ГЕРМЕТИЧНЫЙ ПЕНАЛ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА (ВАРИАНТЫ)
TIGHT STORAGE CONTAINER FOR SPENT FUEL (VERSIONS)

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к средствам для хранения отработавших ядерных топливных элементов реактора РБМК-1000, и предназначено для использования в стационарных хранилищах отработанного ядерного топлива на заводах по регенерации такого топлива или на АЭС.
Хранение отработавшего ядерного топлива является существенной частью любого ядерного топливного цикла. Это может быть временное хранение до переработки отработавшего ядерного топлива, либо достаточно длительное хранение до захоронения топлива в могильниках. Суммарные объемы отработавшего топлива, подлежащего хранению, непрерывно возрастают из-за значительно меньших производственных возможностей перерабатывающих заводов. Растет не только объем хранящегося топлива, но и увеличиваются предполагаемые сроки хранения, поскольку задача захоронения отработавшего ядерного топлива не решена ни в одной стране.
Основу ядерно-энергетического парка России составляют реакторы ВВЭР-1000 и РБМК-1000. Для реакторов типов ВВЭР и РБМК принята концепция замкнутого ядерного топливного цикла. Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) реакторов ВВЭР-1000 и РБМК-1000 будет перерабатываться на заводе РТ-2 после его ввода в эксплуатацию. Согласно «Стратегии развития атомной энергетики в первой половине XXI века» создание завода РТ-2 запланировано на 2025-2030 гг. На площадке РТ-2 существует «мокрое» хранилище для отработавшего топлива ОЯТ ВВЭР-1000, которое хранится в водонаполненном бассейне, а для ОЯТ РБМК-1000 строится «сухое» хранилище. Пучки твэлов (ПТ) отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) реактора РБМК-1000 помещаются на АЭС в ампулы, которые в защитном контейнере транспортируются на «сухое» хранилище. Далее ампулы с ПТ устанавливаются в корпусы пеналов, которые затем герметизируются крышками с клапаном на сварке, и после вакуумирования пеналы заполняются через клапаны азотно-гелиевой смесью под избыточным давлением, клапаны герметизируются сваркой. Затем загруженные пеналы устанавливаются в гнезда хранения в два этажа.
Из уровня техники известен герметичный пенал хранения отработавшего ядерного топлива (см. патент РФ №2372678, кл. G21F 5/008, 2008), которое заявитель выявил как наиболее близкое устройство того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков и выбрал за прототип.
Известный герметичный пенал хранения отработавшего ядерного топлива реактора РБМК-1000 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.
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 центральной трубой корпуса пенала до приварки крышки к корпусу. На крышке выполнены бурт и грибок грузозахватного устройства.
Решетка служит для размещения ампул 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 ячейки для размещения отработавших тепловыделяющих сборок. Диски закреплены на вертикальных стойках на определенных расстояниях друг от друга, рассчитываемых по формуле, что позволяет осуществлять установку ампул с допускаемой непрямолинейностью.
Работа с пеналом осуществляется следующим образом.
После внесения пенала в защитную камеру крышку снимают с корпуса пенала и устанавливают ампулы с ПТ в ячейки решетки. После загрузки всех ячеек ампулами с ПТ крышку устанавливают на корпус и соединяют с корпусом на сварке. Затем заполняют пенал через клапан крышки средой хранения и герметизируют клапан сваркой.
При изготовлении партии пеналов-прототипов выявлены следующие недостатки. Изготовление набора дисков решетки и их сборка на стойках усложняет технологию изготовления. Выполнение отверстий в дисках приводит не только к значительным трудозатратам, но и к нерациональному расходу коррозионно-стойкой стали. Так коэффициент использования металла после выполнения соосных отверстий в дисках и при сохранении плотности упаковки ампул составляет 47%, т.е. более половины металла переводится в стружку.
Закрепление дисков на вертикальных стойках на определенных расстояниях друг от друга, рассчитываемых по формуле, в которой расстояние между дисками зависит от их толщины, не позволяет с целью сокращения используемого металла уменьшить толщину дисков, так как это приводит к уменьшению расстояния между ними и к необходимости постановки дополнительного диска.
Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении заявляемой группы изобретений, заключается в повышении технологичности и коэффициента использования металла при изготовлении пеналов и упрощении эксплуатации при загрузке ампул.
