ОБОРОТНЫЙ ПЕНАЛ ВРЕМЕННОГО ХРАНЕНИЯ АМПУЛ С ПУЧКАМИ ОТРАБОТАВШИХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
REUSE CASE FOR TEMPORARY STORAGE OF AMPOULES WITH BUNDLES OF SPENT FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности, к средствам для хранения отработавших ядерных топливных элементов реактора РБМК-1000 а более конкретно к средствам для обеспечения безопасности при перегрузке ампул, загруженных пучками отработавших тепловыделяющих элементов (твэлов) реактора РБМК-1000, и предназначено для использования в «сухом» хранилище отработавшего ядерного топлива.
В «сухое» хранилище отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) ампулы для отработавшей тепловыделяющей сборки (см. патент РФ №2353010, Кл. G21F 5/008, 2008), с размещенными в них пучками твэлов, поступают в транспортном чехле, установленном внутри защитного контейнера (см. патент РФ №2324241). Транспортный чехол с ампулами с пучками твэлов извлекается из защитного контейнера и помещается в приемном гнезде камеры комплектации пеналов (далее по тексту - ККП). При полной загрузке в транспортном чехле размещаются 144 ампулы с пучками твэлов. В ККП осуществляется перегрузка ампул с пучками твэлов из транспортного чехла в герметичные пеналы хранения отработавшего ядерного топлива (см. патент РФ №2372678, Кл. G21F 5/008, 2008), в каждом из которых размещается по 30 ампул с пучками твэлов. Перегрузка ампул с пучками твэлов осуществляется дистанционно электромеханическим некопирующим мостовым манипулятором грузоподъемностью 500 кг (проект 1697-20-0002 разработки ОАО «Центральное конструкторское бюро машиностроения»).
После полного заполнения корпуса пенала ампулами с пучками твэлов, на корпус пенала устанавливают крышку, соединяют ее с корпусом на сварке, осуществляют через клапан крышки вакуумирование и заполнение пенала азотно-гелиевой смесью с избыточным давлением, после чего герметизируют клапан сваркой и осуществляют контроль герметичности сварных швов. Далее, по существующей транспортной схеме с помощью мостового крана-манипулятора, передаточной машины пеналов и перегрузочной машины полностью загруженные пеналы устанавливаются в гнезда хранения сухого хранилища.
Известен герметичный пенал хранения отработавшего ядерного топлива реактора РБМК-1000 (см. патент РФ №2372678, Кл. G21F 5/008, 2008), в который загружаются ампулы с пучками твэлов. Известный пенал состоит из корпуса, решетки и крышки. Корпус образован цилиндрической обечайкой, на верхнем утолщенном конце которой выполнена расточка для установки и последующей приварки крышки, и глухим днищем с амортизатором. Корпус снабжен центральной трубой для сцепления ее с крышкой до ее приварки, для чего в верхней утолщенной части трубы выполнена расточка с заходной фаской и специальной проточкой. Крышка представляет собой диск, в центральной утолщенной части которого выполнено сквозное ступенчатое отверстие, в котором расположен клапан для откачки и заполнения корпуса средой хранения, а также шариковый замок для сцепления крышки с корпусом пенала до приварки ее к корпусу. На крышке выполнены бурт и грибок грузозахватного устройства. На торце грибка выполнена кромка для заварки клапана. Клапан включает в себя шарик в центрирующей опоре, управляющую стержень-заглушку и две пружины. На верхнем торце управляющей стержня-заглушки выполнена кромка для заварки клапана.
Шариковый замок состоит из втулки, шариков, размещенных в отверстиях в центральной утолщенной части крышки, пружины и гайки.
Открытие клапана производится внешним толкателем, который, преодолевая сопротивление пружин, перемещает стержень-заглушку шарик, центрирующую опору до упора во втулку шарикового замка, а при дальнейшем перемещении стержня-заглушки происходит сжатие пружины шарикового замка. При этом шарики замка оказываются в зоне проточки, шариковый замок открывается при подъеме крышки, и крышка снимается с корпуса пенала. После снятия усилия со стороны внешнего толкателя втулка шарикового замка поднимается под действием пружины шарикового замка, а элементы клапана под действием двух пружин клапана. Решетка служит для размещения ампул с пучками твэлов в пенале и предотвращения неконтролируемого самопроизвольного перемещения их при транспортировании и хранении, которые осуществляются в вертикальном положении. Решетка выполнена в виде набора дисков с соосными отверстиями, образующими 30 ячеек для размещения ампул с пучками твэлов. Диски закреплены на вертикальных стойках на определенных расстояниях друг от друга, рассчитываемых по формуле, что позволяет осуществлять установку ампул с допускаемой непрямолинейностью.
