ГЕРМЕТИЧНЫЙ ПЕНАЛ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА РЕАКТОРА РБМК-1000
SEALED USED NUCLEAR FUEL PACKAGE FOR REACTOR LWGR-1000

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к обращению с отработавшим ядерным топливом, а более конкретно к загрузке, транспортированию, выгрузке и размещению пучков тепловыделяющих элементов (твэлов) реактора РБМК-1000 в пеналах 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.
В ячейках решетки пенала размещаются известные ампулы для отработавшей тепловыделяющей сборки (см. патент РФ №2353010, G21F 5/008), содержащие цилиндрический корпус с дном, выполненный высотой, позволяющей захвату иметь доступ к силовой решетке пучка твэлов, устанавливаемого с опиранием каркасной трубой на дно ампулы, в котором помещен пучок отработавших твэлов, крышку, зафиксированную в верхней части корпуса с помощью запирающего устройства, в виде пружинного разрезного кольца, снабженную пружиной, обеспечивающей фиксацию в ампуле пучка твэлов разной длины и установленную в корпусе с зазором в виде лабиринтного уплотнения, препятствующего высыпанию частиц топлива из ампулы и обеспечивающего возможность проведения осушки пучка твэлов, загруженного в ампулу. Фиксация крышки осуществляется запорным устройством, выполненным в виде пружинного разрезного кольца, требующего при снятии крышки его сжатия стержнями механизма вскрытия крышки, воздействующими с наружной стороны ампулы. При размещении в известной ампуле верхнего пучка твэлов ОТВС ее центральный стержень опирается в дно ампулы, а цилиндрическая часть верхнего наконечника ОТВС входит во внутреннюю полость пружины на крышке. Внутри крышки установлена пружина, фиксирующая пучок твэлов в ампуле после фиксации крышки с корпусом корпус ампулы, что исключает перемещение пучка твэлов в ампуле при транспортировке ампул в контейнере горизонтальном положении железнодорожным транспортом от АЭС до сухого хранилища.
К недостаткам известных пенала и ампулы относится то, что значительная часть двухпучковых топливных сборок после нахождения в ядерном реакторе и длительного хранения в пристанционном хранилище имеет значительные отклонения от прямолинейности и выпуклости циркониевых топливных трубок между дистанционирующими решетками, увеличивающими наружный диаметр пучка твэлов, не позволяющими разместить их в известных ампулах. При этом на АЭС извлекают из бассейна двухпучковую топливную сборку, визуально оценивают непрямолинейность и возможность ее вхождения в известную ампулу, затем отправляют сборку или на разделку на пучки твэлов и их загрузку в известные ампулы, или обратно устанавливают в бассейн, что приводит к непроизводительным затратам.
Зазор между внутренним диаметром ячейки решетки пенала и наружным диаметром ампулы, необходимый для обеспечения дистанционной загрузки в ККП ампул в пенал, не позволяет увеличить диаметр ампулы. Внутренний диаметр корпуса пенала, определяемый конструкцией гнезд уже построенного сухого хранилища, также не может быть увеличен. Таким образом, при наличии решетки в известном пенале увеличение диаметра ампул возможно только за счет сокращения количества ячеек в решетке пенала, что снижает вместимость сухого хранилища.
Кроме того, в крышке ампулы имеется сужение в месте выполнения кольцевой канавки для размещения пружинного разрезного кольца запирающего устройства, препятствующее установке крышки в корпус после размещения в нем пучка твэлов с увеличенным наружным диаметром. Также перегрузка по одной ампуле с пучками твэлов из транспортного чехла в ячейки известного пенала занимает продолжительное время.
Известен способ обращения с отработавшим ядерным топливом реактора РБМК-1000 (см. патент РФ №2490 734, Кл. G21C 19/06), предусматривающий транспортировку пучков твэлов в выемных кассетах, и устройства для его осуществления, включающие, в частности, герметичный пенал хранения отработавшего ядерного топлива реактора РБМК-1000, наиболее близкий по совокупности признаков к заявляемому устройству и выбранный заявителем в качестве прототипа. Пенал включает в себя корпус с амортизатором, крышку с клапаном и замком и выемную кассету с перфорированным основанием и присоединенными к нему центральной трубой, вертикальными стойками и ампулами, соединенными с центральной трубой, вертикальными стойками и между собой на сварке, причем трубчатые демпферы корпусов ампул проходят через отверстия основания и присоединены к нему.
