ГЕРМЕТИЧНЫЙ ПЕНАЛ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
TIGHT CASE FOR STORAGE OF SPENT NUCLEAR FUEL

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к пеналу, в который осуществляется загрузка ампул с пучками твэлов (ПТ) отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) реактора РБМК-1000 из транспортного контейнера для последующего долговременного сухого хранения в стационарных хранилищах отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).
Пенал - это герметичная емкость с приваренной крышкой и дистанционирующей решеткой, образующей ячейки для размещения ОТВС.
Пенал предназначен для размещения ампул с ПТ ОТВС РБМК-1000, обеспечения их сохранности при длительном хранении и удержания радиоактивных веществ и аэрозолей при разгерметизации оболочек твэлов.
В иностранной литературе аналогичные устройства называются канистрами (см., например, «Атомная техника за рубежом», 2005, №7, стр.3-13 и 2008, №4, стр.14-18), а в России в соответствии с ГОСТ 12916-89 - пеналами.
Перегрузка ампул с ПТ из транспортного контейнера в пенал должна проводиться в защитной камере.
Следовательно, и контейнер, и пенал через соответствующие шлюзы должны быть в ней установлены. Использование для транспортирования пенала стандартных строповых устройств либо увеличивает его диаметральный габарит, уменьшая тем самым плотность размещения пеналов в хранилище, либо требует угловой ориентации захвата грузоподъемного устройства, т.е. усложняет его конструкцию.
После перегрузки ампул из контейнера в пенал крышка пенала должна быть приварена к корпусу, полость пенала должна быть заполнена средой хранения и загерметизирована по трассе откачки и заполнения пенала.
Кроме того, необходим учет отработавшего ядерного топлива, следовательно, ячейки в пенале должны иметь маркировку.
Известна канистра (патент JP №2005207751, дата публикации 2005.08.04), которая представляет собой герметичную емкость с привариваемой крышкой, в которой размещается корзина с радиоактивными веществами. Конструкция данной канистры позволяет размещение их в два яруса. Недостатком данной канистры является то, что до приварки крышки, в которой предусмотрены соответствующие места под захват, для подачи ее в горячую камеру, необходимо дополнительное оборудование.
В известной канистре и крышке для нее (патент US №5121849, дата публикации 1992.06.16), возможно одним захватом как заносить канистру в горячую камеру, так и транспортировать ее в хранилище. К недостаткам данного решения можно отнести сложность захвата, который должен обеспечивать вращение несущего кольца, и проблемы с заполнением полости средой хранения и герметизацией полости канистры.
Технической задачей изобретения является разработка конструкции герметичного пенала для длительного хранения отработавшего ядерного топлива, которая позволяет проведение загрузки в защитной камере, заваривание крышки пенала, заполнение внутренней полости пенала средой хранения, герметизацию внутренней полости пенала, а также надежное транспортирование пенала в защитную камеру и хранилище, максимально плотное размещение пеналов в гнездах хранилища и возможность периодического контроля состояния пенала.
Кроме этого, днище корпуса должно быть снабжено амортизатором для демпфирования удара при аварийных ситуациях, связанных с падением пенала, и обеспечения возможности установки одного пенала на другой.
Эта задача решается тем, что пенал, содержит цилиндрический корпус с днищем, снабженным амортизатором, в центре которого приварена труба, верхняя часть которой используется для стыковки с шариковым замком, размещенным в крышке пенала соосно с элементом грузозахватного устройства, выполненным в виде центрального грибка, позволяющего транспортировать пенал совместно с крышкой до выполнения сварного шва, соединяющего крышку пенала с корпусом.
Целесообразно шариковый замок совместить с клапаном откачки и заполнения пенала средой хранения.
Целесообразно грузозахватное устройство выполнить в виде центрального грибка, в котором соосно установлены шариковый замок и клапан откачки и заполнения пенала средой хранения, с дублированием захватным буртом, выполненным по периферии крышки.
