УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ОБЪЕМА И ЛОКАЛИЗАЦИИ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Полезная модель относится к области ядерной техники, а именно, к средствам для размещения и хранения в жидкой среде радиоактивных веществ, в частности, отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), и может быть использована в хранилищах радиоактивных веществ, преимущественно в бассейнах временного размещения, в том числе бассейнах выдержки на АЭС.
Временное размещение и хранение радиоактивных веществ в бассейнах хранилищ производится в емкостях (пеналах), заполненных жидкостью, преимущественно обессоленной водой или водными растворами, содержащими добавки, например, антикоррозионные.
В процессе хранения радиоактивных веществ за счет остаточного тепловыделения происходит испарение жидкости из открытой емкости и уменьшение объема жидкости. Уменьшение объема жидкости в емкости происходит также за счет радиолиза и образования радиолитических газов. Снижение уровня жидкости может вызвать перегрев радиоактивных веществ и привести к аварийной ситуации.
Для обеспечения пополнения пеналов жидкостью в верхней части пеналов, выше радиоактивных веществ, выполняют отверстия для сообщения внутренней полости пенала с жидкой средой (водой) бассейна (патент РФ №2084023, кл. G21C 3/00, опубл. 10.07.97). При этом происходит массообмен между жидкостью пеналов, находящейся в непосредственном контакте с радиоактивными веществами, и водой бассейна, при котором часть радиоактивной жидкости из пеналов попадает в бассейн, что создает значительные сложности по очистки воды бассейна и не обеспечивает безопасность хранения из-за высокого уровня ионизирующего излучения в обслуживаемых помещениях хранилища.
Для повышения безопасности хранения радиоактивных веществ в открытом пенале (емкости), перфорированном в верхней части, уровень жидкости в емкости и бассейне поддерживают ниже кромки отверстий путем периодической подачи обессоленной воды от автономной емкости в пеналы и бассейн (патент РФ №2403633, кл. G21C 19/06, G21F 9/36, опубл. 10.11.2010), что позволяет исключить попадание радиоактивной воды из пеналов с ОЯТ в водный бассейн хранилища и обеспечить чистоту воды в бассейне. В результате снижается уровень ионизирующего излучения в обслуживаемых помещениях хранилища и повышается безопасность хранения ОЯТ. Газы, образующиеся в результате радиолиза воды в пенале, выходят в надводное пространство хранилища и отводятся системой вентиляции.
Постоянный контроль уровня воды в пеналах и бассейне, поддержание этого уровня ниже кромки отверстий и пополнение пеналов водой обеспечивается специальными системами.
Однако высота пенала должна на несколько метров превышать высоту размещенного в нем ОЯТ, в частности, отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС), для обеспечения радиационной защиты персонала за счет слоя воды над ОЯТ. Такие устройства невозможно разместить в бассейне компактно, например, в два яруса. Перегрузка ОЯТ из такого пенала может быть выполнена только с подъемом его из воды выше торца пенала, что делает невозможным осуществлять радиационно более безопасную перегрузку ОЯТ под водой.
Кроме того, требуется постоянный контроль уровня воды в пеналах и бассейне и поддержание этого уровня ниже кромки отверстий.
Использование данного устройства затруднено в ограниченном пространстве, в частности, в бассейнах выдержки на АЭС, поскольку габариты устройства будут препятствовать выполнению других операций, то есть не позволят эксплуатировать реактор в штатном режиме.
При хранении радиоактивных веществ в герметичных емкостях (патент РФ №2477899, кл. G21C 19/06, опубл. 20.03.2013) обеспечивается локализация жидкости в емкости и исключается выход радиоактивной воды в бассейн, тем самым обеспечивается безопасное хранение радиоактивных веществ, в том числе дефектных ОТВС, в бассейне хранилища. ОТВС размещаются в трубах, разделенных дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной несущей трубе. К нижнему торцу труб герметично присоединены днища, образуя емкость, а к верхним торцам - фланцы. На трубы герметично установлены крышки, которые снабжены устройствами в виде головок, в верхней части которых установлены металлокерамические фильтры, через которые удаляются газы, образующиеся во внутренней полости труб в результате радиолиза.
Герметичные емкости с фильтрами компактны и могут быть использованы в ограниченном пространстве, в частности, в бассейнах выдержки на АЭС, не нарушая при этом штатную работу реактора.
Однако устройство, которым снабжены крышки емкости, обеспечивает только удаление радиолитических газов из внутренней полости труб, возможность пополнения труб водой не предусмотрена. В результате чего возможно снижение уровня воды в трубах и, как следствие, перегрев ОТВС, что может привести к аварийной ситуации.
Заявляемая полезная модель позволяет обеспечить безопасность хранения радиоактивных веществ путем исключения попадания радиоактивной жидкости из емкости в окружающую ее жидкую среду бассейна и осуществления отвода газов, образующихся в емкости при радиолизе, при обеспечении пополнения емкости жидкостью без участия персонала и создания специальных систем.
