КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И СУХОГО ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ Российский патент 2005 года по МПК G21F5/08 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и промышленности и может быть использовано как контейнер для перевозки и длительного сухого хранения отработанного ядерного топлива (ОЯТ).

В настоящее время отработанные сборки ТВЭЛ ядерных реакторов АЭС хранятся в приреакторных бассейнах выдержки (хранилищах), емкости которых практически переполнены. Также переполнены и находящиеся в эксплуатации хранилища ОЯТ атомного флота. Отмеченное создает сложную экологическую проблему, требующую немедленного разрешения. Одним из путей ее решения является уменьшение срока хранения ОЯТ в бассейнах выдержки (например, с 5 лет до 3 лет).

Уменьшение срока хранения ОЯТ в бассейнах выдержки обуславливает необходимость транспортировки к месту промежуточного или окончательного хранения высокоактивного ОЯТ, что предъявляет повышенные требования к обеспечению радиационной безопасности при транспортировке и хранении контейнеров с ОЯТ. Наряду с этим контейнеры, создаваемые для транспортировки и хранения высокоактивного ОЯТ, должны обеспечивать возможность использования существующей инфраструктуры, предназначенной для обращения с ОЯТ.

Известны контейнеры для транспортировки и хранения ОЯТ. В соответствии с нормами радиационной безопасности и рекомендациями МАГАТЭ подобные контейнеры должны обеспечивать высокие радиационно-защитные и прочностные свойства, в том числе при аварийных ситуациях, возможных в процессе транспортировки и хранения ОЯТ. При этом, исходя из технико-экономических требований по снижению затрат на организацию контейнерного хранения ОЯТ, возникает необходимость создания контейнеров большого полезного объема (с максимальной вместительностью ОЯТ) при определенных (в частности, транспортных) ограничениях их по наружному габариту.

Известен цилиндрический сменный вставной короб для транспортных и стационарных резервуаров (DE №3413393 С1, G 21 С 19/06, G 21 F 5/00, 1985 г.). Цилиндрическая наружная стенка вставного короба состоит из анкерных и промежуточных сегментов. Короб имеет каналы для размещения продолговатых ТВЭЛ ядерных реакторов. Каналы образованы пластинами, содержащими поглотители нейтронов. Пластины посредством шиповых соединений состыкованы соответственно одна с другой или с анкерными сегментами. Расстояние между пластинами зафиксировано с помощью крестовидных дистанционирующих держателей и с помощью дистанционирующих держателей, соединенных соответственно с промежуточными сегментами посредством перемычек. Таким образом, панели образуют жесткий разъемный конструктивный узел, стянутый в поперечном направлении диаметральными стяжками, проходящими через сверления в крестовидных дистанционирующих держателях. В качестве опор для стяжек держателей используются упомянутые анкерные сегменты.

Недостатком известного устройства является то, что в нем не предусмотрены средства, обеспечивающие предохранение конструкции от разрушения при возможных аварийных ситуациях. Кроме того, известное устройство сложно технологически и трудоемко в изготовлении. Вместе с этим устройство не предполагает возможности размещения в нем отработавших сборок ТВЭЛ различных типоразмеров.

Известен складской контейнер для пеналов и топливных кассет (DE №224144 А1, G 21 С 19/06, 1985 г.). Конструкция известного контейнера позволяет устанавливать пеналы и топливные кассеты различных типоразмеров. В верхней части контейнера предусмотрено кольцо, а на дне - кольцо с донным листом. Оба кольца удерживаются и жестко соединяются посредством стержней, расположенных вокруг колец вдоль продольной оси контейнера. Внутри контейнера, в верхней его части, имеется двойное промежуточное днище, а в нижней части устанавливается одно или несколько ординарных промежуточных днищ, сьемно соединенных со стержнями. Промежуточные днища (диафрагмы) имеют отверстия для установки пеналов. В центре контейнера предусмотрена вертикальная труба, жестко соединенная с донным листом нижнего кольца и разъемного соединенная с промежуточными днищами. Центральная труба в верхней части имеет насадку в виде муфты для грузового захвата.

