ПОРТАЛ ЗАЩИТНОЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ ОБОЛОЧКИ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
PORTAL OF PROTECTIVE REINFORCED CONCRETE SHELL OF NUCLEAR POWER PLANT

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к повышению безопасности эксплуатации атомной электростанции, и может быть использовано для перегрузки транспортного контейнера с ядерным топливом с железнодорожной платформы внутрь железобетонной защитной оболочки.
Известно применение для портала атомной электростанции железнодорожной платформы для контейнера с ядерным топливом, которая содержит демпфирующее приспособление, предназначенное для предохранения контейнера от разрушения в случае возможного падения при транспортировке контейнера в режиме подъема или спуска (см. проект «Разработка демпфирующего устройства, обеспечивающего безопасное обращение с загруженными контейнерами ТК-10, ТК-13 и «Кастор» при их перемещении в шахте между отметкой +38,05 и отметкой 0,00», опубл. в отчете ЦКТИ - ВИБРОСЕЙСМ, №Rep01-01.rea, редакция 0, Санкт-Петербург, 2001).
Демпфирующее приспособление, которое установлено на передвижной платформе, может предотвратить от повреждения контейнер, сорвавшийся с крюков крана, только в том случае, если он упадет точно на демпфирующее приспособление платформы, т.е. высота подъема контейнера ограничивается габаритами платформы, и кроме этого рассматриваемое демпфирующее приспособление сложно в изготовлении.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому объекту является портал защитной железобетонной оболочки атомной электростанции, содержащий смонтированную напротив шлюза для подачи контейнера с ядерным топливом эстакаду с транспортным проемом для прохода траверсы крана и площадку для опор портала (см. книгу Т.Х.Маргулова «Атомные электрические станции». - М.: Высшая школа, 1974, с.325, 359).
В соответствии требованиям МАГАТЭ и правилам безопасности при транспортировании радиоактивных материалов сертифицированные контейнеры свежего и отработанного топлива способны сохранять прочность и герметичность при произвольном положении падения на бетонную преграду с высоты до 9 метров, т.е. возникающая перегрузка от эффектов соударения контейнера с преградой в данном случае гарантировано не превосходит допустимое значение. В современных атомных станциях при проведении погрузочно-разгрузочных работ, связанных с загрузкой или выгрузкой контейнера с ядерным топливом в шлюз защитной железобетонной оболочки, который находится на высоте до 40 метров, применяют ступенчатую перегрузку, высота ступеней которой не превышает 9 метров. Поэтому максимально возможная высота падения контейнера в зоне портала при аварийных режимах может достигнуть до 40 метров. Следовательно, возможный срыв контейнера с траверсы портального крана и падение контейнера мимо платформы на бетонную площадку под порталом может привести к разрушению контейнера.
Задачей данного изобретения является создание новой конструкции площадки под краном портала и подбор характеристик материалов и геометрических размеров преграды так, чтобы она была способна при соударении поглотить кинетическую энергию контейнера в таком объеме, чтобы остаток не превышал кинетическую энергию контейнера в случае, если бы он упал с высоты 9 метров на бетонную поверхность без разрушения.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известной конструкции портала защитной железобетонной оболочки атомной электростанции, содержащей смонтированную напротив шлюза для подачи контейнера с ядерным топливом эстакаду с транспортным проемом для прохода траверсы крана и площадку для опор портала, новым является то, что между опорами портала под транспортным проемом в площадку вмонтирована амортизирующая емкость, ширина и длина которой соответствуют расстоянию между опорами портала, при этом в амортизирующую емкость послойно уложены гравий и песок, а верхняя кромка амортизирующей емкости расположена на уровне площадки и закрыта гидроизоляционным материалом.
Кроме этого в качестве гидроизоляционного материала может быть применен асфальт.
Кроме этого стенки амортизирующей емкости могут быть выполнены из металла или из пластмассы.
Кроме этого в амортизирующей емкости может быть установлен колодец с дренажными трубами.
Установка между опорами портала амортизирующей емкости, заполненной гравием и песком, обеспечивает на всех этапах погрузочно-разгрузочных работ в случае возможного срыва с траверсы крана контейнера с максимально возможной высоты и его падения, внедрение в поверхность площадки, где заглублена амортизирующая емкость без разрушения контейнера.