Устройство компенсации объема и локализации жидкости в емкости для размещения и хранения радиоактивных веществ в жидкой среде содержит компенсационный канал, по меньшей мере, один, и газоотводную трубку, по меньшей мере, одну, для соединения внутренней полости емкости с окружающей емкость жидкой средой. При этом объем компенсационного канала превышает увеличение объема жидкости в емкости за счет теплового расширения, а длина компенсационного канала выбрана из условия превышения времени выхода за счет диффузии через компенсационный канал растворенных в жидкости внутри емкости радиоактивных веществ над временем хранения с учетом теплового расширения жидкости. Газоотводная трубка выполнена в форме, обеспечивающей газовый затвор в ней при погружении в жидкую среду. При этом устройство выполнено с возможностью герметичного соединения с внутренней полостью емкости.
Компенсационный канал может быть выполнен в виде трубки, преимущественно уложенной спирально.
Компенсационный канал может быть выполнен в виде винтовой канавки, витки которой изолированы друг от друга для исключения протечек между ними.
Компенсационный канал и газоотводная трубка могут быть размещены в одном корпусе, при этом корпус снабжен элементами для герметичного соединения с внутренней полостью емкости.
Газоотводная трубка может быть соединена с компенсационным каналом нисходящими отводными каналами.
Компенсационный канал может быть выполнен охватывающим газоотводную трубку.
Компенсационный канал и газоотводная трубка могут быть размещены в одном корпусе, компенсационный канал охватывает газоотводную трубку и выполнен в виде трубки, преимущественно уложенной спирально, и/или в виде винтовой канавки, витки которой изолированы друг от друга для исключения протечек между ними. При этом газоотводная трубка соединена с компенсационным каналом нисходящими отводными каналами и установлена с возможностью герметичного соединения с отводящим штуцером емкости или крышки емкости.
Наличие компенсационного канала и газоотводной трубки обеспечивает соединение внутренней полости емкости с окружающей емкость жидкой средой и позволяет разделить пути выхода из емкости жидкости и газа. При этом в зависимости от конструкции емкости, формы исполнения компенсационного канала и газоотводной трубки, условий эксплуатации и других факторов в устройстве может быть несколько компенсационных каналов и/или газоотводных трубок. Они могут быть выполнены независимыми, либо соединены между собой.
Выполнение объема компенсационного канала превышающим увеличение объема жидкости в емкости за счет теплового расширения и выбор длины компенсационного канала из условия превышения времени выхода за счет диффузии через компенсационный канал растворенных в жидкости радиоактивных веществ над временем хранения с учетом теплового расширения жидкости исключит выход жидкости из емкости и растворенных в ней радиоактивных веществ в жидкую среду бассейна хранения. При этом через компенсационный канал обеспечивается подпитка емкости жидкостью из бассейна, что гарантированно исключит снижение уровня жидкости в емкости, а, следовательно, аварийные ситуации, связанные с перегревом хранящихся в емкости радиоактивных веществ, в частности, ОТВС. Кроме того, подпитка емкости жидкостью из бассейна происходит без участия персонала и создания специальных систем.
Выполнение газоотводной трубки в форме, обеспечивающей газовый затвор в ней при погружении в жидкую среду, обеспечит выход газа из емкости через газоотводную трубку и предотвратит выход через нее жидкости из емкости. Газовый затвор исключит также вынос через газоотводную трубку жидкости из емкости с пузырьками газа. При этом газовый затвор будет самовосстанавливающимся за счет радиолиза жидкости в емкости и образования радиолитических газов. В качестве жидкости в емкости используется преимущественно обессоленная вода или водные растворы, содержащие, например, антикоррозионные добавки.
Выполнение устройства с возможностью герметичного соединения с внутренней полостью емкости исключает протечки жидкости из емкости в жидкую среду бассейна хранения в местах соединения устройства с внутренней полостью емкости.
Выполнение компенсационного канала в виде трубки, которая преимущественно уложена в виде спирали, или выполнение компенсационного канала в виде винтовой канавки, витки которой изолируют друг от друга для исключения протечек между ними, обеспечивает отсутствие выхода через компенсационный канал растворенных в жидкости внутри емкости радиоактивных веществ за счет естественной конвекции.
Размещение компенсационного канала и газоотводной трубки в одном корпусе и выполнение компенсационного канала в виде спирали или винтовой канавки, охватывающей газоотводную трубку, обеспечивают компактность устройства, что позволяет использовать его в ограниченном пространстве, в частности, в бассейнах выдержки на АЭС, не нарушая при этом штатную работу реактора.
В некоторых случаях, например, для соединения с емкостью, крышка которой имеет отводящий штуцер, газоотводная трубка соединяется с компенсационным каналом нисходящими отводными каналами и устанавливается с возможностью герметичного соединения с отводящим штуцером. Соединение газоотводной трубки с компенсационным каналом нисходящими отводными каналами обеспечит выход газа только через газоотводную трубку и предотвратит выход газа через компенсационный канал.
Заявляемое устройство иллюстрируется схемами, представленными на Фиг.1 и Фиг.2.
