КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к контейнерам, являющихся составной частью транспортно-упаковочных комплектов (ТУК) и предназначенным для длительного сухого хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). В частности, к контейнерам с цельнометаллическим (из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом) корпусом для транспортировки и хранения ОЯТ ядерных реакторов типа ВВЭР, РБМК и др.
Транспортно-упаковочные комплекты (ТУК) для обращения с ОЯТ состоят из основных функциональных узлов: корпуса контейнера, чехла-узла для фиксации и закрепления сборок с ОЯТ, крышек, демпферов предохраняющих контейнер на случай аварийного падения, устройств для захвата и переноса контейнеров и пр.. Корпус контейнера, исходя из мирового опыта, изготавливают из легированных сталей посредством сварки из нескольких обечаек с введением между ними радиационно-защитных и теплопроводящих элементов и материалов, в том числе специальных бетонов (металлобетонные), либо, из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
ТУК с корпусами контейнера из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом являются двухцелевыми, т.е. они могут быть использованы как для транспортировки, так и для длительного сухого хранения до 50 лет радиоактивных материалов ОЯТ, например, отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС).
Для обеспечения необходимого уровня герметичности в процессе транспортировки и длительного хранения ОЯТ (до 50 лет) внутренняя полость корпуса контейнера имеет герметичное перекрытие, выполненное из нескольких защитных герметизирующих крышек, установленных одна над другой. Крышки образуют, в соответствии с действующими сегодня нормами обеспечения безопасности, как минимум, двойной уровень защиты. В качестве уплотнительных элементов между крышками и чугунным корпусом используются герметизирующие прокладки, металлические (из мягких деформируемых металлов) и эластомерные, из специальных композитов.
Длительная эксплуатация загруженного ОЯТ контейнера требует постоянного мониторинга состояния его герметичности и регулярных профилактических работ по затяжке крепежных шпилек крышек до регламентной величины (установленного момента затяжки). Для контроля герметичности полости контейнера оснащаются различными устройствами и средствами контроля давления в пространстве между установленными крышками. Все это усложняет конструкцию контейнеров и повышает расходы на его изготовление и обслуживание в период хранения ОЯТ.
Известны различные решения для улучшения технологичности изготовления и снижения затрат при эксплуатации такого типа ТУК с целью обеспечения их герметичности в течение длительного срока эксплуатации.
Известен контейнер для транспортировки и хранения радиоактивных материалов по см., патент RU №2510770, (G21F 5/005, оп. 27.09.2000), WO 2009075297(G21F 5/008, 18.06.2009). Контейнер имеет цилиндрический корпус - литой чугунный стакан с днищем и герметичным перекрытием внутренней полости. Герметичное перекрытие выполнено в виде двух съемных защитных крышек с уплотнениями, установленных одна над другой на верхней торцевой части стакана закрепляемых винтами или резьбовыми шпильками.
Известен металлобетонный контейнер для хранения и транспортировки ядерного топлива реакторов РБМК (Металлобетонный контейнер для хранения и транспортирования отработавшего ядерного топлива реакторов РБМК). Зубков А.А., Фромзель В.Н. и др. // Журнал "Теплоэнергетика", - 11, 1996. - С. 40-44. Контейнер содержит корпус, выполненный из двух цилиндрических металлических обечаек, которые расположены одна в другой и приварены к верхнему кованому кольцу. Внутренняя и наружная обечайки приварены также к стальному кованому днищу находящемуся снизу. Кольцевое пространство между обечайками корпуса, а также пространство между днищами заполнено тяжелым жаростойким бетоном со специальными добавками, обеспечивающими безопасную эксплуатацию загруженного ТУК.
На верхнем кованом кольце выполнены проточки под установку и приварку внутренней и наружной защитных герметизирующих крышек. Эти крышки установлены без зазора, при этом наружная защитная герметизирующая крышка установлена заподлицо с поверхностью кованого кольца.
Внутренняя полость корпуса контейнера герметизируется съемной крышкой с прокладкой, которая крепится к кованому кольцу болтами.
В центре съемной крышки предусмотрено гнездо, где расположено отверстие для дренирования контейнера, вакуумирования и заполнения внутренней полости контейнера газом. После заполнения контейнера газом упомянутое гнездо герметизируется заглушкой на резьбе с последующим уплотнением сваркой.
По современным требованиям безопасности обращения с радиоактивными материалами данный контейнер может быть использован только для хранения низкоактивного ОЯТ реакторов типа РБМК, и не может быть использован для транспортировки ОЯТ реакторов типа ВВЭР
Известен патент на полезную модель RU №56704 «ТРАНСПОРТНЫЙ УПАКОВОЧНЫЙ КОМПЛЕКТ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШИХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК» (оп. 10.09.2006, G21F 5/008) Транспортный упаковочный комплект содержит корпус контейнера, внутреннюю и наружную крышки, чехол для установки ОТВС и демпферы. Корпус контейнера выполнен из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, на его боковой поверхности установлены подъемные цапфы.
