Транспортный упаковочный контейнер для транспортировки и временного хранения некондиционного отработавшего ядерного топлива

Полезная модель относится к области атомной энергетики (атомных электростанций) и может быть использована для предотвращения пожара или взрыва от возгорания водорода как продукта радиолиза воды при транспортировке и временном хранении некондиционного отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) реакторов большой мощности канальных (РБМК) в транспортных упаковочных контейнерах (ТУК) в места их переработки.
В настоящее время для временного хранения и транспортировки кондиционных ОЯТ реакторов РБМК к местам их переработки разработаны, испытаны и сертифицированы крупногабаритные транспортные упаковочные контейнеры нового поколения ТУК 109Т, налажено их производство в промышленных масштабах, обеспечивающих плановую перевозку ОЯТ. Конструкция ТУК 109Т приведена, например, в патенте RU 2510721 (опубл. 10.04.2014) и описана в статье «Крупногабаритный контейнер ТУК-109Т для перевозки ОЯТ. Обоснование безопасности транспортировки» (Вопросы атомной науки и техники. Серия: материаловедение и новые материалы. №3 (90), 2017, стр. 55-72) и ряде других источников.
Перед помещением в ТУК отработавшие тепловыделяющие сборки (ТВС) ОЯТ разрезают на две части. Каждую из частей помещают в защитную ампулу, которая представляет собой тонкостенный стакан из нержавеющей стали внутренним диаметром 98 мм и высотой около 4 м с негерметичной крышкой. Ампулы устанавливаются в пенал, который представляет собой каркас с решетками. В пенал может быть установлено до 144 ампул. При помощи дистанционно управляемого захвата пенал с ампулами устанавливается в контейнер. Затем контейнер закрывается крышками и герметизируется.
Одной из проблем транспортировки контейнеров с ОЯТ к местам их переработки и захоронения является обеспечение их водородной безопасности. Радиолиз находящихся в свободном объеме контейнера паров воды приводит к образованию взрывоопасной смеси водорода и кислорода. Основным подходом обеспечения водородной безопасной транспортировки и хранения кондиционного ОЯТ является создание в полости контейнера специальной среды, в которой минимизируется количество воды, не более 0,1 кг на контейнер.
Требуемый состав среды обеспечивается операцией вакуумирования контейнера (так называемая вакуумная сушка внутреннего объема контейнера), содержащего ампулы с ОЯТ, с последующим заполнением пространства контейнера газом хранения (азот или аргон).
Недостатком описанного ТУК является невозможность его использования для транспортировки некондиционного ОЯТ. Это связано с тем, что в некондиционном ОЯТ содержится большое количество воды. При загрузке такого ОЯТ в ампулы большая часть воды сливается. Тем не менее, после загрузки всех ампул в контейнере остается до 40 кг воды. Удаление такого количества воды методом вакуумирования контейнера занимает длительное время (несколько суток) и сопровождается выходом с парами воды за пределы пространства контейнера продуктов деления в виде аэрозолей и образованию большого количества жидких радиоактивных отходов.
Известен контейнер, с использованием которого реализован способ освобождения газовой среды внутренней полости контейнера для транспортировки отработавших тепловыделяющих сборок от водяных паров (патент РФ №2238599, опубл. 20.10.2004). Контейнер содержит корпус, внутренняя полость которого перекрыта защитной герметизирующей крышкой. Во внутреннюю полость контейнера вставлена решетка с отверстиями-ячейками для установки ампул с отработавшими сборками ТВЭЛ. В такой решетке предусмотрены места для установки, например, 3-х блоков, каждый из которых содержит две герметичные упаковки с геттерным материалом. В качестве геттерного материала используют, например, оксид кальция, поглощающий пары воды с образованием гидроксида кальция. После установки упаковок с геттерным материалом в контейнер и герметизации контейнера осуществляют разгерметизацию упаковок радиационным и/или тепловым воздействием ОЯТ, помещенных в контейнер. Изобретение обеспечивает возможность оптимального использования геттерного материала благодаря исключению преждевременного контакта последнего с газовой средой, заполняющей внутреннюю полость контейнера, что в конечном итоге обеспечивает повышение водородной безопасности.
