СПОСОБ УПАКОВКИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В ЗАЩИТНЫЙ КОНТЕЙНЕР И КОРПУС КОНТЕЙНЕРА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G21F5/05 G21F5/06 

Предложение относится к области хранения низко- и среднеактивных радиоактивных отходов (РАО). РАО кондиционируют и помещают в железобетонные или сталефибробетонные контейнеры для длительного хранения. Защитные контейнеры представляют собой стаканообразную емкость круглого, квадратного, прямоугольного или иного поперечного сечения с крышкой и средствами их взаимного соединения и герметизации. Контейнеры снабжены также средствами их взаимодействия с грузозахватными устройствами подъемно-транспортных механизмов при технологических и складских операциях.

Прототипом предложения послужил прямоугольный защитный контейнер из сталефибробетона фирмы "Сожефибр", конструкция и процесс изготовления которого с достаточными подробностями приведены в ее проспекте (ксерокопия прилагается).

Прямоугольный сталефибробетонный защитный контейнер фирмы "Сожефибр" включает в себя корпус и крышку. Стаканообразный корпус внутри в двух углах, расположенных по диагонали, выполнен со скосами, поверхность которых перпендикулярна диагональной плоскости. По внутреннему периметру, включая скосы, в верхней части корпуса предусмотрен уступ, поверхности стенок которого наклонены внутрь корпуса.

Крышка имеет форму, в плане подобную форме внутреннего периметра корпуса. Ее габариты превышают все соответствующие внутренние размеры корпуса в плоскости торцов его стенок и в плоскости площадки уступа. Исключение составляет размер корпуса в плоскости торцов стенок между угловыми скосами, укорачивающими одну из диагоналей и перпендикулярными к ней, соответствующий ему габарит крышки на величину зазора, необходимого для монтажа.

Снизу по периметру крышки предусмотрена выборка четверти с размерами, равными ширине площадок уступа. Оставшаяся часть толщины крышки равна высоте уступа корпуса и ее боковая поверхность на всем периметре наклонена в ту же сторону, но несколько больше, чем поверхности стенок уступа.

Упаковку РАО в защитный прямоугольный контейнер фирмы "Сожефибр" производят следующим образом:
- в корпус контейнера устанавливают тару с РАО;
- устанавливают крышку с опиранием нижней поверхностью, образованной выборкой, на поверхность площадки уступа корпуса; установку крышки осуществляют методом "рыбка" - вращая ее при опускании вокруг укороченной диагонали с одновременным перемещением в перпендикулярном оси вращения направлении при соприкосновении опущенного угла с поверхностью площадки уступа;
- выравнивают боковой зазор корпусом и крышкой;
- омоноличивают зазор материалом, предусмотренным по регламенту;
- выдерживают контейнер с РАО в условиях твердения материала шва.

В результате изложенного процесса образуется прочно-плотное соединение корпуса и крышки. По мнению специалистов фирмы "Сожефибр", конструкция и процесс укупорки обеспечивают их контейнеру эксплуатационную надежность, и в течение 300 лет окружающая среда гарантирована от воздействия РАО.

С этим можно согласиться в случае эксплуатации контейнеров в штатной ситуации. Однако возникновение нештатной ситуации не может быть исключено, равно как и резкое падение наружного давления вокруг контейнеров с РАО в качестве ее последствия.

Есть обоснованное опасение, что после такого воздействия защитные качества контейнеров фирмы "Сожефибр" неизменными не останутся, и это сделает их дальнейшую эксплуатацию проблематичной.

Опасения обосновываются нижеследующим.

При превышении внутреннего давления над наружным стенки корпуса радиально деформируются. В торцевых участках эти деформации блокируются днищем и крышкой. Днище выполнено монолитным со стенками, и прочность однородного материала в месте их сопряжения сомнений не вызывает.

Крышка и корпус соединены предусмотренным по регламенту материалом, заполняющим зазор между ними. Заполнение зазора производится в то время, когда активные физико-химические процессы в материале корпуса и крышки - сталефибробетоне - уже завершены и заполнивший зазор материал взаимодействует со стенками корпуса и крышкой адгезионно. Толщина материала в зазоре велика в сравнении с толщиной адгезионного слоя. Следовательно, радиальные деформации корпуса в зоне крышки блокируются только силами адгезии двух адгезионных слоев и работающим на разрыв слоем материала, заполняющего зазор.