В верхней части корпуса выполнена ступенчатая проточка, в которой установлены внутренняя и наружная крышки с креплением шпильками, герметичность обеспечивается резиновыми уплотнительными кольцами, что создает с корпусом контейнера два барьера герметичности. Внутренняя и наружная крышки изготовлены из нержавеющей стали.
Известен контейнер для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива по патенту RU 2348085 (G21F 5/00, 2009). Контейнер содержит металлический корпус, включающий днище, наружную и внутреннюю цилиндрические оболочки, полость между которыми заполнена материалом для поглощения нейтронов, Перекрытие внутренней полости контейнера выполнено, в виде двух защитных герметизирующих крышек, установленных одна над другой на общем основании и образующих с последним два последовательных герметизирующих контура. Две защитные герметизирующие крышки выполнены с учетом размеров цилиндрических проточек в верхней части корпуса и образуют два контура (барьера) защиты. Конструкция контейнера допускает возможность установки дополнительной наружной защитной герметизирующей крышки, и возможности формирования третьего контура, которая может быть выполнена в виде крышки из стального листа, которую по периметру приваривают к торцу корпуса, обеспечивая дополнительную защиту и герметичность.
Наиболее близким к заявляемому решению является ТРАНСПОРТНЫЙ УПАКОВОЧНЫЙ КОМПЛЕКТ ДЛЯ ОТРАБОТАВШИХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ патент RU №2463677, (G21F 5/008, 10.10.2012), который содержит чехол и контейнер, включающий металлический корпус с герметичным перекрытием внутренней полости контейнера. Перекрытие выполнено в виде трех защитных герметизирующих крышек, установленных одна над другой на общем основании и образующих с последним три концентричных герметизирующих контура. Две внутренние съемные защитные герметизирующие крышки с прокладками выполнены под проточки в верхней части корпуса и образуют два контура (барьера) защиты. Их крепление обеспечено шпильками. Кроме того установлена дополнительная наружная защитная герметизирующая крышка выполненная в виде листа, который по периметру приваривают к торцевой части корпуса. Установка дополнительной защитной герметизирующей крышки обусловлена возможностью снижения герметичности уплотнений внутренних крышек в условиях длительного радиационного и термоциклического воздействия в процессе хранения ОЯТ и требованием обеспечения надежности и экологической безопасности сухого контейнерного хранения. В варианте осуществления изобретения, в качестве материала, корпуса контейнера ТУК принята конструкционную углеродистая сталь 09Г2СА. В другом варианте в качестве материала корпуса контейнера ТУК использован чугун с шаровидным графитом.
Как видно из приведенных источников, герметичность внутренней полости корпуса контейнера, в которую устанавливают ОЯТ, например, в виде ОТВС, обеспечивается установкой защитных съемных герметизирующих крышек с прокладками и креплением их различными крепежными элементами, и, в некоторых устройствах, установкой дополнительной приваренной к корпусу крышкой.
Недостатками таких решений является то, что при установке съемных крышек с прокладками, при длительном хранении, необходим регулярный контроль за уровнем деформирования прокладок с обязательным процессом обтяжки крепежа крышек до нужного момента с целью, обеспечения гарантированного уровня герметичности рабочей полости контейнера. Такие контейнеры оснащены средствами контроля давления в пространстве между крышками, это является основным способом контроля безопасного состояния контейнера. В контейнерах, где предусмотрена установка третьей приваренной крышки без зазора к внутренней герметизирующей крышке, это может привести к деформации по причине разного линейного теплового расширения из-за разного материала крышек (нержавеющая и углеродистая сталь). Приваренная третья крышка, установленная на корпусе контейнера, закрывает доступ к средней крышке, которая требует обслуживания, так как на сегодня нет материала прокладок, который позволил бы гарантировать герметичность конструкции в течение 50 лет без дополнительного поджима, затяжки крепежа. В этом случае контейнер остается только с одной гарантированной (заваренной) внешней крышкой, что по существующим требованиям недопустимо.
Техническим результатом, на которое направлена полезная модель, является улучшение технологичности изготовления и эксплуатации контейнера для обеспечения его герметичности в течение длительного срока.
Для этого предложен контейнер, для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива, включающий металлический корпус из чугуна с шаровидным графитом, с герметичным перекрытием внутренней полости контейнера, выполненным в виде трех защитных герметизирующих крышек, установленных одна над другой, при этом верхняя и средняя защитные герметизирующие крышки установлены с зазором между собой и жестко и герметично соединены с корпусом путем сварного соединения, верхняя защитная герметизирующая крышка соединена с корпусом по периметру его торцевой поверхности, а средняя и внутренняя защитные герметизирующие крышки установлены с зазором между собой в проточках корпуса.
Кроме того,
- верхняя и средняя защитные герметизирующие крышки выполнены из углеродистой стали или из чугуна.