Однако в известном контейнере не предусмотрены средства, обеспечивающие предохранение конструкции от разрушения при возможных аварийных ситуациях.

Известен защитный контейнер для транспортирования отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) (RU №2139582 С1, G 21 F 5/008, 1999 г.). Известный контейнер содержит металлический корпус и вставленную в полость корпуса выемную часть (чехол), в отверстиях верхней доски и диафрагм которой размещены трубные чехлы (пеналы) с ОЯТ. Корпус закрыт сверху уплотнительной металлической крышкой. Выемная часть снабжена прикрепленным к ней вертикальным трубным каналом. Верхний торец трубного канала вставлен в верхней доске выемной части в стыковочное гнездо присоединения вакуумной системы для отсоса воды со дна контейнера через трубный канал. Нижний торец трубного канала расположен над дном контейнера с зазором не более внутреннего радиуса трубного канала. Известный защитный контейнер обеспечивает его надежную эксплуатацию в соответствии с требованиями ядерной безопасности за счет упрощения его конструкции.

Известен контейнер для транспортирования и длительного хранения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) АЭС (RU №2148864 С1, G 21 F 5/008, 2000 г.). Известный контейнер содержит наружный корпус с крышкой, амортизаторы (торцевые демпфирующие устройства) и внутренний корпус с крышкой. Внутренний корпус опирается на амортизаторы, жестко закрепленные на дне горизонтально расположенного наружного корпуса. Во внутреннем корпусе расположен чехол с гнездами для ОТВС. Крышка наружного корпуса расположена в его торце, причем ее внутренняя поверхность снабжена жестко закрепленными и равномерно расположенными амортизаторами. На дне наружного корпуса амортизаторы также расположены равномерно. Каждый амортизатор набран из стаканов, выполненных в виде полых металлических цилиндров разного диаметра, установленных друг в друге с зазорами в направлении приложения нагрузки и жестко связанных между собой в месте сопряжения. Загрузку контейнера осуществляют в вертикальном положении, после чего контейнер с помощью кантователя устанавливают в горизонтальное положение, при котором и осуществляют транспортирование контейнера.

Общим недостатком последних двух контейнеров является то, что для изготовления толстостенного металлического корпуса контейнера требуется уникальное металлургическое оборудование. Кроме того, цельнометаллический контейнер предполагает высокую трудоемкость изготовления и, следовательно, высокую стоимость.

Известен железобетонный контейнер для хранения и транспортировки отработавших ТВЭЛ ядерного реактора (RU 2082232 С1, G 21 F 5/008, 1994 г.). Известный контейнер представляет собой цилиндрический двухстенный резервуар с днищами, выполненный из стали, закрываемый защитным перекрытием с устройством его крепления и герметизации. Герметичное перекрытие выполнено в виде двух герметичных крышек, установленных одна над другой на общем металлическом основании (кованом кольце). Полость между оболочками резервуара залита жаростойким, пластичным, обеспечивающим радиационную защиту бетоном. В кольцевом пространстве между оболочками с днищами установлена арматура в виде прутков-тепловодов с погибами, развернутыми в разные стороны на концах. Прутки-тепловоды одним изгибом закреплены по всей поверхности внутренней стальной оболочки и ее днища рядами по высоте и равномерно по окружности. Другим изгибом прутки-теплоотводы связаны поочередно с изгибами соответствующего прутка-теплоотвода из соседнего верхнего и нижнего рядов поочередно, образуя трапециевидные скобы, примыкающие своими вершинами к внутренней стальной оболочке и к ее днищу. Наружная стальная оболочка выполнена оребренной и не имеет жесткой связи с батоном и внутренней стальной оболочкой. Конструктивная схема железобетонного контейнера позволяет максимально наполнить стальными прутками-тепловодами бетонное заполнение стенки, что увеличивает в 2-3 раза общий коэффициент теплопроводности по сравнению с одним бетоном и позволяет отводить через стенку тепловые потоки, сравнимые с потоками в стальных контейнерах, без снижения радиационной безопасности.

