ПЕНАЛ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ ЖИДКОГО ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
HOLDER FOR PLACEMENT AND STORAGE OF LIQUID SPENT NUCLEAR FUEL

Изобретение относится к области атомной промышленности, в частности, к транспортированию отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) ядерных реакторов на переработку, а именно, к конструкции пенала для транспортирования жидкого ОЯТ.
Известна емкость для хранения жидких радиоактивных отходов (авторское свидетельство SU №1153720, G21F 9/22, опубл. 27.08.1999), содержащая корпус (бак) с крышкой, трубопровод подвода радиоактивной среды, сообщенный с нижней частью емкости, и трубы подвода и отвода газа. Емкость снабжена установленными по ее высоте конусообразными разделительными перегородками, ориентированными центральной частью вверх и герметично закрепленными между стенкой бака и вертикальной трубой отвода газа. Внутренняя полость трубы отвода газа связана клапанами и гидрозатвором соответственно с верхней и нижней частями каждой замкнутой секции между перегородками, а внутри трубы отвода газа размещен перфорированный трубопровод подвода радиоактивной среды. Каждая секция подключена через клапаны к трубе отвода газа. Подключение каждой секции к трубе подвода газа выполнено через перфорированные наклонные трубки, размещенные под каждой перегородкой.
Емкость может быть использована для транспортирования жидких радиоактивных отходов внутри объекта без значительных механических нагрузок, однако невозможно обеспечить защиту емкости, соответствующую требованиям безопасности при транспортировании между объектами, например, при перевозке жидкого ОЯТ ядерных реакторов на предприятия по его переработке.
Известен пенал, предназначенный для транспортирования жидкого ОЯТ в специальных транспортных упаковках, в том числе воздушным транспортом, который обеспечивает безопасность выполнения работ по загрузке жидкого ОЯТ в пенал и выгрузке жидкого ОЯТ из пенала (патент RU 171174, U1, опубл. 23.05.2017).
Пенал содержит корпус с крышкой, трубку подвода и отвода ОЯТ, сообщенную с нижней частью пенала, и патрубок газовый. В горловине корпуса установлен штуцер топливный, соединенный с трубкой подвода и отвода ОЯТ, и штуцер газовый, соединенный с патрубком газовым. В верхней части внутренней полости корпуса установлен аэратор, по меньшей мере, один, и биологическая защита. При этом штуцер топливный или трубка подвода и отвода ОЯТ и штуцер газовый или патрубок газовый проходят через биологическую защиту. Кроме того, штуцер топливный снабжен герметизирующей пробкой. В патрубке газовом установлен защитный клапан, а на торце патрубка газового установлено приспособление с каналом, форма и протяженность которого выбрана из условия предотвращения попадания жидкого ОЯТ в патрубок газовый. Диаметр трубки подвода и отвода ОЯТ выбран из условия обеспечения загрузки и выгрузки транспортируемого ОЯТ с учетом его физических свойств.
Этот пенал принимается за прототип, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому техническому решению.
Недостатками пенала являются:
- пенал имеет один контур уплотнения, что снижает надежность локализации в нем радиоактивных продуктов без попадания их в окружающую среду;
- биологическая защита пенала в зоне расположения трубки подвода-отвода жидкого ОЯТ и газового патрубка отсутствует, что повышает дозу облучения персонала при проведении технологических операций, в частности, при обращении с жидким ОЯТ высокой радиационной активности.
Техническим результатом является создание пенала повышенной безопасности, способного обеспечить защиту персонала при выполнении работ по загрузке жидкого ОЯТ в пенал и выгрузке ОЯТ из пенала, находящегося в контейнере транспортного упаковочного комплекта (ТУК), а также обеспечение надежной локализации радиоактивного содержимого без попадания радиоактивных веществ в окружающую среду в опасных концентрациях.
Технический результат достигается тем, что в пенале для размещения и хранения жидкого отработавшего ядерного топлива, содержащем корпус, разделенный переборкой на верхнюю и нижнюю часть, крышку, трубку подвода и отвода отработавшего ядерного топлива, сообщенную с нижней частью корпуса, патрубок газовый, установленный в горловине корпуса, штуцер топливный, снабженный герметизирующей пробкой и соединенный с трубкой подвода и отвода отработавшего ядерного топлива, и штуцер газовый, соединенный с патрубком газовым, биологическую защиту, размещенную во внутренней полости верхней части корпуса, и аэратор, расположенный вверху полости нижней части корпуса, крышка имеет уплотнительный элемент и герметично закреплена в имеющейся выемке горловины корпуса с помощью крепежных элементов, образуя полость, в которую выведены штуцеры топливный и газовый, штуцер газовый снабжен герметизирующей пробкой, трубка подвода и отвода отработавшего ядерного топлива выполнена составной, при этом оси трубок смещены и каналы трубок сообщаются друг с другом через имеющийся канал в переборке, вход патрубка газового в нижнюю часть корпуса организован в сторону относительно оси последнего, биологическая защита выполнена из двух частей, первая установлена в верней части корпуса, окружает верхнюю часть трубки подвода и отвода отработавшего ядерного топлива и патрубок газовый, вторая - в нижней части корпуса на переборке между нижней частью трубки подвода и отвода ОЯТ и выходом канала патрубка.
