КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
CONTAINER FOR SPENT NUCLEAR FUEL TRANSPORTATION

Изобретение относится к контейнерам, предназначенным для транспортирования и временного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС) в виде отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС).
ОТВС характеризуются высоким остаточным тепловым энерговыделением и уровнем радиационного излучения, что требует для их безопасного транспортирования использования специальных контейнеров.
Известен контейнер для транспортирования и хранения ОТВС (патент ФРГ №3026249, кл. G21F 5/00, 1982), который содержит толстостенный корпус с охлаждающими ребрами на внешней поверхности и коррозионную внутреннюю футеровку. Корпус герметизирован двумя крышками, а внутренняя футеровка удерживается на корпусе резьбовыми втулками.
Недостатком данного контейнера является недостаточная защита от нейтронного излучения, а также достаточно сложная технология изготовления, которая требует использования уникального металлургического оборудования для получения многотонной металлической заготовки высокого качества.
Известен контейнер для транспортировки выгоревших ТВС (патент США №3774037, кл.G21F 3/00, 1973), который содержит внутреннюю и наружную цилиндрические обечайки с днищами из нержавеющей стали и защитное перекрытие с элементами его крепления, установленное на днище с загрузочным отверстием. На наружной обечайке расположены кольцевые теплоотводящие ребра. Между обечайками расположена радиационная защита в виде урановых отливок.
Недостатками конструкции данного контейнера являются:
- изготовление урановых отливок требует использование специальной технологии, что усложняет в целом процесс изготовления изделия, также наличие урановых отливок требует специального учета и контроля при использовании контейнера по назначению;
- для ОТВС с увеличенной массой и глубиной выгорания ядерного топлива не обеспечивается требуемый уровень защиты от нейтронов.
Известен контейнер для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива (патент РФ №2453006, кл. G21F 5/00, опубл. 10.06.2012 Бюл.№16), содержащий металлический корпус, включающий днище, опору, концентрично закрепленные на днище цилиндрические обечайки с образованием полости, герметичное перекрытие упомянутой полости и внутренней полости контейнера, которое выполнено в виде двух крышек, установленных одна над другой на общем основании, нейтронную защиту, установленную на наружных поверхностях внутренней крышки, днища и цилиндрической обечайке, элементы с высокой теплопроводностью, пропущенные через слой нейтронной защиты, расположенной на цилиндрической обечайке, вышеупомянутая полость между цилиндрическими обечайками заполнена вставкой из металла высокой плотности и теплопроводности относительно материала обечаек, в качестве элементов с высокой теплопроводностью использованы ребра V-образной формы, расположенные вдоль корпуса на длине, соответствующей длине внутренней полости контейнера, стенки ребер перфорированы пазами, расположенными в продольных рядах со смещением паза одного ряда по отношению к пазу другого ряда, при этом ребра выступают за поверхность нейтронной защиты и скреплены между собой обечайкой, являющейся облицовкой нейтронной защиты, нейтронная защита внутренней крышки облицована, нейтронная защита днища размещена в опоре, на опоре и на наружной крышке установлены демпферы. В вариантах исполнения контейнера:
- внутренняя цилиндрическая обечайка, днище и общее основание выполнены из коррозионно-стойкой стали;
- внешняя цилиндрическая обечайка выполнена из низколегированной стали;
- вставка выполнена из меди;
- вставка закреплена между обечайками диском, подкрепленным кольцом и продольными пластинами;
- вставка из металла высокой плотности и теплопроводности выполнена из блоков, закрепленных от продольного перемещения с помощью колец, при этом зазор между блоками и наружной обечайкой заполнен порошковым наполнителем из того же материала, что и блоки;
- ребра V-образной формы скреплены между собой сваркой.
- ребра V-образной формы представляют собой двухслойную конструкцию, внутренний слой выполнен из меди, внешний - из коррозионно-стойкой стали;
- на наружную обечайку корпуса установлены и закреплены продольные панели, состоящие из обечайки, на которой основанием установлены и закреплены ребра V-образной формы, скрепленные между собой пластинами, панели соединены между собой облицовкой нейтронной защиты;
- облицовка нейтронной защиты выполнена из коррозионно-стойкой стали;
- нейтронная защита выполнена из силоксанового каучука;
- демпферы состоят из разновысотных косынок, связанных между собой обечайкой и торцовым кольцом;
- демпферы выполнены из коррозионно-стойкой стали;
- цилиндрические оболочки снизу снабжены комингсом, на котором закреплены днище и опора;
- днище выполнено в виде двух дисков;
- внутренний диск днища выполнен из коррозионно-стойкой стали;
- герметизация каждой крышки с сопрягаемыми поверхностями основания произведена с помощью двух уплотнительных элементов, установленных в кольцевых концентрично расположенных на соответствующих поверхностях крышек канавках.