- толщину верхней и средней защитных герметизирующих крышек выбирают в диапазоне 25-50 мм.
На фигурах показан общий вид верхней части контейнера (внутренние элементы не показаны) ТУК, с установленными крышками - фиг. 1 и без крышек - фиг. 2, где
1 - верхняя защитная герметизирующая крышка
2 - средняя защитная герметизирующая крышка
3 - внутренняя защитная герметизирующая крышка закрепленная шпильками.
4 - корпус из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Предлагаемый вариант герметизации контейнера может применяться в составе ТУК (ТУК140; 141; 153 и тд.) для ОЯТ реакторов типа ВВЭР, РБМК и др.. Контейнер для транспортировки и хранения отработавших сборок ТВЭЛ ядерных реакторов в стандартном исполнении содержит корпус из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, герметичное перекрытие полости контейнера, выполненное в виде двух защитных герметизирующих крышек, вставленную в полость контейнера дистанционирующую решетку с центральной трубой со съемным хвостовиком для грузового захвата-чехол для установки отработавших сборок ТВЭЛ ядерных реакторов и другие необходимые в процессе эксплуатации элементы.
В стандартном варианте исполнения контейнеров с корпусом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в верхней части корпуса 4 выполняются две проточки под установку защитных герметизирующих крышек. Внутренняя полость корпуса 4 контейнера герметизируется внутренней защитной герметизирующей крышкой 3 с уплотнением традиционными металлическими и эластомерными прокладками и крепится к корпусу при помощи шпилек. В расположенную выше проточку корпуса 4 устанавливают среднюю защитную герметизирующую крышку 2 с разделкой верхней кромки под сварку и приваривают ее по периметру к корпусу 4. Толщина крышки 2 не должна превышать расстояния до торцевой поверхности корпуса 4, но при этом обеспечивать жесткость препятствующую короблению при сварке и механическую прочность, исходя из этого и реальной геометрии контейнера ее толщина составляет 25-50 мм. Верхняя защитная герметизирующая крышка 1 с разделкой нижней кромки под сварку приваривается по периметру корпуса 4, имея для универсальности выполнения крышек также толщину 25-50 мм.
Верхняя 1 и средняя 2 защитные герметизирующие крышки могут быть выполнены из углеродистой стали, например, 09Г2С, с нанесением антикоррозийной покраски наружной поверхности, или высокопрочного чугуна, что более предпочтительно, т.к. упрощает процесс сварки в силу однородности металла корпуса и крышек. Демонтируемая крышка из кованной коррозионностойкой стали, которая используется в стандартном исполнении ТУК на месте установки крышки 2 может использоваться для новых ТУК, применяемых для транспортировки ОЯТ. Предлагаемый вариант использования двух привариваемых крышек из чугуна или углеродистой стали позволяет получать экономию в ценах сегодняшнего дня 2,5-3 млн. руб. на каждый комплект ТУК
Технически исполнение данного предложения проводиться следующим образом.
1. Крышка 3 из коррозионностойкой нержавеющей стали остается в исходном положении от транспортной комплектации ТУК с креплением резьбовыми шпильками в проточке корпуса с диаметром 1828 мм.;
2. Крышка 2 (чугунная или стальная) приваривается к корпусу в цилиндрическую проточку корпуса диаметром 2160 мм. Предварительно демонтировав с этого места крышку из коррозионностойкой нержавеющей стали (предусмотренную проектом).
3. Крышка 1 (чугунная или стальная) приваривается к корпусу на торцевую часть корпуса. Крышка имеет диаметр и форму наружной части корпуса. Диаметр 2340 мм.
Для организации процесса замены крышек на площадке предназначенной для длительного хранения ОЯТ не требуется никакой дополнительной механической обработки корпуса контейнера. Крышки имеют геометрические размеры исходя из размеров проемов и размеров наружной торцевой части корпуса. Места для наложения сварных швов на крышках будут иметь соответствующую разделку кромок (исходя их технологического процесса сварки). Технология сварки аналогичных деталей из чугуна, а также из чугуна и стали сегодня достаточно отработаны. В качестве примера можно сослаться на имеющее место техническое решение Немецкой фирмы «Simpelkamp» предусматривающее приваривание крышки из стального листа к корпусу контейнера «Castor», предназначенного для ОЯТ ВВЭР, в аварийной ситуации (потеря герметичности проектных крышек). Решение согласовано с требованием международных нормативных документов регламентирующих безопасное отращение с ОЯТ.
Таким образом, данный контейнер не требует значительных конструктивных изменений стандартного исполнения, при этом в процессе длительного хранения до 50 лет отсутствует необходимость проведения инструментального периодического обследования состояний атмосферы и технического состояния внутренней полости и герметичности контейнера за счет дополнительного барьера, предохраняющего от возможности утечки РВ. Такое конструктивное выполнение контейнера снижает расходы при изготовлении и эксплуатации оборудования.