Недостатком известного устройства является то, что конструктивная схема контейнера предполагает большой объем сварочных работ, что приводит к снижению ударной вязкости материала, например арматуры и внутренней стальной оболочки и ее днища, при эксплуатации контейнера в условиях низких температур, например, при минус 50°С. К недостаткам известного контейнера также можно отнести применение литого высокопластичного бетона. Подобные бетоны имеют сравнительно невысокие прочность и трещиностойкость.

Известен железобетонный (металл бетонный) контейнер для транспортировки и/или хранения ОЯТ (RU №2153715 С1, G 21 F 5/008, 2000 г.). Известный контейнер содержит наружную и внутреннюю металлические цилиндрические оболочки с днищами, выполненные в варианте исполнения изобретения из тонколистовой нержавеющей стали, обеспечивающей многолетнюю коррозионную стойкость. Полость между оболочками заполнена особо прочным и тяжелым бетоном с повышенной термостойкостью. Сверху внутренняя полость контейнера и полость между оболочками герметично перекрыты двумя крышками, расположенными одна над другой и размещенными на едином металлическом основании. Контейнер снабжен дополнительной металлической цилиндрической оболочкой, включающей обечайку, выступающую за днище упомянутой наружной металлической цилиндрической оболочки и охватывающей последнюю с образованием полости, которая заполнена тяжелым бетоном меньшей прочности, чем основной - тяжелый бетон. Наружная крышка выполнена таким образом, что является одновременно торцевым демпфирующим элементом контейнера. Это достигается благодаря тому, что она снабжена элементами, пластически деформируемыми в случае аварийного нагружения контейнера. Подобным же образом выполнено и днище наружной цилиндрической оболочки, которое, благодаря особенности конструкции, является одновременно другим торцевым, демпфирующим элементом контейнера. С наружной стороны обечайки выполнен демпфирующий кольцевой элемент, который одновременно выполняет роль опорного элемента при транспортировке контейнера в вертикальном положении. Известный железобетонный контейнер предназначен для сухого хранения преимущественно отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС). Последние перед загрузкой в контейнер помещают в пеналы, которые герметизируют. В контейнере пеналы с ОТВС размещаются посредством дистанционирующей решетки. Железобетонный контейнер обеспечивает защиту ОЯТ при длительном хранении и в случае аварийной ситуации при транспортировке при сравнительно невысокой стоимости контейнера по сравнению с контейнерами, корпуса которых изготавливаются в виде монолитных металлических конструкций.

Однако подобная конструкция железобетонного контейнера в случае использования для контейнера, предназначенного для транспортировки и/или хранения высокоактивного ОЯТ, предполагает соответствующее увеличение толщины стенок корпуса, следствием чего является увеличение массогабаритных характеристик контейнера, что не всегда приемлемо, например, по условиям эксплуатации.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному изобретению является металлобетонный контейнер для транспортировки и/или хранения отработавших сборок ТВЭЛ ядерных реакторов (RU № 21Р5648 С1, G 21 F 5/008, 2002 г.), который и выбран в качестве ближайшего аналога-прототипа. Известный контейнер содержит металлические наружную и внутреннюю оболочки с днищами, полость между которыми заполнена особо прочным и тяжелым бетоном с повышенной термостойкостью. Сверху полость между оболочками перекрыта металлическим основанием, на котором размещены установленные одна над другой герметизирующие крышки. Контейнер снабжен торцевыми демпфирующими элементами, установленными по окружности соответственно на верхней и нижней диафрагмах чехла с наружной стороны последних. Торцевые демпфирующие элементы, установленные на нижней диафрагме, одновременно являются опорными элементами чехла, взаимодействующими с днищем корпуса. Торцевые демпфирующие элементы, установленные на верхней диафрагме, выполнены с возможностью взаимодействия с внутренней защитной герметизирующей крышкой.

