КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
CONTAINER TO TRANSPORT SPENT NUCLEAR FUEL

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. 021Р 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 использования специальной технологии, что усложняет в целом процесс изготовления изделия, также наличие урановых отливок требует специального учета и контроля при использовании контейнера по назначению;
- низкая теплопроводность урана не обеспечивает требуемый уровень отвода тепла от ОТВС с увеличенной массой и глубиной выгорания ядерного топлива даже при значительном количестве кольцевых теплоотводящих ребер на наружной стенке контейнера;
- 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 RU 2348085, G21F 5/00, опубл. 27.02.2009, бюл. №6), содержащий металлический корпус, включающий днище, наружную и внутреннюю цилиндрические оболочки, полость между которыми заполнена материалом для поглощения нейтронов, герметичное перекрытие упомянутой полости и внутренней полости контейнера, которое выполнено в виде по меньшей мере двух крышек, установленных одна над другой на общем основании и образующих с последним два концентричных герметизирующих контура, причем через материал для поглощения нейтронов пропущены элементы с высокой теплопроводностью, прикрепленные соответственно к упомянутым оболочкам корпуса с помощью резьбовых элементов. Элементы с высокой теплопроводностью выполнены в виде радиальных продольных листовых элементов. Крепление резьбовых элементов к наружной цилиндрической оболочке корпуса выполнено с обеспечением герметизации последней. Радиальные продольные листовые элементы имеют сквозные отверстия и/или прерывистые кромки с образованием выемок, которые выполнены с возможностью заполнения материалом для поглощения нейтронов при изготовлении контейнера. Наружная цилиндрическая оболочка корпуса выполнена из, по меньшей мере, двух кольцевых сегментов с продольным оребрением, соединенных между собой с помощью герметичных соединений. Наружная и внутренняя цилиндрические оболочки корпуса и радиальные продольные листовые элементы выполнены из разнородных материалов, при этом радиальные продольные листовые элементы выполнены из материала, обладающего более высокой теплопроводностью, чем материалы, из которых выполнены наружная и внутренняя цилиндрические оболочки корпуса.
Радиальные продольные листовые элементы могут быть выполнены из алюминия или алюминиевого сплава с оксидированными поверхностями.
Наружная цилиндрической оболочки корпуса может быть выполнена из коррозионно-стойкой стали, а внутренняя цилиндрическая оболочка корпуса может быть выполнена из низколегированной стали.
В варианте выполнения радиальные продольные листовые элементы прикреплены к наружной и внутренней оболочкам корпуса с помощью общих резьбовых элементов, которые пропущены через соответствующие отверстия, выполненные соответственно в наружной цилиндрической оболочке корпуса и в радиальных продольных листовых элементах, причем упомянутые отверстия загерметизированы с наружной стороны наружной цилиндрической оболочки корпуса.
Возможен вариант выполнения, когда каждый резьбовой элемент с наружной цилиндрической оболочкой корпуса образуют герметизирующий контур.
В другом варианте выполнения каждый резьбовой элемент снабжен стопорной шайбой, причем каждая стопорная шайба с наружной цилиндрической оболочкой корпуса образуют герметизирующий контур.
В последних двух вариантах выполнения упомянутый герметизирующий контур выполнен с помощью сварного шва.
В другом варианте выполнения радиальные продольные листовые элементы прикреплены к внутренней цилиндрической оболочке корпуса с помощью одних резьбовых элементов, а к наружной цилиндрической оболочке корпуса - с помощью других резьбовых элементов.
Возможен вариант выполнения, когда радиальные продольные листовые элементы с помощью одних резьбовых элементов прикреплены к внутренней цилиндрической оболочке корпуса, а с помощью других резьбовых элементов прикреплены к внутренней и наружной цилиндрическим оболочкам корпуса.
В варианте выполнения внутренняя цилиндрическая оболочка выполнена в виде двух концентрично расположенных обечаек, зазор между которыми заполнен свинцом, при этом обечайки могут быть выполнены из низколегированной стали.
Этот контейнер принимается за прототип как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому техническому решению.