Оси симметрии ампул в выемной кассете располагаются в вершинах равносторонних треугольников, в центральной трубе выполнено соединение для установки съемного грибка, по форме повторяющего грибок крышки пенала, а на верхних торцах вертикальных стоек установлены амортизаторы с тарельчатыми пружинами.
Запирающее устройство крышки с корпусом ампулы выполнено в виде байонетного соединения. Внутри крышки установлена пружина, фиксирующая пучок твэлов в ампуле после фиксации крышки с корпусом корпус ампулы, что исключает перемещение пучка твэлов в ампуле при транспортировке ампул в контейнере горизонтальном положении железнодорожным транспортом от АЭС до сухого хранилища.
Работа известного пенала с выемной кассетой осуществляется следующим образом.
При подготовке к отправке на АЭС транспортно-упаковочных комплектов выемные кассеты извлекают из корпусов пеналов и устанавливают в гнезда транспортного чехла, установленного в защитном контейнере. Заполненный выемными кассетами защитный контейнер отправляют в составе транспортно-упаковочного комплекта на АЭС. На АЭС транспортный чехол помещают в камере загрузки, где с корпусов ампул выемной кассеты снимают крышки, в корпуса загружают пучки твэлов и вновь устанавливают крышки, фиксируя пучки твэлов в корпусах поджатием пружин, установленных внутри крышки. Затем транспортный чехол с загруженными выемными кассетами помещают в защитный контейнер и устанавливают на него защитную крышку, которая фиксирует выемные кассеты в гнездах чехла при последующем транспортировании в горизонтальном положении защитного контейнера.
В сухом хранилище защитный контейнер устанавливают под приемным гнездом и снимают с него защитную крышку. Транспортный чехол с загруженными выемными кассетами поднимают в приемное гнездо камеры комплектации пеналов (ККП), устанавливая его на подкатываемую под него тележку. Затем копирующим манипулятором устанавливают грибки в центральные трубы выемных кассет, поочередно захватом крана-манипулятора зацепляют выемные кассеты с пучками твэлов, извлекают их из транспортного чехла и устанавливают в корпуса пеналов, размещенные в гнездах ККП. Далее осуществляют герметизацию пенала путем приварки крышки к корпусу пенала, заполнение пенала азотно-гелиевой смесью через клапан, герметизацию клапана, контроль герметичности сварных швов, транспортировку и установку пенала в гнездо сухого хранилища. Снабжение известного пенала выемной кассетой, включающей ампулы, соединенные между собой на сварке, позволило увеличить диаметр ампул, и при сохранении вместимости пенала в 30 ампул их внутренний диаметр увеличился с 80 мм до 94 мм, что, в свою очередь, позволяет загрузить в ампулы выемной кассеты пучки твэлов с большей кривизной.
К недостаткам известного пенала относится то, что запирающее устройство крышки с корпусом в виде байонетного соединения также создает сужение внутренней полости крышки, что может привести к затруднениям уже при постановке крышек на корпус после загрузки в него пучка твэлов с увеличенным наружным диаметром.
Снятие и установка крышек на корпуса ампул выемной кассеты при загрузке отработавших пучков твэлов на АЭС, осуществляемые дистанционно в защитной камере, занимают продолжительное время вследствие необходимости заведения штифтов крышки в пазы корпуса ампулы и сжатия пружины, установленной внутри крышки.
Установка грузозахватных грибков в центральную трубу выемной кассеты копирующим манипулятором приводит к увеличению технологических операций при извлечении выемной кассеты из транспортного чехла, а наличие центральной трубы позволяет разместить в выемной кассете только 30 пучков твэлов.