Этот контейнер принимается за прототип, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому техническому решению.
Недостатками данного контейнера являются:
- большая трудоемкость изготовления и закрепления с помощью сварки на корпусе контейнера V-образных теплоотводящих ребер нейтронной защиты и облицовки нейтронной защиты;
- необходимость использования специального технологического оборудования для заполнения объема межреберного пространства материалом нейтронной защиты;
- процесс дистанционной установки внутренней крышки на шпильки, который присутствует при эксплуатации контейнера, является достаточно сложным и продолжительным по времени.
Решаемой задачей является создание контейнера для транспортирования отработавшего ядерного топлива реакторов типа РБМК-1000 с повышенным обогащением по урану-235 с обеспечением эффективной защиты от гамма-излучения и нейтронов и отвода тепла от загруженного в контейнер ОЯТ.
Поставленная задача решается тем, что в контейнере для транспортирования отработавшего ядерного топлива, содержащем металлический корпус, включающий комингс с закрепленными на нем днищем и опорой, концентрично закрепленные на комингсе цилиндрические обечайки с образованием полости, герметичное перекрытие упомянутой полости и внутренней полости контейнера, которое выполнено в виде двух крышек, установленных одна над другой на основании, нейтронную защиту, установленную коаксиально в металлическом корпусе и в имеющихся отсеках на наружной поверхности внутренней крышки и в опоре на наружной поверхности днища, демпферы, установленные на опоре и на наружной крышке, вышеупомянутая полость между обечайками заполнена вкладышами из металла высокой плотности, жестко закрепленными на внутренней обечайке, между вкладышами и наружной обечайкой размещены вставки из металла высокой теплопроводности, имеющие продольные каналы, в которых размещена нейтронная защита, внутренняя крышка выполнена конической формы и установлена в имеющуюся внутреннюю коническую проточку основания с опорой на его торцовую поверхность, внутренняя крышка поджата кольцом, надетым на внутренний ряд шпилек основания, на торцовой и конической поверхностях внутренней крышки имеются кольцевые канавки, в которых расположены уплотнительные элементы.
В вариантах исполнения контейнера:
- на наружной цилиндрической поверхности основания имеются два диаметрально расположенных на одной оси грузоподъемные отверстия;
- верхний демпфер имеет в пластинах боковой поверхности два диаметрально расположенных на одной оси грузоподъемные отверстия;
- демпферы состоят из разновысотных косынок, связанных между собой обечайкой и торцовым кольцом;
- часть вставок закреплена сваркой с помощью накладок к обечайке;
- кольцо закреплено на шпильках гайками;
- на наружной обечайке корпуса установлены продольные ребра;
- на комингсе установлены две диаметрально-расположенные и смещенные относительно продольной оси корпуса съемные цапфы;
- наружная крышка выполнена конической формы и установлена в наружную коническую проточку основания с опорой на торцовую поверхность основания;
- на внешней торцовой поверхности наружной крышки по центру установлен съемный грузозахватный переходник;
- вставки выполнены из алюминиевого сплава или меди;
- нейтронная защита выполнена из полипропилена.
Заполнение полости между обечайками вкладышами из металла высокой плотности и вставками из металла высокой теплопроводности, в продольных каналах которой размещена нейтронная защита из полипропилена, позволяет обеспечить как эффективную защиту от гамма-излучения и нейтронов, так и эффективный отвод тепла с внутренней обечайки контейнера на наружную обечайку. Более эффективную защиту от гамма-излучения обеспечивают металлы с большей плотностью, а от нейтронов - водородосодержащие материалы.
Размещение на наружной обечайке продольных ребер позволяет более интенсивно путем конвекции и излучения рассеивать тепло в окружающую среду. Также наружная обечайка и ребра являются элементами конструкции, гасящими импульсы внешних динамических нагрузок, воздействующих на контейнер, в случае возникновения аварийных ситуаций. Поэтому целесообразно выполнить их из материала, имеющего высокий коэффициент относительного удлинения, например из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т.
Выполнение основания контейнера с коническими проточками под внутреннюю и наружную крышки конической формы позволяет значительно упростить процесс установки-снятия крышек и особенно внутренней крышки при ее дистанционной установке или снятии с использованием специальных технических устройств. Крепление внутренней крышки после ее установки на основание производится с помощью кольца, надеваемого на шпильки основания и закрепляемого на них гайками.
