Ссылка на сопутствующие заявки
В настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США 60/818,100, поданной 30 июня 2006 года, и по предварительной заявке на патент США 60/837,956, поданной 16 августа 2006 года, которые полностью включены в настоящее описание путем отсылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам, системам и способам транспортировки, поддержки и/или хранения высокоактивных отходов и, более конкретно, к контейнерам и компонентам контейнеров для транспортировки, поддержки и/или хранения радиоактивных материалов, таких как отработанное ядерное топливо.
Уровень техники
При работе ядерных реакторов обычной практикой является извлечение топливных сборок после того, как их энергия истощится до определенного уровня. После извлечения это отработанное ядерное топливо остается высокорадиоактивным и создает значительное количество теплоты, что требует большого внимания при его упаковке, транспортировке и хранении. Более конкретно, отработанное ядерное топливо выделяет чрезвычайно опасные нейтроны (нейтронное излучение) и гамма-кванты (гамма-излучение). Выход этих нейтронов и гамма-квантов на всех этапах транспортировки и хранения отработанного ядерного топлива обязательно необходимо предотвращать. Кроме того, обязательно необходимо отводить от отработанного ядерного топлива исходящую от него остаточную теплоту, чтобы не допустить критического события. Таким образом, контейнеры, используемые для транспортировки и/или хранения отработанного ядерного топлива, должны не только безопасно экранировать и поглощать радиоактивность отработанного ядерного топлива, но и обеспечивать его адекватное охлаждение. Такие контейнеры для транспортировки и/или хранения в отрасли обычно называют бочкой.
По существу существует два типа бочек для транспортировки и/или хранения отработанного ядерного топлива - VVO (вентилируемые вертикальные контейнеры, ВВК) и теплопроводные бочки. В ВВК обычно применяют герметизируемый пенал, в который загружается отработанное ядерное топливо и который устанавливается в полость ВВК. Такие пеналы часто содержат узел корзины для приема отработанного ядерного топлива. Пример узла, содержащего пенал и корзину и предназначенного для использования в ВВК, приведен в патенте США № 5,898,747 (Singh), выданном 27 апреля 1999 г., который настоящим полностью включается в это описание путем отсылки. Корпус ВВК спроектирован и рассчитан для обеспечения необходимого излучения гамма-излучения и нейтронного излучения от загруженных пеналов с отработанным ядерным топливом. Для охлаждения отработанного ядерного топлива в пенале ВВК снабжены вентиляционными каналами, которые позволяют прохладному окружающему воздуху затекать в полость в корпусе ВВК, обтекать внешние поверхности пенала и выходить из полости в форме нагретого воздуха. В результате теплота, производимая отработанным ядерным топливом в пенале, отводится силами естественной конвекции. Один пример ВВК раскрыт в патенте США 6,718,00 (Singh et al.), выданном 6 апреля 2004 и который настоящим полностью включен в настоящее описание путем отсылки.
Вторым типом бочек являются теплопроводные бочки. В отличие от ВВК теплопроводные бочки не вентилируются. В типичной теплопроводной бочке отработанное ядерное топливо загружают непосредственно в полость бочки, обеспечивая поддержку стержням отработанного ядерного топлива. Как и в ВВК, корпус теплопроводной бочки рассчитан на обеспечение необходимого экранирования нейтронного и гамма-излучения от отработанного ядерного топлива. Однако в отличие от ВВК, в которых для отвода теплоты, которую излучает находящееся внутри отработанное ядерное топливо, используются силы естественной конвекции, в теплопроводных бочках для охлаждения отработанного ядерного топлива используется теплопроводность. Более конкретно, сам корпус бочки предназначен для отвода теплоты от отработанного ядерного топлива за счет теплопроводности. В типичной теплопроводящей бочке ее корпус выполнен из стали или другого металла, имеющего высокую теплопроводность. В результате теплота, излучаемая отработанным ядерным топливом, отводится из полости и через корпус бочки, пока она не достигнет внешней поверхности корпуса бочки. Затем эта теплота отводится от поверхности корпуса бочки в атмосферу за счет конвекции.