Кроме того, после размещения в сухом хранилище выемных кассет в пеналах фиксация пучков твэлов в ампулах не является необходимым условием при их транспортировке и хранении в пеналах в вертикальном положении.
Технический результат заключается в повышении вместимости выемной кассеты и упрощении конструкции крышек за счет использования для фиксации пучков твэлов в ампулах (трубах) защитной крышки контейнера при их транспортировке в горизонтальном положении.
Для достижения названного технического результата в предлагаемом герметичном пенале, включающем корпус с амортизатором, крышку с клапаном и замком и выемную кассету с основанием и присоединенными к нему вертикальными стойками и трубами для размещения пучков твэлов, соединенными с вертикальными стойками и между собой на сварке и снабженными в нижней части донышками и демпферами, а в верхней части крышками, выемная кассета снабжена транспортным съемным диском, установленным при помощи направляющих и фиксирующих элементов на вертикальных стойках над крышками с возможностью вертикального перемещения и фиксации в верхнем положении. На нижней поверхности съемного диска, соосно с крышками, прикреплены пружины, на верхней поверхности по его центральной оси - грузозахватный грибок. По центральной оси выемной кассеты установлена дополнительная труба с донышком и крышкой. Крышки установлены в трубы с возможностью вертикального перемещения.
В частном случае исполнения направляющие элементы выполнены в виде штырей, жестко присоединенных к съемному диску и устанавливаемых с зазором в отверстия втулок, смонтированных на торцах соответствующих вертикальных стоек.
В другом частном случае фиксирующие элементы выполнены в виде штырей, установленных в отверстиях съемного диска с возможностью поворота и вертикального перемещения и снабженных в верхней части флажками, фиксируемыми в крайних положениях при повороте штырей, а в нижней части - поперечной пластиной. На торцах соответствующих вертикальных стоек установлены втулки, в которых выполнены отверстия с поперечными пазами, а на штырях фиксирующих элементов под съемным диском установлены тарельчатые пружины.
В другом частном случае исполнения к нижней поверхности основания выемной кассеты присоединен амортизатор, выполненный в виде кольцевых обечаек.
Снабжение выемной кассеты съемным диском, установленным при помощи направляющих и фиксирующих элементов на вертикальных стойках над крышками с возможностью вертикального перемещения и фиксации в верхнем положении, и установка на верхней поверхности съемного диска по его центральной оси грузозахватного грибка позволили осуществить зацепление и транспортировку выемной кассеты через грузозахватный грибок за вертикальные стойки и исключить из конструкции выемной кассеты центральную трубу, а по центральной оси выемной кассеты установить дополнительную трубу с донышком и крышкой. Установка дополнительной трубы с донышком и крышкой позволила разместить в ней дополнительный пучок твэлов и, тем самым, повысить вместимость выемной кассеты.
Снабжение выемной кассеты съемным диском, установленным при помощи направляющих и фиксирующих элементов на вертикальных стойках над крышками с возможностью вертикального перемещения, прикрепление на нижней поверхности съемного диска, соосно с крышками, пружин и установка крышек в трубах с возможностью вертикального перемещения позволили разместить пружины между съемным диском и крышками. При установке защитной крышки контейнера до ее штатного положения в корпусе контейнера под действием ее массы съемный диск опускается вниз, перемещая направляющие и фиксирующие элементы в вертикальных стойках и сжимая пружины, опирающиеся в крышки, что позволяет зафиксировать как крышки в трубах, так и пучки твэлов между донышками и крышками в трубах. Это позволяет исключить из конструкции крышек замковые устройства и пружины, расположенные внутри крышек и, тем самым, упростить конструкцию крышек. Расположение пружин на нижней поверхности съемного диска над крышками позволило исключить непосредственный контакт пружин с пучками твэлов, что, в свою очередь, создает возможность использования съемного диска для дальнейшего применения по назначению.
Выполнение направляющих элементов в виде штырей, жестко присоединенных к съемному диску и устанавливаемых с зазором в отверстия втулок, смонтированных на торцах соответствующих вертикальных стоек, позволило осуществить центрирование съемного диска относительно вертикальных стоек и пружин, прикрепленных к его нижней поверхности относительно крышек при постановке съемного диска на выемную кассету и вертикальное перемещение съемного диска.