Указанный технический результат при использовании предлагаемого по пункту 1 формулы герметичного пенала хранения отработавшего ядерного топлива достигается тем, что в герметичном пенале хранения отработавшего ядерного топлива, содержащем корпус, привариваемую к нему крышку с грузозахватным устройством, выполненным на крышке в виде центрального грибка и дублирующего захватного бурта, выполненного по периферии крышки, установленные в центральном грибке крышки клапан для откачки и заполнения пенала средой хранения и контроля герметичности и управляющий им стержень-заглушку, центральную трубу, приваренную внутри к днищу корпуса, стойки и решетку с ячейками для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, особенностью является то, что ячейки решетки выполнены из гильз различной длины, причем длинные гильзы опоясаны по их периметру в нескольких уровнях более короткими гильзами, соединенными с длинными гильзами и между собой на сварке, во впадинах между крайними гильзами установлены пластины с отверстиями, в которые вводятся стойки.
Кроме того, высота коротких гильз верхнего яруса превышает высоту коротких гильз нижних ярусов.
Выполнение ячеек решетки из гильз различной длины, опоясывание длинных гильз по их периметру в нескольких уровнях более короткими гильзами и соединение их с длинными гильзами и между собой на сварке, установка во впадинах между крайними гильзами пластин с отверстиями, в которые вводятся стойки, позволяют использовать длинные гильзы не только в качестве ячеек, но и в качестве дополнительных стоек при сборке решетки, упростить установку коротких гильз на длинных гильзах в нескольких уровнях и упростить сборку решетки, получить легкую и жесткую конструкцию решетки, собранной на длинных гильзах, и, тем самым, повысить технологичность и коэффициент использования металла при изготовлении решетки.
Выполнение коротких гильз верхнего яруса с высотой, превышающей высоту коротких гильз нижних ярусов, позволяет при установке ампул придавать им вертикальное положение уже в ячейках верхнего яруса и вводить их в ячейки нижних ярусов при погрешностях в позиционировании захвата крана-манипулятора над загружаемой ячейкой, устанавливать ампулы с непрямолинейностью по всей ее длине, равной разности внутренних диаметров гильз и наружных диаметров ампул и, тем самым, упростить операцию загрузки ампул в ячейки.
Вышеуказанный технический результат при использовании предлагаемого по пункту 3 формулы герметичного пенала хранения отработавшего ядерного топлива достигается тем, что в герметичном пенале хранения отработавшего ядерного топлива, содержащем корпус, привариваемую к нему крышку с грузозахватным устройством, выполненным на крышке в виде центрального грибка и дублирующего захватного бурта, выполненного по периферии крышки, установленные в центральном грибке крышки клапан для откачки и заполнения пенала средой хранения и контроля герметичности и управляющий им стержень-заглушку, центральную трубу, приваренную внутри к днищу корпуса, стойки и решетку с ячейками для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, особенностью является то, что ячейки решетки выполнены из гильз и соединяющих гильзы между собой и со стойками пластин, с образованием в гильзах и полостях между пластинами ячеек для размещения ампул с отработавшими тепловыделяющими сборками.
Кроме того, высота гильз и пластин верхнего яруса превышает высоту гильз и пластин нижнего яруса.
Выполнение ячеек решетки из гильз и соединяющих гильзы между собой и со стойками пластин с образованием в гильзах и полостях между пластинами ячеек для размещения ампул с отработавшими тепловыделяющими сборками позволило получить более легкую конструкцию решетки и, тем самым, снизить ее металлоемкость и повысить технологичность и коэффициент использования металла при изготовлении решеток пеналов.
Превышение высоты гильз и пластин верхнего яруса по сравнению с высотой гильз и пластин нижнего яруса позволяет при постановке ампулы придать ей вертикальное положение уже в ячейках верхнего яруса и ввести ее в ячейку нижнего яруса при погрешностях в позиционировании захвата крана-манипулятора над ячейкой, и, тем самым, упростить операцию загрузки ампул в ячейки.
