СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ДЕЗАКТИВАЦИИ СТЕРЖНЕВЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR AUTOMATIC DECONTAMINATION OF ROD FUEL ELEMENTS AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, в первую очередь при сборке твэлов с радиоактивным топливом.
Тепловыделяющий элемент ядерных реакторов (твэл) включает в себя топливные таблетки, вставленные одна за другой в металлическую оболочку длиной, в частности, до 4 м, обычно изготовленную из специальной стали или сплава циркония. Сами оболочки не являются радиоактивными. Однако, в частности, при введении в них таблеток из спеченного порошка на их поверхности могут образоваться и отложиться частицы топлива. Загрязнение стержня, вызванное этими частицами, должно быть устранено ввиду строгих допусков на приемлемые уровни радиоактивности. С этой целью, по завершению работы с опасными материалами после этапа приварки верхней заглушки обычно производят дезактивацию, в частности, верхней заглушки стержня и смежной поверхности. Дезактивация не должна изменять оболочку стержня, предпочтительно должна быть полностью автоматической, относительно быстрой и не должна требовать дополнительного пространства в герметичной камере. Фактически, загрязнению подвержен только участок, прилегающий к открытому концу твэла, через который загружаются топливные элементы.
При сборке твэл с радиоактивным топливом для создания нормальной радиационной обстановки в производственных помещениях все оборудование необходимо размещать в надежно герметичных камерах (боксах), а весь процесс должен быть максимально механизирован и автоматизирован, включая и контроль (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1 / Под ред. Ф.Г. Решетникова. - М.: Энергоатомиздат, 1995 г., стр. 113). В первую очередь, это требование относится к операциям, производимым с открытым топливом, то есть до герметизации твэла приваркой верхней заглушки. Таким образом, сборочная линия, на которой осуществляется работа с радиоактивным топливом, должна делиться на участки, размещаемые в герметичных боксах.
Из-за плохой радиационной обстановки внутри герметичного бокса электронные компоненты средств автоматизации, которые плохо приспособлены для работы с радиоактивными материалами, должны быть защищены от воздействия радиоактивного излучения. При этом могут защищаться либо сами компоненты, либо могут экранироваться источники радиоактивного излучения.
Таким образом, задача автоматизации процесса дезактивации твэла с таблеточным радиоактивным (содержащим плутоний) топливом предъявляет к оборудованию следующие требования:
- обязательное наличие слоя биологической защиты, экранирующего твэл, который является источником радиоактивного излучения;
- высокая надежность, т.к. наладка и ремонт оборудования, размещаемого в герметичном боксе или за слоем биологической защиты, требует не только остановки технологического процесса, но и замены среды в боксе, предварительной подготовки для обеспечения доступа к оборудованию с проведением сборки бокса и восстановлением среды после завершения ремонта;
- предпочтение способам с наименьшим использованием электронных компонентов, т.к. работы проводятся в условиях радиоактивного излучения и с применением растворов кислот и щелочей;
- вынос (по возможности) приводов и средств наладки оборудования за биологическую защиту;
- защита персонала от воздействия радиоактивного излучения в случаях оперативного вмешательства в процесс изготовления твэла, при проведении ремонта и при нештатных ситуациях.
Известны различные способы дезактивации. Например, газ под давлением или струи раствора (патент ЕР №0100428, 1984-02-15) могут удалять отложения частиц топлива меньше микрона, но при этом образуются стоки, которые трудно и дорого обрабатывать. Другие системы, содержащие, например, электродные разряды (патент GB 1382915, 1975-02-05), являются очень дорогими. Также известна лазерная дезактивация (патент FR 2774801,1999-08-03), но она очень сложна в использовании.
В патенте FR 2072423 (1971-09-24, G21C 21/02) описан автоматизированный процесс, в котором стержень приводится во вращательное движение, а его конец входит в контакт с разматывающейся чистящей лентой. Однако при таком решении пространство ограничено концом стержня и, кроме того, не обеспечивается достаточная эффективность из-за низкой надежности и недостаточного давления ленты на стержень.
