КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И/ИЛИ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШИХ СБОРОК ТВЭЛ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ Российский патент 2002 года по МПК G21F5/08 G21F9/34 

Изобретение относится к контейнерам для длительного сухого хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

Известен металлобетонный контейнер для хранения и транспортировки ядерного топлива реакторов РБМК (Металлобетонный контейнер для хранения и транспортирования отработавшего ядерного топлива реакторов РБМК. Зубков А.А. , Фромзель В.Н. и др. //Журнал "Теплоэнергетика". - 11, 1996. - С. 40-44). Известный контейнер содержит корпус, выполненный из двух цилиндрических металлических обечаек, которые расположены одна в другой и приварены к верхнему кованому кольцу. Внутренняя и наружная обечайки имеют приварные днища. Кольцевое пространство между обечайками корпуса, а также пространство между днищами заполнено тяжелым жаростойким бетоном. На верхнем кованом кольце выполнены проточки под установку и приварку внутренней и наружной защитных герметизирующих крышек. В центре внутренней защитной герметизирующей крышки предусмотрено гнездо, где расположено отверстие для дренирования контейнера, вакуумирования и заполнения внутренней полости контейнера газом. После заполнения контейнера газом упомянутое гнездо герметизируется заглушкой на резьбе с последующим уплотнением сваркой. Во внутреннюю полость контейнера вставлена дистанционирующая решетка (чехол) для установки пучков тепловыделяющих сборок РБМК. Дистанционирующая решетка имеет сообщенную с внутренней полостью контейнера центральную трубу с хвостовиком для грузового захвата.

Однако в процессе длительного хранения отработавших сборок ТВЭЛ из них во внутреннюю полость контейнера могут выделяться пары воды, радионуклиды и кислые газы. Это связано с тем, что отработавшие сборки ТВЭЛ могут иметь, например, незаметные невооруженным глазом повреждения, в том числе сквозные трещины, через которые в период хранения отработавших сборок ТВЭЛ в приреакторном бассейне выдержки внутрь отработавших сборок ТВЭЛ может проникать вода, которая будет выходить из ТВЭЛов в период их хранения в контейнере. Проводимая вакуумная осушка контейнера после загрузки в него ОЯТ не гарантирует полное удаление влаги из ТВЭЛов и выходящие из них пары воды будут захватывать с собой летучие радионуклиды (например, соединения йода-129, оксиды углерода-14 и др.). Кроме того, в период промежуточного хранения ОЯТ в атмосфере внутренней полости контейнера под воздействием радиации образуются оксиды азота, которые, реагируя с водой, приводят к образованию коррозионно-опасных азотной и азотистой кислот. Пары воды и кислых газов при высокой температуре, до которой нагревается внутренняя полость контейнера за счет тепловыделения ОЯТ, могут вызвать активную коррозию элементов конструкции контейнера, ограничивая срок его службы по причине возможной разгерметизации, т.е. снижается надежность контейнера. Что касается удаления паров воды и кислых газов из внутренней полости контейнера в течение периода промежуточного хранения ОЯТ, то подобная возможность в известном контейнере не предусмотрена.

