ОЧЕХЛОВАННАЯ ТОПЛИВНАЯ СБОРКА Российский патент 1997 года по МПК G21C3/00 G21F5/06 

Изобретение относится к области ядерной энергетики, касается, в частности, технологии обращения с отработанным ядерным топливом и может быть использовано для транспортировки и хранения его в бассейнах АЭС.

Транспортирование и хранение топливных сборок ядерных реакторов производится в очехлованном виде. Необходимость использования чехлов (пеналов) продиктована условиями защиты топливных сборок от механических повреждений при их транспортировании, а также в процессе хранения. Пеналы являются также средством защиты днища бассейна при возможном падении топливной сборки.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является очехлованная топливная сборка с отработанным ядерным топливом. Очехлованная топливная сборка состоит из пенала с дном и установленного в его полости отработанного ядерного топлива. Пенал разгерметизирован в основании и выше топливной сборки посредством отверстий, выполненных в стенах пеналов. Очехлованные топливные сборки размещаются в бассейне под защитным слоем воды. Пеналы и бассейн заполняют химически обессоленной водой. Воду в бассейне непрерывно очищают и охлаждают. Теплообмен между теплоносителем отработанной топливной сборки и водой бассейна происходит через стенки пенала. Отверстия, выполненные в стенах пеналов, позволяют сообщить объем полости очехлованной топливной сборки с объемом бассейна, при этом интенсифицировать теплосъем с ТВЭЛ, организовать водно-химический режим в полости очехлованной топливной сборки.

Недостатком технического решения по наиболее близкому аналогу является то, что пенал с отверстиями, выполненными в стенах пенала, без указания места их расположения оправдывает свое назначение только с целью интенсификации тепломассообмена в пенале. Известно, что при повышении температуры теплоносителя повышается концентрация радионуклидов. В связи с тем, что температура теплоносителя наивысшая в верхней части пенала, происходит интенсивный рост радионуклидов в этой зоне. Разница температур верхней и нижней зоны пенала обусловлена процессом конвекции. Кроме того, накопление твердых радиационно загрязненных продуктов происходит на дне пенала.

Задача, решаемая предлагаемым техническим решением, заключается в организации интенсивного вывода скопившихся радионуклидов из верхней зоны пенала и, как следствие, улучшение экологической безопасности АЭС.

Сущность изобретения заключается в том, что в очехлованной топливной сборке, содержащей пенал с дном и установленную в его полости сборку с отработанным ядерным топливом, разгерметизированный в основании и выше топливной сборки посредством групп отверстий, выполненных в стенке пенала, предложено отверстия верхней группы выполнить на высоте равной 74 150 наружных диаметров пеналов, выше верхнего торца топливной сборки. Выполнение отверстий в пенале выше верхнего торца ТВС на расстоянии, указанном в заявке, позволит быстро заменить только воду пенала находящуюся выше торца ТВС и содержащую наивысшую концентрацию радионуклидов. При этом твердые отложения, осевшие на нижнем торце пенала, не выносятся в бассейн. В тоже время, такое ограниченное колебание уровня в бассейне (незначительно ниже верхнего уровня отверстий) незначительно стимулирует истечение через нижний ряд отверстий. Таким образом, при таком расположении отверстий происходит более интенсивный обмен радиационно зараженной воды в пенале, чем при естественном конвекционном перемешивании. Нижняя группа отверстий может быть выполнена как на боковой стенке пенала, так и в дне, либо там и там одновременно. Верхняя группа отверстий выполнена на высоте 74 150 наружных диаметров пенала из условия размещения отверстий выше верхнего торца топливной сборки, но не выше уровня зеркала воды бассейна.

На фиг.1 дан общий вид очехлованной топливной сборки; на фиг.2 - продольный разрез пенала; на фиг.3 поперечный разрез пенала в районе размещения нижней группы отверстий; на фиг.4 разрез нижней части пенала в вертикальной плоскости; на фиг.5 поперечный разрез очехлованной топливной сборки; на фиг. 6 очехлованная топливная сборка, установленная в бассейне.