В некоторых случаях использование ВВК не является предпочтительным и/или необходимым. Это может быть вызвано тепловой нагрузкой хранимого отработанного ядерного топлива, конструкцией/планировкой хранилища, в котором хранится отработанное ядерное топливо, и/или законодательством страны, в которой расположено хранилище. Однако существующие конструкции теплопроводных бочек имеют некоторые недостатки, включая, помимо прочего, (1) менее чем оптимальный теплоотвод, (2) возможность выхода существенного радиоактивного излучения (т.е. "свечение"). Кроме того, существующие способы изготовления и конструкции теплопроводных бочек не позволяют или почти не позволяют изменять размеры бочки без полной переделки конструкции бочки и/или переоснащения производственного предприятия.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на устранение этих и других недостатков. Согласно одному аспекту настоящее изобретение основано на специально сконструированном, экранирующем кольце, которое окружает полость в границе удержания, в которой следует хранить и/или транспортировать высокоактивные отходы, такие как отработанное ядерное топливо. Граница удержания может быть образована подходящим контейнером, включая, помимо прочего, многоцелевой пенал, бочку, вентилируемый вертикальный контейнер или другую структуру. Граница удержания предпочтительно обеспечивает экранирование излучения и сохраняет внутри себя все мелкие частицы. Экранирующее кольцо обеспечивает улучшение свойств экранирования нейтронного и гамма-излучения, облегчая в то же время охлаждение высокоактивных отходов внутри полости, проводя теплоту от высокоактивных отходов. Экранирующее кольцо предпочтительно сконструировано так, что множество экранирующих колец можно уложить в пакет, который окружает всю высоту полости. На переходных зонах, образовавшихся между соседними кольцами в пакете, предпочтительно выполнены втулки, предотвращающие свечение и улучшающие экранирование излучения.
В некоторых вариантах экранирующее кольцо по настоящему изобретению также содержит множество пустот для приема материала, поглощающего нейтронное излучение. Предпочтительно, чтобы геометрическая форма этих пустот в экранирующем кольце была спроектирована так, чтобы независимо от угловой ориентации (т.е. положения относительно окружности) экранирующих колец в пакете, все пустоты этих колец находились в пространственном сообщении с пустотами примыкающего экранирующего кольца (колец). В результате поглощающий нейтроны материал можно заливать в пустоты верхнего экранирующего кольца и заполнять все пустоты остальных колец в пакете. Эту операцию можно производить, не беспокоясь об угловой ориентации экранирующих колец относительно друг друга.
В других вариантах может быть предпочтительным, чтобы геометрическая форма пустот в экранирующих кольцах была специально спроектирована так, чтобы не существовало прямых, проходящих в кольце от полости к внешней атмосфере, минуя, по меньшей мере, одну из полостей (которая должна быть заполнена материалом, поглощающим нейтронное излучение). Такой конструктивный признак улучшает экранирование нейтронного излучения, исходящего от высокоактивных отходов внутри полости, одновременно облегчая отвод теплоты от высокоактивных отходов за счет теплопроводности кольцевой структуры.
В отношении экранирующего кольца настоящее изобретение может иметь большое разнообразие аспектов. Например, изобретение может принимать форму самого экранирующего кольца и/или контейнера, в котором используется одно или более из экранирующих колец. В других примерах изобретение может принимать форму способа изготовления экранирующего кольца или способа изготовления контейнера, в котором используется одно или более из экранирующих колец. Другие примеры включают способ хранения и охлаждения радиоактивного материала, который создает остаточную тепловую нагрузку и опасный уровень нейтронного и гамма-излучения. Некоторые варианты настоящего изобретения, основанные на экранирующем кольце, описаны ниже исходя из понимания, что специалистам очевидно, что могут существовать и другие варианты изобретения.