Работа с пеналом осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии крышка установлена в корпусе пенала, клапан и шариковый замок закрыты. После внесения порожнего пенала в защитную камеру управляющая стержень-заглушка внешним толкателем опускается вниз, сжимает пружины клапана, центрирующая опора упирается во втулку и сжимает пружину шарикового замка. При этом шарики замка оказываются в зоне проточки, шариковый замок открывается при подъеме крышки, крышка снимается с корпуса пенала. Ампулы с пучками твэлов устанавливаются в ячейки решетки. После загрузки пенала ампулами с пучками твэлов, крышка устанавливается на корпус пенала, при этом нижний конец центральной части крышки первоначально заходит в верхнюю часть центральной трубы, что должно способствовать совмещению свариваемых кромок крышки и корпуса пенала. Далее крышка сваривается с корпусом, управляющей стержнем-заглушкой открывается клапан, через который осуществляется вакуумирование и заполнение пенала азотно-гелиевой смесью с избыточным давлением, после чего клапан закрывается. Герметизация клапана осуществляется последующей сваркой кромок стержня-заглушки и торца грибка крышки. После контроля герметичности сварных швов, загруженные известные пеналы транспортируют в гнезда хранения.
Недостатком известного пенала является то, что шариковый замок для сцепления крышки с корпусом пенала может быть использован только для транспортировки порожнего корпуса пенала, так как он не обеспечивает герметичности пенала до сварки крышки и корпуса пенала, вследствие чего не может быть использован в качестве оборотного пенала для временного хранения остатка ампул с пучками твэлов в гнезде хранения.
Известен герметичный пенал хранения отработавшего ядерного топлива (см. патент РФ №2435239, МПК G21C 19/06, 2010), содержащий корпус, установленную внутри корпуса решетку и крышку, который выбран заявителем в качестве прототипа.
Корпус образован цилиндрической обечайкой, на верхнем утолщенном конце которой выполнена расточка для установки и последующей приварки крышки, и глухим днищем с амортизатором. В корпусе на верхнем утолщенном конце выполнена внутренняя кольцевая канавка.
Крышка представляет собой диск, в центральной утолщенной части которого установлен грибок, в котором установлен замок с возможностью до выполнения сварного шва соединения крышки с корпусом пенала удерживать корпус пенала введением в кольцевую канавку замыкающих стержней, установленных в направляющих на внутренней поверхности крышки при совмещении свариваемых кромок центрального грибка и стержня-заглушки. В центральном грибке крышки установлен клапан для откачки и заполнения пенала средой хранения и контроля герметичности и управляющий им стержень-заглушку. К стержню-заглушке присоединена втулка с пластинами, в которых выполнены наклонные пазы, в пазах установлены подвижные оси, соединенные шарнирно с замыкающими стержнями, а стержень-заглушка снабжена буртом с кольцевой канавкой, в которую установлена прокладка из эластичного материала.
Решетка служит для размещения ампул в пенале и предотвращения неконтролируемого самопроизвольного перемещения их при транспортитировании и хранении, которые осуществляются в вертикальном положении. Решетка выполнена в виде набора дисков с соосными отверстиями, образующими 31 ячейку для размещения отработавших тепловыделяющих сборок. Диски закреплены на вертикальных стойках на определенных расстояниях друг от друга, рассчитываемых по формуле, что позволяет осуществлять установку ампул с допускаемой непрямолинейностью.
Загрузка ампул с ПТ в известный пенал осуществляется следующим образом.
С установленного в гнездо загрузки порожнего пенала снимается крышка. Ампулы с ПТ электромеханическим некопирующим мостовым манипулятором по одной извлекаются из чехла и устанавливаются в ячейки решетки. После полной загрузки пенала ампулами с ПТ крышка устанавливается на корпус пенала. Далее крышка сваривается с корпусом, управляющей стержнем-заглушкой открывается клапан, через который осуществляется вакуумирование и заполнение пенала азотно-гелиевой смесью с избыточным давлением, после чего клапан закрывается. Герметизация клапана осуществляется последующей сваркой кромок стержня-заглушки и торца грибка крышки.
