СПОСОБ И ПОДВИЖНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕЖДУ ДВУМЯ ТВЁРДЫМИ ТЕЛАМИ
METHOD AND MOBILE DEVICE FOR REDUCING THERMAL RESISTANCE BETWEEN TWO SOLIDS

Область техники, к которой относится изобретение и уровень техники
Изобретение относится к стойке для хранения тепловыделяющих сборок ядерного топлива, составленной из множества соприкасающихся ячеек большой длины, в каждую из которых может быть вставлена тепловыделяющая сборка ядерного топлива, или по выбору, стержни нескольких тепловыделяющих сборок.
Вышеуказанные стойки для хранения (также известные как корзины для хранения) предназначаются для хранения и/или транспортировки вышеуказанных тепловыделяющих сборок, по выбору в защитной или незащитной упаковках. Они адаптируются для облученного топлива, но также могут использоваться для нового топлива. Они могут использоваться в сухой или жидкой среде, например, во время хранения топлива в бассейне, или во время их введения в упаковки для транспортировки или хранения.
Если необходимо, чтобы контейнер для транспортировки тепловыделяющих сборок был многофункциональным (радиационная защита, сопротивление ударным нагрузкам, огнестойкость и т.д.), то подходящим решением является комплект разнообразных материалов. В том случае, если необходимо отводить большой мощность, предельное значение внутренней температуры обуславливается наличием зазоров, необходимых для контейнера.
Проблемы, связанные с безопасностью и транспортировкой радиоактивных материалов, описываются в документах "La sureté des transports de matières radioactives" (Safe transport of radioactive materials, «Безопасный транспорт для радиоактивных материалов»), В. Lenail, Revue Générale Nucléaire № 1 2005; "Conception, fabrication et essais des emballages pour le transport des matières radioactives" (Design, construction and testing of packages for transporting radioactive materials, «Компоновка, конструкция и тестирование упаковок для транспортировки радиоактивных материалов»), B.C. Bernardo, бюллетень МАГАТЭ (IAEA, Международное агентство по атомной энергии), том 21, № 6; или вместо этого - в документе ЕР 0752151.
В целом, тепловыделяющие сборки транспортируются в сухом виде в контейнерах, содержащих до 12 или более тепловыделяющих сборок. Эти транспортирные упаковки были одобрены соответствующими французскими, британскими и японскими административными органами, при этом они отвечают критериям, предписываемым директивами МАГАТЭ (IAEA, International Atomic Energy Agency) для упаковок типа В. Этот тип контейнера, используемый в течение почти 40 лет, основывается на принципе рабочих характеристик, существенных для упаковки (двойной барьер, характер распространения пожара, и т.д.), которые предотвращают любую утечку радиоактивности.
Как проиллюстрировано на фиг. 1, от внешней части к внутренней контейнер содержит по всей его наибольшей длине:
- внешнюю зону 2, которая может быть снабжена ребрами 4 для охлаждения,
- слой 6 для поглощения нейтронов,
- стальное кольцо 8, и
- стойку 10 для хранения тепловыделяющих сборок ядерного топлива, содержащую одну или больше соприкасающихся ячеек 12 большой длины, в которые может быть вставлена тепловыделяющая сборка ядерного топлива, или, в случае необходимости, стержни нескольких тепловыделяющих сборок.
Известны различные типы стоек с ячеистой структурой для тепловыделяющих сборок ядерного топлива. В целом они гарантируют три функции:
- контроль критичности, в сухом состоянии или в присутствии воды, в жидком или газообразном состоянии (эта вода способна содержать химические соединения, поглощающие нейтроны, например, на основе бора) набора тепловыделяющих сборок, которые сохраняются в стойке,
- поддерживание значительной механической прочности, которая отвечает двум целям: 1) обеспечение геометрии стойки, загруженной сборками, что позволяет избежать повреждения топливных стержней во время обычного использования (манипулирование, транспортировка, и т.д.), 2) гарантию контроля критичности за счет поддержки геометрии стойки, даже в условиях случайных воздействий (значительный удар и падение), в соответствии с инструкциями по воспринимаемым усилиям,
- термическую передачу, для того чтобы отводить тепло, выделяемое в случае облученных тепловыделяющих сборок.
Иногда стойки также проектируются в расчете на то, что будет добавлена защита против радиоактивности.
Стойка в целом образована при объединенном использовании нескольких материалов, каждый из которых выполняет, по меньшей мере, одну из трех приведенных выше функций. В целом, главными используемыми здесь материалами являются:
- нержавеющая сталь или алюминий (или их сплавы) для функции поддерживания механической прочности,
- алюминий или медь (или их сплавы) для функции передачи тепла,
- химические соединения бора (такие как В4С, основанный на спекании), сплавы меди, алюминии или нержавеющей стали, содержащие бор для обеспечения функции контроля критичности.
С точки зрения термических рабочих характеристик контейнера, отведение внутренней энергии и температура огнестойкости 800°С в течение 30 минут в настоящее время разрешаются для использования с материалами (стальное кольцо, алюминиевая стойка, и т.д.) и для их рабочих характеристик («химическое соединение», пересекаемое ребрами, защита соединений, и т.д.).
Что касается вопроса реализации и особенно сборки, эта система с соединением различных радиальных слоев требует, особенно для более легкого введения сборки или стойки в контейнер, расположения зазоров на границе разделов между различными слоями, в частности между сборкой и полостью, но также между стойкой и кольцом. Эти зазоры, например, около 5 мм и 2 мм, могут быть неблагоприятными по отношению к потребностям термической передачи.
В частности, в том случае, когда нужно отводить большую мощность, наличие этих зазоров создает высокие термические сопротивления, и таким образом, большие термические градиенты, которые значительно увеличивают максимальную внутреннюю температуру, когда желательно увеличивать максимально допустимые уровни мощности (которые также зависят от материалов, скорости сгорания, и т.д.).
