнены в виде дисков, например, из нержавеющей стали.
В каналы, образованные, например, круглыми или шестигранными отверстиями в дистанционирующих пластинах 3 и 4 могут быть установлены трубы из боросодержащей стали для обеспечения ядерной безопасности. Центральная стойка 2 чехла может быть снабжена устройством под захват.
Тепло, генерируемое в тепловыделяющих элементах отработавших ТВС, передается элементам чехла, в частности 3 и 4, откуда, в свою очередь, за счет высокой теплопроводности элементов чехла 3 и, в меньшей степени элементами 4, интенсивно отводится к периферии чехла и далее к корпусу контейнера (на фигурах не показан), в который чехол устанавливают при транспортировании и/или хранении.
Благодаря более высокой теплопроводности конструкции чехла, достигаемой за счет применения дополнительных элементов в виде дистанционирующих элементов из материала с высокой теплопроводностью (элементы чехла 3) обеспечивается повышенная теплопередача к корпусу контейнера.
При этом теплопередача за счет конструктивного выполнения элемента 3 осуществляется как в радиальном, так и осевом направлениях, в результате чего выравнивается поле температур (снижаются температурные градиенты), что приводит к общему снижению температуры топлива.
Одновременно обеспечивается механическая прочность за счет наличия в конструкции дистанционирующих элементов, выполненных из нержавеющей стали (элементы чехла 4), что сохраняет контроль над критичностью массы ядерного материала.
Конструкция чехла позволяет увеличить его вместимость, за счет возможности отвести большее количество тепла от отработавших ТВС к периферии чехла и далее к корпусу контейнера без перегрева отработавших ТВС путем обеспечения как радиального, так и осевого направлений отвода тепла, способствует обеспечению ядерной безопасности в нормальных условиях эксплуатации и в аварийных ситуациях, за счет сохранения прочностных характеристик конструкции.