Способ дезактивации (патент РФ №2433491, 10.11.2011, G21F 9/00) включает установку подлежащего дезактивации участка цилиндра в заданное положение, натяжение ленты вокруг цилиндра и движение ее в направлении, перпендикулярном оси цилиндра. Натяжение ленты во время очистки поддерживается постоянным. Участок цилиндра может быть закреплен или ему может быть сообщено поступательное перемещение вдоль своей оси с постоянной скоростью или с замедлением для более тщательной обработки на некоторой области участка цилиндра. Поступательное движение может сопровождаться небольшим вращением, так что цилиндр совершает винтовое движение. Однако предпочтительно, чтобы этот участок в течение всего процесса удерживался в одном и том же угловом положении. Там же упоминается механизм контроля обрыва ленты и желательность наличия нескольких лент. В частности, множество лент образует дуги с взаимодополняющим контактом с участком цилиндра. Например, две ленты покрывают два противоположных друг другу полуцилиндра.
Указанные методы оказываются малопригодными при работе с радиоактивным (содержащим плутоний) топливом при необходимости обеспечения биологической защиты, так как твэл, содержащий данное топливо, является источником радиоактивного излучения. Необходимость размещения оборудования внутри герметичных боксов создает дополнительные технологические трудности. Метод «протирки» лентами требует наличия устройств постоянной подачи моющих растворов и протирочной ленты через стену биологической защиты или внутрь бокса без нарушения его герметизации, что технически очень сложно. Вероятность разрыва ленты снижает надежность метода. Все побочные продукты, связанные с процессом дезактивации, должны быть легко удаляемыми из герметичного бокса.
Наиболее простой является дезактивация с использованием вискозной, полиэфирной или хлопковой ткани, сухой или пропитанной спиртом. Ручная дезактивация осуществляется трением с использованием протирочного материала и специальных дезактивирующих растворов. Однако этот способ сильно зависит от действия операторов.
Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности способа дезактивации твэла и снижения загрязнения стержней после заключения их в оболочку до более низкого уровня.
При осуществлении предлагаемого изобретения могут быть получены следующие технические результаты.
Во-первых, снижение загрязнения поверхности твэла до более низкого уровня.
Во-вторых, повышение надежности установки.
В-третьих, улучшение радиационной обстановки.
Как решение поставленной задачи, позволяющее достигнуть эффекта с указанными характеристиками, предлагается способ дезактивации, который включает протягивание твэла через картридж.
Поступательное перемещение вдоль своей оси подлежащего дезактивации твэла с постоянной скоростью или с замедлением для более тщательной обработки на некоторой области участка оболочки.
Линейное движение твэла через картридж может сопровождаться относительным вращением твэла и картриджа вокруг их общей оси. Приводиться во вращение может либо твэл, либо картридж.
Под картриджем понимается корпус, содержащий чистящий элемент. Таким элементом может быть, например, безворсовая ткань или полимер.
При проходе через картридж обеспечивается необходимый контакт между чистящим материалом и обрабатываемой поверхностью. Преодоление силы сопротивления, возникающей при проходе твэла через картридж, обеспечивается системой подачи твэла.
Дезактивация по данному способу может быть как сухой, так и мокрой. Дезактивирующий раствор может наноситься как на чистящий материал внутри картриджа, так и подаваться на поверхность твэла.
Протягивание твэла может производиться несколько раз через один картридж путем реверса подачи твэла или через несколько картриджей, установленных последовательно.
После чистки всего твэла отдельные участки могут обрабатываться данным способом дополнительно.
Описанный способ реализуется в устройстве для автоматической дезактивации стержневых тепловыделяющих элементов. Устройство разработано для дезактивации твэлов с радиоактивным (содержащим плутоний) топливом. В изобретении зона дезактивации твэлов, снаряженных радиоактивным топливом, отделена стеной биологической защиты от зоны для размещения обслуживающего персонала и приводов исполнительных механизмов. В качестве чистящего элемента в картридже цилиндрической формы используется набор тканевых элементов с отверстиями круглого сечения для прохода твэла. Подача твэла осуществляется системой профилированных роликов. Часть роликов служит для поддержки твэла (поддерживающие ролики), другая часть для подачи твэла (приводные ролики). Приводной ролик получает вращающий момент от электрического привода. Для увеличения усилия подачи и исключения падения твэла с линии подачи приводной ролик оснащается прижимным роликом. Прижимной ролик прижимает твэл к приводному ролику.