В одном варианте изобретение может быть устройством для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, содержащим: трубчатый пенал, имеющий внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую полость для приема радиоактивных материалов, при этом полость имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец, при этом трубчатый пенал имеет высоту; множество кольцевых структур, содержащих внутреннюю поверхность, образуют центральный канал, проходящий в осевом направлении сквозь кольцевую структуру, при этом кольцевые структуры, уложенные в пакет, окружают внешнюю поверхность трубчатого пенала; при этом трубчатый пенал проходит сквозь центральный канал в кольцевых структурах; и втулку, соединенную с одной или более из кольцевых структур, и заходящую за верхнюю или нижнюю поверхность кольцевой структуры, с которой соединена втулка, при этом втулка окружает центральный канал кольцевой структуры, с которой соединена втулка, и входит в канал соседней кольцевой структуры.
Предпочтительно все кольцевые структуры в пакете, за исключением самой нижней, содержат одну из втулок. Предпочтительно устройство содержит, по меньшей мере, три или более кольцевые структуры.
Внутренняя поверхность кольцевых структур в некоторых вариантах может быть ступенчатой, имеющей первую вертикальную поверхность, опорную поверхность и вторую вертикальную поверхность. Первая вертикальная поверхность предпочтительно контактирует с внешней поверхностью трубчатого пенала, а вторая вертикальная поверхность предпочтительно отстоит от внешней поверхности пенала, тем самым образуя канал для приема втулки между второй вертикальной поверхностью кольцевой структуры и внешней поверхностью трубчатого пенала. В этом варианте втулка предпочтительно содержит первую вертикальную поверхность примыкающей кольцевой структуры.
Кольцевые структуры могут содержать множество пустот, которые проходят от верхних поверхностей кольцевых структур до их нижних поверхностей. Как описано выше, размеры, форма и расположение пустот в кольцевых структурах позволяют пустотам одной кольцевой структуры сообщаться в пространстве со всеми пустотами примыкающих кольцевых структур, когда кольцевые структуры собраны в пакет.
Кольцевые структуры могут содержать внешнюю стенку, среднюю стенку и внутреннюю стенку. В этом варианте средняя стенка расположена между внутренней стенкой и внешней стенкой на расстоянии от них, например, соосно. Кольцевые структуры далее могут содержать первый набор ребер, соединяющих внутреннюю стенку со средней стенкой, и второй набор ребер, соединяющих среднюю стенку и внешнюю стенку. Наиболее предпочтительно, первый и второй наборы ребер смещены по окружности друг от друга так, чтобы в кольцевых структурах не возникала радиальная траектория, проходящая от внутренней стенки к внешней стенке, минуя одну из пустот. При такой конфигурации пустота расположена между каждым из ребер первого и второго набора.
Пустоты предпочтительно заполнены материалом, поглощающим нейтронное излучение. Предпочтительно пенал, кольцевая структура и втулка выполнены из материала, поглощающего гамма-излучение. Устройство также может содержать основание, выполненное из материала, поглощающего гамма-излучение. В этом варианте трубчатый пенал предпочтительно установлен поверх основания по существу вертикально. Может иметься узел крышки, которая по существу закрывает открытый конец трубчатого пенала. Узел крышки предпочтительно выполнен из материала, поглощающего гамма-излучение, и является неунитарной структурой, выполненной с возможностью отсоединения от трубчатого пенала и кольцевых структур.