В вариантах исполнения пенала:
- биологическая защита в верхней части корпуса выполнена составной, одной частью которой является горловина, а другой - вкладыш из материала высокой плотности, например, свинца;
- биологическая защита, расположенная на переборке в нижней части корпуса, выполнена из материала высокой плотности, например, свинца, и облицована коррозионно-стойкой сталью;
- патрубок газовый в нижней части имеет переходник с угловым каналом, выходящим в имеющуюся полость переборки, закрытой перфорированной крышкой со стороны нижней части корпуса;
- пробки штуцера топливного и штуцера газового имеют сферическую уплотняемую поверхность и шарнирный шток с уплотнительными кольцами;
- наружный диаметр нижней части корпуса напротив зоны расположения внутренней полости выполнен меньше диаметра верхней части корпуса и днища;
- биологическая защита в нижней части корпуса выполнена в форме овала с выступами, расположенными напротив каналов штуцера топливного и штуцера газового.
Наличие в крышке пенала уплотнительного элемента позволяет при закреплении крышки в имещейся выборке горловины пенала с помощью крепежных элементов обеспечить внешний контур герметизации топливного и газового штуцеров.
Наличие в штуцере газовом и штуцере топливном сферических уплотняемых поверхностей и шарнирных штоков с уплотнительными кольцами, обеспечивает двухконтурную систему герметичности каналов топливного и газового.
Выполнение биологической защиты в верхней части корпуса составной, одной частью которой является горловина, а другой - вкладыш из материала высокой плотности, например, свинца, исполнение трубки подвода-отвода ОЯТ составной, со смещением осей трубок и соединение их через имеющийся канал в переборке, организация входа патрубка газового в нижнюю часть корпуса в сторону относительно оси последнего, а также расположение биологической защиты из материала высокой плотности, например, свинца, на переборке в нижней части корпуса, выполненной в форме овала с выступами, расположенными напротив каналов штуцера топливного и штуцера газового, позволяет при нахождении жидкого ОЯТ в пенале уменьшить уровень гамма излучения на наружной торцовой поверхности горловины до безопасного уровня для обслуживающего персонала.
Облицовка биологической защиты, расположенной в нижней части корпуса, коррозионно-стойкой сталью обеспечивает ее надежную защиту от воздействия жидкого ОЯТ.
Наличие патрубка газового в нижней части имеющего переходник с угловым каналом, входящего в имеющуюся полость переборки и закрытого перфорированной крышкой со стороны нижней части корпуса, предотвращает попадание жидкого ОЯТ в патрубок газовый и способствует повышению безопасности проводимых работ при эксплуатации пенала.
Выполнение наружного диаметра нижней части корпуса напротив зоны расположения внутренней полости меньше диаметра верхней части корпуса и днища обеспечивает извлечение пенала из внутренней полости контейнера при деформации корпуса в случае замерзания жидкого ОЯТ.
На фиг. 1 показан общий вид пенала для транспортирования и хранения жидкого ОЯТ, установленного в контейнер транспортного упаковочного комплекта (ТУК), на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - выносной элемент Б на фиг. 1.
Контейнер 1 ТУК имеет полость, в которой установлен пенал 2.
Пенал 2 состоит из следующих основных составных частей:
- корпуса 3 цилиндрической формы, выполненного в виде стальной сварной конструкции из коррозионно-стойкой стали. Внутренняя полость корпуса разделена переборкой 4 на две части - верхнюю и нижнюю. На наружной цилиндрической поверхности корпуса имеется кольцевая проточка «а». Ha горловине 5 корпуса 3 расположены штуцер топливный 6 и штуцер газовый 7;
- вкладыша 8, выполненного из материла высокой плотности, например, свинца;
- составной трубки подвода - отвода 9 жидкого ОЯТ, проходящей через отверстия в горловине 5 и вкладыше 8, при этом каналы частей трубки сообщаются между собой через канал «в», имеющийся в переборке 4;
- патрубка газового 10, имеющего переходник 11 с угловым каналом. Патрубок газовый 10 проходит через отверстия в горловине 5 и вкладыше 8, при этом канал переходника 11 сообщается с имеющейся в переборке 4 полостью «с», закрытой перфорированной крышкой 12 со стороны нижней части корпуса 3;
- аэратора 13;
- биологической защиты 14, состоящей из вкладыша 15, выполнного из материала высокой плотности, например, свинца, и облицовки 16, выполненной из коррозионно-стойкой стали;
- герметизирующей пробки 17 с шарнирным штоком 18, имеющем уплотнительные кольца 19. Пробка 17 установлена по посадке «шар-конус» в шуцер топливный 6 и закреплена на нем гайкой 20;
- герметизирующей пробки 21 с шарнирным штоком 22, имеющим уплотнительные кольца 19. Пробка 21 установлена по посадке «шар-конус» в шуцер газовый 7 и закреплена на нем гайкой 23;
- крышки 24 с уплотнительным кольцом 25. Крышка 24 установлена в имеющейся выемке горловины 4 и закреплена крепежными элементами 26, например, винтами с шайбами;
- штифта 27.
