Чехол для размещения, хранения и транспортирования отработавших тепловыделяющих сборок
COVER FOR PLACING, STORING AND TRANSPORTING SPENT FUEL ASSEMBLIES

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к устройствам, предназначенным для размещения в них отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) реакторов ВВЭР 1000, ВВЭР 1200, ВВЭР 1300 во время транспортирования и хранения их в контейнерах.
Известно такое устройство в виде чехла для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива (патент РФ № 2686476, G21F 5/00, опубл. 29.04.2019).
Чехол содержит литой корпус с влитыми профильными металлическими трубами с плоскими гранями, образующими каналы для установки тепловыделяющих сборок. Трубы в чехле установлены кольцевыми рядами вплотную друг к другу с сопряжением по плоским граням вокруг центральной трубы. Наружные поверхности сопрягаемых друг с другом плоских граней труб облицованы медными листами. Пространство между наружной поверхностью труб внешнего кольцевого ряда и внутренней поверхностью литого корпуса заполнено вставками из нейтронно-защитного материала с температурой плавления выше температуры плавления материала литого корпуса. Конструкция неподвижно зафиксирована за счет усадки, происходящей в процессе кристаллизации расплава металла при изготовлении отливки литого корпуса.
Недостатки данного чехла заключаются в следующем:
- наличие в корпусе влитых шестигранных труб, облицованных медными листами со вставками из нейтронно-защитного материала. Применение материалов с различными коэффициентами линейного температурного расширения в единой жесткой конструкции приведет к растрескиванию соединений между ними. Что приведет в дальнейшем к трудностям при дезактивации;
- трубы установлены кольцевыми рядами вплотную друг к другу с сопряжением по плоским граням вокруг центральной трубы. Наружные поверхности сопрягаемых друг с другом плоских граней труб  облицованы медными листами. Невыполнимо беззазорное сопряжение труб и облицовка медными пластинами. А при наличии незначительных зазоров трудно обеспечить слив воды из чехла;
- неэффективно применение в конструкции чехла нейтронно-защитного материала на основе графита с поглощающими материалами, т.к. мощность дозы на поверхности контейнера определяется не тепловыми нейтронами, а нейтронами более высоких энергий;
- плотная компоновка шестигранных труб с ОТВС не обеспечивает ядерную безопасность контейнера.
Также известен чехол для размещения и хранения отработавших тепловыделяющих сборок реактора ВВЭР-1000 (патент РФ № 2593388, G21F 5/00, опубл. 10.08.2016).
Чехол содержит центральную трубу, дистанционирующие решетки с шестигранными трубами, в которых размещаются отработавшие тепловыделяющие сборки, установленные относительно оси центральной трубы в два кольцевых ряда, разделенных промежуточной трубой, при этом шестигранные трубы в ряду сопрягаются друг с другом ребрами, а часть граней с наружной стороны имеет вставки радиационной защиты. Дистанционирующие решетки с шестигранными трубами выполнены в виде скрепленных между собой секций, каждая из которых выполнена из алюминиевого сплава и состоит из центральной трубы, двух дистанционирующих решеток с шестигранными отверстиями, в которых размещены шестигранные трубы, имеющие на концах внутренние шестигранные проточки, в последние установлены шестигранные направляющие из коррозионностойкой стали, секции установлены на основании, состоящем из дистанционирующей опоры с отверстиями, по оси которых с наружной стороны установлены устройства поджима, и несущей трубы, нижняя секция и несущая труба закреплены на опоре крепежными элементами, на дистанционирующей решетке верхней секции и между дистанционирующими решетками секций установлены диафрагмы из коррозионностойкой стали, несущая труба также выполнена из коррозионностойкой стали и имеет переходник под грузозахватное устройство.
Недостатки данного чехла заключаются в следующем:
- высокая трудоемкость изготовления ввиду сложной конструкция чехла с большим объемом сварных соединений, крепежных элементов, а так же с установкой вставок радиационной защиты и применением шестигранных труб;
- так как чехол определяет размер контейнера, то повышенная вместимость до 20 ОТВС реактора типа ВВЭР-1000/1200 увеличивает габаритные размеры контейнера, не позволяя последнему без существенных затрат вписаться в схему обращения ОЯТ Российской Федерации;
- чехол разбирается только на крупные секции, что делает невозможным замену только дефектных, в ходе эксплуатации, элементов конструкции, что существенно увеличивает затраты на обслуживание чехла.
Также известен чехол для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива (патент РФ № 2642853, G21F 5/00, опубл. 29.01.2018).