Выполнение фиксирующих элементов в виде штырей, установленных в отверстиях съемного диска с возможностью поворота и вертикального перемещения и снабженных в верхней части флажками, фиксируемыми в крайних положениях при повороте штырей, а в нижней части - поперечной пластиной установка на торцах соответствующих вертикальных стоек втулок, в которых выполнены отверстия с поперечными пазами, позволяет вводить штыри с поперечными пластинами в отверстия с поперечными пазами во втулках и при повороте штырей флажками заводить поперечную пластину под втулку, обеспечивая сцепление съемного диска с вертикальными стойками выемной кассеты и возможность проведения с ней подъемно-транспортных операций.
Установка на штырях фиксирующих элементов под съемным диском тарельчатых пружин позволяет после размещения транспортного чехла с выемными кассетами в защитном контейнере, установкой внутренней защитной крышки поджать тарельчатые пружины и зафиксировать выемные кассеты от перемещения в гнездах чехла при транспортировке в горизонтальном положении.
Присоединение к нижней поверхности основания выемной кассеты амортизатора, выполненного в виде кольцевых обечаек, позволяет не устанавливать демпферы на донышках каждой трубы.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - предлагаемая выемная кассета, загруженная пучками твэлов и с установленным на нее съемным диском;
на фиг.2 - выносной элемент Е на фиг.1;
на фиг.3 - предлагаемая выемная кассета, загруженная пучками твэлов и с установленным на нее съемным диском, размещенная в защитном контейнере;
на фиг.4 - предлагаемая выемная кассета, установленная в пенал хранения.
Предлагаемая выемная кассета 1 (см. фиг.1) содержит ячейки 2, выполненные из труб 3, соединенных с вертикальными стойками 4 и между собой пластинами 5 и 6. Оси симметрии ячеек 2 располагаются в вершинах равносторонних треугольников. Трубы 3 снабжены в нижней части донышками 7 и трубчатыми демпферами 8. Вертикальные стойки 4 и трубчатые демпферы 8 присоединены на сварке к основанию 9. В трубы 3 в их верхней части устанавливаются крышки 10 с возможностью вертикального перемещения.
Выемная кассета 1 снабжена транспортным съемным диском 11, установленным при помощи направляющих 12 и фиксирующих 13 элементов, проходящих через отверстия 14 и 15 во втулках 16 и 17 соответственно, установленных на вертикальных стойках 4. Направляющие элементы 12 состоят из штырей 18, проходящих через отверстия 14 во внутреннюю полость вертикальных стоек 4 с возможностью вертикального перемещения.
Фиксирующие элементы 13 выполнены в виде штырей 19, установленных в отверстиях 20 съемного диска 11 с возможностью поворота и в отверстиях 15 с возможностью вертикального перемещения. Фиксирующие элементы 13 снабжены в верхней части флажками 21, фиксируемыми в крайних положениях при повороте штырей 19, а в нижней части - поперечной пластиной 22. Отверстие 15 во втулке 17 выполнено с поперечными пазами 23 для прохождения через него поперечной пластины 22. К нижней части съемного диска 11, соосно с крышками 10, прикреплены пружины 24, а к верхней части - грузозахватный грибок 25 и упоры 26, установленные на одном уровне с грибком 25.
В ячейках 2 размещаются пучки твэлов 27. На штырях 19 под съемным диском 11 установлены тарельчатые пружины 28. В варианте исполнения (см. фиг.2) к нижней поверхности основания 9 вместо демпферов 8 присоединен амортизатор 29, выполненный из кольцевых обечаек 30, 31 и 32.
Транспортировка выемных кассет 1 осуществляется (см. фиг.3) в гнездах транспортного чехла 33, размещенного в защитном контейнере 34, снабженном внутренней защитной крышкой 35.