Недостатками данного контейнера являются:
- низкая теплопроводность внутренней цилиндрической оболочки корпуса и отдача тепла в окружающую среду только наружной оболочкой корпуса также низкой теплопроводности, на которое тепло поступает с внутренней цилиндрической оболочки по радиальным продольным листовым элементам высокой теплопроводности, не обеспечивают требуемый уровень отвода тепла от ОТВС с увеличенной массой и глубиной выгорания ядерного топлива;
- недостаточна защита от радиационного излучения, так как наличие значительного количества сквозных резьбовых элементов в радиальных продольных листовых элементах, расположенных в нейтронной защите, делает возможным проскок нейтронов по ним.
Решаемой задачей является создание контейнера для транспортирования отработавшего ядерного топлива реакторов типа ВВЭР-1000 с увеличенной массой и глубиной выгорания ядерного топлива (обогащение по урану-235 до 5% и выгорание до 70 ГВт·сут/тU).
Поставленная задача решается тем, что в контейнере, содержащем: 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 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. Ребра установлены основанием на цилиндрической обечайке и закреплены на ней. Ребра выступают за поверхность нейтронной защиты и скреплены между собой обечайкой, являющейся облицовкой нейтронной защиты. В зоне нейтронной защиты стенки ребер перфорированы сквозными пазами, расположенными в продольных рядах со смещением паза одного ряда по отношению к пазу другого ряда. На опоре и на наружной крышке установлены демпферы.
Внутренняя цилиндрическая обечайка, днище и общее основание могут быть выполнены из коррозионно-стойкой стали, а внешняя цилиндрическая обечайка - из низколегированной стали. Выполнение внутренней обечайки, днища и основания корпуса из коррозионно-стойкой стали не требует использования антикоррозионного покрытия.
Вставка из металла высокой плотности и теплопроводности может быть выполнена из меди.
Вставка может быть закреплена между обечайками диском, подкрепленным кольцом и пластинами, что исключает ее продольные перемещения.
Также вставка может быть выполнена из отдельных 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. Данный вариант исполнения вставки расширяет технологические возможности изготовления корпуса контейнера.
Заполнение зазора между обечайками внутренней цилиндрической оболочки вставкой из металла высокой теплопроводности и плотности, например медью, позволяет обеспечить:
- высокую теплопроводность оболочки (теплопроводность меди в 10-20 раз выше, чем у стали);
- эффективную защиту от гамма-излучения при существенно меньшей суммарной толщине оболочки по сравнению с монолитной стальной оболочкой (как гамма-защита медь по отношению к стали эффективней ≈ в 1,5 раза).
Ребра V-образной формы могут быть скреплены между собой сваркой.
Ребра V-образной формы могут представлять собой двухслойную конструкцию, внутренний слой выполнен из меди, наружный - из коррозионно-стойкой стали.
Установка продольных ребер V-образной формы из материала высокой теплопроводности, например, материала, выполненного в виде двухслойной конструкции, внутренний слой выполнен из меди, наружный - из коррозионно-стойкой стали, основанием на наружную поверхность обечайки цилиндрической оболочки, закрепление ребер к обечайке и вывод ребер за слой нейтронной защиты и металлическую облицовку нейтронной защиты позволяет эффективно отвести тепло от цилиндрической оболочки и путем конвекции и излучения рассеять его в окружающей среде.
Выступающие за облицовку нейтронной защиты ребра выполняют также роль демпфирующих элементов, гасящих импульсы внешних динамических нагрузок, воздействующих на контейнер, в случае возникновения нештатных ситуаций.
Выполнение в стенках V-образных ребер пазов, расположенных в продольных рядах со смещением паза одного ряда по отношению к пазу другого ряда, позволяет при изготовлении контейнера заполнить их материалом нейтронной защиты и тем самым исключить сквозной проскок нейтронов.
В варианте выполнения контейнера 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. Количество ребер в панели зависит от ее ширины. Нейтронная защита размещена во внутренних полостях панелей и в полостях между панелями и облицовкой нейтронной защиты. Данный вариант исполнения упрощает технологию изготовления контейнера с сохранением параметров его основных технических характеристик.
Облицовка нейтронной защиты может быть выполнена из коррозионно-стойкой стали, что исключает необходимость использования антикоррозионного покрытия.
Нейтронная защита может быть выполнена из силоксанового каучука.
Демпферы могут быть выполнены из разновысотных косынок, связанных между собой обечайкой и торцовым кольцом.
Демпферы могут быть выполнены из коррозионно-стойкой стали.