Одновременно внутренним давлением крышка выталкивается из корпуса в осевом направлении и удерживается его стенками благодаря наклону внутрь их надуступной поверхности, нагружая ее нормальной к ней распределенной нагрузкой.

Это, предотвращая разрушение соединительного шва от нормальных к нему усилий, возникающих со стороны радиально деформирующихся под внутренним давлением стенок, увеличивает радиальную нагрузку на них. Рациональная для самоуплотнения шва конструкция соединения крышек со стенками негативна для их прочности: она передает на наклонную поверхность стенки воспринимаемое крышкой внутреннее давление, работая как механический клиновой усилитель.

В изложенных обстоятельствах достоверно установить несущую способность корпуса можно, руководствуясь моментной теорией оболочек: корпус - тонкостенная полубесконечная оболочка, по краю которой распределены погонные поперечные силы и изгибающие моменты, одновременно с которыми на нее действует внутреннее давление. Такая схема характерна проявлением краевого эффекта, выражающегося в возникновении местных, быстро затухающих с удалением от края, изгибных напряжений и соответствующих им деформаций. Величина этих местных напряжений более чем вдвое превышает величину напряжений на удаленных от края участках оболочки и затухает до их величины на расстоянии 2-2,5 толщин стенки.

Однако, именно в зоне краевого эффекта стенки корпуса фирмы "Сожефибр" имеют уменьшение толщины и конструктивный концентратор напряжения в виде острого угла между площадкой уступа и поверхностью его стенки.

Это может вызвать вертикальные трещины от верха стенки и ниже уступа, а также горизонтальные трещины на уровне площадки уступа.

При другом варианте нештатного нагружения - сжатии прямоугольного контейнера в диагональном направлении, руководствуясь теми же закономерностями, можно ожидать возникновения наклонных трещин в средней трети стенок по длинным сторонам контейнера.

На этих же участках возможно растрескивание материала, заполняющего зазор.

Совпадение расположения конструктивных ослаблений с местом действия наибольших напряжений при нештатном нагружении является недостатком контейнера фирмы "Сожефибр".

Другим недостатком является сложность манипулирования крышкой при ее установке, а также формирования шва между ней и корпусом. Полная и надежная механизация выполнения этих операций с дистанционным управлением механизмами сложна до нецелесообразности ее реализации, что ставит исполнителей работ перед необходимостью находиться в непосредственной близости от РАО.

Предложение направлено на устранение указанных недостатков.

Для этого оно должно решать следующие технические задачи:
- в условиях превышения внутреннего давления над наружным надежно блокировать деформации стенок контейнера наружу в зоне их соединения с крышкой и снизить вызывающую их нагрузку;
- радикально упростить процесс укупорки контейнера, сделав его доступным для осуществления дистанционно управляемыми механизмами.

Задачи решаются тем, что с открытого торца корпуса контейнера в стенках предусмотрены сквозные пазы в форме "ласточкин хвост", углубляющиеся и расширяющиеся наружу, и укупорку осуществляют омоноличиванием корпуса с РАО со стороны загрузки в пределах его поперечных габаритов сталефибробетонной смесью по предварительно смонтированной невозвратной палубе, после чего выдерживают контейнер с РАО в условиях ее твердения, из которых оптимальными являются условия естественного твердения сталефибробетона.

В качестве палубы используют поверхность РАО, если их загружают в контейнер навалом, а в оптимальном составе сырьевой смеси для омоноличивания корпуса используют безусадочное вяжущее.

Эффективность решения повышается, когда сквозные пазы выполнены ступенчатыми и хотя бы на части внутреннего параметра стенок предусмотрен шпоночный паз (штраба).

Снижению нагрузок и деформаций в внештатных условиях эксплуатации способствует шестигранная форма корпуса.

Изобретение проиллюстрировано графическими материалами.