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 представлен общий вид устройства, вид с боку;
на фиг. 2 представлен вид устройства сверху;
на фиг. 3 представлено устройство подачи и удаления картриджей;
на фиг. 4 представлена система приводного ролика;
на фиг. 5 показано сечение картриджа.
В состав устройства для автоматической дезактивации стержневых тепловыделяющих элементов входят:
рама (1), устройство (2) подачи и удаления картриджей, стена биологической защиты (3), картридж (4) с чистящим элементом, емкость (5) для отработанных картриджей, блок (6) приводных роликов, блок (7) поддерживающих роликов.
В состав устройства подачи и удаления картриджей входят:
корпус (8), лоток (9), каретка (10), толкатель (11), выталкиватель (12), линейный привод (13) каретки, магазин (14).
В состав картриджа с чистящим элементом входят:
корпус (15) картриджа, набор (16) тканевых чистящих элементов, проставка (17), пробка (18).
Рама (1) представляет собой сварную конструкцию. Рама (1) служит для закрепления на ней других элементов устройства и для обеспечения единства всей конструкции.
На раме (1) крепятся устройство (2) подачи и удаления картриджей, стена биологической защиты (3), блоки (6) приводных роликов, блоки (7) поддерживающих роликов.
Стена биологической защиты (3) отделяет в пространстве зону с твэлами, являющимися источниками радиоактивного излучения, от зоны, где может размещаться обслуживающий персонал и привода исполнительных механизмов.
Корпус (8) представляет собой сварную конструкцию. Корпус (8) служит для размещения на нем всех элементов устройства (2) подачи и удаления картриджей, а также для крепления всего устройства (2) подачи и удаления картриджей к раме (1).
Лоток (9) для размещения картриджа (4) с чистящим элементом перед подачей его в каретку (10) закреплен на корпусе (8). Магазин (14) служит для хранения и подачи картриджей в лоток. Магазин (14) размещен наклонно к горизонту. Угол наклона достаточен для того, чтобы картриджи сами скатывались по наклонной плоскости и попадали в лоток (9).
Каретка (10) жестко связана с линейным приводом (13) каретки и служит для размещения картриджа (4) с чистящим элементом в процессе его перемещения внутри устройства (2) подачи и удаления картриджей на линию загрузки картриджа, линию дезактивации и линию выгрузки картриджа. Для линейного привода (13) каретки используется покупной интегрированный электромеханический привод. Линейный привод (13) каретки закреплен на корпусе (8). Толкатель (11) и выталкиватель (12) выполнены на основе пневматических приводов.
Толкатель (11) закреплен на корпусе (8) и служит для подачи картриджей из лотка (9) в каретку (10).
Выталкиватель (12) закреплен на корпусе (8) и служит для удаления картриджей из каретки (10) в емкость (5) для отработанных картриджей.
Картридж (4) с чистящим элементом состоит из жесткого корпуса (15) картриджа, набора (16) тканевых чистящих элементов, проставок (17), которые для жесткости устанавливаются между чистящими элементами, и пробки (18), которая предназначена для удержания чистящих элементов внутри этого корпуса. Диаметр отверстия в тканевых элементах меньше диаметра очищаемой поверхности. Так обеспечивается контакт между чистящим материалом и обрабатываемой поверхностью. Картридж (4) с чистящим элементом служит для контактной механической очистки поверхности твэла.
Работа устройства для осуществления автоматической дезактивации стержневых тепловыделяющих элементов
1. Линейный привод (13) каретки перемещает каретку (10) на линию загрузки картриджей.
2. Толкатель (11) подает новый картридж (4) с чистящим элементом из лотка (9) в каретку (10). После возврата толкателя (11) в исходное положение следующий картридж (4) с чистящим элементом из магазина (14) по наклонной плоскости скатывается в лоток (9).
3. Линейный привод (13) каретки перемещает каретку (10) с картриджем (4) с чистящим элементом на линию дезактивации.
4. При помощи блоков (6) приводных роликов твэл протягивается сквозь картридж (4) с чистящим элементом, где происходит его очистка.
5. После выхода твэла из картриджа (4) с чистящим элементом, линейный привод (13) каретки перемещает каретку (10) на линию выгрузки картриджа.
6. Выталкиватель (12) удаляет отработанный картридж (4) с чистящим элементом из каретки (10).
7. Твэл передается на следующую технологическую операцию.
Таким образом, осуществляется контактная механическая очистка поверхности твэла.