Герметизация внутренней крышки с сопрягаемыми поверхностями основания с помощью уплотнительных элементов, установленных в кольцевых проточках торцовой и конической поверхностей обеспечивает требуемый уровень надежности по герметичности соединения, при этом обеспечивается легкий доступ к уплотнительным элементам при техническом обслуживании крышки.
Выполнение на наружной цилиндрической поверхности основания двух диаметрально расположенных на одной оси грузоподъемных отверстий, позволяет при снятом верхнем демпфере производить за них подъем и перенос контейнера в вертикальном положении.
Наличие в пластинах боковой поверхности верхнего демпфера двух отверстий, диаметрально расположенных на одной оси, позволяет поднимать за них и переносить контейнер в вертикальном положении, а при совместном использовании с цапфами, размещенными на комингсе со смещением относительно продольной оси корпуса, производить кантование контейнера. При этом контейнер поднимается за отверстия демпфера, переносится на место кантования и устанавливается цапфами на опору, при дальнейшем опускании контейнера он из вертикального положения переходит в горизонтальное положение.
Наличие на наружной крышке съемного грузозахватного переходника позволяет производить съем или установку крышки грузоподъемным устройством без использования дополнительной оснастки, также переходник обеспечивает защиту крышки при воздействии на нее внешних динамических нагрузок в случае возникновения транспортных аварийных ситуаций.
На фиг.1 показан общий вид контейнера в разрезе; на фиг.2 герметизация внутренней и наружной крышек, элемент Б на фиг.1; на фиг.3 - поперечное сечение контейнера.
Контейнер (см. фиг.1, 2 и 3) состоит из:
- металлического корпуса 1, включающего:
- комингс 2;
- опору 3;
- днище 4;
- основание 5;
- внутреннюю 6 и наружную 7 обечайки;
- вкладыши 8;
- вставки 9;
- накладки 10;
- ребра 11;
- нейтронную защиту 12;
- нейтронную защиту 13, расположенную в опоре 3;
- съемные цапфы 14, предназначенные для кантования контейнера;
- внутреннюю крышку 15, на внешней поверхности которой установлена нейтронная защита 16, имеющая облицовку 17. В проточках крышки 15 установлены уплотнительные элементы 18 и 19;
- шпильки 20;
- кольцо 21;
- шпильки 22;
- наружную крышку 23. В концентричных проточках крышки 23 установлены уплотнительные элементы 24 и 25. Крышка 23 имеет переходник 26, предназначенный для ее подъема;
- демпфер 27, установленный на опоре 3;
- демпфер 28, установленный на наружной крышке 22.
Использование контейнера осуществляется следующим образом.
Отработавшее ядерное топливо сначала загружают в дистанционирующую решетку (на фиг.1 не показана), которую затем устанавливают в контейнер. После загрузки контейнера в коническую проточку основания 5 устанавливают внутреннюю крышку 15, на шпильки 20 надевают и закрепляют гайками кольцо 21, при этом происходит поджим внутренней крышки 15 к торцовой поверхности основания 5. Производят контроль герметичности соединения крышки 15 с корпусом 1. В другую коническую проточку основания 5 по шпилькам 22 устанавливают и закрепляют гайками наружную крышку 23. Производят контроль герметичности соединения крышки 23 с корпусом 1. После этого контейнер при необходимости может быть поднят грузоподъемным устройством за отверстия В основания 5 и перенесен в вертикальном положении на необходимый пост обслуживания. На наружную крышку 23 по направляющим шпилькам устанавливают и закрепляют болтами демпфер 28. После этого перенос контейнера в вертикальном положении и его перевод из вертикального положения в горизонтальное с опорой на нижние цапфы 14 производится грузоподъемным устройством, которое соединяется с демпфером путем захода цапф грузоподъемного устройства в отверстия Г демпфера 28. Контейнер с ОЯТ на транспортном средстве располагается в горизонтальном положении.
После транспортирования контейнера к месту размещения ОЯТ на длительное хранение или переработку он переводится в вертикальное положение и переносится на пост обслуживания, где производятся соответствующие технологические операции по разгрузке ОЯТ. На всех этапах эксплуатации контейнера нижний демпфер 27 с корпуса 1 может не сниматься.
Разработанная конструкция контейнера для транспортировки и/или хранения ОЯТ реакторов типа реакторов типа РБМК-1000 с повышенным обогащением по урану-235, выгоранием ядерного топлива до 37 ГВт·сут/тU и остаточным суммарным энерговыделением до 8,1 кВт, обеспечивает как эффективную защиту от гамма-излучения и нейтронов, так и эффективный отвода тепла от загруженного в контейнер ОЯТ, что отвечает требованиям по безопасной перевозке и хранению ОЯТ.