На фиг. 1 - 6 представлено:
фиг. 1 - вид сверху на шестигранный корпус контейнера,
фиг. 1а - вид А изнутри корпуса на сквозной паз,
фиг. 1б - вид Б снаружи корпуса на сквозной паз,
фиг. 1в - разрез В-В по сквозному пазу,
фиг. 1г - разрез Г-Г по стенке корпуса между пазами,
фиг. 2 - фрагмент варианта исполнения шестигранного корпуса (вид сверху),
фиг. 2а - вид Е снаружи корпуса на ступенчатый паз,
фиг. 2б - разрез Д-Д по сквозному ступенчатому пазу,
фиг. 3 - прямоугольный корпус контейнера (вид сверху),
фиг. 3а - разрез А-А корпуса на участке между сквозными пазами,
фиг. 3б - разрез Б-Б по сквозному пазу,
фиг. 3в - вид В снаружи корпуса на сквозной паз,
фиг. 4 - вид сверху на цилиндрический корпус контейнера,
фиг. 4а - вид А изнутри корпуса на сквозной паз,
фиг. 4б - вид Б снаружи корпуса на сквозной паз,
фиг. 4в - разрез В-В по сквозному пазу,
фиг. 4г - разрез по стенке корпуса между сквозными пазами,
фиг. 5 - корпус контейнера, подготовленный к укладке подвижной сталефибробетонной смеси,
фиг. 5а - невозвратная опалубка на наружном контуре сквозного паза (вид снаружи),
фиг. 5б - то же, разрез по сквозному пазу,
фиг. 6 - корпус контейнера, подготовленный к укладке малоподвижной сталефибробетонной смеси.

Реализация предложения основывается на конструкции корпуса контейнера.

Корпус контейнера изготавливается из сталефибробетона, имеет стаканообразную форму и состоит из стенок 1 и днища 2, которые отформованы монолитно, как одно целое. Стенки 1 корпуса выполнены с уступом 3, расположенным в их верхней части, непрерывно, по всему внутреннему периметру. В стенках корпуса предусмотрены сквозные пазы 4 в форме "ласточкин хвост", которые расширяются и углубляются наружу.

Сквозные пазы могут быть выполнены одно- или многоступенчатыми. Примеры выполнения одноступенчатого паза 5 с вертикальными поверхностями 6 приведены на фиг. 2а, б.

По крайней мере на части внутреннего периметра стенок 1 могут быть выполнены шпоночные пазы (штрабы) 7. Их наличие наиболее целесообразно для прямоугольных корпусов.

Способ упаковки РАО в защитный контейнер с использованием корпуса описанной конструкции состоит в следующем:
- загружают РАО в корпус навалом или в таре,
- устанавливают на поверхность РАО или на их тару невозвратную палубу 8, имеющую форму внутреннего периметра корпуса и располагаемую ниже уступа 3 с минимальным зазором между ней и поверхностями стенок 1,
- омоноличивают корпус в пределах габаритов его поперечного сечения сталефибробетонной смесью,
- выдерживают омоноличенный корпус в условиях твердения сталефибробетонной смеси.

В предлагаемом способе может быть использована любая известная комбинация известных технологических операций, в совокупности составляющая процесс омоноличивания конструкций и их частей. Ниже приведены два примера совокупности действий, посредством которых корпус омоноличивают.

Пример 1 - известные действия в известной совокупности, преимущественно для омоноличивания подвижной сталефибробетонной смесью корпусов с плоскими наружными гранями:
- устанавливают на корпус невозвратную опалубку 9, перекрывающую наружный контур сквозного паза 4 или 5 заподлицо с торцом стенки 1 (фиг. 5а, б);
- транспортируют сталефибробетонную смесь бетононасосом по бетоноводу с гибким концевым звеном;
- укладывают отмеренное количество сталефибробетонной смеси в объеме, ограниченном палубой 8, стенками 1 с опалубкой 9 и высотным габаритом корпуса (фиг. 5), распределяя ее перемещением по заданной траектории окончания гибкого звена бетоновода дистанционно управляемым механизмом;
- уплотняют сталефибробетонную смесь вибрированием, например, с помощью установленного на поверхность смеси вибропригруза.