Однако подобная конструкция металлобетонного контейнера, предназначенного для транспортировки и/или хранения высокоактивного ОЯТ, предполагает соответствующее увеличение толщины стенок корпуса для охлаждения пенала и бетона, следствием чего является увеличение массогабаритных характеристик контейнера, что не всегда приемлемо. К недостаткам известного контейнера также можно отнести то, что в нем не предусмотрены средства амортизации при кантовании контейнера в возможных аварийных ситуациях. Конструктивные особенности известного контейнера предполагают сравнительно большой объем сварочных работ. При повреждении корпуса и бетона возможна утечка элементов ТВЭЛ. Сложность в проведении контроля за внутрикорпусными устройствами и бетоном и в случае возникновения трещин в бетоне невозможность проведения ремонта.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании контейнера повышенной надежности для транспортировки и сухого хранения ОЯТ ядерных реакторов.

Указанная задача решается следующим образом: контейнер для транспортировки и сухого хранения ОЯТ ядерных реакторов содержит внешний сталебетонный корпус, в котором размещен герметичный сосуд хранения, изготовленный из высокопрочной стали, в сосуде устанавливается чехол с отработанным топливом. Герметичный сосуд снабжен тремя съемными крышками, а также фиксаторами и демпферами, которые предохраняют от смещения чехол, отработанное топливо и компенсируют тепловые расширения металла.

Внешний сталебетонный корпус состоит из металлической наружной и внутренней оболочек, полость между которыми заполнена специальным бетоном. По всему периметру внутренней оболочки расположены демпфирующие устройства, которые предохраняют от смещения и повреждения герметичный сосуд хранения.

В герметичном сосуде установлено внутреннее кольцо, которое служит для транспортировки сосуда хранения, фиксации трубного чехла, крепления защитной крышки и направляющим элементом для обеспечения заданного углового положения трубного чехла относительно продольной оси корпуса. Контейнер имеет развитую систему охлаждающих каналов, которые охлаждают внешний сталебетонный корпус, крышки, днище и сосуд хранения. Система охлаждающих каналов позволяет производить ремонт бетона при возникновении в нем трещин. В системе охлаждающих каналов установлены датчики и видеокамеры, которые позволяют проводить контроль состояния наружной стенки герметичного сосуда, внутренней стенки сталебетонного контейнера и специального бетона внешнего сталебетонного корпуса. Стальные канаты, расположенные в охлаждающих каналах, преднапряжены для увеличения прочности специального бетона, расположенного между наружной и внутренней оболочкой сталебетонного корпуса. Внешний сталебетонный корпус служит опорной конструкцией, обеспечивает защиту от излучения, механического повреждения, а также охлаждение сосуда хранения с ОТВС в течение всего срока хранения. Охлаждающий воздух проходит по цилиндрическому зазору между наружной поверхностью сосуда и внутренней поверхностью внешнего сталебетонного корпуса и по системам охлаждающих каналов. Внешний сталебетонный корпус обеспечивает эффективную радиационную защиту, МЭД (не более 10 мбэр/ч на расстоянии 1 м от боковой поверхности) за счет специальных добавок в бетон. Внутренняя обечайка внешнего сталебетонного корпуса оснащена демпфирующими устройствами, которые ограничивают смещение герметичного сосуда. Днище внешнего сталебетонного корпуса полностью покрыто стальным листом для усиления прочности в случае аварии при падении. Для кантовки контейнера из вертикального в горизонтальное положение и наоборот в днище контейнера предусмотрено место для установки типового кантовочного устройства. Контейнер имеет съемную сталебетонную крышку для обеспечения четвертого барьера безопасности. При долговременном хранении крышка приваривается к корпусу. Внешний корпус и крышка рассчитаны на нагрузки без передачи воздействий на сосуд хранения. Охлаждающие каналы представляют собой облицованные сталью каналы с лабиринтными участками для сведения к минимуму интенсивность излучения через полости воздуховодов. Конструкция охлаждающих каналов позволяет охлаждать сосуд хранения, внешний сталебетонный корпус, крышку и днище независимо от положения сталебетонного контейнера (вертикально или горизонтально).

Конструкция внешнего сталебетонного корпуса позволяет через охлаждающие каналы или при снятой крышке корпуса осуществлять контроль состояния внешней поверхности сосуда хранения и бетона корпуса специальными датчиками и телевизионными камерами. Конструкция внешнего сталебетонного корпуса максимально снижает вероятность разрушения сосуда хранения при террористическом акте.

Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно позволяет повысить надежность эксплуатации контейнера. Повышение надежности эксплуатации достигается благодаря повышению прочностных характеристик конструкции путем

- создания демпфирующих устройств, которые установлены по всему периметру внутренней цилиндрической оболочки сталебетонного корпуса;

- увеличение прочности специального бетона преднапряженными стальными канатами;

- создания фиксаторов и демпфирующих устройств на крышке сосуда хранения, предохраняющих сдвиг трубного чехла и ТВЭЛов, а также компенсирующие тепловые расширения;

- конструктивной схемы, позволяющей существенно уменьшить объем сварочных работ;

- создания дополнительных барьеров безопасности за счет тройной крышки сосуда хранения и их герметизации сваркой и за счет сталебетонной крышки внешнего сталебетонного корпуса;

- применением апробированных приспособлений по загрузке и выгрузке ТВЭЛов.

Надежность эксплуатации достигается также благодаря системе охлаждающих каналов, которые позволяют производить ремонт бетона при возникновение в нем трещин и проводить контроль состояния герметичного сосуда и внешнего сталебетонного корпуса.

Конструкция предлагаемого контейнера схематично представлена на чертежах, где на фиг.1 показан продольный разрез контейнера; на фиг.2 - увеличенный узел Б продольного разреза контейнера; на фиг.3 - поперечный разрез контейнера по А-А; на фиг.4 - схема демпфирующего устройства.

Внешний сталебетонный корпус 1 содержит металлические наружную 24 и внутреннюю 25 цилиндрические оболочки. Полость между оболочками заполнена особо прочным серпентенитовым бетоном, обладающим повышенными радиационно-защитными свойствами. Сверху внутренняя полость контейнера и полость между оболочками герметично перекрыта крышкой 19. На крышке 19, днище 3 и на внутренней цилиндрической оболочке внешнего сталебетонного корпуса установлены демпферы 13, предохраняющие от смещения и повреждения сосуд хранения 2, а также компенсирующие тепловые расширения металла сосуда хранения. Для переноски контейнера внешний сталебетонный корпус имеет съемные цапфы 11. Для кантовки контейнера из вертикального в горизонтальное положение и наоборот в днище контейнера предусмотрено место для установки типового кантовочного устройства 16. В полости серпентенитового бетона внешнего сталебетонного корпуса проложены охлаждающие каналы 12 для контроля бетона при эксплуатации на наличие трещин (при обнаружение трещин охлаждающий канал заполняется бетоном), также охлаждающие каналы предназначены для прокладки стальных канатов, которые преднапряжены для увеличения прочности бетона. Наружная и внутренняя цилиндрическая оболочка приваривается к днищу 3.

Демпфирующее устройство 13 состоит из основания 20. Основание крепится сваркой к крышке 19, к днищу 3 и к внутренней цилиндрической оболочке внешнего сталебетонного корпуса. К основанию привариваются упругие элементы 21 и 23. В зависимости от силы смещения сосуда хранения упругие элементы срабатывают поочередно. При значительной нагрузке (удар, падения и т.д.) конструкция упругих элементов позволяет компенсировать нагрузки, многократно превышающие проектные.