В настоящее время транспортировка производится с заполнением азотом, но может использоваться транспортировка с газами, имеющими более высокую проводимость (гелий). В этом случае внутренние и внешние зазоры, соответственно составляющие 5 мм и 2 мм, являются достаточными для транспортировки топлива для PWR (pressurized water reactor, ядерный реактор, охлаждаемый водой под давлением), поскольку уровни мощности являются низкими.
Но проблема заключается в том, чтобы можно было транспортировать виды высокоэнергетичного топлива (например, топливо типа МОХ (смешанное оксидное топливо) или вместо этого тепловыделяющие сборки с актинидами в будущем).
Таким образом, возможность хорошего отведения калорий к внешней части без превышения полностью неприемлемых внутренних температур является ключевой проблемой для будущего.
В этом случае суммарная передаваемая мощность не в такой степени вызывает проблему, как перепад температур, который возникает из-за наличия упомянутых выше зазоров.
Таким образом, при использовании существующей технологии, максимальная мощность сборки, передаваемой в среде гелия, будет ограничиваться 2,5 кВт без превышения температуры 450°C, и 4,5 кВт без превышения температуры 650°C, в то время как необходимость передаваемой мощности может быть намного выше.
Документ WO 2011/161233 описывает систему, которая дает возможность уменьшить контактные термические сопротивления благодаря внешним зазорам. В этой системе 4 части стойки входят в контакт со стальным кольцом. В результате получается простая система с улучшением радиальных переносов, но не зазоров, известных как внутренние. Таким образом, изменение количества теплоты, с точки зрения отводимой мощности, является низким.
Таким образом, проблема также заключается в зазорах, называемых внутренними (между сборкой и стойкой).
Фактически, повторно рассматривая случай контейнера со сборкой в среде гелия, с традиционными зазорами (например, 5 мм - внутренние зазоры и 2 мм - внешние зазоры), то в нем может отводиться мощность 6,3 кВт при 650°. Если внешний зазор аннулирован, например, в соответствии с идеями документа WO 2011/161233, мощность доходит до 6,75 кВт, т.е. отводимая мощность увеличивается только на 8%. Если 2 зазора аннулируются, то мощность доходит до 8,75 (т.е. увеличивается на 40%). Но в этой технологии важными являются поверхности, находящиеся в контакте (около ¼ от внешней поверхности стойки), таким образом, за исключением полностью недопустимых производственных зазоров, контакт может иметь место только на одной образующей или просто в нескольких областях.
Следовательно, зазоры внутри контейнера для хранения или транспортировки, в которых толщина зазора создает значительное контактное сопротивление, а кроме того термический критерий не превышается, в значительной степени удовлетворяет условию возможности отведения мощности во время транспортировки тепловыделяющих сборок.
Таким образом проблема состоит в том, чтобы улучшить теплообменные процессы внутри контейнера для транспортировки, для того чтобы уменьшить температуры, достигаемые при номинальном режиме.
Раскрытие изобретения
Решение этого ограничения обеспечивается в дальнейшем.
В первую очередь описывается теплопередающий элемент стойки для хранения ядерного топлива, по существу призматической формы, содержащий три главных поверхности, включая основание и две боковые плоские поверхности, а также две торцевые поверхности, выполненные из теплопередающего материала и снабженные в боковом направлении средствами для вытаскивания элемента в направлении, параллельном основанию.
Каждый теплопередающий элемент выполнен из материала, который проводит тепло, таким образом он обладает хорошей теплопроводностью, и изготавливается, например, из металлического материала, такого как алюминий или медь.
Средства для вытаскивания элемента могут располагаться на торцевых поверхностях. Например, каждая из этих торцевых поверхностей обеспечивается, по меньшей мере, двумя штырьками или двумя выступами.
В качестве варианта, средства для вытаскивания элемента могут содержать выемки или торцевые углубления, сформированные в элементе, при этом каждое углубление выходит на одну из боковых плоских поверхностей, и по выбору, в соответствующей торцевой поверхности. Стенка каждой выемки содержит соответствующие средства, например, по меньшей мере, два штырька или два выступа.
Такой элемент может содержать, по меньшей мере, одно тяговое соединительное звено, например, имеющее внутренний вырез или нет, и взаимодействующее со средствами для вытаскивания элемента в направлении, параллельном основанию.
Такой элемент может иметь в плоскости, перпендикулярной основанию, по существу треугольную форму.
Основание может быть плоским, или иметь, по меньшей мере, один изгиб вокруг оси, по существу параллельной направлению тягового усилия.
Таким образом, элемент стойки для хранения ядерного топлива может содержать:
- первый комплект теплопередающих элементов этого типа, который описывался выше, каждая боковая плоская поверхность элемента противоположна боковой плоской поверхности соседнего теплопередающего элемента, таким образом основания различных теплопередающих элементов поочередно поворачиваются в направлении одной стороны комплекта, затем в направлении другой, при этом каждый теплопередающий элемент присоединяется к соседним элементам с помощью средств для вытаскивания элемента в направлении, параллельном основанию,
- средства для приведение в действие тягового усилия на сборочный узел теплопередающих элементов.
В таком элементе стойки для хранения топлива каждая боковая плоская поверхность элемента может:
- находиться в контакте с боковой плоской поверхностью соседнего теплопередающего элемента, когда тяговое усилие не оказывается на сборочный узел теплопередающих элементов, и в частном случае, когда на сборочный узел элементов оказывается давление,
- перемещаться в сторону от боковой плоской поверхности соседнего теплопередающего элемента, когда тяговое усилие оказывается на сборочный узел теплопередающих элементов.