Целесообразно управление клапаном и шариковым замком осуществлять одним управляющим стержнем.
Желательно герметизацию клапана откачки осуществлять сваркой кромок, выполненных в центральном грибке и управляющем стержне-заглушке.
Решетку, дистанционирующую ампулы в пенале, с целью минимизации ее массы и облегчения установки ампул, целесообразно выполнить в виде набора дисков с соосными отверстиями, закрепленных на вертикальных стойках на определенных расстояниях друг от друга.
Целесообразно вертикальные стойки выполнить выступающими над верхним диском решетки на высоту не менее высоты крышки ампулы, что позволит предохранить ампулу от воздействия деформаций корпуса пенала при возможном аварийном падении и повысит жесткость конструкции.
Целесообразно зафиксировать угловое расположение решетки относительно корпуса пенала с помощью фиксатора, что позволит идентифицировать размещенные в пенале ампулы с ПТ.
При использовании предлагаемого изобретения могут проявиться, в частности, следующие технические результаты:
- повышение надежности обеспечения сохранности ампул с ПТ в пенале при транспортировании внутри хранилища;
- уменьшение диаметрального габарита пенала и его массы,
- обеспечение гарантированной загрузки в пенал ампул в случае их непрямолинейности,
- обеспечение контролируемой герметичности пенала.
Технический результат достигается тем, что пенал содержит цилиндрический корпус с днищем, снабженным амортизатором, в центре которого приварена труба, верхняя часть которой используется для стыковки с шариковым замком, который размещен в крышке пенала соосно с элементом грузозахватного устройства, выполненным в виде центрального грибка, и позволяет удерживать пенал до выполнения сварного шва, приваривающего крышку пенала к корпусу. Грузозахватное устройство дублировано и выполнено в виде центрального грибка и захватного бурта по периферии крышки пенала, что позволяет использовать захват, не выступающий за габариты пенала, и уменьшить вероятность аварийной ситуации при транспортировании, т.е. повысить надежность обеспечения сохранности ампул с ПТ при транспортировании загруженного пенала.
Использование решетки, выполненной в виде набора дисков с соосными отверстиями, закрепленных на вертикальных стойках, на определенных расстояниях друг от друга обеспечивает гарантированную загрузку в пенал ампул и снижение ее массы.
Использование вертикальных стоек, выступающими над верхним диском решетки на высоту не менее высоты крышки ампулы, позволит предохранить ампулу от воздействия деформаций корпуса пенала при возможном аварийном падении и повысит жесткость конструкции.
Использование в конструкции пенала клапана, герметизация которого осуществляется сваркой кромок, выполненных в центральном грибке и управляющем стержне-заглушке, обеспечивает возможность контроля герметичности пенала после загрузки.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг.1-5:
фиг.1 - Общий вид пенала в сборе;
фиг.2 - Сечение Б-Б пенала (фиг.1);
фиг.3 - Расчетная схема расположения дисков решетки;
фиг.4 - Клапанное устройство и шариковый замок (элемент Г, фиг.1);
фиг.5 - Вариант изготовления разделки корпуса и крышки пенала под сварку (элемент В, фиг.1);
Пенал состоит из корпуса 1, решетки 2 и крышки 3.
Корпус 1 (Фиг.1 и 2) сварной, образован цилиндрической обечайкой 4, на верхнем утолщенном конце которой выполнена расточка 5 для установки и последующей приварки крышки, и глухим днищем 6 с амортизатором 7 для демпфирования удара при аварийном падении пенала и обеспечения возможности установки одного пенала на другой. Корпус 1 снабжен центральной трубой 8 для сцепления с крышкой до ее приварки, для чего в верхней утолщенной части трубы выполнена расточка 9 с заходной фаской и специальной проточкой. Амортизатор 7 выполнен в виде нескольких, например шести, тонкостенных концентрических обечаек, приваренных верхними концами к днищу 6, а нижними к опорным кольцам, образуя две группы, одна из которых при установке на пенал первого яруса размещается по периферии крышки 3, а другая между грибком 16 и захватным буртом 15.