Охлаждающие каналы 12 представляют собой облицованные сталью каналы с лабиринтными участками для сведения к минимуму интенсивности излучения. Охлаждающие каналы также исключают или максимально снижают вероятность разрушения внутреннего корпуса при террористическом акте, связанным с действием заряда кумулятивного типа. Данная конструкция охлаждающих каналов позволяет охлаждать не только сосуд хранения, но и бетон независимо от положения сталебетонного контейнера (вертикально или горизонтально). Внутри охлаждающих каналов 12, днища и крышки 4 устанавливаются съемные сетки 12, предназначенные для защиты от попыток проникновения мелких грызунов, птиц, змей и т.д. к теплому источнику - сосуду хранения. При транспортных операциях в каналах днища и крышки устанавливаются заглушки 17, предназначенные для регулирования потока воздуха. На торцах крышки и днища установлены амортизаторы 15, которые выступают за габариты внешнего сталебетонного корпуса. Съемная сталебетонная крышка 4 предназначена для обеспечения четвертого барьера герметизации. При долговременном хранении крышка приваривается к корпусу. Крышка внешнего сталебетонного корпуса обеспечивает дополнительную защиту от излучения в верхнем направлении. Сосуд хранения 2 ТВЭЛов закрывается тремя крышками. Крышка 6 через никелевые прокладки 10 крепится болтами к сосуду хранения и для дополнительной герметизации сваривается с сосудом ниточными швами. Внутренняя крышка 8 и крышка 7 предназначены для радиационной защиты персонала при установке наружной крышки «всухую». Нижний слой защитной крышки выполнен из пористого алюминия специально вылитой по профилям головок ТВЭЛ 14. Для уменьшения габарита сосуда хранения, а также для фиксирования от смещения трубных чехлов 5 внутри сосуда хранения устанавливается кольцо 9 после установки трубного чехла. К кольцу 9 через никелевые прокладки 10 крепится болтами защитная крышка 8.

Таким образом, благодаря особенности исполнения контейнера для транспортировки и хранения отработавших сборок ТВЭЛ ядерных реакторов изобретение позволяет создать защитный контейнер, обеспечивающий возможность повышения безопасности и надежности при эксплуатации и транспортировке. Вместе с этим изобретение позволяет рационально использовать внутренний объем контейнера благодаря размещению трубных чехлов, развитой системы охлаждающих каналов и установки дополнительного кольца.

Контейнер по предлагаемому изобретению решит сложную экологическую проблему, требующую немедленного разрешения по хранению и транспортировке отработанного ядерного топлива.

Изобретение относится к области перевозки и хранения высокоактивных отходов. Сущность изобретения: контейнер для транспортировки и сухого хранения отработанного ядерного топлива ядерных реакторов содержит герметичный сосуд хранения, чехол с отработанным ядерным топливом. Кроме того, он имеет внешний сталебетонный корпус с металлической наружной и внутренней оболочками, крышки и днище, охлаждающие каналы, фиксирующие демпфера. Герметичный сосуд снабжен транспортным кольцом, фиксирующим чехол относительно продольной оси корпуса, тремя съемными крышками. Также он снабжен фиксирующими и теплоотводящими демпферами, расположенными по всему периметру внутренней цилиндрической оболочки, на крышке и днище внешнего сталебетонного корпуса. При этом охлаждающая система выполнена таким образом, что охлаждающий воздух проходит по цилиндрическому зазору между наружной поверхностью сосуда и внутренней поверхностью внешнего сталебетонного корпуса по охлаждающим каналам. Преимущество изобретения заключается в повышении надежности эксплуатации контейнера. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Контейнер для транспортировки и сухого хранения отработанного ядерного топлива ядерных реакторов, содержащий герметичный сосуд хранения, чехол с отработанным ядерным топливом, внешний сталебетонный корпус с металлической наружной и внутренней оболочками, крышки и днище, охлаждающие каналы, фиксирующие демпферы, отличающийся тем, что герметичный сосуд снабжен транспортным кольцом, фиксирующим чехол относительно продольной оси корпуса, тремя съемными крышками, а также фиксирующими и теплоотводящими демпферами, расположенными по всему периметру внутренней цилиндрической оболочки, на крышке и днище внешнего сталебетонного корпуса, при этом охлаждающая система выполнена таким образом, что охлаждающий воздух проходит по цилиндрическому зазору между наружной поверхностью сосуда и внутренней поверхностью внешнего сталебетонного корпуса, по охлаждающим каналам, расположенным внутри бетона, находящегося в полости между наружной и внутренней оболочками сталебетонного корпуса.2. Контейнер по п.1, отличающийся тем, что в охлаждающих каналах расположены стальные канаты.3. Контейнер по п.1, отличающийся тем, что в охлаждающих каналах, расположенных во внешнем сталебетонном корпусе, установлены датчики, а в крышке и днище установлены сетки и заглушки.4. Контейнер по п.1, отличающийся тем, что на торцах крышки и днища внешнего сталебетонного корпуса установлены амортизаторы.