Для транспортировки некондиционного топлива такой способ также неприменим. Прежде всего, это связано с тем, что, согласно патенту, введение в ТУК геттерного материала является дополнительной мерой удаления паров воды после обязательной процедуры его вакуумирования (вакуумной сушки). Без предварительного вакуумирования для удаления из контейнера 40 кг воды (в случае транспортировки некондиционного ОЯТ в крупногабаритном контейнере) требуется устанавливать в транспортный контейнер герметичные упаковки геттерного материала в количестве, по меньшей мере, 150 кг (двукратный избыток геттерного материала). Это приводит к необходимости существенных изменений конструкции контейнера (установка дополнительных элементов внутри контейнера). Кроме того, внесение в объем контейнера большого количества геттерного материала (оксид кальция) приводит к существенному увеличению объема радиоактивных отходов, образующихся при разгрузке контейнера в местах переработки ОЯТ.
Известен защитный контейнер (патент РФ №1085421, опубл. 20.01.1995), предназначенный для перевозки отработавших тепловыделяющих элементов АЭС, в том числе АЭС с реактором типа РБМК, к местам расположения заводов по переработке облученного ядерного топлива. Защитный контейнер содержит корпус, заполненный водой до уровня, определяемого сливным отверстием. Для предотвращения накопления гремучей смеси в результате радиолиза паров воды, в контейнере установлено многоэлементное устройство для каталитического сжигания водорода (рекомбинатор водорода), представляющее собой металлический каркас с закрепленными на нем каталитическими элементами. Каждый из элементов имеет металлический корпус, в который вмонтирован катализатор в виде керамических трубок, на внутреннюю и наружную поверхность которых нанесена платиновая чернь. Поверхность каждого элемента катализатора гидрофобизирована. Многоэлементное устройство каталитического сжигания водорода закреплено на нижней поверхности крышки контейнера.
К недостаткам описанного в аналоге контейнера следует отнести необходимость его заполнения водой, что влечет за собой появление больших объемов жидких радиоактивных отходов, требующих дальнейшей переработки. При этом радиолиз паров воды происходит в верхней части контейнера, где размещен рекомбинатор водорода. В случае «сухого» размещения ОЯТ радиолиз паров воды происходит по всей высоте объема контейнера и эффективность работы рекомбинатора, при его установке в верхней части контейнера, снижается. Кроме того, в контейнере ТУК 109Т не предусмотрено место для размещения каталитического рекомбинатора водорода. Введение подобного рекомбинатора в состав ТУК 109Т приводит к необходимости доработки его конструкции (крепление элементов рекомбинаторов в крышке контейнера), и, как следствие, требует последующего проведения трудозатратных полномасштабных испытаний ТУК с целью его сертификации в соответствии с требованиями российских правил обеспечения безопасности на предприятиях атомной энергетики. С учетом того, что количество некондиционных ОЯТ составляет не более 0,5% от общего количества подлежащих переработке ОЯТ, такая доработка ТУК экономически невыгодна.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при использовании заявляемой полезной модели, заключается в расширении арсенала транспортных упаковочных контейнеров для транспортирования и временного хранения некондиционного ОЯТ, в том числе ОЯТ, содержащих большое количество воды и создании устройства, которое позволит без внесения изменений в конструкцию ТУК значительно повысить безопасность их транспортировки к местам переработки за счет каталитического удаления гремучей смеси, образующейся в контейнере в результате радиолиза паров воды.