Чехол контейнера содержит центральную несущую трубу из коррозионностойкой стали, на которой установлены скрепленные между собой секции, каждая из которых выполнена из двух дистанционирующих решеток из нержавеющей стали, между ними размещены шестигранные трубы для размещения тепловыделяющих сборок, имеющие нейтронную защиту и установленные относительно оси центральной трубы в два кольцевых ряда, секции установлены на основание, состоящее из дистанционирующей опоры с отверстиями, по оси которых с наружной стороны установлены устройства поджима, несущая труба имеет переходник под грузозахватное устройство. Между дистанционирующими решетками параллельно им установлены теплоотводящие диски, а параллельно шестигранным трубам установлены стальные стойки, образующие вкупе с дистанционирующими решетками силовой каркас, нейтронная защита установлена внутри каждой грани трубы в виде пластины из борсодержащего композита, в первом ряду относительно оси несущей трубы размещено шесть труб, а во втором – двенадцать. Чехол позволяет размещать ОТВС реакторов типа ВВЭР-1000/1200.
Этот чехол принимается за прототип, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому техническому решению.
Недостатки данного чехла заключаются в следующем:
- высокая трудоемкость изготовления большого количества теплоотводящих дисков и дистанционирующих решеток перфорированных шестигранными отверстиями;
- отсутствие в РФ освоенной технологии производства алюминиевых шестигранных труб;
- высокая трудоемкость изготовления и монтажа пластин из борсодержащего композита;
- сочетание в силовом каркасе материалов с разным коэффициентом температурного расширения (коррозионностойкая сталь и алюминиевый сплав), может привести к нарушению целостности конструкции чехла и необходимости его замены целиком, либо составных частей.
Указанные недостатки не позволяют использовать чехол-прототип в схеме обращения ОЯТ Российской Федерации реакторов типа ВВЭР-1000/1200/1300.
Целью настоящего изобретения является создание чехла с размещением максимального количества ОТВС (18 штук) реакторов типа ВВЭР-1000/1200/1300, вписывающегося в схему обращения ОЯТ Российской Федерации, с обеспечением параметров безопасности хранения и перевозки, в частности ядерной безопасности, теплоотвода и прочности чехла.
Техническим результатом является повышение ядерной безопасности, теплоотвода и прочности чехла, улучшение ремонтопригодности чехла и уменьшением затрат на изготовление и обслуживание чехла для размещения, хранения и транспортирования отработавших тепловыделяющих сборок.
Технический результат достигается тем, что в чехле для размещения, хранения и транспортирования отработавших тепловыделяющих сборок, состоящем из трубы, расположенной в центральной части чехла, основания, по меньшей мере двух секций с гнездами для ОТВС, верхней, нижней и промежуточных плит, труба неразъемно прикреплена к нижней плите, гнезда для ОТВС образованы листами из борированного алюминия, установленными в пазы верхней, нижней и промежуточных плит, при этом листы борированного алюминия выполнены в виде гребенок и пересекаясь между собой посредством пазов образуют гнезда шестигранной формы, по наружному диаметру чехла установлены сегменты из материала высокой теплопроводности и сегменты верхние из коррозионностойкой стали, а секции чехла стянуты между собой шпильками, при этом на шпильках под гайками установлены компенсирующие элементы.
В нижней плите и в основании в каждом гнезде для ОТВС установлены устройства поджима.
Основание выполнено с обеспечением свободного хода относительно чехла.
На верхней плите по периметру каждого гнезда для ОТВС установлены направляющие.
В верхней части к трубе закреплена головка для установки/ извлечения чехла в контейнер/из контейнера.
На наружной поверхности чехла выполнены два диаметрально расположенных паза.
Все плиты и устройства поджима снабжены отверстиями для слива воды из чехла.
Гнезда для ОТВС линейно расположены рядами и сопряжены друг с другом ребрами.
В верхней части трубы размещена дробь титана гидрированного.
Применение в верхней части трубы дроби титана гидрированного обеспечивает биологическую защиту.
Применение перегородок из борированного алюминия, во-первых, обеспечивает отвод тепла от ОТВС, не допуская образования в них зон перегрева, во-вторых, обеспечивает ядерную безопасность, в-третьих, снижает себестоимость изготовления чехла и повышает его ремонтопригодность.
Формирование перегородок из листов борированного алюминия, выполненных в виде гребенок с пазами, установленных в пазы плит, обеспечивает быстроразъемность соединения и не требует применения крепежных элементов или сварки.
Гнезда для ОТВС, линейно расположенные рядами и сопрягаемые друг с другом ребрами, обеспечивают более высокую ядерную безопасность.
Сегменты из алюминиевого сплава, являясь направляющими для шпилек, образуют корпус чехла и внутреннее пространство шестигранной формы, обеспечивают передачу тепла от ОТВС к контейнеру.
Применение компенсирующих элементов в виде тарельчатых пружин и отсутствие соединения между несущей трубой и плитой верхней компенсируют температурные расширения материала (одновременное применение коррозионностойкой стали (шпильки) и алюминиевого сплава).
Применение подвижного основания с устройствами поджима, во-первых, обеспечивает дополнительную биологическую защиту по днищу контейнера, во-вторых, снижает ударную нагрузку на чехол при установке его в контейнер, в-третьих, позволяет применять чехол в контейнере для герметичных пеналов.
Применение на наружной части чехла двух диаметрально расположенных пазов обеспечивает ориентацию чехла в контейнере и препятствуют его вращению в контейнере при транспортировании.