Использование пенала по назначению осуществляется следующим образом:
- пенал 2 устанавливают в полость контейнера 1 по имеющемуся в контейнере пазу с помощью штифта 27;
- снимают крышку 24;
- снимают со штуцера топливного 6 пробку 17, со штуцера газового 7 - пробку 21;
- подсоединяют к штуцеру газовому 7 трубопровод системы вакуумирования. К штуцеру топливному 6 подсоединяют трубопровод системы подачи жидкого ОЯТ из комплекса временного хранения;
- обслуживающий персонал покидает помещение;
- дистанционно включают систему вакуумирования и создают в полости нижней части корпуса 3 разряжение;
- дистанционно включают систему подачи жидкого ОЯТ, которое поступает порциями из комлекса временного хранения по трубопроводу в полость нижней части корпуса 3, при этом взвесь капель жидкого ОЯТ, образующаяся во время заполнения пенала, задерживается на аэраторе 13 и перфорированной крышке 12, что предотвращает попадание капель жидкого ОЯТ в канал патрубка газового 10;
- после заполнения пенала жидким ОЯТ для дезактивации трубопровода подачи жидкого ОЯТ и каналов пенала 2, по которым поступало жидкое ОЯТ, дистанционно от дезактивирующей системы в полость пенала подают дезактивирующий раствор. После прохождения дезактивирующего раствора обслуживающий персонал заходит в помещение. От штуцера газового 7 отстыковывают трубопровод для вакуумирования и на него устанавливают герметизирующую пробку 21 с помощью гайки 23. Затем от штуцера топливного 6 отстыковывают трубопровод подачи жидкого ОЯТ и на него устанавливают герметизирующую пробку 17 с помощью гайки 20;
- устанавливают крышку 24 в выемку горловины 5 и закрепляют ее крепежными элементами 26.
Для хранения и транспортирования пенала с жидким ОЯТ в составе ТУК на контейнер 1 устанавливают герметично крышку из состава ТУК, при этом зазор между крышкой и открытой торцовой поверхностью горловины 4 минимальный, что ограничивает вертикальные перемещения пенала при транспортировании.
3
3
Разработан опытный образец пенала, геометрические параметры которого, выбраны из условия обеспечения радиационной безопасности обслуживающего персонала при заполнении пенала жидким ОЯТ объемом - 5,1 дм суммарной активностью ≈ 915 Ки и дезактивирующим раствором - 0,5 дм.
3
Габаритные размеры пенала для транспортирования жидкого ОЯТ составляют - диаметр 185 мм, длина 540 мм, объем полости пенала - 6,3 дм.
Основной конструкционный материал пенала - сталь 08Х18Н10Т ГОСТ 5632-72.
Материал биологических защит 8 и 14 - свинец С1 ГОСТ 3778-98.
Проведенные прочностные, радиационно-ядерные, тепловой расчеты и расчет утечек радиоактивного содержимого показали, что конструкция пенала в составе транспортного упаковочного комплекта обеспечивает:
- загрузку жидкого ОЯТ поступающего из комлекса временного хранения;
- транспортирование ТУК с пеналом, содержащим жидкое ОЯТ автомобильным, железнодорожным и водным транспортом;
- перегрузку ТУК с пеналом, содержащим жидкое ОЯТ с одного вида транспорта на другой при помощи грузоподъемного оборудования;
- защиту радиоактивного содержимого от внешних механических, термических и других воздействий в обычных и нормальных условиях транспортирования и хранения;
- радиационную безопасность обслуживающего персонала, населения и окружающей среды;
- исключение выхода радиоактивного содержимого в окружающую среду выше установленных пределов согласно правилам НП-053-16 и МАГАТЭ SSR-6;
- ядерную и радиационную безопасность при нормальной эксплуатации, нарушениях нормальной эксплуатации, включая проектные аварии.