Решение проблемы с достижением технического результата обеспечивается тем, что транспортный упаковочный контейнер для транспортировки и временного хранения ОЯТ, включающий корпус, внутренняя полость которого перекрыта защитной герметизирующей крышкой и в которой размещен пенал с дистанционирующими решетками для установки защитных ампул с ОЯТ, контейнер снабжен элементом для каталитического сжигания водорода, при этом указанный элемент размещен вместо ОЯТ в одной из защитных ампул и представляет собой пассивный рекомбинатор водорода, выполненный в виде сборки из, по меньшей мере, двух дисков сотовой керамики, при этом диски отделены друг от друга и удерживаются от перемещения в полости ампулы при помощи дистанционирующих элементов, а на боковой поверхности защитной ампулы выполнены отверстия для обеспечения контакта герметичного газового объема контейнера с внутренним объемом защитной ампулы с рекомбинатором. Кроме того, на поверхность каждого диска нанесен катализатор дожигания водорода, а поверхность катализатора гидрофобизирована.
Достигаемые преимущества и особенности предлагаемой полезной модели поясняются вариантом ее выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
Транспортный контейнер ТУК 109Т (фиг. 1) выполнен в виде металлической цилиндрической конструкции, состоящей из корпуса 1 и двух крышек - внутренней 2 и наружной 3. Во внутренней полости ТУК размещается чехол 4 для загрузки ампул с ОЯТ.
Чехол 4 (фиг. 2) представляет собой сварную металлоконструкцию, выполненную из нержавеющей стали и состоящую из пяти решеток 5, плиты верхней 6 и нижней 7, установленных на трубу 8 и объединенных стойками (на фиг.не показаны). В каждой из решеток 5 равномерно выполнены отверстия 10 для установки ампул с ОЯТ.
Ампула для размещения ОЯТ (фиг. 3а) представляет собой корпус 11 с хвостовиком 12 и съемной крышкой 13. В верхней части корпуса 11 ампулы установлен пружинный демпфер 14, обеспечивающий снижение продольных нагрузок на ОЯТ, размещаемые межу демпфером и дном ампулы.
В предлагаемой полезной модели пассивный рекомбинатор водорода установлен в одной из описанных выше ампул вместо ОЯТ (фиг. 3б). Внутри корпуса 11 между пружинным демпфером 14 и дном ампулы размещен набор цилиндрических элементов сотовой керамики 15 с нанесенным на их поверхность катализатором рекомбинации водорода. Поверхность катализатора гидрофобизируется. Цилиндрические диски сотовой керамики 15 удерживаются от перемещения в полости ампулы при помощи дистанционирующих элементов 16, которые зафиксированы пружинным демпфером 14. Для обеспечения контакта атмосферы контейнера с катализатором в корпусе ампулы выполнена перфорация 17.
Если в данный контейнер предполагается загрузить некондиционное ОЯТ, то в одно из мест ближе к центру пенала устанавливается ампула с пассивным рекомбинатором водорода. После загрузки ампул с ОЯТ в контейнер и его герметизации нет необходимости полного удаления воды из контейнера. Образующийся при хранении такого контейнера с загруженными ампулами с ОЯТ водород и кислород будут утилизироваться на каталитических элементах пассивного рекомбинатора. Так как в процессе хранения не происходит расходование материала рекомбинатора (как в аналоге 2), это позволяет безопасно хранить ОЯТ в таком контейнере в течение длительного времени, регламентируемым конструкцией ТУК.
После выгрузки ОЯТ из контейнера в месте хранения или переработки, съемная ампула с рекомбинатором может быть утилизирована, аналогично ампулам с ОЯТ, или дезактивируется и возвращается для повторной загрузки ОЯТ в ТУК.
Предлагаемое техническое решение устраняет проблему образования взрывоопасных концентраций водорода в газовой среде контейнера ТУК 109Т без изменения его конструкции и обеспечивает безопасную транспортировку и хранение некондиционных ОЯТ. Таким образом, осуществляется универсализация контейнера ТУК 109Т - как для перевозки кондиционного ОЯТ, так и некондиционного ОЯТ. Такой подход может быть реализован и для других ТУК (без внесения изменений в их конструкцию), в которых возможно размещение пассивного рекомбинатора водорода в ампуле, предназначенной для загрузки ОЯТ.