Вышеуказанный технический результат при использовании предлагаемого по пункту 5 формулы герметичного пенала хранения отработавшего ядерного топлива достигается тем, что в герметичном пенале хранения отработавшего ядерного топлива, содержащем корпус, привариваемую к нему крышку с грузозахватным устройством, выполненным на крышке в виде центрального грибка и дублирующего захватного бурта, выполненного по периферии крышки, установленные в центральном грибке крышки клапан для откачки и заполнения пенала средой хранения и контроля герметичности и управляющий им стержень-заглушку, центральную трубу, приваренную внутри к днищу корпуса, стойки и решетку с ячейками для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, особенностью является то, что ячейки его решетки выполнены из одного яруса гильз, соединенных со стойками и между собой на сварке.
Кроме того, длина гильз составляет 0,3-0,5 высоты ампулы.
Выполнение ячеек решетки из одного яруса гильз, соединенных со стойками и между собой на сварке, с высотой гильз, составляющей 0,3-0,5 высоты ампулы, позволяет при постановке ампулы придать ей в гильзе фиксированное вертикальное положение, как при установке, так и в гильзе при транспортировке и хранении в вертикальном положении, и, тем самым, повысить технологичность и коэффициент использования металла при изготовлении, а также упростить операцию загрузки ампул в ячейки.
Предлагаемый герметичный пенал хранения отработавшего ядерного топлива (далее по тексту - пенал) иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-6.
На фиг.1 показан общий вид предлагаемого пенала в разрезе по варианту пункта 1 формулы, на фиг.2 - решетка пенала по варианту пункта 1 формулы, на фиг.3 - пенал по варианту пункта 3 формулы, на фиг.4 - решетка пенала по варианту пункта 3 формулы, на фиг.5 - пенал по варианту пункта 5 формулы, на фиг.6 - решетка пенала по варианту пункта 5 формулы.
Предлагаемый пенал по варианту пункта 1 формулы (см. фиг.1) содержит корпус 1 с плоским днищем 2, к которому присоединен амортизатор 3 и крышка 4.
В крышке 4 расположен клапан 5 для откачки и заполнения корпуса 1 средой хранения, а также шариковый замок 6 для сцепления крышки 4 с центральной трубой 7, приваренной внутри корпуса 1 пенала к его днищу 2, служащий для транспортировки порожних пеналов.
Внутри корпуса 1 установлена на стойках 8 решетка 9.
Решетка 9 (см. фиг.2) состоит из четырех длинных гильз 10 и присоединенных к ним по периметру на верхнем ярусе 11 - гильз 12, на среднем 13 и нижнем 14 ярусах - гильз 15. Кроме того, для достройки круглого сечения решетки 9 к гильзам 12 на верхнем ярусе 11 присоединены дополнительно четыре гильзы 16, а на среднем 13 и нижнем 14 ярусах к гильзам 15 - по четыре гильзы 17. Во впадинах между гильзами 12, 15, 16 и 17 установлены радиусные пластины 18 с отверстиями 19, в которые при сборке вводятся стойки 8. После выставки решетки 9 в корпусе пенала 1 в требуемое угловое положение радиусные пластины 18 закрепляются к корпусу 1 и к стойкам 8 на сварке.
Предлагаемый по пункту 1 формулы пенал эксплуатируется следующим образом.
Установка крышек 4 на корпус 1 осуществляется в камере комплектации пеналов, при этом крышки 4 сцепляются с центральной трубой 7 корпуса 1 шариковым замком 6.
Далее пенал подается в горячую камеру для загрузки его ампулами с ПТ, где крышка 4 специальным захватом снимается с корпуса 1. Ампулы с ПТ устанавливаются краном-манипулятором в ячейки решетки 9, образованные соосными гильзами 12, 15, 16 и 17. После загрузки пенала крышка 4 устанавливается в корпус 1 и соединяется с ним на сварке. Затем пенал через клапан 5 вакуумируется, заполняется азотно-гелиевой смесью, после чего клапан 5 герметизируется сваркой. Далее загруженный ампулами с ПТ пенал устанавливается в «сухое» хранилище.
Предлагаемый пенал по варианту пункта 3 формулы (см. фиг.3) содержит корпус 1 с плоским днищем 2, к которому присоединен амортизатор 3 и крышка 4.