Комплект теплопередающих элементов может иметь высоту (h), которая ниже общей высоты элемента стойки. В этой случае оставшаяся часть стойки составлена из теплопередающего материала, уложенного выше и ниже описанных выше теплопередающих элементов. Высота h в этом случае по существу равна или близка длине, на которой топливные элементы производят тепло.
Элемент стойки может дополнительно содержать, по меньшей мере, один второй комплект теплопередающих элементов, как описывалось выше, расположенный в зоне, отделенной от первого комплекта непрерывным участком материала. Этот второй комплект в этом случае выполняет функцию поддерживания механической прочности, и в меньшей степени термическую функцию.
Элементарная стойка для хранения ядерного топлива может содержать множество элементов стойки для хранения топлива описанного выше типа, расположенных таким образом, чтобы разграничивать центральную полость в виде по существу квадратной, или прямоугольной, или шестиугольной формы в плоскости, перпендикулярной направлению тягового усилия каждой стойки, в зависимости от формы сборочного узла, для которого она предназначалась.
Таким образом, контейнер может создаваться для хранения и/или транспортировки ядерного топлива и может содержать элементарную стойку для хранения такого типа, как описанный ранее, при этом стойка окружается периферийным защитным слоем для поглощения гамма излучения, и периферийным защитным слоем для замедления нейтронов.
Также возможно создавать контейнер для хранения и/или транспортировки ядерного топлива, содержащий несколько элементарных стоек для хранения, например содержащий количество таких стоек от 2 до 12, при этом каждая из элементарных стоек является стойкой вышеописанного типа.
Элементарные стойки размещаются в фиксированной стойке, причем сама эта стойка окружается множеством теплопередающих элементов вышеописанного типа, которые гарантируют эффективный термический контакт с периферийными слоями.
Настоящее изобретение также относится к способу хранения и/или транспортировки стержней ядерного топлива, содержащему следующие этапы:
- оказание тягового усилия на элементы стойки вышеописанных стоек для хранения топлива, для того чтобы приводить их из первоначального положения в верхнее положение и создавать зазор между каждым теплопередающим элементом и каждой из горячих и холодных стенок,
- введение одной или более сборок в центральную полость,
- прекращение тягового усилия, чтобы перевести теплопередающие элементы назад в первоначальное положение, в котором основание каждого теплопередающего элемента позиционируется в контакте с одной или другой из горячих и холодных стенок. Во время этого этапа эффект гравитации может быть достаточным, чтобы перевести элементы назад в первоначальное положение благодаря их собственному весу. По выбору может быть добавлено дополнительное давление, которое дает возможность поддерживать элементы в этом положении, даже в том случае, когда стойка находится в другом положении, не являющимся вертикальным положением, например, когда она находится в горизонтальном положении во время транспортировки.
Такой способ может упреждаться этапом введения стойки для хранения в бассейн, за ним следует этап извлечения стойки, загруженной стержнями, чтобы извлечь ее из бассейна.
В изобретении средства применяются таким образом, чтобы прикладывать усилие к комплекту теплопередающих элементов, что позволяет изменять внутренний и внешний радиусы стойки, и таким образом уменьшать пространства между сборкой и стойкой, а также между стойкой и внешним окружением, например, кольцом.
Таким образом, стойка адаптирует свою форму и держит потенциальные деформации сборки.
Таким образом изобретение дает возможность сохранять важные зазоры во время введения нагрузки, а затем повторно поглощать их перед последней операцией, например, перед манипулированием или транспортировкой.
В случае транспортировки сборок, и в частности, сборок с высокими уровнями мощности, система дает возможность уменьшать контактные термические сопротивления и даже аннулировать их (они непосредственно связаны с газовым люфтом в зазорах и с теплопроводностью газа). Но она имеет другие преимущества:
- заключение стойки в оболочку на сборке позволяет увеличить механическую прочность во время транспортировки; поэтому больше нет необходимости вводить вкладыши, как было ранее в этом случае;
- эта стойка позволяет адаптировать свою форму и держит потенциальные деформации сборки;
- существующие в настоящее время затраты на обработку стойки уменьшаются;
- в определенных случаях (в частности, сборка в корпусе*), гелий в стойке может быть заменен сухим воздухом или азотом.
По сравнению с технологией, описанной в документе WO 2011/161233, как описывалось ранее, контакт может иметь место только на одном генераторе или просто нескольких областях, в то время как описываемое здесь изобретение дает возможность за счет множественности базовых поверхностей увеличить количество контактных точек и иметь больше контактных поверхностей. Чем меньше теплопередающих элементов, тем лучше производится адаптация к форме.
Изобретение дает возможность минимизировать внутренние и внешние зазоры в стойке, которые дают возможность производить хранение и транспортировку определенных сборок, уровни мощности (Р>8 кВт) которых превышают показатели выпускаемых в настоящее время. Это также дает возможность оптимизировать количество транспортируемых сборок, поскольку может быть реализована не только одна сборка, но также множество сборок.
Краткое описание чертежей
Ниже будут описаны варианты осуществления изобретения исключительно в качестве неограничивающих примеров, со ссылками на приложенные чертежи.
На фиг. 1 (уже описана) показан контейнер известной конструкции, вид с пространственным разделением деталей;
на фиг. 2A-2D и 3А-3B показаны вышеописанные теплопередающие элементы;
на фиг. 4А-4С показаны 2 элементы, связанные соединительным звеном, и их относительное перемещение;
на фиг. 5A-5D показаны теплопередающие элементы, различные виды;
на фиг. 6А и 6B показан комплект теплопередающих элементов, связанных соединительными звеньями, и их относительное перемещение;
на фиг. 7А и 7B схематично показаны стойки в открытом положении и в закрытом положении соответственно;
на фиг. 8А и 8B показана стойка, содержащая сборку;
на фиг. 9А-9Е показаны этапы введения сборки в стойку;
на фиг. 10А и 10B показаны две системы, где одна система, содержит несколько сборок, при этом каждая из этих систем содержит, по меньшей мере, один стойку, одно стальное кольцо и одну синтетическую смолу, вид сверху;
на фиг. 11, 12 и 13 соответственно, показано изменение максимально возможной температуры, как функции внутренних и внешних зазоров и мощности сборки, соответственно, для одной сборки, для 7 и 12 сборок.