Размещение на опоре и на наружной крышке с помощью крепежных элементов демпферов обеспечивает защиту контейнера от воздействия внешних динамических нагрузок, воздействующих на контейнер в случае возникновения нештатных ситуаций.
В варианте выполнения контейнера цилиндрические обечайки снизу снабжены комингсом, на котором закреплены днище и опора. Днище в данном случае может быть выполнено в виде двух дисков. Наружный диск днища может быть выполнен из низколегированной стали, а комингс и внутренний диск днища - из коррозионно-стойкой стали.
В варианте выполнения контейнера герметизация каждой крышки с сопрягаемыми поверхностями основания произведена с помощью двух уплотнительных элементов, установленных в кольцевых концентрично расположенных на соответствующих поверхностях крышек канавках.
Герметизация каждой крышки с сопрягаемыми поверхностями основания с помощью двух уплотнительных элементов, установленных в кольцевых концентрично расположенных на соответствующих поверхностях крышек канавках, является двухконтурной, при этом появляется возможность контроля герметичности, обеспечиваемой каждым уплотнительным элементом, путем проверки герметичности полости между уплотнительными элементами соответствующей крышки, для чего из упомянутой полости выводится канал для подключения установки для проверки герметичности.
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; на фиг.4 - V-образное ребро в поперечном сечении, элемент В на фиг.3; на фиг.5 показан общий вид контейнера в разрезе с вариантом исполнения корпуса контейнера; на фиг.6 - поперечное сечение варианта исполнения корпуса контейнера фиг.5.
Контейнер (см. фиг.1, 2, 3 и 4) состоит из:
- металлического корпуса 1, включающего:
а) опору 2;
б) днище 3;
в) основание 4;
г) внутреннюю 5 и наружную 6 обечайки;
д) вставку 7;
е) диск 8;
ж) кольцо 9;
з) пластины 10;
а
и) ребра 11 с пазами «»;
к) внутренний слой ребра 12 из материала высокой теплопроводности;
л) наружный слой ребра 13 из коррозионно-стойкой стали;
м) нейтронную защиту 14;
н) облицовку 15 нейтронной защиты 14;
о) нейтронную защиту 16, расположенную на днище 3 в опоре 2;
п) цапфы 17, предназначенные для подъема и кантования контейнера;
р) цапфы 18, предназначенные для кантования контейнера;
- внутренней крышки 19, на внешней поверхности которой установлена нейтронная защита 20, имеющая облицовку 21. В концентричных проточках крышки 19 установлены уплотнительные элементы 22 и 23. Крышка 19 имеет переходник 24, предназначенный для ее подъема;
- наружной крышки 25. В концентричных проточках крышки 25 установлены уплотнительные элементы 26 и 27. Крышка 25 имеет переходник 28, предназначенный для ее подъема;
- демпфера 29, установленного на опоре 2;
- демпфера 30, установленного на наружной крышке 25.
В контейнере с вариантом исполнения корпуса 1 (см. фиг.5 и 6) обечайки 5 и 6 приварены к комингсу 31, днище выполнено в виде внутреннего 32 и наружного 33 дисков, приваренных к комингсу 31, опора 2 приварена к комингсу 31 и наружному диску 33, на обечайку 6 установлены и закреплены сваркой панели 34, содержащие обечайку 35, ребра 11 и пластины 36, нейтронная защита 14 располагается в полостях панелей 34 и в полостях между панелями 34 и облицовкой 15, вставка 7 выполнена из блоков 37, закрепленных от продольного перемещения с помощью колец 38 и 39, диска 8, кольца 9 и пластин 10, при этом зазор между блоками 37 и наружной обечайкой 6 заполнен порошковым наполнителем 40, выполненным из того же материала, что и блоки 37.
Использование контейнера в промышленности осуществляется следующим образом.