Расточка 5 одновременно является кромкой сварного соединения корпуса с крышкой (Фиг.5).
Решетка 2 служит для размещения ампул в пенале, предотвращения неконтролируемого самопроизвольного перемещения их при транспортировании и хранении и изготовлена из нескольких дисков 10, закрепленных при помощи вертикальных стоек 12 на определенных расстояниях друг от друга, с отверстиями 11, образующими ячейки для размещения ампул.
При ограниченных диаметральных габаритах пенала и ампулы и допущенной непрямолинейности ампулы Δ на участке между верхним и нижним дисками решетки L расстояния между дисками решетки для обеспечения возможности установки ампулы в ячейки (Фиг.3) должны быть не более рассчитанных по формуле
,
i
где l- расстояние между i и i+1 дисками;
i=1, 2, 3 …;
d - диаметр ампулы;
d' - входной диаметр ампулы;
Δ - непрямолинейность ампулы на базовой длине L;
i
В - толщина i-го диска;
D -диаметр гнезда корзины.
При этом D≥d+Δ;
.
Причем верхний диск устанавливается на расстоянии, позволяющем разместить над ним крышку ампулы, диаметр которой обычно больше, чем диаметр самой ампулы и отверстия под ампулу в диске.
Угловое расположение решетки относительно настроечной риски 13 (фиг.1) на корпусе пенала для идентификации ячеек решетки зафиксировано стопором 14, установленным в пазу верхнего диска решетки и закрепленным, например, приваркой к корпусу пенала.
Крышка 3 представляет собой диск, в центральной утолщенной части которого выполнено сквозное ступенчатое отверстие, в котором расположены клапанное устройство 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 15 и грибок 16 грузозахватного устройства.
На наружном диаметре диска выполнена обточка для установки крышки и приварки ее к корпусу.
На торце грибка 16 выполнена кромка для заварки клапана с целью герметизации пенала.
Конструктивно шариковый замок и клапан откачки и заполнения пенала средой хранения выполнены в виде одной сборочной единицы (Фиг.4).
Клапан включает шарик 17 в центрирующей опоре 18, управляющий стержень-заглушку 19 и пружины 20 и 21. На верхнем торце управляющего стержня-заглушки 19 выполнена кромка для заварки клапана.
Герметичность клапанного устройства обеспечивается поджатием шарика 17 пружиной 20 к седлу 22, выполненному в сквозном ступенчатом отверстии центральной утолщенной части крышки.
Клапан нормально закрыт.
Открытие клапана производится внешним толкателем, который, преодолевая сопротивление пружин 20 и 21, перемещает управляющий стержень-заглушку 19, шарик 17, опору 18 до упора во втулку 23 шарикового замка. При этом открывается сквозной проход внутрь пенала через пазы 24 в управляющем стержне-заглушке 19, кольцевую щель между шариком 17 и седлом 22, пазы 25 в опоре 18, пазы 26 и проточку 27 во втулке 23 и отверстия 28, соединяющий полость пенала со сквозным ступенчатым отверстием. После снятия усилия со стороны внешнего толкателя элементы клапанного устройства под действием пружин 20 и 21 возвращаются в исходное положение и герметичность клапана восстанавливается.
Шариковый замок состоит из упомянутой выше втулки 23, шариков 29, размещенных в отверстиях в центральной утолщенной части крышки, пружины 30 и гайки 31.
В собранном замке шарики 29 застопорены в отверстиях втулкой 23, которая упирается в бурт сквозного ступенчатого отверстия в центральной утолщенной части крышки и поджимается через пружину 30, создающую необходимое усилие, гайкой 31.
ш
В собранном виде шариковый замок закрыт и препятствует установке крышки 3 в расточку 5 обечайки корпуса, т.к. шарики 29 застопорены, а диаметр по шарикам (D) больше диаметра расточки 9 в центральной трубе 8.