Известен контейнер для транспортировки и/или хранения отработавших сборок ТВЭЛ ядерных реакторов атомных электростанций по патентной заявке DE 19733283 A1, G 21 F 5/008, В 65 D 81/26, 1999 г. Известный защитный контейнер содержит корпус с боковыми стенками и днищем и герметичное перекрытие внутренней полости контейнера, выполненное в виде по меньшей мере одной защитной герметизирующей крышки. Во внутренней полости защитного контейнера выполнено определенное количество гнезд для размещения отработавших сборок ТВЭЛ. Защитная герметизирующая крышка имеет по меньшей мере одно закрывающееся глухой пробкой сквозное отверстие, под которым во внутренней полости защитного контейнера в вертикальном положении размещается адсорбер остаточной влаги (влагопоглотитель) с молекулярным фильтром. Адсорбер остаточной влаги снабжен приемной упаковкой для молекулярного фильтра или набора молекулярных фильтров. Последняя выполнена из высококачественной стали и имеет влагопроницаемые стенки. Через определенный промежуток времени, достаточный для адсорбции влаги, оставшейся во внутренней полости контейнера, адсорбер остаточной влаги может быть заменен. Размеры адсорбера остаточной влаги, с одной стороны, и размеры упомянутого сквозного отверстия, с другой стороны, находятся в таком соотношении, что адсорбер остаточной влаги в сборе вводится в защитный контейнер и выводится из защитного контейнера через сквозное отверстие, которое при вакуумной осушке загруженного контейнера используется в качестве отверстия для удаления воды. Молекулярный фильтр представляет собой, в частности, природный или синтетический цеолит с сильной адсорбирующей способностью для газов и паров.

В другом варианте выполнения приемная упаковка адсорбера остаточной влаги вставляется во внутреннюю полость защитного контейнера и последняя закрывается защитной герметизирующей крышкой. После проведения через упомянутое сквозное отверстие вакуумной осушки внутренней полости контейнера молекулярный фильтр или набор молекулярных фильтров вводится через сквозное отверстие в приемную упаковку адсорбера остаточной влаги, установленную вертикально ниже сквозного отверстия, после чего указанное отверстие закрывается глухой пробкой. Молекулярный фильтр через достаточно большой промежуток времени адсорбции извлекается, в частности высасывается из приемной упаковки адсорбера остаточной влаги через сквозное отверстие, после чего очищается, в частности, методом отсасывания влаги из него. Этот вариант выполнения допускает возможность замены молекулярного фильтра или набора молекулярных фильтров. Известный защитный контейнер предназначен, в основном, для промежуточного хранения отработавших сборок ТВЭЛ, например, в течение 40 лет. Вместе с этим защитный контейнер допускает возможность транспортировки и/или хранения других излучающих, в частности, нейтроны объектов.

Недостатком известного устройства контейнера является то, что оно предполагает выполнение в защитной герметизирующей крышке герметично закрываемых сквозных отверстий для загрузки адсорбера остаточной влаги. Учитывая требования, предъявляемые к герметичности контейнеров с ОЯТ, в частности необходимость выполнения по меньшей мере двух контуров герметизации и необходимость обеспечения возможности контроля герметичности всех разъемных соединений, выполнение в защитной герметизирующей крышке упомянутых сквозных отверстий приводит к усложнению контейнера и к снижению его надежности. Кроме того, в известном устройстве при загрузке адсорбера остаточной влаги в контейнер возможно поглощение молекулярным фильтром влаги из окружающей среды, что снижает влагопоглощающую способность последнего. Вместе с этим к недостаткам известного устройства можно отнести то, что установка адсорбера остаточной влаги связана с разгерметизацией контейнера и возможностью выброса в атмосферу радиоактивных газов.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявленным изобретением является защитный контейнер CASTOR BARRE, созданный как для транспортировки, так и для хранения отработавшего ядерного топлива (DRY STORAGE IN CASKS AT THE SITE OF SUPER-PHENIX - THE SPECIAL PROBLEM OF THE TRITIUM GETTER-PROCESS WITHIN A TRANSPORT AND STORAGE CASK FILLED WITH ABSORBER RODS /K.Janberg and F.Petrucci //ICEM 95. - Proceedings of the Fifth International Conference on Radioactive Waste Management and Environmental Remediation. - Volume 1. - Cross-Cutting Issnes and Management of High-Level Waste and Spent Fuel. - C. 285-287).