Пример 2 - известные действия в новой совокупности, преимущественно для омоноличивания малоподвижной сталефибробетонной смесью полярно симметричных корпусов:
- устанавливают на корпус скользящую опалубку ниже наружного контура сквозных пазов 4 (фиг. 6);
- торкретируют сталефибробетонную смесь на невозвратную палубу 8 до заполнения с избытком расположенного над ней объема корпуса;
- торкретируют сталефибробетонную смесь в наружные контуры пазов 4 или 5 до заполнения с избытком их объема;
- устанавливают на смесь вибропригруз, размеры которого позволяют ему перемещаться сквозь скользящую опалубку;
- калибруют в поперечных габаритах корпуса торкретированную в пазы сталефибробетонную смесь подъемом скользящей опалубки выше ее уровня;
- совмещают подъем скользящей опалубки с воздействием ее заостренной кромки на смесь при низкочастотных вертикальных колебаниях (0,5-1,5 Гц, 1-3 мм) и наложении высокочастотной вибрации (100-200 Гц, 0,05-0,2 мм);
- уплотняют смесь вибрированием посредством вибропригруза (50 Гц, 0,5-0,8 мм);
- распалубливают контейнер удалением скользящей опалубки и вибропригруза.

При послойном торкретировании сталефибробетонной смеси на палубу 8 и в пазы 4 или 5 достигается ее непосредственный и плотный контакт со всеми поверхностями корпуса: с внутренней поверхностью стенок 1 выше палубы 8, с поверхностями площадки и стенок уступа 3, с поверхностями пазов 7 и со всеми поверхностями пазов 4 и 5. Торкретирование придает сталефибробетонной смеси плотность, структурную прочность и создает структуру сталефибробетону, а устанавливаемый на смесь вибропригруз гравитационным воздействием локализует деструктивные последствия калибровки в материале пазов приповерхностным объемом. Этими факторами обеспечивается эффективность конечного уплотнения вибрированием, так как благодаря им оно достигается при минимальной реструктуризации ранее сложившегося каркаса материала и происходит в основном путем оптимальной упаковки мелких и мельчайших фракций в его межфибровом и межзерновом пространстве. Изложенное позволяет достичь постоянства технологического результата при упаковке РАО и избежать интенсивного технологического воздействия на них.

На постоянство результата направлено и использование палубы 8. Уплотнение смеси торкретированием достигается тем полнее, чем жестче препятствие, о которое гасится ее кинетическая энергия. При загрузке РАО в таре в одноместный, например, цилиндрический корпус контейнера между тарой и стенкой корпуса по всему внутреннему периметру остается значительное пространство, а в многоместных корпусах количество и объем полостей еще больше. Торкретируемая сталефибробетонная смесь, не проходя по полостям до дна, образует над ним своды. Ее плотность и структурная прочность в сводах недостаточна, и при последующем уплотнении вибрированием удовлетворительный результат не достигается. Без палубы он не достигается и при омоноличивании по примеру 1. Палуба создает оптимальные условия для торкретирования смеси и при любых вариантах омоноличивания обеспечивает всем производственным циклам идентичные технологические условия. Кроме того, палуба конкретизирует и стабилизирует объем сталефибробетонной смеси, необходимой для омоноличивания, что упрощает реализацию дистанционного управления процессом.

При загрузке в корпус контейнера твердых РАО навалом, например, кондиционированных цементированием, допустимо и целесообразно в качестве палубы использовать их поверхность, что дополнительно упрощает процесс.

На это же направлено использование для твердения сталефибробетонной смеси выдержки контейнера в естественных условиях. Такие условия твердения не оказывают технологического воздействия на РАО и не приводят к образованию РАО собственного производства.

Эффективность блокирования деформации стенок корпуса контейнера омоноличивающей его сталефибробетонной смесью может снижаться усадкой, сопровождающей ее твердение. Для повышения гарантии эффективной работы конструкции контейнера используют сталефибробетонную смесь на безусадочном вяжущем.

Корпус приведенной на фиг. 1, 2 и 3 конструкции и упаковка в него РАО по изложенному способу при всех вариантах нагружения обеспечивают контейнеру работу как безмоментной симметричной оболочке и создают в материале элементов узла соединения стенок корпуса с его монолитной частью равномерное объемно-напряженное состояние. Это блокирует изгибные деформации стенок в их верхней части и создает для конструкции условия работы, безопасные по оценке возможности возникновения трещин на этом участке.