Для установки крышки в расточку 5 (Фиг.1, 5) обечайки корпуса необходимо открыть замок, т.е. внешним толкателем переместить втулку 23 (Фиг.4) вниз на длину 1.
Внешний толкатель должен переместиться на длину l+l'+l'' (Фиг.4) и преодолеть сопротивление пружин 20, 21 и 30.
Усилие со стороны внешнего толкателя воспринимает гайка 31. При опускании крышки 3, благодаря заходной фаске расточки 9 в центральной трубе 8, шарики 29 выталкиваются в проточку 27 и нижняя часть центральной утолщенной части крышки 3 заходит в расточку центральной трубы 8, не препятствуя более установке крышки 3, при этом шарики 29 располагаются в зоне специальной проточки в расточке 9 центральной трубы 8. Для фиксации крышки относительно корпуса пенала достаточно вернуть детали шарикового замка в исходное положение, сняв усилие со стороны внешнего толкателя. Поднимаясь под действием пружины 30, втулка 23 заставит шарики занять первоначальное положение и застопорит их.
Чтобы снять крышку, необходимо повторить действия по установке, т.е. переместить внешним толкателем втулку 23 вниз на длину l, позволяя шарикам 29 занять место в проточке 27 втулки 23 под воздействием тороидальной поверхности специальной проточки в расточке 9 центральной трубы 8 при подъеме крышки.
Работы с пеналом проводятся в автоматическом режиме, управляются дистанционно и сводятся к загрузке его ампулами с ПТ, герметизации путем приварки крышки к корпусу и заглушки к крышке, контролю герметичности и установке пенала на долговременное сухое хранение в стационарном хранилище отработанного топлива.
В процессе хранения предусмотрен периодический контроль состояния пеналов и ампул с ПТ, т.е. предусмотрено вскрытие пеналов по линии срезки 38 (Фиг.5). Сварное соединение, примененное для заварки клапана, допускает неоднократное вскрытие и повторную заварку. Для возможности повторного использования вскрытых пеналов без доработки корпуса под установку и приварку новой крышки расточка 5 образована двумя коническими поверхностями 32, 34 и цилиндрической поверхностью 33, которые используются при первичной герметизации пенала, и двумя коническими поверхностями 35, 37 и цилиндрической поверхностью 36 (Фиг.5) - при повторной.
Работа с пеналом происходит следующим образом.
В исходном состоянии крышка установлена в корпусе пенала, клапан и шариковый замок закрыты.
После внесения пенала в защитную камеру, управляющий стержень-заглушка 19 опускается вниз, давит на шарик клапана 17, расположенный в опоре 18, сжимает пружину 20, упирается во втулку 23 и опускает ее. Шарики 29 замка оказываются в зоне проточки 27 и при подъеме крышки 3 за грибок 16 заходят в проточку 27 и шариковый замок открывается, крышка 3 снимается и отводится в сторону. Ампулы с ПТ устанавливаются в соответствующие ячейки решетки 2. После загрузки пенала крышка закрывается, при этом нижний конец центральной утолщенной части крышки 3, расположенный ниже плоскости крышки, первоначально заходит в верхнюю часть центральной трубы, что облегчает дистанционную установку крышки и способствует соосному расположению крышки в расточке корпуса перед сваркой, и заваривается.
Управляющий стержень-заглушка 19 опускается вниз, открывается клапан и по каналу, образованному пазами 24, кольцевым зазором между шариком 17 и седлом 22, пазами 25, пазами 26, проточкой 27 и отверстиями 28, полость пенала вакуумируется.
После заполнения полости пенала азотно-гелиевой смесью и проверки герметичности шва, управляющий стержень-заглушка 19 поднимается и клапан закрывается.
Герметизация клапана обеспечивается сваркой кромки на торце управляющего стержня-заглушки 19 с кромкой на торце грибка крышки.
Пенал устанавливается на долговременное сухое хранение в стационарном хранилище отработавшего топлива.