Известный контейнер содержит монолитный чугунный корпус, внутренняя полость которого закрывается двумя защитными герметизирующими крышками, имеющими металлическое уплотнение, обеспечивающее заданную герметичность контейнера в течение срока хранения до 40 лет. Во внутреннюю полость контейнера вставлена дистанционирующая решетка, в которую могут быть загружены 12 стерженевых элементов с ОЯТ. В дистанционирующей решетке предусмотрены места для установки 5-ти сменных герметичных упаковок с геттерным материалом. В качестве геттерного материала используются активированный серебром диоксид марганца и оксид кальция. В каждой из упаковок содержится 2 кг геттерного материала. Каждая герметичная упаковка выполнена в виде помещенной в соответствующую гильзу трубки с геттерным материалом, снабженной штоком, взаимодействующим с внутренней защитной герметизирующей крышкой при закрывании загруженного контейнера. При закрывании защитной герметизирующей крышки трубка с геттерным материалом выдавливается (выдвигается) из гильзы во внутреннюю полость контейнера и происходит разгерметизация упаковки. Таким образом, до закрывания защитной герметизирующей крышки контейнера сохраняется целостность упаковки с геттерным материалом, чем предотвращается поглощение последним влаги из окружающей среды, а следовательно, и снижение влагопоглощающей способности помещенного в упаковку геттерного материала.

Подобный контейнер может быть использован для транспортировки и/или хранения отработавших сборок ТВЭЛ. Однако в случае наличия во внутренней полости контейнера влаги, появившейся в результате недостаточной осушки отработавших сборок ТВЭЛ при перегрузке их из приреакторного бассейна выдержки, и необходимости осуществления осушки внутренней полости контейнера в процессе подготовки ОЯТ к длительному хранению в процессе осушки контейнера будет происходить одновременное поглощение влаги геттерным материалом. Таким образом, происходит снижение влагопоглощающей способности геттерного материала, в результате чего последний в течение заданного времени хранения контейнера с ОЯТ не обеспечивает достаточно полного поглощения паров воды и кислых газов, попадающих во внутреннюю полость контейнера в результате выделения их, например, из поврежденных отработавших сборок ТВЭЛ.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании контейнера для транспортировки и/или хранения отработавших сборок ТВЭЛ реакторов, обеспечивающего возможность повышения надежности эксплуатации контейнера в течение заданного времени хранения ОЯТ.

Указанная задача решается благодаря тому, что в контейнере для транспортировки и/или хранения отработавших сборок ТВЭЛ ядерных реакторов, содержащем корпус, герметичное перекрытие полости контейнера, выполненное в виде по меньшей мере одной защитной герметизирующей крышки, вставленную в полость контейнера дистанционирующую решетку для установки отработавших сборок ТВЭЛ ядерных реакторов и по меньшей мере одной герметичной упаковки с геттерным материалом, разгерметизируемой после установки в дистанционирующую решетку, согласно изобретению дистанционирующая решетка контейнера имеет центральную трубу со съемным хвостовиком для грузового захвата. Труба сообщена с полостью контейнера и выполнена с возможностью размещения внутри нее по меньшей мере одной герметичной упаковки с геттерным материалом. Последняя выполнена в виде барабана, включающего соосные наружную и внутреннюю цилиндрические металлические оболочки, установленные с зазором одна относительно другой с образованием двух полостей. Одна из этих полостей со стороны торцев барабана перекрыта разрушаемыми мембранами, а в другую полость помещен геттерный материал. При этом внутренняя цилиндрическая металлическая оболочка выполнена газопроницаемой.

Вместе с этим упомянутые мембраны выполнены из материала, разрушающегося в загруженном состоянии контейнера при радиационном и/или тепловом воздействии со стороны отработавших сборок ТВЭЛ.

В этом варианте выполнения изобретения контейнер может содержать в качестве материала мембран полиэтилен.

Внутренняя цилиндрическая металлическая оболочка упаковки для геттерного материала может быть выполнена в виде перфорированной обечайки.

В другом варианте выполнения внутренняя цилиндрическая металлическая оболочка упаковки для геттерного материала может быть выполнена сеточной.

Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно обеспечивает возможность повышения надежности эксплуатации контейнера благодаря оптимальному использованию геттерного материала в результате того, что не происходит преждевременного контакта последнего с газовой средой, заполняющей внутреннюю полость контейнера. Вместе с этим изобретение позволяет рационально использовать внутренний объем контейнера благодаря размещению упаковок с геттерным материалом внутри центральной трубы, выполняющей роль силового и такелажного элемента дистанционирующей решетки.

Конструкция контейнера для транспортировки и/или хранения отработавших сборок ТВЭЛ ядерных реакторов схематично представлена на чертежах, где на фиг. 1 показан общий вид контейнера, продольный разрез; на фиг.2 - центральная труба дистанционирующей решетки контейнера с размещенными внутри нее герметичными упаковками с геттерным материалом, продольный разрез.

Контейнер для транспортировки и/или хранения отработавших сборок ТВЭЛ ядерных реакторов содержит корпус 1, внутренняя полость "а" которого перекрыта защитной герметизирующей крышкой 2. Во внутреннюю полость "а" контейнера вставлена дистанционирующая решетка 3, включающая диафрагмы 4 с отверстиями-ячейками для установки пеналов (ампул) 5 с отработавшими сборками ТВЭЛ. В другом варианте выполнения (не показано) отработавшие сборки ТВЭЛ могут размещаться непосредственно в трубах, пропущенных через отверстия-ячейки диафрагм 4 и составляющих единое целое с дистанционирующей решеткой.

Дистанционирующая решетка 3 имеет центральную трубу 6 со съемным ввинчиваемым хвостовиком 7 для грузового захвата. Труба 6 сообщена с внутренней полостью "а" контейнера и выполнена с возможностью размещения внутри нее по меньшей мере одной герметичной упаковки 8 с геттерным материалом 9. В варианте осуществления изобретения внутри трубы 6 размещены, например, две герметичные упаковки 8 с геттерным материалом. Упаковки 8 расположены последовательно и разъемно соединены одна с другой. Каждая упаковка 8 выполнена в виде барабана, включающего соосные наружную и внутреннюю цилиндрические металлические оболочки 10 и 11, установленные с зазором одна относительно другой с образованием полостей "в" и "с". В полость "в", образованную между оболочками 10 и 11, помещен геттерный материал 9. Для загрузки геттерного материала в полость "в" на одном из торцев барабана предусмотрена съемная крышка (не показана). Полость "с", образованная внутри оболочки 11, со стороны торцев барабана (упаковки) перекрыта разрушаемыми мембранами 12. Разгерметизация упаковки 8 осуществляется после ее установки в трубу 6 дистанционирующей решетки 3. В варианте выполнения разрушаемые мембраны 12 выполнены из материала, разрушающегося в загруженном состоянии контейнера при радиационном и/или тепловом воздействии со стороны отработавших сборок ТВЭЛ. В качестве материала для мембран в варианте выполнения изобретения используется, например, полиэтилен. В качестве подобного материала могут быть использованы другие полимерные материалы, например полихлорвинил или полиамид. Кроме того, устройство контейнера обеспечивает возможность разгерметизации упаковки 8 механическим путем. Например, целостность мембран 12 может быть нарушена перед установкой защитной герметизирующей крышки 2 через центральное отверстие в съемном хвостовике 7 посредством прокола мембран с помощью соответствующего стержня.

Внутренняя цилиндрическая металлическая оболочка 11 герметичной упаковки 8 выполнена газопроницаемой. В варианте выполнения оболочка 11 выполнена сеточной. В другом варианте (не показано) оболочка 11 может быть выполнена, например, в виде перфорированной обечайки.

В варианте выполнения изобретения в полость "в" упаковки помещен в качестве геттерного материала гранулированный материал на основе оксида кальция (СаО). Например, может быть использован материал, представляющий собой оксид кальция, гранулированный путем добавки к нему в качестве связующего высокообжигового гипса.

