КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И/ИЛИ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Российский патент 1997 года по МПК G21F5/08 

Изобретение относится к контейнерам для длительного сухого хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС) в виде тепловыделяющих сборок (ТВС).

Длительное хранение ОЯТ на территории АЭС в укрытиях либо на открытом воздухе с последующей их транспортировкой в региональные хранилища или на радиохимические заводы обуславливает повышенные требования к прочности контейнера и радиоционным защитным свойствам при аварийных ситуациях, возможных в процессе транспортировки и хранения, например предъявляемые нормативными документами МАГАТЭ требованиях включают обеспечение:
радиационной безопасности персонала при транспортировке и хранении контейнера;
герметичности при аварийном падении с высоты 9 м на жесткое основание или на штырь диаметром 150 мм с высоты 1 м;
стойкости к воздействию ударной волны с давлением во фронте 30 кПа;
сохранности при падении на контейнер самолета массой 20 т при скорости самолета 200 м/сек;
стойкости к тепловому воздействию при пожаре при температуре 800^oC в течение 30 минут и при погружении в воду на глубину 15 и в течение 8 часов.

Известен контейнер для транспортировки выгоревших ТВС, который содержит внутреннюю и наружную цилиндрические стенки с днищами из нержавеющей стали и защитное перекрытие с элементами его крепления [1] На наружной стенке расположены кольцевые теплоотводящие ребра. Между стенками расположена радиационная защита в виде урановых отливок герметично объединенных соединительными элементами.

Недостатком этой конструкции является то, что она не обеспечивает надежную защиту от быстрых нейтронов, наличие ребер на наружной поверхности вызывает перегрев ее и контейнера в целом в случае пожара. Кроме того конструкция сложна технологически и трудоемка в изготовлении.

Известен контейнер для транспортировки и хранения ТВС [2] Он содержит толстостенный корпус с охлаждающими ребрами на внешней поверхности и коррозионную внутреннюю футеровку. Корпус герметизирован двумя крышками, а внутренняя футеровка удерживается на корпусе резьбовыми втулками.

Недостатком известной конструкции является также недостаточная защита от быстрых нейтронов, быстрый перегрев корпуса при возможном пожаре, а также то, что для изготовления толстостенного контейнера требуется уникальное металлургическое оборудование, высокая трудоемкость при изготовлении и, следовательно, высокая стоимость.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является контейнер для хранения радиоактивных отходов, помещенных в стальные бидоны, который и выбран в качестве ближайшего аналога-прототипа [3] Он представляет собой двухстенный резервуар с днищами, выполненный из металла, закрываемый защитным перекрытием с устройством его крепления и герметизации. Полость между стенками (оболочками) резервуара заполнена тяжелым бетоном.

Однако известное устройство имеет ряд недостатков:
в условиях длительного хранения и температурных перепадах наружного воздуха и усталостных явлениях материала силы сцепления между бетоном и наружной оболочкой уменьшаются и оболочка не обеспечивает армирование (скрепление) бетона, снижая при этом общую и местную прочность контейнера, и склонность бетонного ядра к трещинообразованию;
при испытаниях на соответствие требованиям МАГАТЭ в результате местного воздействия штыря оболочка передает практически всю нагрузку на бетон, в котором распространяется квазисферическая волна, который подвергается хрупкому разрушению. Несвязанная надежно с бетоном наружная оболочка препятствует разрушению недостаточно эффективно;
наружная оболочка несвязанная достаточными силами сцепления с бетоном также не вовлекается в работу и при изгибе профиля поперечного сечения контейнера;
развитие под воздействием штыря трещины, которая может распространиться на всю глубину бетонного слоя, что может вызвать повышение локального нагружения внутренней оболочки на вершине трещины и развитие трещины по толщине внутренней оболочки и, соответственно, потерю герметизации контейнера.

Указанные недостатки связаны с нерациональным распределением металла в конструкции и отсутствием арматуры, эффективно работающей в бетоне.

Задача, решаемая изобретением, заключается в том, чтобы повысить защиту ОЯТ и защиту контейнера в случае аварийных ситуаций путем повышения прочностных характеристик контейнера и надежности герметизации его внутренней полости.