Кольцевые структуры предпочтительно выполнены из материала, расширяющегося при нагревании. Наиболее предпочтительно профили горизонтального сечения центральных каналов кольцевых структур имеют такой размер, что когда кольцевые структуры находятся в условиях температуры окружающей среды, внутренние поверхности кольцевых структур прижимались к внешней поверхности трубчатого пенала. Однако когда кольцевые структуры нагреты, центральные каналы немного превышают профиль горизонтального сечения внешней поверхности трубчатого пенала. Это облегчает производство при натягивании кольцевых структур на пенал и обеспечивает постоянный контакт кольцевых структур с поверхностью пенала, что облегчает отвод теплоты за счет теплопроводности. Нагрев необходимо контролировать, чтобы не достичь температуры, которая оказала бы влияние на металлургические свойства материала (напр., металла), из которого выполнены кольцевые структуры. В одном варианте нагрев проводят при температуре 600° по Фаренгейту (приблизительно 315°С) или менее.
Далее предпочтительно, устройство дополнительно содержит узел корзины, имеющей решетку в форме сот, которая образует множество по существу вертикальных удлиненных ячеек. Наиболее предпочтительно узел решетки содержит одну или более ловушек потока нейтронов и расположен в полости. Узел корзины может быть выполнен из композитного материала на основе металлической матрицы.
Трубчатый пенал в некоторых вариантах может иметь цилиндрическую форму. В результате внутренняя стенка трубчатого пенала имеет круглый профиль горизонтального сечения. В одном варианте узел корзины может иметь профиль горизонтального сечения, имеющий некруглый периметр. В таких ситуациях устройство предпочтительно далее содержит промежуточный элемент, имеющий внутреннюю поверхность, образующую центральный канал сквозь промежуточный элемент, и внешнюю поверхность. Промежуточный элемент предпочтительно имеет профиль горизонтального сечения, имеющий внутренний периметр, образованный внутренней поверхностью промежуточного элемента, и круглый внешний периметр, образованный внешней поверхностью промежуточного элемента. Внутренний периметр профиля горизонтального сечения промежуточного элемента соответствует по форме периметру профиля горизонтального сечения узла корзины. Круглый внешний периметр, образованный внешней поверхностью промежуточного элемента, предпочтительно немного меньше круглого профиля горизонтального сечения внутренней стенки трубчатого пенала. Промежуточный элемент установлен в полости так, что узел корзины проходит в центральном канале промежуточного элемента. Другими словами, промежуточный элемент окружает узел корзины. В одном варианте имеется множество промежуточных элементов, уложенных в вертикальный пакет так, чтобы окружать узел корзины по существу по всей ее высоте.
В другом варианте настоящее изобретение может быть устройством для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, и содержащим: трубчатый пенал, выполненный из материала, экранирующего гамма-излучение и имеющий внешнюю поверхность, и внутреннюю поверхность, образующую полость для приема радиоактивных материалов; основание, выполненное из материала, экранирующего гамма-излучение, при этом трубчатый пенал соединен с основанием, располагаясь сверху, по существу вертикально, при этом полость имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец; множество кольцевых структур, выполненных из материала, экранирующего гамма-излучение, и имеющих внутреннюю поверхность, верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, при этом внутренняя поверхность образует центральный канал, проходящий сквозь кольцевую структуру; при этом множество кольцевых структур образуют канал в одной из верхней или нижней поверхностей, и втулку, выступающую из другой из верхней и нижней поверхностей; при этом втулка и канал окружают центральный канал; при этом множество кольцевых структур содержит последовательность пустот для приема материала, экранирующего нейтронное излучение, при этом пустоты окружают центральный канал; и множество кольцевых структур уложены в пакет так, что втулки или кольцевые структуры входят в канал соседней кольцевой структуры, при этом трубчатый пенал проходит в центральных каналах множества кольцевых структур.
В еще одном варианте настоящее изобретение может быть устройством для обеспечения экранирования нейтронного и гамма-излучения радиоактивных материалов, создающих остаточную теплоту, содержащим: кольцевой корпус, содержащий верхнюю поверхность, нижнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, проходящий в осевом направлении сквозь кольцевой корпус; при этом кольцевой корпус выполнен из материала, экранирующего гамма-излучение, и содержит канал в одной из верхней или нижней поверхностей, и втулку, выступающую из другой из верхней или нижней поверхностей, при этом втулка и канал окружают центральный канал; при этом кольцевой корпус содержит последовательность пустот для приема материала, экранирующего нейтронное излучение, и пустоты окружают центральный канал.