Осуществление изобретения
Сначала будут рассматриваться фиг. 2А (боковой вид, с разрезом вдоль плоскости АА' или xOz на фиг. 2B) и 2B (вид сверху, с разрезом вдоль плоскости ВВ' или xOy на фиг. 2А), которые представляют комплект теплопередающих элементов 30, 32, 34, 36 системы 20 стойки в соответствии с отдельным вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 2а можно увидеть, что различные теплопередающие элементы пакетируются вдоль направления Oz пространственной системы координат Oxyz. На этой фигуре и фиг. 2B также представлены две стенки 22, 24, которые являются, соответственно, горячей и холодной стенками окружающего пространства, в котором позиционируется комплект (стенка 22, называемая горячей стенкой, находится на стороне горячей сборки, расположенной внутри стойки; в то время как стенка 24, называемая холодной стенкой, является непосредственным окружением с наружной стороны стойки). Снаружи от этого окружения цифровыми позициями 22 и 24 обозначены две плоскости, которые разграничивают боковую протяженность комплекта вдоль направления Ox, когда он находится в закрытом или пониженном положении, как будет разъясняться позже; в дальнейшем делается ссылка на две стенки, но это также может обозначать две плоскости.
Ось Ox является перпендикулярной двум стенкам 22, 24, в то время как оси Oz и Oy параллельны им. Комплект проходит в общем направлении вдоль оси Oz.
Каждый элемент комплекта имеет по существу призматическую форму, как проиллюстрировано на фиг. 2С для варианта осуществления изобретения отдельного элемента 30. Другие элементы фиг. 2А являются идентичными или подобными, поэтому все детали, аналогичные или идентичные тем, которые описываются со ссылкой на фиг. 2С этих и других элементов, подробно не описываются.
Если более точно, то элемент, представленный на фиг. 2С, является по существу пятигранником или треугольной призмой с тремя четырехугольными поверхностями 303, 303', 305 попарно смежными, и двумя треугольными поверхностями 301, 301' не смежными между собой и по существу перпендикулярными оси Oy.
Элемент содержит основание 305, которое в этом варианте осуществления изобретения является плоским и параллельным ребру 307, которое проходит вдоль оси Oy пространственной системы координат Oxyz.
В соответствии с отдельным аспектом, проиллюстрированным на фиг. 2D, стороны и углы могут быть тупыми, тем не менее будут использоваться выражения «ребро» или «вершина».
Между ребром 307, или вершиной, и основанием 305 проходят две поверхности 303, 303', которые могут обозначаться для удобства, соответственно, «верхняя поверхность» и «нижняя поверхность». В представленном примере эти поверхности являются плоскими, но они могут также иметь другие формы, например, они могут содержать неровности или волнистость, предназначенные для того чтобы входить в контакт, или для сборки с соответствующими неровностями или волнистостью плоской поверхности соседнего элемента.
В поперечном направлении, вдоль оси Oy элемент ограничивается двумя стенками или торцевыми поверхностями 301, 301'. В этом примере варианта осуществления изобретения эти две боковые стенки по существу перпендикулярны основанию 305 и по существу параллельны плоскости xOz. В варианте, схематически представленном на виде сверху фиг. 3A и 3B, боковые стенки (здесь ими являются 341, 341', представленный элемент является элементом 34) наклонены и таким образом, пересекают обе оси Ox и Oy. В плоскости xOz каждый из этих теплопередающих элементов имеет по существу треугольную форму, причем каждый треугольник имеет большую сторону и две маленькие стороны, которые, предпочтительно, имеют по существу равную длину, а сам треугольник по существу равнобедренный. Также предпочтительно, чтобы три стороны были усеченными на конце, как проиллюстрировано на фиг. 2D, или на фиг. 4А-4С. В плоскости zOx каждый из них строго говоря больше не имеет по существу треугольную форму, а предпочтительнее является шестиугольником, с тремя большими сторонами и тремя маленькими сторонами, которые чередуются друг с другом.
Высота этого треугольника, или расстояние между ребром 307, или вершиной, и основанием 305, меньше, чем расстояние между двумя стенками 22, 24. Таким образом, когда элемент позиционируется таким образом, как показано на фиг. 2А, максимальное расстояние между вершиной 307 элемента и его основанием 305 дает возможность сохранять зазор 27, 29 между этим элементом и каждой из двух стенок 22, 24. Когда устройство находится в «закрытом» положении (фиг. 4С, 6B и 7B), зоны 270, 270', 290, 290' остаются незаполненными частью теплопередающего элемента. Для этих зазоров подбираются такие размеры, которые дают возможность избежать какого-либо контакта между теплопередающим элементом и элементом из второго соседнего ряда (например, на фиг. 2А контакт между элементами 30 и 32, между элементами 32 и 36 и т.д., полностью предотвращается). Эти области не представляют проблемы с термической точки зрения, поскольку тепло проходит через контакты, создаваемые между соседними элементами, например, между элементами 30 и 32, между 32 и 34, между 34 и 36 и т.д. Альтернативно, эти области располагаются в направлении каждой из стенок 22, 24; даже при заполнении газом, и таким образом с изолирующими свойствами, их термическое влияние является незначительным, поскольку они шунтируются через намного более теплопроводный параллельный проход.
На фиг. 2А можно увидеть, аналогично тому, что представлено на фиг. 2С, основания 325, 345, 365 других элементов 32, 34, 36, и их ребра 327, 347, 367.