Данная задача решается тем, что в известном контейнере для транспортировки и/или хранения ОЯТ, содержащем металлические наружную и внутреннюю цилиндрические оболочки с днищами, полость между которыми заполнена тяжелым бетоном, герметичное перекрытие упомянутой полости и внутренней полости контейнера, согласно изобретению, герметичное перекрытие выполнено в виде двух крышек, установленных одна над другой на общем основании и образующих с последним два концентричных герметизирующих контура. При этом внутри бетонного заполнителя с зазором относительно наружной цилиндрической оболочки размещено армирование в виде решетки, состоящей из кольцевых и продольных элементов, соединенных с днищем наружной оболочки и основанием крышек. Между решеткой и внутренней цилиндрической оболочкой с зазором относительно последней установлен экранирующий силовой стакан, соединенный с основанием крышек и связанный с решеткой стержнями.

Кроме того зазор между решеткой и наружной цилиндрической оболочкой заполнен бетоном меньшей прочности.

В зазоре между решеткой и наружной цилиндрической оболочкой по окружности могут быть установлены трубы, соединенные с днищем наружной оболочки и основанием крышек.

Конструкция контейнера схематично представлена на чертежах, где на фиг. 1 показан продольный разрез контейнера; на фиг. 2 дан поперечный разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 показан поперечный разрез контейнера в варианте исполнения, когда в зазоре между решеткой и наружной цилиндрической оболочкой установлены трубы.

Контейнер содержит наружную 1 и внутреннюю 2 цилиндрические оболочки с днищами 3 и 4, выполненные в варианте исполнения изобретения из тонколистовой нержавеющей стали, обеспечивающей многолетнюю коррозионную стойкость. Полость между оболочками заполнена тяжелым особопрочным бетоном 5 с повышенной термостойкостью. Сверху внутренняя полость контейнера и полость между оболочками герметично перекрыты двумя крышками 6 и 7, расположенными одна над другой и размещенными на едином основании 8. Крышки 6 и 7 образуют с основанием 8 два концентричных герметизирующих пояса "a" и "b". Внутри бетонного заполнителя 5 по всей высоте контейнера размещено силовое армирование в виде решетки, состоящей из кольцевых 9 и продольных 10 металлических стержней; связанной с основанием 8 и с днищем 3 наружной оболочки 1. Решетка установлена с зазором относительно наружной оболочки 1, а зазор заполнен бетоном 11, меньшей прочности, чем основной тяжелый бетон 5. Внутренняя оболочка 2 снаружи экранирована силовым герметичным стаканом 12, выполненным из низколегированной стали, менее дорогой, чем нержавеющая. В варианте исполнения экранирующий стакан 12 образует с внутренней оболочкой 2 зазор. Экранирующий стакан 12 связан с решеткой и днищем 3 наружной оболочки 1 арматурой 13. В зазоре между решеткой и наружной оболочкой 1 возможна установка по окружности тонкостенных труб 14, соединенных с днищем 3 наружной оболочки 1 и основанием 8, для поглощения возможной ударной нагрузки. На период транспортировки контейнера на его днище и верхнюю часть устанавливают ударопоглощающие высокодеформативные устройства 15 и 16.

Использование контейнера в промышленности осуществляется следующим образом.

Контейнер устанавливают в загрузочной камере, либо непосредственно в бассейне выдержки приреакторного хранилища, где в него загружаются кассеты (сборки) с ОЯТ по технологии, определяемой конструктивной схемой хранилища, типом ОЯТ и технологией обращения его на АЭС (на чертеже не показано). Закрывается внутренняя крышка 6, затягивается болтовое соединение ее крепления и производится контроль герметизирующего контура "a". Закрывается наружная крышка 7, затягивается болтовое соединение ее крепления (на чертеже не показано) и производится контроль герметизирующего контура "b". При необходимости производится вакуумирование внутренней полости контейнера и заполнение ее инертным газом, а также герметизация и опломбирование каналов (на чертеже не показаны) для контроля герметичности контуров "a" и "b". После чего устанавливают на торцы контейнера транспортные ударопоглощающие устройства 15 и 16. Готовый для транспортировки контейнер устанавливается на транспортное средство, преимущественно на железнодорожную платформу (на чертеже не показано) и перевозится к месту длительного хранения. В месте длительного хранения контейнер перегружается с железнодорожной платформы, демонтируются ударопоглощающие устройства 15 и 16 и контейнер закрепляют на месте установки.

Предлагаемая конструкция металлобетонного контейнера обеспечивает защиту ОЯТ при длительном хранении и в случае аварийных ситуаций при сравнительно невысокой стоимости контейнера по сравнению с монолитным исполнением контейнера.

Радиационная безопасность обеспечивается за счет использования тяжелого особопрочного бетона 5 с плотностью до 4 т/м³, наличия внутренней 2, наружной 1 оболочек и экранирующего стакана 12 и за счет достаточно плотного армирования бетонного массива стержнями 9, 10 и 13.