Снабжение амортизирующей емкости колодцем с дренажными трубами обеспечивает засыпанным в амортизирующую емкость песку и гравию заданную сыпучесть.
Ниже приводится описание одного из многочисленных вариантов выполнения портала защитной железобетонной оболочки атомной электростанции, каждый из вариантов которого подчинен единому изобретательскому замыслу, отображенному в нижеприведенной формуле изобретения.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан портал защитной железобетонной оболочки атомной электростанции в продольном сечении;
на фиг.2 дан вид сверху на транспортный проем:
на фиг.3 дан поперечный разрез амортизирующей емкости.
Портал защитной железобетонной оболочки атомной электростанции станции состоит из смонтированного на наружной боковой поверхности 1 защитной железобетонной оболочки шлюза 2 для подачи контейнера 3 с ядерным топливом внутрь защитной железобетонной оболочки. Напротив шлюза 2 смонтирована эстакада 4, один конец 5 которой закреплен к боковой поверхности 1 защитной железобетонной оболочки, а другой конец 6 эстакады 4 укреплен на перекладине 7 П-образной опоры 8 портала. На эстакаде 4 со стороны перекладины 7 выполнен транспортный проем 9, а со стороны шлюза 2 расположена направляющая 10, на которой установлена тележка 11 для контейнера 3. Над эстакадой 4 смонтирован грузоподъемный кран, на ферме 12 которого установлен подъемный механизм 13 с траверсой 14 для захвата контейнера 3. При этом траверса 14 смонтирована с возможностью ее прохода с контейнером 3 через транспортный проем 9 эстакады 4. Опоры 8 портала установлены на площадке 15, при этом между опорами 8 под транспортным проемом 9 в площадку 15 вмонтирована горизонтально расположенная преграда. Преграда представляет собой амортизирующую емкость 16, ширина и длина которой соответствует расстоянию между опорами 8 портала, а верхняя кромка 17 емкости 16 расположена на уровне площадки 15 и закрыта гидроизоляционным материалом 18. Размеры емкости 16 выполнены из расчета размеров нижней зоны 19 траектории возможного падения контейнера 3 с максимально возможной высоты подъема над площадкой 15.
Стационарная амортизующая емкость 16 выполняет функции преграды при падении контейнера 3 в аварийном режиме в зоне портала. Амортизующая емкость 16 представляет собой бассейн, выполненный из металла или из пластмассы, который помещен в грунт 20. В емкость 16 послойно уложены начиная сверху вниз: гидроизоляционный материал 18 толщиной 0,15 м, гравий 21 толщиной слоя 0,45 м и песок 22 толщиной слоя 5 м. Для обеспечения нахождения амортизирующих слоев в функциональном режиме необходимо содержать слои песка 22 и гравия 21 в неводонасыщенном состоянии. Если уровень грунтовых вод под площадкой 15 в зоне размещения портала расположен ниже отметки минус 5,5 метров от свободной поверхности площадки 15, то в качестве гидроизоляционного материала, защищающего слои песка 22 и гравия 21 от атмосферных осадков, достаточно применить слой асфальта.
В случаях, когда уровень грунтовых вод под площадкой 15 в зоне размещения портала расположен выше отметки минус 5,5 метров от свободной поверхности площадки 15, то для снижения уровня грунтовых вод ниже отметки 5,5 метров от свободной поверхности площадки 15 помимо слоя асфальта применяют дренажную систему. Дренажная система состоит из установленных на дне 23 емкости 16 перфорированных труб 24 и сообщенного с ними колодца 25.
Работа портала осуществляется следующим образом: контейнер 3 с ядерным топливом, находящийся на железнодорожной платформе 26, подводят под транспортный проем 9 эстакады 4 портала. Включают грузоподъемный кран и опускают траверсу 14 подъемного механизма 13, траверса 14, пройдя транспортный проем 9, опускается на контейнер 3. После осуществления процесса захвата траверсой 14 контейнера 3 включают подъемный механизм 13 на подъем контейнера 3 и отводят железнодорожную платформу 26 из зоны портала. Траверса 14 с удерживаемым контейнером 3 поднимается вверх и, пройдя через транспортный проем 9, опускает контейнер 3 на тележку 11. Далее тележку 11 с контейнером 3 по направляющим 10 перемещают через шлюз 2 внутрь защитной железобетонной оболочки.