Недостатком известного пенала является то, что его замок также способен удерживать корпус пенала введением в кольцевую канавку замыкающих стержней и может быть использован только для транспортировки порожнего корпуса пенала, так как он не обеспечивает герметичности пенала до сварки крышки и корпуса пенала, вследствие чего не может быть использован в качестве оборотного пенала, загруженного остатком ампул с пучками твэлов, и временно размещаемого в гнезде хранения.
При полной загрузке в транспортном чехле, поступающем в ККП, размещаются 144 ампулы с пучками твэлов. Так как вместимость известных пеналов составляет 30 или 31 ампулу с пучками твэлов, то, после полной загрузки четырех пеналов, в пятый пенал может быть установлен только остаток из 24 или 23 ампул с пучками твэлов. При разгрузке двух транспортных чехлов остаток составит 18 или 17 ампул с пучками твэлов, трех транспортных чехлов - 12 или 11 ампул с пучками твэлов, четырех - 6 или 5 ампул с пучками твэлов, и только при разгрузке пяти транспортных чехлов все ампулы с пучками твэлов могут быть размещены в 24 известных пеналах вместимостью 30 ампул без остатка.
Не полностью загруженный пенал не может оставаться в гнезде камеры комплектации пеналов до прибытия следующего транспортного чехла, так как его нахождение не позволяет проводить профилактические работы с оборудованием камеры комплектации пеналов. Также не полностью загруженный пенал не может быть временно установлен в гнезда хранения сухого хранилища, так как в этом случае его транспортировка будет осуществляться с не приваренной крышкой, что недопустимо, так как резко снижает безопасность при транспортировке отработавшего ядерного топлива. Герметизация не полностью загруженных пеналов по установленной технологии и установка их на постоянное хранение приведет к уменьшению вместимости сухого хранилища.
Если остаток неразмещенных в пеналах загруженных ампул оставить в транспортном чехле, последний необходимо вновь установить в защитный контейнер, и хранить до прибытия следующего рейса, что ухудшает радиационную безопасность и снижает оборачиваемость транспортно-упаковочного комплекта между АЭС и сухим хранилищем.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении безопасности при перегрузке ампул с пучками твэлов за счет размещения остатка ампул с пучками твэлов в оборотном пенале, временно размещаемом в гнезде хранения.
Для достижения указанного технического результата в известном пенале, содержащем корпус с выполненной в нем кольцевой канавкой, вертикальные стойки, решетку, образующую ячейки для размещения ампул с пучками отработавших тепловыделяющих элементов с заданной непрямолинейностью и крышку с грузозахватным устройством, выполненным на крышке в виде центрального грибка и дублирующего захватного бурта, установленный в центральном грибке замок с возможностью удерживать корпус пенала введением в кольцевую канавку замыкающих стержней, установленных в направляющих, крышка установлена на опорный фланец, присоединенный к корпусу под кольцевой канавкой на сварке, замыкающие стержни установлены в направляющих на внешней поверхности крышки и соединены с замком, верхние поверхности кольцевой канавки и замыкающих стержней выполнены под углом, не превышающим угол трения, а в крышке выполнено отверстие, в котором установлен аэрозольный фильтр.
Кроме того, между фланцем и крышкой установлена прокладка из термостойкого эластичного материала.
В частном случае, замок содержит втулку с установленным в ней на резьбе винтом, снабженным в нижней части коническим наконечником с Т-образными пазами, в которые введены концы замыкающих стержней с соответствующим форме пазов профилем.
В другом частном случае, вертикальные стойки установлены в корпусе между опорным фланцем и дном пенала, а решетка выполнена из трубчатых гильз, соединенных с вертикальными стойками, фланцем и между собой пластинами с образованием круглых и треугольных ячеек, причем диаметр вписанной окружности треугольных ячеек равен внутреннему диаметру круглых ячеек.
