ПЕНАЛ ДЛЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА ВВЭР-1000
VVER-1000 SPENT NUCLEAR FUEL CANISTER

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к средствам для хранения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) реактора ВВЭР-1000 и предназначено для использования в стационарных хранилищах отработанного ядерного топлива на заводах по регенерации такого топлива или на АЭС.
Хранение отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) 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 будет перерабатываться на Опытно-демонстрационном центре и заводе РТ-2 после их ввода в эксплуатацию. Согласно «Стратегии развития атомной энергетики в первой половине XXI века» создание завода РТ-2 запланировано на 2025-2030 гг., а создание Опытно-демонстрационного центра в 2015 г. На площадке завода РТ-2 существует «мокрое» хранилище для ОТВС реакторов ВВЭР-1000, которые хранятся в водонаполненном бассейне, так называемом «мокром» хранилище и строится для их хранения до переработки «сухое» хранилище. На «сухое» хранилище поступают ОТВС после их длительного хранения в «мокром» хранилище и ОТВС с АЭС, транспортируемые в защитном контейнере. ОТВС в камере комплектации пеналов устанавливаются в корпуса 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, а затем 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).
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. Корпус снабжен центральной трубой для сцепления ее с крышкой до ее приварки, для чего в верхней утолщенной части трубы выполнена расточка с заходной фаской и специальной проточкой. 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 корпусом пенала до приварки ее к корпусу. На крышке выполнены бурт и грибок грузозахватного устройства. На торце грибка выполнена кромка для заварки клапана. Клапан включает в себя шарик в центрирующей опоре, управляющую стержень-заглушку и две пружины. На верхнем торце управляющей стержня-заглушки выполнена кромка для заварки клапана.
Открытие клапана производится внешним толкателем, который, преодолевая сопротивление пружин, перемещает стержень-заглушку шарик, центрирующую опору до упора во втулку шарикового замка, а при дальнейшем перемещении стержня-заглушки происходит сжатие пружины шарикового замка. При этом шарики замка оказываются в зоне проточки, шариковый замок открывается при подъеме крышки, и крышка снимается с корпуса пенала. После снятия усилия со стороны внешнего толкателя втулка шарикового замка поднимается под действием пружины шарикового замка, а элементы клапана под действием двух пружин клапана.
Работа с пеналом осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии крышка установлена в корпусе пенала, клапан и шариковый замок закрыты. После внесения пенала в защитную камеру управляющая стержень-заглушка внешним толкателем опускается вниз, сжимает пружины клапана, центрирующая опора упирается во втулку и сжимает пружину шарикового замка. При этом шарики замка оказываются в зоне проточки, шариковый замок открывается при подъеме крышки, крышка снимается с корпуса пенала. Ампулы с ПТ устанавливаются в ячейки решетки. После загрузки пенала ампулами с ПТ крышка устанавливается на корпус пенала, при этом нижний конец центральной части крышки первоначально заходит в верхнюю часть центральной трубы, что должно способствовать совмещению свариваемых кромок крышки и корпуса пенала. Далее крышка сваривается с корпусом, управляющей стержнем-заглушкой открывается клапан, через который осуществляется вакуумирование и заполнение пенала азотно-гелиевой смесью с избыточным давлением, после чего клапан закрывается. Герметизация клапана осуществляется последующей сваркой кромок стержня-заглушки и торца грибка крышки.
Известен пенал для ОЯТ ВВЭР-1000, содержащий корпус с установленными внутри его разделительными перегородками, образующими 3 ячейки, в которые устанавливаются ОТВС, крышку с грибком, снабженным клапанным устройством и устройством для сцепления крышки с корпусом. Внутри корпуса установлена несущая труба, а к днищу корпуса присоединен амортизатор (см. «Исходные требования на разработку пенала для ОЯТ ВВЭР-1000, инв.№10-05345, разработки ОАО «Восточно-Европейский головной научно-исследовательский и проектный институт энергетических технологий», г.Санкт-Петербург), который выбран в качестве прототипа.
Работа с известным пеналом осуществляется следующим образом.
Порожний пенал с присоединенной крышкой к корпусу устройством для сцепления крышки с корпусом манипулятором втягивается в камеру комплектации пеналов (ККП) и загружается в гнездо установки герметизации пеналов, где с него снимается крышка. Манипулятором поочередно три ОТВС извлекаются из гнезда сушки и устанавливаются в ячейки пенала. На заполненный пенал устанавливается крышка и производится приварка крышки пенала к корпусу пенала. Заваренный пенал переставляется в гнездо сушки. Клапанное устройство пенала стыкуется с установкой вакуумной сушки, после завершения которой пенал заполняется смесью азота и гелия при атмосферном давлении. Затем клапанное устройство пенала герметизируется сваркой. Загерметизированный пенал переставляется в гнездо контроля герметичности, где герметичность проверяется гелиевым течеискателем. В случае негерметичности на дефектный участок сварного шва накладывается повторный сварной шов. После контроля герметичности загруженный пенал из ККП транспортируется с помощью передаточной машины пеналов и перегрузочной машины к гнезду хранения пеналов, в котором они устанавливаются в два яруса.
К недостаткам известного пенала следует отнести недостаточно высокий коэффициент полезной загрузки пенала.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в увеличении коэффициента полезной загрузки пенала.
Для достижения указанного технического результата в пенале для отработавшего ядерного топлива ВВЭР-1000, содержащем корпус с установленными внутри его разделительными перегородками, образующими ячейки, в которые устанавливаются отработавшие тепловыделяющие сборки, крышку с грибком, снабженным клапанным устройством и устройством для сцепления крышки с корпусом, установленную внутри корпуса по оси несущую трубу, несущая труба имеет квадратное сечение, внутри корпуса смонтированы вертикальные стойки, на которых установлены в несколько ярусов пластины, прикрепленные к корпусу пенала, на боковых гранях пластин выполнены выборки под углом 120°, соединенные угловыми вертикальными облицовками, причем стороны квадратного сечения несущей трубы и угловых вертикальных облицовок образуют шестигранные сечения, превышающие шестигранное сечение ОТВС.