Рассмотрим возможный вариант падения контейнера 3 при проведении погрузочно-разгрузочных работ. В соответствии с требованиями по безопасности транспортирования сертифицированного контейнера 3 со свежим или отработанным ядерным топливом контейнер 3 способен сохранить прочность и герметичность при падении в произвольном положении на абсолютно жесткую преграду с высоты 9 метров. Предположим, что сорвавшийся с траверсы 14 подъемного механизма 13 контейнер 3 при максимальной высоте его подъема на 40 метров пролетает через транспортный проем 9 в эстакаде 4 и далее согласно рассчитанной траектории возможного падения контейнера 3 попадает в зону 19 над площадкой 15 преграды, ограниченной кромками 17 амортизирующей емкости 16. Пробивает гидроизоляционный материал 18, выполненный в виде асфальтового покрытия, слой гравия 21 и окончательно затормаживается в слое песка 22.
В процессе падения контейнера 3 с ростом скорости движения происходит накопление кинетической энергии. При падении контейнера 3 с высоты H в начальный момент соударения с преградой общий объем кинетической энергии равен  где M - масса контейнера,  - скорость контейнера в начальный момент соударения с преградой, g - ускорение силы тяжести.
1
2
1
При соударении контейнера 3 с преградой часть общего объема кинетической энергии контейнера K=K+K расходуется на потенциальную энергию деформации собственных конструктивных элементов контейнера K, а другая часть K передается преграде и расходуется на пробивание асфальтового покрытия, на внутреннее трение между собой частиц гравия 21, песчинок песка 22 и излучение волн в нижележащие слои грунта 20 земли.
С ростом высоты падения контейнера 3 общий объем его кинетической энергии в начальный момент времени при соударении с преградой возрастает. С увеличением жесткости преграды доля энергии, передаваемой преграде, уменьшается и соответственно доля энергии, остающейся на собственные деформации контейнера 3, возрастает. С ростом водонасыщенного состояния песка 22 и гравия 21 их акустическое сопротивление возрастает, при этом снижаются демпфирующие свойства энергии песка и гравия и, соответственно, уменьшается доля кинетической энергии, передаваемой от контейнера 3 к преграде при их взаимодействии.
Следовательно, величина коэффициента перегрузки при соударении контейнера 3 с преградой возрастает с ростом:
- высоты падения контейнера;
- водонасыщенного состояния среды слоев преграды;
- акустического сопротивления материалов среды преграды.
В соответствии с требованиями стандартов сертифицированные контейнеры 3 должны сохранять прочность и герметичность при падении на абсолютно жесткую преграду с высоты 9 м в произвольном положении. При падении контейнера 3 на абсолютно жесткую преграду общий объем кинетической энергии при соударении с преградой превращается в потенциальную энергию деформации контейнера, откуда следует, что предельный допустимый объем потенциальной энергии деформации контейнера равен величин кинетической энергии при падении с высоты 9 метров  Здесь Q - собственный вес контейнера.
Из современных результатов экспериментов известно, что коэффициент затухания колебаний материалов за счет внутреннего трения составляет: для бетона - до 9%; для сухого песка и гравия - до 25% от критической величины. Т.е. песчано-гравийная преграда при идентичных циклах деформирования за счет внутреннего трения между собой частиц гравия 21 и песчинок песка 22 способна поглощать три и более раз кинетической энергии контейнера 3, нежели бетонная преграда при их динамическом взаимодействии.
Таким образом, были подобраны сыпучие материалы, толщины амортизирующих слоев и геометрические размеры преграды, способные при падении контейнера 3 с высоты 40 метров и соударении с преградой поглощать кинетическую энергию контейнера 3 в таком объеме, чтобы остаток не превышал кинетическую энергию контейнера 3 в случае, если его падение было бы осуществлено с высоты 9 метров на бетонную преграду.
Технико-экономический эффект состоит в том, что становится более безопасным процесс загрузки и выгрузки ядерного топлива в защитную железобетонную оболочку и повышение тем самым надежной работы атомной электростанции.