В еще одном варианте настоящее изобретение может быть устройством для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, содержащим: трубчатый пенал, выполненный из материала, экранирующего гамма-излучение, и имеющий внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую полость для приема радиоактивных материалов; основание, выполненное из материала, экранирующего гамма-излучение, при этом трубчатый пенал установлен поверх основания по существу вертикально, при этом полость имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец; множество кольцевых структур, выполненных из материала, поглощающего радиоактивное излучение, и имеющих внутреннюю поверхность, верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, при этом внутренняя поверхность образует центральный канал, проходящий сквозь кольцевые структуры; при этом множество кольцевых структур уложены в пакет вокруг внешней поверхности трубчатого пенала так, что между верхней и нижней поверхностями соседних кольцевых структур в пакете образована межкольцевая переходная зона, при этом трубчатый пенал проходит в центральном канале множество кольцевых структур; при этом множество кольцевых структур выполнено с возможностью экранировать нейтронное излучение радиоактивных материалов, находящихся в полости; и каждую межкольцевую переходную зону, имеющуюся в пакете, окружает втулка, выполненная из материала, поглощающего гамма-излучение, при этом втулка проходит выше и ниже межкольцевой переходной зоны.
В еще одном варианте настоящее изобретение может быть устройством для обеспечения экранирования нейтронного и гамма-излучения радиоактивных материалов, расположенных в полости, образованной внутренней поверхностью трубчатого пенала, имеющей внешнюю поверхность и высоту, при этом устройство содержит: кольцевой корпус, имеющий верхнюю поверхность, нижнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, который проходит в осевом направлении сквозь кольцевой корпус; при этом центральный канал имеет размер, позволяющий ему окружать внешнюю поверхность трубчатого пенала; при этом кольцевой корпус выполнен из материала, экранирующего гамма-излучение, и содержит втулку, выступающую из одной из верхней или нижней поверхностей, при этом втулка окружает центральный канал; при этом кольцевой корпус выполнен так, что когда один кольцевой корпус уложен на другой так, чтобы их центральные каналы расположились соосно, нижняя поверхность одного из кольцевых корпусов образовала межкольцевую переходную зону с верхней поверхностью другого из кольцевых корпусов, при этом втулка одного из кольцевых корпусов заходит на межкольцевую переходную зону.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение основано на промежуточном устройстве, предназначенном для установки в полость контейнера между узлом топливной корзины и корпусом контейнера. Как и кольцо, экранирующее излучение, промежуточное устройство так же предпочтительно является кольцевой структурой. Однако ее функции и положение в контейнере для высокоактивных отходов являются иными.
Геометрия промежуточного устройства специально предназначена для окружения узла топливной корзины и поддержания правильного положения топливной корзины в предназначенной для хранения полости контейнера. Дополнительно, геометрия и материал, из которого выполнено промежуточное устройство, доводят до максимума отвод теплоты от высокоактивных отходов, находящихся в узде корзины. Более того, для облегчения изготовления и установки промежуточное устройство может содержать множество идентичных сегментов, предназначенных для укладки в пакет, который окружает корзину на всей ее высоте.
Промежуточное устройство по настоящему изобретению может быть выполнено в различных вариантах. Например, изобретение может быть собственно промежуточным устройством и/или контейнером, в который встроено промежуточное устройство. В других примерах изобретение может быть способом изготовления промежуточного устройства или способом изготовления контейнера, в котором используется промежуточное устройство. К другим примерам относятся способ хранения и охлаждения радиоактивных материалов, которые создают остаточную тепловую нагрузку и имеют опасный уровень нейтронного и гамма-излучения. Некоторые из этих вариантах описаны ниже с пониманием того, что специалистам очевидно, что возможны и другие варианты настоящего изобретения.