Устройство компенсации объема и локализации жидкости в емкости для размещения и хранения радиоактивных веществ в жидкой среде содержит компенсационный канал (1) с выходным отверстием (2) и газоотводную трубку (3), выполненную в форме, обеспечивающей газовый затвор (4) в ней при погружении в жидкую среду. На схемах Фиг.1 и Фиг.2 газоотводная трубка имеет форму «гусака». При этом устройство выполнено с возможностью герметичного соединения с внутренней полостью емкости (узел соединения на схемах не изображен).
На схеме Фиг.1 компенсационный канал (1) выполнен в виде винтовой канавки, витки которой изолированы друг от друга для исключения протечек между ними. Компенсационный канал (1) и газоотводная трубка (3) размещены в одном корпусе (5). Газоотводная трубка (3) соединена с компенсационным каналом (1) нисходящими отводными каналами (6). На схеме показана установка устройства на крышку (7) емкости, снабженную отводящим штуцером (8). Газоотводная трубка (3) соединяется с отводящим штуцером (8) герметично (элементы соединения на схеме не изображены).
На схеме Фиг.2. компенсационный канал (1) выполнен в виде трубки, уложенной спирально и охватывающей газоотводную трубку (3).
Использование нескольких компенсационных каналов и/или газоотводных трубок и их возможное соединение между собой на схемах не показано.
Устройство работает следующим образом.
После размещения радиоактивных веществ в заполненной жидкостью емкости на нее устанавливают устройство компенсации объема и локализации жидкости в емкости. При этом компенсационный канал (1) и газоотводная трубка (3) соединяют внутреннюю полость емкости с окружающей емкость жидкой средой бассейна хранения. Для герметичного соединения компенсационного канала (1) и газоотводной трубки (3) с внутренней полостью емкости используют известные разъемные или неразъемные соединения (на схемах не изображены). Компенсационный канал (1), заполненный в исходном состоянии водой бассейна, обеспечивает компенсацию теплового расширения жидкости в емкости и потерь жидкости на радиолиз. Выбранные объем и длина компенсационного канала (1) предотвращают выход радиоактивных веществ в жидкую среду бассейна хранения за счет диффузии и теплового расширения жидкости. Образующиеся в результате радиолиза газы отводятся из емкости через газоотводную трубку (3).
3
3
-4
2
-4
3
Пример. В емкость объемом 0,03 м, погруженную в водную среду бассейна хранения и заполненную водой, было загружено ОЯТ в виде фрагментов ОТВС и твэлов, содержащих таблетки топлива. Объем воды в емкости составил 0,024 м. На емкость установили устройство компенсации объема и локализации жидкости в емкости. Площадь поперечного сечения компенсационного канала и газоотводной трубки была выбрана равной ≈10 м. Предполагалось хранение емкости с ОЯТ в бассейне в течение 5 лет. Температура воды в бассейне при нормальном режиме хранения составляет от 30°C до 40°C, при аварийном режиме допускается кратковременное (несколько суток) повышение температуры воды до 100°C без кипения. Абсолютное давление внутри емкости (с учетом гидростатического давления) составляло от 135 до 205 кПа. При увеличении температуры воды в бассейне от 30°C до 100°C увеличение объема воды в емкости в результате теплового расширения составит около 7,5·10 м.
-4
2
Таким образом, при площади поперечного сечения компенсационного канала ≈10 м для компенсации теплового расширения воды в емкости во всех режимах хранения его длина должна составлять не менее 7,5 м.
-9
2
-2
Оценка выхода радиоактивных веществ из пенала за счет диффузии через компенсационный канал проводилась на основании известных физических законов, с помощью известных методов и программ. Коэффициент диффузии для всех радионуклидов был принят равным 10 м/с (консервативное значение). Объемная активность воды в емкости определялась по предельной растворимости урана 1,62·10 г/л с учетом периодов полураспада изотопов. Для предотвращения выхода радиоактивных веществ в воду бассейна за счет диффузии через компенсационный канал его длина должна составлять не менее 2,75 м.
Таким образом, длина компенсационного канала должна составлять не менее 10,25 м: 7,5 м - для компенсации теплового расширения воды в емкости и 2,75 м - для предотвращения выхода радиоактивных веществ в воду бассейна за счет диффузии через компенсационный канал. Консервативно было выбрано значение 10,5 м.
В течение 5 лет хранения емкости, снабженной заявляемым устройством, в бассейне проводились периодические замеры локального значения объемной активности воды на выходе из компенсационного канала, которые не показали превышения над средней активностью воды в бассейне, что подтверждает отсутствие выхода из емкости растворенных в жидкости радиоактивных веществ. Удаление газов, выходящих через газоотводную трубку, осуществляли штатной системой сдувки с поверхности воды бассейна. При этом во время хранения обеспечивалось постоянное пополнение емкости жидкостью.
Таким образом, проведенные испытания подтвердили работоспособность заявляемой полезной модели и обеспечение безопасности хранения радиоактивных веществ, то есть достижение заявляемого эффекта.