Различные элементы 30, 32, 34, 36 соединяются в комплект, как показано на фиг. 2А, при этом нижняя (соответственно, верхняя) плоская поверхность первого элемента находится в контакте или противоположна верхней (соответственно нижней) плоской поверхности непосредственно примыкающего к нему второго элемента, но расположенного под (соответственно над) этим первым элементом вдоль оси Oz.
Альтернативно, большие стороны скомплектованных элементов располагаются в направлении стенки 24 и в направлении стенки 22. Другими словами, теплопередающий элемент 30 имеет основание, направленное к стенке 24, в то время как основание соседних элементов направлено к стенке 22.
В закрытом или пониженном положении комплекта два соседних элемента могут прижиматься друг к другу через одну из их нижних или верхних плоских поверхностей вдоль границы 40 раздела. Это может иметь форму прямолинейного сегмента, который определяет вместе с прямой линией, параллельной оси Ox, или перпендикулярной стенкам 22, 24, острый угол А (например, составляющий от 30° до 60°, например равный 45°, или близкий к такому углу).
В описанном выше примере поверхности 305, 325 и т.д. являются плоскими. Как вариант, эта поверхность может иметь кривизну, например, она может состоять из цилиндрического участка, как проиллюстрировано на фиг. 3B, 5С и 5D с поверхностями 345' (элемент 34, фиг. 3B), и 305' (элемент 30, фиг. 5С и 5D), при этом ось цилиндра параллельна направлению тягового усилия всего комплекта. Термическая эффективность всего комплекта не затрагивается в закрытом или пониженном положении комплекта, поскольку контакты между соседними плоскими поверхностями двух соседних элементов остаются идентичными тем, которые были описаны выше. Сечение этого элемента вдоль плоскости zOx также имеет треугольную форму, или аналогичную той, которая показана на фиг. 2D, основание 305 треугольника является прямолинейным сегментом. В пониженном положении комплекта цилиндрическая часть стенки 345', 305' является касательной к внешней стенке или к внешней плоскости 24. Такая кривизна может быть полезной, чтобы прижимать форму цилиндра, плоскости или стенки 22 и 24, часто являющиеся цилиндрическими (см. например структуры фиг. 10, 10b) вдоль оси, параллельной направлению тягового усилия.
Как можно также увидеть на фиг. 2А-2С, 3A-3B и 5A-5D, каждая из торцевых поверхностей 301, 301', 321, 321', 341, 341', 361, 361' каждого элемента может содержать два выступа 30', 30ʺ, 32', 32ʺ, 34', 34ʺ, 36', 36ʺ, каждый из этих выступов находится поблизости от одной из нижних или верхних плоских поверхностей соответствующего элемента. Два выступа той же самой торцевой поверхности по существу выровнены в направлении, параллельном основанию этого же самого элемента или вдоль грани 305 на виде в разрезе фиг. 2D (или вместо этого - вдоль направления тягового усилия). Каждый из выступов имеет по существу цилиндрическую форму, при этом ось цилиндра направлена по существу перпендикулярно к торцевой поверхности, на которой располагается этот выступ.
Соединительный стержень или звено 40, 42, 44, 46 соединяет два ближайших выступа двух соседних элементов. Таким образом, это соединительное звено должно определять максимальное расстояние, которое может быть между двумя плоскими поверхностями, нижней или верхней, ближайшими поверхностями двух соседних элементов, когда они не находятся в контакте. Оно также определяет максимальную амплитуду возможного скольжения плоской поверхности элемента относительно противоположной плоской поверхности соседнего элемента.
Эти соединительные звенья и соответствующие выступы дают возможность прикладывать к элементу, о котором идет речь, тяговое усилие в направлении, параллельном, или по существу параллельном, оси Oz и/или к пересечению 305 основания с плоскостью zOx (случай, показанный на фиг. 2D и 3B). В случае, показанном на фиг. 4А, усилие, прикладываемое к каждой поверхности, также имеет компонент вдоль направления Ox, но это оказывается без последствий, поскольку в положении (фиг. 4А) действия тягового усилия элементы блокируются. Следовательно, результирующее усилие здесь снова направлено вдоль оси Oz. Как можно увидеть на фиг. 2А, и как разъясняется в дальнейшем, усилие F в направлении оси Oz может таким образом прикладываться или передаваться к каждому элементу, при этом основание остается параллельным соответствующей горячей или холодной стенке, в направлении которой оно поворачивается. Поскольку каждый элемент располагается вдоль оси Oz, между двумя другими элементами, каждый выступ подвергается действующему вверх тяговому усилию, но также еще и весу элементов, которые располагаются ниже.
Таким образом может быть гарантировано относительное замещение составляющих элементов стойки, когда они пакетируются и располагаются между двух стенок, например таких, как горячие или холодные стенки 22, 24.
Эти средства позволяют сделать возможным обособленное перемещение различных элементов относительно каждого из соседних элементов, и таким образом создать зазор е между двумя торцевыми поверхностями двух соседних элементов, причем эти две торцевые поверхности остаются параллельными друг другу. Аналогичным образом, во время обособленного перемещения различных элементов происходит позиционирование их таким образом, что пространство или зазор 27, 29 располагается между различными элементами и стенками 22, 24.