В сухом хранилище загруженные пучками твэлов 27 выемные кассеты 1 без съемного диска 11 помещаются (см. фиг.4) в пеналы 36, состоящие из корпуса 37 и крышки 38 с клапаном 39 и замком 40.
Работа с предлагаемым пеналом осуществляется следующим образом.
При подготовке к отправке на АЭС транспортно-упаковочных комплектов выемные кассеты 1 устанавливают в гнезда транспортного чехла 33, размещенного в защитном контейнере 34. При установке внутренней защитной крышки 35 до ее штатного положения в защитном контейнере 34 под действием ее массы съемный диск 11 опускается вниз, перемещая направляющие 12 и фиксирующие 13 элементы в вертикальных стойках 4 и сжимая пружины 24, опирающиеся в крышки 10, что позволяет зафиксировать крышки 10 в трубах 3. При этом также сжимаются и тарельчатые пружины 28, фиксируя выемные кассеты 1 от перемещения в гнездах чехла 33 при транспортировке в горизонтальном положении
На АЭС после снятия крышки 35 транспортный чехол 33 извлекается из защитного контейнера 34 и подается в камеру загрузки. В камере поворотом флажков 21 штыри 19 фиксирующих элементов 13 выводятся в положение, когда их поперечная пластина 22 устанавливается соосно с поперечными пазами 23. Съемный диск 11 зацепляется за грибок 25 и снимается с выемной кассеты 1. Далее с труб 3 снимаются крышки 10, а в ячейки 2 выемных кассет 1 загружают пучки твэлов 27 и вновь устанавливают крышки 10. На загруженную выемную кассету 1 устанавливается съемный диск 11, при этом сначала в отверстия 14 во втулках 16 направляющих стоек 4 вводятся штыри 18 направляющих элементов 12, а затем в отверстия 15 с поперечными пазами 23 штыри 19 с поперечной пластиной 22.
Поворотом флажков 21 поперечные пластины 22 заводятся под нижнюю поверхность втулки 17 и фиксируются в этом положении. После загрузки всех выемных кассет 1 транспортный чехол 33 размещается в защитном контейнере 34 и на него устанавливается защитная крышка 35 до ее штатного положения в защитном контейнере 34. Под действием массы защитной крышки 35 съемный диск 11 перемещается вниз и сжимает пружины 24, опирающиеся в крышки 10, перемещая их и фиксируя в трубах 3 как крышки 10, так и пучки твэлов 27 для последующего транспортирования в горизонтальном положении. При этом также сжимаются и тарельчатые пружины 28, фиксируя выемные кассеты 1 от перемещения в гнездах чехла 33 при транспортировке контейнера в горизонтальном положении.
В сухом хранилище защитный контейнер 34 устанавливают под приемным гнездом ККП и снимают с него защитную крышку 35. Транспортный чехол 33, загруженный выемными кассетами 1 с пучками твэлов 27, поднимают в приемное гнездо ККП и устанавливают на подкатываемую под него тележку. Затем поочередно захватом крана-манипулятора зацепляют выемные кассеты 1 с пучками твэлов 27, извлекают их из транспортного чехла 33 и устанавливают их в корпуса 37 пеналов 36, размещенные в гнездах ККП. Далее копирующими манипуляторами осуществляется поворот флажков 21, при этом штыри 19 фиксирующих элементов 13 выводятся в положение, когда их поперечная пластина 22 устанавливается соосно с поперечными пазами 23. Съемный диск 11 зацепляется за грибок 25 и снимается с выемной кассеты 1, размещенной в корпусе 37 пенала 36. На корпус 37 устанавливается крышка 38 и далее известным способом осуществляется герметизация пенала путем приварки крышки 38 к корпусу 37, заполнение пенала 36 азотно-гелиевой смесью через клапан 39, герметизация клапана 39 сваркой, контроль герметичности сварных швов, транспортировка и установка загруженного пучками твэлов 27 пенала 36 в гнездо сухого хранилища.
Съемный диск 11 в сборе с пружинами 24, направляющими 12 и фиксирующими 13 элементами после дезактивации и контроля работоспособности направляется на дальнейшее использование по назначению.