Эффективному блокированию радиальных деформаций стенок способствует одно- или многоступенчатая форма сквозных пазов. Эффект достигается благодаря тому, что вертикальные поверхности затвердевшего материала, омонолитившего ступенчатые пазы стенок корпуса, перпендикулярны направлению деформаций стенок от внутреннего давления и воспринимают их непосредственно, без углового редуцирования. Такое исполнение наиболее целесообразно для длинной стороны прямоугольного контейнера.

Выполнение на внутренней поверхности стенок уступа 3 шпоночных пазов 7 (штраб) также наиболее целесообразно для прямоугольных корпусов. Будучи расположены в местах наибольшей жесткости корпуса, в его углах, пазы 7 перераспределяют нагрузку на стенки от осевой составляющей внутреннего давления, передаваемой на них монолитной частью контейнера, и тем самым выравнивают поле напряжений.

Форма контейнера в виде шестигранной призмы предпочтительна по следующим мотивам: при заполнении площадки хранения такая форма легко позволяет достичь плотной установки с соприкосновением контейнеров по поверхностям и обеспечивает распределение внешней нештатной нагрузки на все контейнеры одного уровня, расположенные по одну сторону от места ее возникновения.

Таким образом, всем вышеизложенным обеспечивается надежность защиты окружающей среды от воздействия РАО после возникновения нештатных условий эксплуатации защитных контейнеров и возможность выполнения всех работ по упаковке в них РАО посредством дистанционно управляемых механизмов.

Корпус контейнера с загруженными в него радиоактивными отходами (РАО) со стороны загрузки омоноличивают в габаритах его поперечного сечения сталефибробетонной смесью по смонтированной внутри него невозвратной палубе, выдерживают в условиях твердения смеси и закупоривают. Для уплотнения смеси может быть использован вибрационный пригруз. Корпус защитного контейнера состоит из днища и стенок с уступом по внутреннему периметру. В стенках контейнера предусмотрены сквозные пазы в форме "ласточкин хвост". Пазы выполнены ступенчатыми и углубляющимися и расширяющимися наружу. Технический результат: повышение надежности контейнера в нештатных ситуациях и упрощение процесса упаковки РАО в контейнер. При этом создается возможность выполнения всех работ посредством дистанционно управляемых механизмов. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ упаковки радиоактивных отходов в сталефибробетонный защитный контейнер, включающий их загрузку в корпус контейнера и последующую его укупорку, отличающийся тем, что для укупорки корпус омоноличивают со стороны загрузки в пределах габаритов его поперечного сечения сталефибробетонной смесью по предварительно смонтированной внутри него невозвратной палубе и выдерживают в условиях твердения сталефибробетонной смеси. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для омоноличивания на корпус устанавливают замкнутую скользящую опалубку, токретируют сталефибробетонную смесь на палубу и стенки до заполнения объемов с избытком, устанавливают на поверхность вибрационный пригруз и уплотняют смесь вибрационным и гравитационным воздействием пригруза. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что скользящую опалубку устанавливают ниже уровня торкретирования и после него и установки вибропригруза, калибруют сталефибробетонную смесь по поперечному контуру корпуса подъемом скользящей опалубки выше уровня стенок корпуса и уплотняют ее. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что омоноличенный контейнер выдерживают в условиях естественного твердения сталефибробетонной смеси. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для омоноличивания контейнеров используют сталефибробетонную смесь на безусадочном вяжущем. 6. Корпус защитного контейнера для временного хранения радиоактивных отходов из сталефибробетона, состоящий из днища и стенок с уступом по внутреннему периметру, отличающийся тем, что в стенках предусмотрены сквозные пазы в форме "ласточкин хвост", углубляющиеся и расширяющиеся наружу. 7. Корпус по п.6, отличающийся тем, что сквозные пазы выполнены ступенчатыми. 8. Корпус по п.6, отличающийся тем, что по крайней мере на части внутреннего периметра, в стенках выполнены шпоночные пазы (штрабы). 9. Корпус по п.6, отличающийся тем, что, по крайней мере снаружи, он выполнен шестигранным.