Соединительное звено, например, имеет форму, представленную на фиг. 2А или 6А. Эта форма является продольной и содержит центральное отверстие, также имеющее продольную форму. Максимальная амплитуда этого отверстия, другими словами, расстояние между внутренними поверхностями двух маленьких сторон соединительного звена, равны максимально желаемому расстоянию между внешними генераторами двух соседних выступов двух непосредственно примыкающих друг к другу теплопередающих элементов в комплекте. Соединительное звено и его торцевое отверстие позволяет одному элементу скользить на соседнем элементе, в то же время сохраняя в контакте непосредственно примыкающие плоские поверхности. Например, на фиг. 2а можно увидеть, что каждое из соединительных звеньев имеет центральное отверстие, которое позволяет двум соседним элементам 301 и 321, 321 и 341, 341 и 361… обособленно перемещаться таким образом, что их соседние торцевые поверхности остаются параллельными друг другу на расстоянии е. Это расстояние или этот зазор позволяет теплопередающим элементам находиться в «верхнем» положении, чтобы давать возможность введения стержней элементов в стойку. В пониженном положении торцевые поверхности соседних элементов контактируют между собой, как проиллюстрировано на фиг. 6B или 7B. Затем соединительные звенья находятся в освобожденном положении и расстояние между двумя соседними выступами двух соседних элементов становятся меньше, чем максимальная амплитуда, определяемая внутренним отверстием каждого соединительного звена.
Другой вариант осуществления изобретения представлен на фиг. 4А-4С: каждое соединительное звено 47 содержит два отверстия, каждое из этих отверстий позволяет вмещать выступы 30ʺ, 32ʺ одного из теплопередающих элементов. Одно из этих отверстий, которое окружает выступ 30ʺ, позволяет соединительному звену перемещаться только вращаясь вокруг этого выступа, но не в поступательном перемещении, в то время как другое отверстие позволяет звену перемещаться во вращении вокруг выступа 32ʺ и позволяет элементу 32 перемещаться в поступательном перемещении: соответствующее отверстие проходит на более значительную длину, от приблизительно середины соединительного звена (в направлении его длины) до внутренней стороны одного из его торцевых концов.
Расстояние между двумя отверстиями и длина второго отверстия выбирается таким образом, что два соседних теплопередающих элемента могут проходить:
- от положения, называемого первоначальным (фиг. 4А), в котором две соседние поверхности двух соседних элементов контактируют между собой, а зазор 27, 29 располагается между основанием каждого из элементов и стенкой или стенками 22, 24, которые обращены к этому основанию,
- к промежуточному положению (фиг. 4B), в котором соседние торцевые поверхности двух соседних элементов перемещаются обособленно друг от друга на желаемом расстоянии, и каждое из этих оснований подходит ближе к соответствующей стенке 22, 24,
- затем к положению «оболочки» (фиг. 4С), в котором две соседние торцевые поверхности контактируют между собой или прижимаются друг к другу, а основание каждого из элементов прижимается к соответствующей стенке 22, 24.
При этом перемещении концы соединительного звена под действием средств 21 (фиг. 7А) по существу производят круговое перемещение, на окружности которого центр является центром соединительного звена.
Другой вариант осуществления изобретения системы соединения между соседними элементами проиллюстрирован на фиг. 5A-5D, при этом фиг. 5А-5B соответствуют варианту осуществления изобретения с основанием 305, имеющим форму плоской стенки, а фиг. 5C-5D соответствуют варианту осуществления изобретения, в котором основание 305' имеет форму участка цилиндра.
В этот раз представленный элемент 30 содержит:
- две торцевые выемки, или торцевые углубления 203, 204, которые выходят в верхней плоской поверхности 303 и по выбору (как и случае, показанном на фиг. 5A-5D) в соответствующей торцевой поверхности 301, 301',
- две торцевые выемки, или торцевые углубления 205, 206, которые выходят в нижней плоской поверхности 303' и по выбору, в соответствующей торцевой поверхности 301', 301.
Здесь во внутренней стенке каждой торцевой выемки формируется отверстие 203', 204', в котором может позиционироваться выступ, предназначенный для взаимодействия с концом соединительного стержня или звена, как уже описывалось ранее.
Таким образом, стенки каждой выемки предназначаются для того чтобы обеспечиваться средствами, например, по меньшей мере, одним штырем или одним выступом, чтобы соединять каждый элемент с помощью, например, двух соединительных звеньев, как описывалось ранее. Каждая выемка имеет достаточный объем, чтобы вмещать конечную часть соответствующего соединительного звена.
Как представлено на фиг. 7A, средства или механизм 21 для создания тягового усилия позиционируется на одной стороне стойки, выше или ниже нее. Средства содержат, например, один или более стержней 210 и/или один или более зажимов, присоединенных к конечному элементу комплекта элементов для взаимодействия со сборкой элементов при перемещении в направлении вверх или вниз вдоль оси Oz. Средства 21 могут создавать возможность оказывать давление на весь комплект, когда он находится в закрытом или пониженном положении.
Когда нужно вставлять сборку в стойку, усилие прикладывается в направлении вверх, как схематически показано стрелками F на фиг. 2А, 6А и 7А, параллельно оси Oz и каждой из стенок 22, 24.
Затем каждый элемент стойки отделяется от соседних элементов, таким способом, который разъяснялся выше со ссылками на фиг. 4А-4С, 6А-6B, и 7А-7B. Это перемещение освобождает зазоры 27, 29, 27', 29' в радиальном направлении (фиг. 2А, 6А и 7А).
Как только сборка окажется на месте, прикладывается усилие в направлении вниз (все еще вдоль оси Oz), или вместо этого действует сила тяжести, которая увлекает теплопередающие элементы вниз, плоские поверхности теплопередающих элементов начинают контактировать между собой, при этом внутренние и внешние зазоры исчезают (как на фиг. 4С, 6B и 7B). В конце этой фазы воспринимаемая нагрузка снова может быть приложена к комплекту элементов, чтобы уменьшить термические сопротивления на границе раздела твердофазных сред каждой пары соседних элементов и гарантировать механическую прочность сборки в любом положении контейнера, включая горизонтальное положение.