Предложенное расположение ячеек шестигранной формы позволяет вписаться в существующую схему обращения ОЯТ реакторов типа ВВЭР-1000/1200/1300 для РФ.
Изобретение позволяет при техническом обслуживании чехла заменять только дефектные части конструкции, что снижает затраты на время и стоимость изготовления.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 – конструкция чехла для размещения, хранения и транспортирования отработавших тепловыделяющих сборок реактора;
на фиг. 2 – вид сверху на чехол;
на фиг. 3 – разрез одной из секций;
на фиг. 4 – выносной элемент А фиг.1;
на фиг. 5 – аксонометрическая проекция одной из перегородок гнезда чехла перед сборкой из листов борированного алюминия и после сборки.
Чехол представляет собой конструкцию цилиндрической формы с гнездами для установки ОТВС.
Труба 1 из коррозионностойкой стали расположена в центральной части чехла. В верхней части к трубе на резьбе крепится головка 2 для установки (извлечения) чехла в контейнер (из контейнера). В верхней части труба заполнена дробью титана гидрированного 3, служащей биологической защитой.
Чехол выполнен в виде трех секций 4. Секции состоят из перегородок 5 с листами борированного алюминия 6, плит верхней 7, нижней 8 из коррозионностойкой стали и промежуточных 9 из алюминиевого сплава, а также сегментов 10 из алюминиевого сплава и сегментов верхних 11 из коррозионностойкой стали. Перегородки 5 из листов борированного алюминия 6, обеспечивающих ядерную безопасность, установлены в пазы плит верхней 7, нижней 8 и промежуточных 9. Листы борированного алюминия 6, выполненные в виде гребенок, пересекаясь между собой посредством пазов 20, образуют гнезда 12 шестигранной формы, линейно расположенные рядами. Гнезда 12 сопрягаются между собой ребрами. По наружному диаметру чехла установлены сегменты 10 из материала высокой теплопроводности (алюминиевый сплав), обеспечивающие эффективный теплоотвод от ОТВС к корпусу контейнера, и сегменты верхние 11 из коррозионностойкой стали.
Секции 4 чехла стянуты между собой шпильками 13. Для компенсации температурных расширений на шпильках 13 под гайками 14 установлены компенсирующие элементы 15.
Труба 1 и плита нижняя 8 соединены между собой посредством сварного соединения.
В нижней части чехла расположено основание 16, обеспечивающее дополнительную биологическую защиту по днищу контейнера. Основание имеет свободный ход относительно чехла. В плите нижней 8, и в основании 16 в каждом гнезде 12 для ОТВС, установлены устройства поджима 17.
На плите верхней 7 по периметру каждого гнезда 12 установлены направляющие 18 для компенсации несоосности несоосно наведенной загружаемой ОТВС на гнездо 12.
На наружной части чехла выполнены два диаметрально расположенных паза «а», которые обеспечивают ориентацию чехла в корпусе контейнера и препятствуют вращению чехла в контейнере при его транспортировании.
Все плиты 7, 8, 9 и устройства поджима 17 имеют отверстия 19 для слива воды из чехла.
Чехол для размещения, хранения и транспортирования отработавших тепловыделяющих сборок реактора ВВЭР-1000/1200/1300 эксплуатируется следующим образом.
Чехол совместно с контейнером (на чертежах не показан) представляют собой транспортный упаковочный комплект (ТУК). Чехол вне контейнера находится в порожнем состоянии в вертикальном положении.
Чехол с помощью грузозахватного устройства (на чертежах не показан), присоединяемого к головке 2, устанавливают в вертикально стоящий контейнер, совмещая пазы «а» в чехле с направляющими в контейнере. ТУК с помощью грузозахватного устройства устанавливается на место загрузки ОТВС. Установка ОТВС в чехол осуществляется в воде. ОТВС загружают в шестигранные гнезда 12 секций 4 чехла по одной в заданной последовательности с опорой на устройства поджима 17 с помощью специального грузоподъемного устройства (на чертежах не показано). После загрузки необходимого количества ОТВС, ТУК закрывается с поджатием чехла в контейнере и ОТВС в чехле. Далее ТУК осушается и транспортируется, как правило, в горизонтальном положении, на объект регенерации топлива.
Извлечение ОТВС из ТУК осуществляется с помощью специального грузоподъемного устройства на соответствующем посту обслуживания. Извлечение порожнего чехла из контейнера осуществляется с помощью грузозахватного устройства, присоединяемого к головке 2.
Для проведения регламентных работ с чехлом и, при необходимости, его ремонта, он может быть разобран на составные части путем снятия соответствующих крепежных элементов.
Использование данного изобретения позволяет создать чехол с размещением максимального количества ОТВС (18 штук) реакторов типа ВВЭР-1000/1200/1300, вписывающийся в схему обращения ОЯТ Российской Федерации, с обеспечением параметров безопасности хранения и перевозки, в частности ядерной безопасности, теплоотвода и прочности чехла, а также улучшить ремонтопригодность чехла и уменьшить затраты на его изготовление и обслуживание.