Установка крышки на опорный фланец, присоединенный к корпусу под кольцевой канавкой на сварке, установка замыкающих стержней в направляющих на внешней поверхности крышки и их соединение с замком, выполнение верхних поверхностей кольцевой канавки и замыкающих стержней под углом, не превышающим угол трения, позволяет при введении в кольцевую канавку замыкающих стержней не только соединить крышку с корпусом пенала, но и в результате взаимодействия конических поверхностей кольцевой канавки и замыкающих стержней получить усилие, поджимающее крышку к опорному фланцу, обеспечивающее герметичность соединения «опорный фланец - крышка» после ее сцепления с корпусом предлагаемого пенала при хранении. Кроме того, выполнение верхних поверхностей кольцевой канавки и замыкающих стержней под углом, не превышающим угол трения, позволяет исключить перемещение замыкающих стержней при транспортировке предлагаемого пенала. Это позволяет загружать в предлагаемый пенал остаток ампул с пучками твэлов, размещать его на временное хранение в гнездо хранения, возвращать предлагаемый пенал в ККП для пополнения в нем остатка ампул с пучками твэлов или использования остатка ампул с пучками твэлов для полной загрузки известных пеналов. Тем самым, предлагаемый пенал позволяет использовать его в качестве оборотного пенала с установкой в гнезда хранения в промежутках между перегрузками ампул из транспортных чехлов в известные пеналы и повысить радиационную безопасность при перегрузке ампул с пучками твэлов.
Выполнение в крышке отверстия, в котором установлен аэрозольный фильтр, позволяет при температурном расширении воздуха в предлагаемом оборотном пенале отводить воздух через фильтр, исключая возникновение избыточного давления в пенале, создающего раскрывающее соединение «опорный фланец - крышка» усилие, дополнительно улучшить условия герметичности этого соединения, исключить аэрозольное загрязнение гнезда хранения при временном хранении в нем оборотного пенала и, тем самым, повысить безопасность при перегрузке ампул с пучками твэлов.
Установка между опорным фланцем и крышкой прокладки из термостойкого эластичного материала способствует герметизации соединения опорный фланец - крышка при меньших усилиях поджатия.
Установка внутри центрального грибка замка, содержащего втулку с установленным в ней на резьбе винтом, снабженным в нижней части коническим наконечником с Т-образными пазами, в которые введены концы замыкающих стержней с соответствующим форме пазов профилем, позволяет при вращении втулки передвигать винт и, за счет взаимодействия конических поверхностей Т-образных пазов наконечника с концами замыкающих стержней, осуществить возвратно-поступательное движение замыкающих стержней, вводя и выводя их из кольцевой канавки, обеспечивая сцепление и расцепление крышки с корпусом пенала.
Выполнение в частном случае решетки предлагаемого пенала из трубчатых гильз, соединенных с вертикальными стойками, фланцем и между собой с образованием круглых и треугольных ячеек с равенством диаметра вписанной окружности треугольных ячеек внутреннему диаметру круглых ячеек, позволяет устанавливать в круглые и треугольные ячейки ампулы с пучками твэлов с допускаемой непрямолинейностью и осуществлять загрузку остатка ампул с пучками твэлов из транспортного чехла в предлагаемый пенал.
Предлагаемый оборотный пенал хранения отработавшего ядерного топлива РБМК-1000 иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 показан общий вид предлагаемого пенала в разрезе;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Предлагаемый оборотный пенал, предназначенный для временного хранения остатка ампул с пучками твэлов, (см. фиг.1) содержит корпус 1 с плоским днищем 2, к которому присоединен амортизатор 3. В корпусе 1 выполнена кольцевая канавка 4, ниже которой на сварке установлен опорный фланец 5. Верхняя коническая поверхность 6 кольцевой канавки 4 выполнена под углом, не превышающим угол трения стали по стали, составляющим 7 градусов. На опорный фланец 5 устанавливается крышка 7 с центральным грибком 8 и дублирующим захватным буртом 9. На нижней поверхности крышки 7 выполнен паз 10, в который установлена прокладка 11, выполненная из эластичного термостойкого материала. В крышке 7 выполнено отверстие 12, в котором между прокладками 13 установлен аэрозольный фильтр 14, поджимаемый резьбовой втулкой 15 с центральным отверстием 16. На верхней поверхности крышки 7 в направляющих 17 установлены замыкающие стержни 18, верхние поверхности 19 которых выполнены под тем же углом, что и верхняя коническая поверхность 6 кольцевой канавки 4. В центральном грибке 8 установлена втулка 20, в которой на резьбе 21 установлен винт 22, снабженный коническим наконечником 23. В коническом наконечнике 23 выполнены Т-образные пазы 24, в которые введены концы 25 замыкающих стержней 18 с соответствующим форме Т-образных пазов профилем. Сверху на втулке 20 выполнен крестообразный шлиц 25. Между фланцем 5 и плоским днищем 2 установлены вертикальные стойки 26. Внутри корпуса 1 установлена решетка 27. Решетка 27 (см. фиг.2) выполнена из трубчатых гильз 28, соединенных с вертикальными стойками 26, фланцем 4 и между собой пластинами 29 с образованием круглых 30 и треугольных 31 ячеек, причем диаметр вписанной окружности треугольных ячеек 31 равен внутреннему диаметру круглых ячеек 30.