Как можно увидеть на виде сверху на фиг. 2B и 3, а также на виде в перспективе на фиг. 2С, каждый теплопередающий элемент проходит на ограниченную длину L, например, составляющую значение между 100 мм и 200 мм, или вместо этого 500 мм, причем эта длина выбирается как функция качества поверхности элементов, а также качества желаемой теплопроводности. L может быть длиной развернутой дуги, в частности в том случае, когда используется такое основание, как 345' на фиг. 3B.
Следовательно, сборка, которая имеет в целом цилиндрическую форму, должна быть окружена множеством n элементов стойки, расположенных по существу в виде окружности, при этом каждый элемент стойки покрывает сектор, приблизительно составляющий 360°/n. Такое расположение представлено на фиг. 8А и 8B, для шестиугольной сборки каждый элемент 60, 62, 64, 68, 70 стойки покрывает сектор, приблизительно составляющий 60°. Цифровые позиции 620-626 обозначают отдельные компоненты двух элементов 62 стойки. Два конечных элемента 620 и 625 являются усеченными, чтобы получить плоские поверхности на двух концах комплекта.
На этих фиг. 8А и 8В система представлена в трех измерениях с удаленным вертикальным рядом теплопередающих элементов (или удаленным элементом стойки) для лучшей визуализации. Сборка элементов стойки располагается таким образом, чтобы определять внутреннее шестиугольное отверстие 17, в которое может быть вставлен тепловыделяющий элемент.
Фиг. 8А соответствует открытому положению, при этом теплопередающие элементы находятся в таком положении, когда они отделены друг от друга, как проиллюстрировано на фиг. 2А и фиг. 4А. Зазор, который может иметь важное значение, в этом случае создается между нагрузкой, которая находится в центре стойки, и внутренней стенкой этой стойки.
Фиг. 8В соответствует закрытому положению, при этом соседние теплопередающие элементы находятся в таком положении, когда они контактируют друг с другом, как проиллюстрировано на фиг. 4С и фиг. 6В. В этом положении любой зазор, который ранее находился между нагрузкой и внутренней поверхностью стойки, аннулируется.
В примере варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 8А и 8В, шестиугольник 15 является нагрузкой, его внешняя стенка соответствует горячей стенке (стенкам 22) на фиг. 2А.
В этом варианте осуществления изобретения может быть отмечено присутствие области между двумя соседними ячейками той же самой ступени, или между двумя элементами стойки (например, 62 и 64), в которых нет теплопередающих элементов. Но по тем же самым причинам, которые были обозначены выше для остаточных зазоров 270, 290, это не является беспокоящим фактором с точки зрения теплопроводности. Фактически, тепло проходит поблизости ("nearby") в областях с высокой проводящей способностью с точки зрения теплопроводности (соотношение теплопроводности алюминия по отношению к гелию равно 1000, а по отношению к воздуху - около 6000).
Как только система возвращается на место (фиг. 7В, 8В), отведение калорий в радиальном направлении улучшается и в результате получается значительное уменьшение термических радиальных градиентов.
Таким образом, за счет использовании способа хранения, применяющего такую стойку, как описывалось выше, объявленное ранее ограничение в 2,5 кВт (Tmax<450°С) и 4,5 кВт (Tmax<650°С) переходит, соответственно, на значения 3,5 кВт и 6,5 кВт. Таким образом, во время транспортировки тепловыделяющих сборок, для Tmax<450°С мощность может достигать 5 кВт, а для Tmax<650°С может достигать 9 кВт.
Проиллюстрированный на фиг. 8А и 8B вариант осуществления изобретения показывает стойку (колонна элементов была удалена единственно с целью удобочитаемости чертежа) и шестиугольную трубку 15. Однако также возможно вводить несколько сборок, как проиллюстрировано на фиг. 10B, которая представляет вид сверху. В этом случае стойка содержит:
- множество элементарных стоек 100-106,
- фиксированную часть 55 (комплект дисков, выполненных из теплопроводного материала, например, из алюминия, при этом каждый диск имеет соответствующие отверстия, чтобы позволять стойкам проходить к желаемым положениям),
- коронку элементов 550 стойки, при этом каждый элемент имеет тип в соответствии с изобретением, как уже было представлено выше.
Составленная таким образом стойка располагается внутри контейнера, сборка окружается стальным кольцом 54 и слоем 52 смолы. Сборка может быть обеспечена ребрами 56 для отведения тепла; например такие ребра, как показанные на фиг. 10С, выступающие наружу, в направлении внешней части. Эти цифровые позиции 52, 54 снова появляются на фиг. 10А, для варианта единичной стойки.
Таким образом, сборка, составляющая контейнер, может содержать, по меньшей мере, одну элементарную стойку, как описывалось выше, но также может содержать сборку абсорбирующих слоев, например, слой 54 (который может быть выполнен из кованого железа или свинца), чтобы поглощать гамма излучение, а также слой 52 (состоящий из большого количества водорода) для замедления нейтронов.
Элементарная стойка может иметь структуру, которая была описана выше, проходящую по всей ее высоте.
Она также может иметь такую структуру на ограниченной высоте h, которая соответствует той мощности, которую желательно отводить, например, приблизительно 1 м, как показано, например, на фиг. 9А, или как можно увидеть на фиг., сборка 20 подвижных элементов проходит на ограниченную высоту каждой стенки стойки (это та высота, через которую происходит теплообмен). Остающаяся часть составлена из двух однородных частей 20', 20ʺ.
В варианте, проиллюстрированном на фиг. 9В, несколько элементов могут быть расположены в той части, в которой не существует теплообмена или он является незначительным, как в областях 200, 200'. Эти элементы функционируют таким образом, как уже описывалось выше, но они в таком случае только имеют механическую блокирующую функцию, и не имеют функции с точки зрения теплообмена или она является незначительной. И наоборот, сборка 20 подвижных элементов имеет в то же самое время термическую и механическую функцию. Области 200, 200' отделяются от области или участка 20 участком однородного и непрерывного материала, не обеспеченного теплопередающими элементами, как описывалось выше.