ОТВС на АЭС сначала загружают в дистанционирующую решетку (не показана), которую затем устанавливают в контейнер. Возможен вариант, в котором дистанционирующую решетку сначала устанавливают в контейнер, а затем загружают в нее ОТВС. Как в первом, так и во втором случае работы проводят под водой в бассейне выдержки. Для переноски контейнера используют цапфы 17. После загрузки контейнера ОТВС устанавливают внутреннюю крышку 19, на которой размещена нейтронная защита 20, затем контейнер извлекают из воды и устанавливают на площадку слива воды и осушки контейнера, затягивают болтовое соединение крепления крышки и производят контроль герметичности соединения крышки 19 с корпусом 1. Производят дезактивацию наружных поверхностей контейнера. Устанавливают наружную крышку 25, затягивают болтовое соединение крышки и производят контроль герметичности ее соединения с корпусом 1. Производят слив воды, осушение внутренней полости контейнера и заполнение ее инертным газом, например гелием, с помощью клапанных устройств, имеющихся в контейнере (не показаны). Защитные герметизирующие крышки 19 и 25 образуют два контура защиты. На опору 2 и наружную крышку 25 устанавливают соответственно демпферы 29 и 30, которые закрепляют гайками. После этого контейнер с ОЯТ переносят в вагон-контейнер, в котором контейнер с помощью цапф 17 и 18 переводят в горизонтальное положение. Закрепляют контейнер в вагоне и транспортируют на соответствующий объект (региональный объект хранения и переработки ОЯТ). После транспортирования контейнер на объекте извлекают из вагона и устанавливают на площадку расхолаживания в вертикальном положении. Проверяют герметичность внутренней полости контейнера и полости между внутренней крышкой 19 и наружной крышкой 25. Подключают к клапанным устройствам контейнера устройства системы расхолаживания и производят расхолаживание (снижают температуру внутри контейнера с ≈ плюс 320°С до ≈ плюс 40°С). После расхолаживания демонтируют демпферы 29 и 30, снимают наружную крышку 25 и отворачивают гайки, крепящие внутреннюю крышку 19 к корпусу 1. Переносят контейнер в бассейн выдержки, затем с помощью грузозахватного устройства дистанционно снимают внутреннюю крышку 19, после чего извлекают ОТВС из дистанционирующей решетки и размещают их в другой дистанционирующей решетке, предназначенной для длительного хранения ОТВС под водой. Все работы в бассейне проводят под водой с помощью устройств, управляемых дистанционно. После выгрузки ОТВС из контейнера производят работы с контейнером, аналогичные работам после загрузки ОТВС в контейнер.
Транспортировка и хранение контейнера с ОТВС сопровождаются достаточно интенсивным тепловыделением активной части ОЯТ. Тепло от ОТВС, загруженного в контейнер, нагревает внутреннюю цилиндрическую оболочку 5 корпуса контейнера. После тепло от наружной обечайки 6 через ребра 11 V-образной формы, выполненные из материала высокой теплопроводности (меди), передается наружной облицовке 15, распределяется по ее периметру и далее путем конвекции и излучения рассеивается в окружающей среде. Выполнение в стенках V-образных ребер 11 пазов, расположенных в продольных рядах со смещением паза одного ряда по отношению к пазу другого ряда, позволяет при изготовлении контейнера заполнить их материалом нейтронной защиты 14 и тем самым исключить сквозной прострел нейтронов.
Зазор между обечайками 5 и 6 внутренней цилиндрической оболочки заполнен вставкой 7 из металла высокой теплопроводности и плотности, например меди, что обеспечивает повышение теплопроводности оболочки и эффективности защиты от гамма-излучения при существенно меньшей суммарной толщине оболочки по сравнению с монолитной стальной оболочкой (как в прототипе). Например, для ОТВС ВВЭР-1000 при выгорании до 70 ГВт·сут/тU и не менее 6 лет выдержки для варианта контейнера с монолитной оболочкой из стали толщина оболочки составляет ≈380 мм, а для заявляемого контейнера со стальными обечайками и заполненным зазором между обечайками медью толщина цилиндрической оболочки составляет 270 мм (суммарная толщина стальных обечаек 65 мм, толщина меди 205 мм).
Встроенная в тепловые мосты (т.е. в элементы 11) нейтронная защита, а также нейтронная защита 16 и 20, размещенная на днище 3 и внутренней крышке 19 соответственно, эффективно «перехватывает» нейтроны со всех сторон контейнера. При этом достигается повышение безопасности обращения с контейнером, загруженным ОЯТ (т.е. безопасность обращения с ОЯТ).
Таким образом, разработана конструкция контейнера для транспортировки и/или хранения ОЯТ реакторов типа ВВЭР-1000, обеспечивающая повышение эффективности отвода тепла изнутри загруженного ОЯТ контейнера, повышение эффективности защиты от гамма-излучения и нейтронной защиты и, следовательно, повышение безопасности обращения с ОЯТ.