Количество геттерного материала, помещаемого в контейнер, принимается исходя из суммарного максимально возможного (статистически ожидаемого количества) выделения воды и кислых (коррозионно-опасных) газов из установленных в дистанционирующую решетку контейнера отработавших сборок ТВЭЛ в течение всего времени их хранения в контейнере.

Использование контейнера в промышленности осуществляется следующим образом.

Контейнер предназначен для сухого хранения преимущественно отработавших тепловыделяющих сборок атомных электростанций с реактором РБМК-1000 в течение, например, 50 лет в хранилище АЭС с последующей транспортировкой отработавшего ядерного топлива в региональное хранилище либо на радиохимический комбинат с целью дальнейшей переработки ядерного топлива.

В варианте осуществления изобретения герметичные упаковки 8 с геттерным материалом в сборе одна с другой устанавливают в центральную трубу 6 дистанционирующей решетки 3 до упора. Положение упаковок 8 относительно центральной трубы 6 фиксируют с помощью съемного ввинчиваемого хвостовика 7. Разделенное на пучки тепловыделяющих элементов ОЯТ предварительно ампулизируется, и затем ампулы с ОЯТ загружают в дистанционирующую решетку 3. Загрузка ОЯТ в дистанционирующую решетку осуществляется с помощью манипулятора без доступа обслуживающего персонала в камеру загрузки. После заполнения дистанционирующей решетки через раскрываемый донный проем в камере загрузки с помощью хвостовика 7 осуществляется установка загруженной дистанционирующей решетки во внутреннюю полость "а" контейнера, расположенного в помещении под камерой загрузки (не показано).

После загрузки ОЯТ в контейнер дистанционно устанавливается защитная герметизирующая крышка. Затягивается болтовое соединение ее крепления. Производят контроль герметичности уплотнительных элементов. Затем производится осушка внутренней полости "а" контейнера, для чего к предусмотренному в корпусе контейнера клапану подсоединяют присоединительное устройство, соединяющее внутреннюю полость "а" контейнера с системой осушки (не показано). Из внутренней полости контейнера до окончания осушки откачивают парогазовую смесь. В процессе осушки геттерный материал 9, помещенный в герметичную упаковку 8, остается изолированным от газовой среды внутренней полости контейнера. Таким образом, в этот период исключается возможность насыщения геттерного материала водой и такими кислыми газами, как оксиды азота и серы, йодом и йодистым водородом, диоксидом углерода и др.

После осушки внутренней полости контейнера при необходимости производится ее вакуумирование и заполнение инертным газом с помощью предусмотренных на контейнере клапанных устройств (не показано). После этого контейнер с отработавшими сборками ТВЭЛ транспортируют к месту предварительного хранения.

В начальный период хранения контейнера в результате теплового воздействия со стороны ОЯТ происходит разогрев внутренней полости контейнера и, следовательно, герметичных упаковок 8 с геттерным материалом до температуры, существенно превышающей 100^oС. Одновременно упаковки с геттерным материалом подвергаются интенсивному радиационному воздействию.

В результате радиационного и/или теплового воздействия происходит разрушение материала мембран 12 и, таким образом, нарушается герметичность упаковок 8. Геттерный материал 9 вступает в контакт с газовой средой, заполняющей внутреннюю полость "а" контейнера. Наличие канала, образованного центральной трубой 6, центральным отверстием в хвостовике 7 и внутренними цилиндрическими оболочками 11 последовательно расположенных в упомянутой трубе упаковок 8, позволяет организовать естественную циркуляцию газовой среды во внутренней полости "а" контейнера, чем достигается более интенсивное перемещение газовой смеси и проникновение ее через сеточные оболочки 11 в заполненные геттерным материалом 9 полости "в" упаковок 8. Таким образом, обеспечивается поглощение геттерным материалом паров воды и кислых (коррозионно-опасных) газов, попадающих в газовую среду, заполняющую внутреннюю полость "а" контейнера в результате выделения их, например, из поврежденных отработавших сборок ТВЭЛ.