Очехлованная топливная сборка (фиг.1) состоит из корпуса 1 пенала с дном 2. В корпусе 1 пенала выполнены две группы отверстий 3 и 4. Нижняя группа отверстий 3 может быть выполнена либо в стенке корпуса 1 пенала (фиг.1), либо в донной 2 части (фиг.4), либо в стенке корпуса 1 и донной 2 части одновременно (фиг.6). Верхняя группа отверстий 4 выполнена в стенке корпуса 1 на высоте равной 74 150 наружных диаметров пеналов, выше верхнего торца топливной сборки 5 (фиг.1, 2, 6), установленной в корпусе 1 пенала. Топливная сборка 5 (фиг.2, 5, 6) содержит тепловыделяющие элементы 6 (ТВЭЛ), каналы 7 для прохода теплоносителя между ТВЭЛ 6, дистанционирующие решетки 8 ТВЭЛ, подвеску 9, дроссель 10 подвески 9. Очехлованная топливная сборка установлена на опорные балки 11 водного объема бассейна 12.

Работа очехлованной топливной сборки проиллюстрирована на примере ее использования в бассейне 12 (фиг.2, 5, 6). Под воздействием теплового потока остаточного энерговыделения топливной сборки происходит непрерывный процесс нагрева воды, находящейся в объеме очехлованной топливной сборки каналах 7 между ТВЭЛ 6 и кольцевом зазоре между стенкой корпуса 1 пенала и наружной поверхностью топливной сборки 5 (фиг.5). В результате нагретые массы воды и пара устремляются по каналам 7 и указанному зазору в верхнюю область пенала. Нагретая вода и пар непрерывно будут выходить в объем бассейна 12 через отверстия 4 в корпусе 1 пенала, которые выполнены выше торца ТВС до дросселя 10. Под воздействием восходящего потока воды и пара организуется приток охлажденной и очищенной воды бассейна через отверстия 3 во все внутренние полости очехлованной топливной сборки. Причем наибольший приток и наибольшая скорость перемещения масс воды будет происходить в наиболее горячих зонах очехлованной топливной сборки в верхней зоне каналов 7. Таким образом, будет происходить процесс эффективного расхолаживания топливной сборки 5 (фиг.6). Кроме того, восходящие потоки воды и паров будут захватывать и выносить взвеси и примеси рыхлые окисные отложения на поверхности топливной сборки 5 и продуктов радиолитического происхождения. Вода с указанными включениями из очехлованной топливной сборки после выхода в объем бассейна 12 совместно с водой бассейна 12 поступает на установку охлаждения и очистки воды бассейна 12 (не показано) и вновь возвращается в бассейн 12. Указанным образом организуется эффективный теплосъем и создается коррозионностойкий режим в полости очехлованной топливной сборки.

Реализация предлагаемого технического решения позволяет защитить отработанное ядерное топливо (ОЯТ) от механических повреждений в течение периода обращения с ним в бассейне (транспортирование и хранение) и вместе с тем делает возможным организовать эффективное расхолаживание и хранение ОЯТ в условиях регулируемого водно-химического режима. Указанное предотвратит разгерметизацию оболочек ТВЭЛ и повысит экологическую безопасность АЭС.

Использование: в технологии обращения с отработанным ядерным топливом и может быть использовано для транспортирования и хранения его в бассейнах АЭС. Сущность: в очехлованной топливной сборке, содержащей пенал с дном и установленную в его полости сборку с отработанным ядерным топливом, разгерметизированный в основании и выше топливной сборки посредством групп отверстий, выполненных в стенке пенала, отверстия верхней группы выполняются на высоте, равной 74 - 150 наружных диаметров пеналов, выше верхнего торца сборки. 6 ил.

Очехлованная топливная сборка, содержащая пенал с дном и установленную в его полости сборку с отработанным ядерным топливом, разгерметизированный в основании и выше топливной сборки посредством групп отверстий, выполненных в стенке пенала, отличающаяся тем, что отверстия верхней группы выполнены на высоте 74 150 наружных диаметров пеналов, выше верхнего торца топливной сборки.