Учитывая особые условия эксплуатации, центральная труба квадратного сечения и угловые вертикальные облицовки могут быть выполнены из борированной стали, а их длина и толщина определена исходя из условий ядерной безопасности.
Выполнение несущей трубы квадратного сечения, монтаж внутри корпуса вертикальных стоек, на которых установлены в несколько ярусов пластины, прикрепленные к корпусу пенала, выполнение на боковых гранях пластин выборок под углом 120°, соединенных угловыми вертикальными облицовками с образованием сторонами квадратного сечения несущей трубы и угловых вертикальных облицовок шестигранных сечений, превышающих шестигранное сечение ОТВС, позволяют создать без изменения геометрических размеров пенала 4 ячейки и установить в них 4 ОТВС, увеличив, тем самым, коэффициент полезной загрузки пенала.
Установка в корпусе несущей трубы квадратного сечения и вертикальных стоек, на которых в несколько ярусов установлены пластины, прикрепленные к корпусу пенала, выполнение на боковых гранях пластин выборок под углом 120°, соединенных угловыми вертикальными облицовками, позволяет получить 4 ячейки шестигранного сечения, образованные сторонами квадратной центральной трубы и угловых вертикальных облицовок, с размерами, превышающими шестигранное сечение ОТВС, что позволяет установить в ячейки 4 ОТВС ВВЭР-1000, увеличив, тем самым, коэффициент полезной загрузки пенала.
Выполнение центральной трубы и угловых вертикальных облицовок из борированной стали с длиной и толщиной, определяемыми исходя из условий ядерной безопасности, позволяет более плотно разместить ОТВС в пенале, увеличив, тем самым, коэффициент полезной загрузки пенала.
Предлагаемый пенал для отработавшего ядерного топлива ВВЭР-1000 иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 показан общий вид пенала в разрезе; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
Предлагаемый пенал (см. фиг.1) содержит корпус 1 с плоским днищем 2, к которому присоединен амортизатор 3 и крышка 4, снабженная грибком 5, в котором установлены устройство 6 для сцепления крышки 4 с корпусом 1 и клапанное устройство 7 для сушки вакуумом и заполнения пенала азотно-гелиевой смесью. Для управления устройством 6 и клапанным устройством 7 служит стержень-заглушка 8, при нажатии на которую устройство 6 и клапанное устройство 7 открываются. По центральной оси корпуса 1 к днищу 2 (см. фиг.2) присоединена несущая труба 9 квадратного сечения с длиной стороны равной или превышающей длину стороны шестигранника ОТВС. Внутри корпуса 1 установлены 4 вертикальные стойки 10, на которых в несколько ярусов закреплены пластины 11. На боковых гранях пластин 11 выполнены выборки 12 с углом 120°. На выборки 12 установлены угловые вертикальные облицовки 13. В качестве материала для несущей трубы 9 и угловых вертикальных облицовок 13 может применяться борированная сталь, а толщина стенок несущей трубы 9 и угловых вертикальных облицовок 13 определяется исходя из условий ядерной безопасности.
Предлагаемый пенал эксплуатируется следующим образом.
Порожний пенал с присоединенной крышкой 4 к корпусу 1 устройством 6 для сцепления крышки 4 с корпусом 1 манипулятором втягивается в камеру комплектации пеналов (ККП) и загружается в гнездо установки герметизации пеналов, где с него снимается крышка 4. Манипулятором поочередно четыре ОТВС извлекаются из гнезда сушки и устанавливаются в ячейки пенала, образованные сторонами квадратного сечения несущей трубы 9 и угловых вертикальных облицовок 13. На заполненный пенал устанавливается крышка 4 и производится приварка ее к корпусу 1 пенала. Заваренный пенал переставляется в гнездо сушки. Клапанное устройство 7 пенала стыкуется с установкой вакуумной сушки, после завершения которой пенал заполняется смесью азота и гелия при атмосферном давлении. Затем клапанное устройство 7 пенала герметизируется путем заварки кромок грибка 5 и стержня заглушки 8. Загерметизированный пенал переставляется в гнездо контроля герметичности, где герметичность проверяется гелиевым течеискателем. В случае негерметичности на дефектный участок сварного шва накладывается повторный сварной шов. После контроля герметичности загруженный пенал из ККП транспортируется с помощью передаточной машины пеналов и перегрузочной машины к гнезду хранения пеналов, в котором они устанавливаются в два яруса.
Установка крышек 4 на корпус 1 осуществляется в камере комплектации пеналов, при которой корпус 1 сцепляется с крышкой 4 замком 6.
Далее укомплектованный крышкой 4 пенал подается в «горячую» камеру для загрузки его ОТВС, где крышка 4 специальным захватом, обеспечивающим нажатие на стержень-заглушку 8, снимается с корпуса 1. ОТВС ВВЭР-1000 устанавливаются в 4 ячейки, образованные сторонами квадрата центральной трубы 9 и угловыми вертикальными облицовками 13. После загрузки пенала крышка 4 устанавливается в корпус 1, и их кромки соединяются дистанционно на сварке. Пенал вакуумируется через открытый нажатием на стержень-заглушку 8 клапан 7, а затем заполняется азотно-гелиевой смесью, после чего клапан 7 закрывается, а кромки клапана 7 и грибка 6 завариваются.
Далее пенал устанавливается в «сухое» хранилище.
Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить коэффициент полезной загрузки пенала на 25%.