Фиг. 9А-9Е представляют этапы загрузки топлива в устройство, в соответствии с изобретением.
Сначала (фиг. 9А) эта сборка, которая все еще не содержит тепловыделяющего элемента, погружается в бассейн 120, при этом крышки 130 ее различных частей остаются открытыми.
Затем (фиг. 9В) теплопередающие элементы стойки поднимаются таким образом, как уже разъяснялось выше, за счет тягового усилия на сборку элементов с помощью средств 21. Таким образом реализуется их поддерживание, при этом между основанием каждого элемента и поверхностью 22, 24, в направлении которой она поворачивается (см. приведенные выше объяснения), создаются зазоры.
Стойка поддерживается в таком приподнятом положении и тепловыделяющий элемент 15 (см. фиг. 9С) может быть введен в центральное отверстие 17.
Воспринимаемая нагрузка на элементы стенки стойки в этом случае переворачивается, как проиллюстрировано на фиг. 9D, для того чтобы позиционировать теплопередающие элементы в контакте друг с другом, при этом не оставляя какого-либо зазора между основаниями этих элементов и стенками.
И на последнем этапе сборка снова закрывается, при этом крышки переводятся назад, в их первоначальное положение (см. фиг. 9Е).
Затем сборку можно будет поднять из бассейна для просушивания.
В дальнейшем в цифровом виде представлены результаты для контейнеров, транспортирующих 1, 7 или 12 сборок. Эти контейнеры обозначаются TC1, ТС2 или ТС12 в зависимости от количества транспортируемых сборок, соответственно 1, 2 или 7 сборок.
Для ограничения 650°С мощность на сборку составляет от 4,6 кВт (ТС12) до 6,3 кВт (ТС1) для стандартных зазоров. Аннулирование этих зазоров позволит получить, соответственно, от 6,6 кВт до 8,8 кВт.
Ниже приводятся оценки полученных приростов в показателях отводимой мощности для заданного температурного критерия, для случая использования сборок, загруженных младшими актинидами.
Геометрия, выбранная для контейнера, является многослойной геометрией:
- представленной на виде сверху на фиг. 10В: в этой геометрии внешний диаметр слоя 550 является таким же, как диаметр в используемой в настоящее время стойке, которая никоим образом не изменяет геометрию остающейся части. Цифровая позиция 54 обозначает стальное кольцо,
e
- или представленной на виде сверху на фиг. 10А: в этой геометрии внешний диаметр D слоя 52 смолы и внешний диаметр алюминиевой стойки 100 сохраняются.
Эти три случая были изучены: случай единичной сборки, случаи семи сборок и двенадцати сборок.
Для случая единичной сборки, исследование эффектов параметров Tmax и зазоров привело к следующим результатам, приведенным на фиг. 11, в которых:
- кривая I соответствует двум зазорам по 1 мм в каждом,
- кривая II соответствует одному внутреннему зазору размером 5 мм и одному внешнему зазору в 1 мм,
- кривая III соответствует одному внутреннему зазору размером 5 мм и одному внешнему зазору в 2 мм,
- кривая IV соответствует двум зазорам по 5 мм,
- кривая V соответствует двум зазорам по 0 мм, другими словами соответствует контакту, полученному в соответствии с настоящим изобретением.
Например, для максимального значения 650°С:
- в случае кривой I, может быть отведено 8 кВт,
- в стандартном случае (кривая III) может быть отведено около 6,3 кВт,
- и оптимальным является 8,7 кВт, когда зазоры исчезают (кривая V).
Для случая 7 сборок, во время параметрического исследования были изучены только стандартный случай и случай, когда зазоры были равны нулю (другие случаи располагаются между этими двумя предельными случаями). Исследование эффектов параметров Tmax и зазоров привело к следующим результатам, приведенным на фиг. 11, в которых:
- кривая I' соответствует одному внутреннему зазору размером 5 мм и одному внешнему зазору в 1 мм; в этом стандартном случае 5,5 кВт могут отводиться на одну сборку, т.е. общая мощность составляет 39 кВт, а смола имеет температуру между 70°С и 88°С,
- кривая I' соответствует двум зазорам 0 мм.
Здесь снова можно увидеть, что уменьшения зазоров дает возможность при заданной максимальной температуре в центре увеличивать отводимую мощность.
Для случая 12 сборок, во время параметрического исследования были изучены только стандартный случай и случай, когда зазоры были равны нулю (другие случаи располагаются между этими двумя предельными случаями). Исследование эффектов параметров Tmax и зазоров привело к следующим результатам, приведенным на фиг. 13, в которых:
- кривая Iʺ соответствует одному внутреннему зазору размером 5 мм и одному внешнему зазору в 1 мм; в этом стандартном случае 4,5 кВт могут отводиться на одну сборку, т.е. общая мощность составляет 54 кВт, а температура в центре составляет меньше 650°С,
- кривая IIʺ соответствует двум зазорам 0 мм.
В этом случае высокой мощности внешняя смола достигает температуры 80°С.
Результаты, показанные на фиг. 13 приводят к тому же самому заключению: уменьшение зазоров дает возможность при заданной максимальной температуре в центре увеличивать отводимую мощность.
В приведенной ниже таблице подводятся итоги результатов отведения мощности для трех приведенных выше конфигураций и для двух различных максимальных температур (450°С и 650°С). Отводимая мощность обозначается для каждого из этих случаев, при этом линией подчеркивания обозначается случай нулевого зазора.
Изобретение применимо в области хранения и/или транспортировки радиоактивных материалов высокого уровня, в частности, топлива высокого уровня четвертого поколения, кроме того, например, тепловыделяющих сборок, заряженных младшими актинидами.