В крышке 4 расположен клапан 5 для откачки и заполнения корпуса 1 средой хранения, а также шариковый замок 6 для сцепления крышки 4 с центральной трубой 7, приваренной внутри корпуса 1 пенала к его днищу 2, служащий для транспортировки порожних пеналов.
Внутри корпуса 1 установлена решетка 20 на стойках 21.
Решетка 20 (см. фиг.4) состоит из удлиненных гильз 22 на верхнем ярусе 23 и расположенных соосно с ними гильз 24 на нижнем ярусе 25. Гильзы 22 соединены между собой и со стойками 21 удлиненными пластинами 26, а гильзы 24 - пластинами 27, в результате чего создаются ячейки 28 для установки ампул в соосных гильзах 22 и 24 и ячейки 29 для установки ампул в соосных полостях между пластинами 26 и 27. Для достройки круглого сечения решетки 20, размещаемой в корпусе 1, к гильзам 22 присоединены дополнительно удлиненные пластины 30, а к гильзам 24 - пластины 31, в результате чего создаются ячейки 32, ограниченные корпусом 1 и пластинами 26 и 30 на верхнем ярусе 23 и пластинами 27 и 31 на нижнем ярусе 25. К сходящимся к периферии решетки 20 пластинам 26 и 27 присоединены на сварке стойки 21, установленные в отверстия 33 радиусных пластин 34.
После выставки решетки 20 в требуемое угловое положение радиусные пластины 34 закрепляются к корпусу 1 и к стойкам 21 на сварке.
Предлагаемый по варианту пункта 3 формулы пенал эксплуатируется следующим образом.
Установка крышек 4 на корпус 1 осуществляется в камере комплектации пеналов, при этом крышки 4 сцепляются с центральной трубой 7 корпуса 1 шариковым замком 6.
Далее укомплектованный пенал подается в горячую камеру для загрузки его ампулами с ПТ, где крышка 4 специальным захватом снимается с корпуса 1. Ампулы с ПТ краном-манипулятором устанавливаются в ячейки 28, 29 и 32 решетки 20. После загрузки пенала крышка 4 устанавливается в корпус 1 и соединяется с ним на сварке. Затем пенал через клапан 5 вакуумируется, заполняется азотно-гелиевой смесью и затем клапан 5 герметизируется сваркой. Далее загруженный ампулами с ПТ пенал устанавливается в «сухое» хранилище.
Предлагаемый пенал по варианту пункта 5 формулы (см. фиг.5) содержит корпус 1 с плоским днищем 2, к которому присоединен амортизатор 3 и крышка 4.
В крышке 4 расположен клапан 5 для откачки и заполнения корпуса 1 средой хранения, а также шариковый замок 6 для сцепления крышки 4 с центральной трубой 7, приваренной внутри корпуса 1 пенала к его днищу 2, служащий для транспортировки порожних пеналов.
Внутри корпуса 1 установлена на стойках 35 решетка 36.
Решетка 36 (см. фиг.6) состоит из гильз 37, образующих ячейки 38 для размещения центральной трубы 7 и ампул с ПТ. Гильзы 37 соединены между собой на сварке, при этом длина гильз 37 составляет 0,3 - 0,5 длины ампулы. Во впадинах между гильзами 37 в их верхней и нижней частях установлены радиусные пластины 39 с отверстиями 40, в которые при сборке вводятся стойки 36. После выставки решетки 36 в требуемое угловое положение в корпусе 1 радиусные пластины 39 закрепляются к корпусу 1 и к стойкам 35 на сварке.
Предлагаемый по варианту пункта 5 формулы пенал эксплуатируется следующим образом.
Установка крышек 4 на корпус 1 осуществляется в камере комплектации пеналов, при этом крышки 4 сцепляются с корпусом 1 шариковым замком 6.
Далее укомплектованный пенал подается в горячую камеру для загрузки его ампулами с ПТ, где крышка 4 специальным захватом снимается с корпуса 1. Ампулы с ПТ краном-манипулятором устанавливаются в ячейки 38 решетки 36. После загрузки пенала крышка 4 устанавливается в корпус 1 и соединяется с ним на сварке. Затем пенал через клапан 6 вакуумируется, заполняется азотно-гелиевой смесью, и затем клапан 6 герметизируется сваркой. Далее загруженный ампулами с ПТ пенал устанавливается в «сухое» хранилище.