Предлагаемый оборотный пенал, предназначенный для временного хранения остатка ампул с пучками твэлов и служащий в качестве средства безопасности, эксплуатируется следующим образом.
Предлагаемый оборотный пенал вводится в ККП и устанавливается в гнездо загрузки. В захват электромеханического некопируюшего манипулятора устанавливается крестообразная отвертка, вводится в крестообразный шлиц 25 и осуществляется вращение втулки 20. Вращением втулки 20 установленный в ней винт 22 перемещается по резьбе 21 вверх, при этом за счет взаимодействия профилей концов 25 замыкающих стержней 18 и Т-образных пазов 24 на коническом наконечнике 23, замыкающие стержни 18 перемещаются к центру крышки 7 и выходят из кольцевой канавки 4. Крышка 7 краном-манипулятором зацепляется за центральный грибок 8 и дублирующий захватный бурт 9 и отводится в сторону. Оставшиеся в транспортном чехле ампулы с пучками твэлов электромеханическим некопирующим мостовым манипулятором устанавливаются в круглые 30 и треугольные 31 ячейки решетки 27. После размещения остатка ампул с пучками твэлов в предлагаемом оборотном пенале, зацепленная краном-манипулятором крышка 7 с прокладкой 11 устанавливается на опорный фланец 5. Далее вращением втулки 20 установленный в ней винт 22 перемещается по резьбе 21 вниз, при этом за счет взаимодействия профилей концов 25 замыкающих стержней 18 и Т-образных пазов 24 на коническом наконечнике 23, замыкающие стержни 18 вводятся в кольцевую канавку 4. При этом за счет взаимодействия верхней конической поверхности 6 кольцевой канавки 4 и верхних поверхностей 19 замыкающих стержней 18, выполненных под одинаковым углом, возникает усилие, поджимающее крышку 7 с термостойкой эластичной прокладкой 9 к опорному фланцу 5. Тем самым обеспечивается не только надежное соединение крышки 7 с корпусом 1 пенала, но и герметичность соединения «опорный фланец 5 - крышка 7», позволяющее осуществлять транспортировку оборотного пенала, загруженного остатком ампул с пучками твэлов и его временное хранение в гнезде хранения.
Затем предлагаемый оборотный пенал зацепляется краном-манипулятором за центральный грибок 8 и дублирующий захватный бурт 9 и далее, по существующей транспортной схеме, устанавливается в гнездо хранения сухого хранилища, где временно хранится до следующей перегрузки. При временном хранении в предлагаемом оборотном пенале за счет остаточного тепловыделения пучков твэлов происходит возрастание температуры воздуха. Расширяющийся воздух отводится через аэрозольный фильтр 14, что исключает избыточное давление в оборотном пенале и аэрозольное загрязнение гнезда хранения при временном хранении в нем оборотного пенала.
При следующей перегрузке ампул с пучками твэлов предлагаемый пенал, загруженный предыдущим остатком ампул с пучками твэлов, доставляется в ККП и устанавливается в резервное гнездо загрузки, где с него снимается крышка 7. Дальнейшие действия с остатками ампул с пучками твэлов в предлагаемом оборотном пенале и транспортном чехле зависят от суммарного количества ампул с пучками твэлов в двух остатках.
В случае если суммарное количество ампул с пучками твэлов равно или превышает 30 ампул, осуществляется перегрузка ампул с пучками твэлов из транспортного чехла и предлагаемого оборотного пенала в известный пенал. Далее на предлагаемый оборотный пенал с оставшимися в нем ампулами с пучками твэлов вновь устанавливается крышка 7, и он транспортируется в гнездо хранения на временное хранение.
В случае если суммарного количества ампул с пучками твэлов не хватает до полной загрузки известного пенала, то осуществляется перегрузка ампул с пучками твэлов из транспортного чехла в предлагаемый оборотный пенал с последующей установкой его в гнездо хранения на временное хранение.