Ядерная безопасность обеспечивается защитой цезиевых оболочек сборок от перегрева в различных возможных условиях хранения контейнера с ОЯТ за счет обеспечения необходимого теплоотвода из внутренней полости контейнера благодаря созданию необходимого количества дополнительных "тепловых мостов" в виде арматурных стержней 13, связывающих экранирующий стакан 12 со стержнями 9 и 10 решетки.

При аварийном воздействии падающего самолета, когда контейнер находится на открытом воздухе (без учета экранирующего защитного действия хранилища) в пятне контакта падающего самолета давление не превышает 100 кГс/см². Такое нагружение существенно ниже допустимого по уровню прочности для данного контейнера.

Снижение перегрузок до уровня, допустимого по условиям прочности контейнера и расположенных внутри его сборок с ОЯТ при падении контейнера с высоты до 9 м на жесткое основание обеспечивается ударопоглощающими устройствами 15 и 16, установленными на торцах контейнера, выполненными, например, в виде заключенной в оболочку бальзовой древесины.

Герметичность контейнера, имеющего массу порядка 100 т, при падении его на штырь обеспечивается наружной оболочкой 1 и защитным слоем бетона с меньшей прочностью или демпфирующими трубами 14, которые поглощают часть кинетической энергии падающего контейнера. Наличие решетки из стержней 9 и 10 удерживает раскрытие трещины в зоне контакта со штырем. Экранирующий стакан 12 в случае распространения трещины на всю глубину наружного бетонного заполнителя воспринимает растягивающие нагрузки на вершине трещины и сдерживает ее развитие в зону внутренней оболочки 2. Таким образом ряд контуров локализации развития трещины позволяет надежно обеспечить герметичность внутренней оболочки 2 при данном, наиболее неблагоприятном нагружении контейнера.

Наличие свободной наружной оболочки 1 позволяет существенно упростить технологию сварки стержней 9, 10 и 13 армокаркаса со стаканом 12, днищем 3 оболочки 1 и основанием 8. В аварийных условиях нагрева контейнера при пожаре оболочка 1 снижает температурные напряжения в силовой металлоконструкции контейнера благодаря возможности свободного расширения.

Таким образом, заявляемый контейнер обеспечивает надежное длительное хранение сборок ОЯТ, в том числе при транспортировке и в условиях аварийных ситуаций.

Использование: для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива. Сущность изобретения: контейнер для транспортировки и/или хранения ОЯТ содержит металлические внутреннюю и наружную цилиндрические оболочки с днищами, полость между которыми заполнена тяжелым бетоном. Упомянутая полость и внутренняя полость контейнера имеют герметичное перекрытие в виде двух крышек, установленных одна над другой на общем основании и образующих с последним два концентричных герметизирующих контура. Внутри бетонного заполнителя с зазором относительно наружной цилиндрической оболочки размещено армирование в виде решетки. Решетка состоит из кольцевых и продольных элементов, соединенных с днищем наружной оболочки и основанием крышек. Между решеткой и внутренней цилиндрической оболочкой с зазором относительно последней установлен экранирующий силовой стакан, соединенный с основанием крышек и связанный с решеткой стержнями. В варианте исполнения изобретения зазор между решеткой и наружной цилиндрической оболочкой заполнен бетоном меньшей прочности. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Контейнер для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива, содержащий металлические наружную и внутреннюю цилиндрические оболочки с днищами, полость между которыми заполнены тяжелым бетоном, герметичное перекрытие упомянутой полости и внутренней полости контейнера, отличающийся тем, что герметичное перекрытие выполнено в виде двух крышек, установленных одна над другой на общем основании и образующих с последним два концентричных герметизирующих контура, внутри бетонного заполнителя с зазором относительно наружной цилиндрической оболочки размещено армирование в виде решетки, состоящей из кольцевых и продольных элементов, соединенных с днищем наружной оболочки и основанием крышек, между решеткой и внутренней цилиндрической оболочки с зазором относительно последней установлен экранирующий силовой стакан, соединенный с основанием крышек и связанный с решеткой стержнями. 2. Контейнер по п. 1, отличающийся тем, что зазор между решеткой и наружной цилиндрической оболочки заполнен бетоном меньшей прочности. 3. Контейнер по п. 1, отличающийся тем, что в зазор между решеткой и наружной цилиндрической оболочки по окружности установлены трубы, соединенные с днищем наружной оболочки и основанием крышек.