Таким образом, благодаря особенности исполнения контейнера для транспортировки и/или хранения отработавших сборок ТВЭЛ ядерных реакторов изобретение позволяет создать защитный контейнер, обеспечивающий возможность повышения надежности эксплуатации контейнера в течение заданного времени хранения ОЯТ. Вместе с этим изобретение позволяет рационально использовать внутренний объем контейнера благодаря размещению упаковок с геттерным материалом внутри центральной трубы, выполняющей роль силового и такелажного элемента дистанционирующей решетки.

Изобретение относится к контейнерам для длительного сухого хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Контейнер содержит корпус, герметичное перекрытие внутренней полости контейнера и вставленную в полость контейнера дистанционирующую решетку (ДР). ДР предназначена для установки отработавших сборок ТВЭЛ и по меньшей мере одной герметичной упаковки с геттерным материалом (ГМ), разгерметизируемой после установки в ДР. Герметичное перекрытие выполнено в виде по меньшей мере одной защитной герметизирующей крышки. ДР контейнера имеет центральную трубу со съемным хвостовиком для грузового захвата. Труба сообщена с полостью контейнера и выполнена с возможностью размещения внутри нее по меньшей мере одной герметичной упаковки с ГМ. Последняя выполнена в виде барабана, включающего соосные наружную и внутреннюю цилиндрические металлические оболочки. Оболочки установлены с зазором одна относительно другой с образованием полостей. Одна из полостей со стороны торцов барабана перекрыта разрушаемыми мембранами. В другую полость помещен ГМ. Внутренняя цилиндрическая металлическая оболочка выполнена газопроницаемой. В варианте выполнения мембраны выполнены из материала, разрушающегося в загруженном состоянии контейнера при радиационном и/или тепловом воздействии со стороны отработавших сборок ТВЭЛ. В варианте выполнения контейнер в качестве материала мембран содержит полиэтилен. Технический результат: повышение надежности эксплуатации контейнера в течение заданного времени хранения ОЯТ. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Контейнер для транспортировки и/или хранения отработавших сборок ТВЭЛ ядерных реакторов, содержащий корпус, герметичное перекрытие полости контейнера, выполненное в виде, по меньшей мере, одной защитной герметизирующей крышки, вставленную в полость контейнера дистанционирующую решетку для установки отработавших сборок ТВЭЛ ядерных реакторов и, по меньшей мере, одной герметичной упаковки с геттерным материалом, разгерметизируемой после установки в дистанционирующую решетку, отличающийся тем, что дистанционирующая решетка контейнера имеет центральную трубу со съемным хвостовиком для грузового захвата, труба сообщена с полостью контейнера и выполнена с возможностью размещения внутри нее, по меньшей мере, одной герметичной упаковки с геттерным материалом, последняя выполнена в виде барабана, включающего соосные наружную и внутреннюю цилиндрические оболочки, установленные с зазором одна относительно другой с образованием двух полостей, одна из которых со стороны торцов барабана перекрыта разрушаемыми мембранами, а в другой помещен геттерный материал, при этом внутренняя цилиндрическая металлическая оболочка выполнена газопроницаемой. 2. Контейнер по п. 1, отличающийся тем, что упомянутые мембраны выполнены из материала, разрушающегося в загруженном состоянии контейнера при радиационном и/или тепловом воздействии со стороны отработавших сборок ТВЭЛ. 3. Контейнер по п. 2, отличающийся тем, что он содержит в качестве материала мембран полиэтилен. 4. Контейнер по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя цилиндрическая металлическая оболочка упаковки для геттерного материала выполнена в виде перфорированной обечайки. 5. Контейнер по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя цилиндрическая металлическая оболочка упаковки для геттерного материала выполнена сеточной.