В одном варианте настоящее изобретение может быть устройством для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, таких как стержни отработанного ядерного топлива, при этом устройство содержит: корпус, содержащий пенал, имеющий внутреннюю поверхность, образующую полость для приема радиоактивных материалов, при этом корпус обеспечивает экранирование нейтронного и гамма-излучения; при этом полость имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец, при этом полость имеет профиль горизонтального сечения, периметр которого образован внутренней поверхностью пенала; корзину, расположенную в полости, при этом корзина содержит множество по существу вертикальных удлиненных ячеек, при том корзина имеет профиль горизонтального сечения, внешний периметр которого сформирован внешней поверхностью корзины; и структуру, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал сквозь структуру, при этом профиль горизонтального сечения структуры имеет внутренний периметр, образованный внутренней поверхностью структуры, и внешний периметр, образованный внешней поверхностью структуры; при этом структура установлена в полость, корзина проходит сквозь центральный канал структуры; и в котором внутренний периметр структуры соответствует внешнему периметру корзины по размеру и форме и внешний периметр структуры соответствует периметру полости по размеру и форме.
Предпочтительно структура выполнена из материала, имеющего первый коэффициент теплового расширения, а пенал выполнен из материала, имеющего второй коэффициент теплового расширения, при этом первый коэффициент теплового расширения больше второго. Конструкция устройства, в котором первый коэффициент теплового расширения больше второго, позволяет структуре при нагревании расширяться больше, чем пенал. В результате, когда на устройство воздействует тепловая нагрузка (например, когда полость заполнена высокоактивными отходами, имеющими тепловую нагрузку), структура расширяется так, что ее внешняя поверхность входит в постоянный контакт с внутренней поверхностью пенала. Аналогично, внутренняя поверхность структуры входит в непрерывный контакт с внешней поверхностью корзины. Непрерывный контакт между этими поверхностями способствует отводу теплоты за счет теплопроводности.
В предпочтительном варианте, когда температура устройства равна температуре окружающей среды, между внутренней поверхностью структуры и внешней поверхностью корзины имеется первый небольшой зазор. Однако когда в удлиненные ячейки корзины помещают радиоактивные материалы, имеющие остаточную тепловую нагрузку, эта остаточная тепловая нагрузка радиоактивных отходов заставляет корзину и/или структуру расширяться, тем самым выбирая первый небольшой зазор. Другими словами, корзина и/или структура расширяются так, что внешняя поверхность корзины прижимается к внутренней поверхности структуры.
Аналогично в условиях температуры окружающей среды предпочтительно, чтобы между внешней поверхностью структуры и внутренней поверхностью пенала, которая образует полость, имелся второй небольшой зазор. Как и в случае с первым небольшим зазором, при размещении радиоактивных материалов с остаточной тепловой нагрузкой в удлиненных ячейках корзины остаточная тепловая нагрузка радиоактивных отходов заставляет структуру расширяться быстрее и в большей степени, чем пенал, и, тем самым, выбирать второй небольшой зазор. Другими словами, структура расширяется так, что внешняя поверхность структуры прижимается к внутренней поверхности пенала.
В предпочтительном варианте структура содержит множество неунитарных сегментов, расположенных пакетом, который окружает корзину по существу по всей ее высоте. В еще одном предпочтительном варианте устройство может содержать одно или более из экранирующих колец, описанных выше, и/или любые из признаков, описанных в связи с такими кольцами.
В другом варианте настоящее изобретение может быть устройством для стабилизации корзины, содержащей радиоактивные материалы, имеющие остаточную тепловую нагрузку, загруженную в полость, образованную внутренней поверхностью корпуса контейнера, при этом профиль горизонтального сечения полости имеет периметр, образованный внутренней поверхностью этого корпуса, профиль горизонтального сечения корзины имеет внешний периметр, образованный внешней поверхностью корзины, при этом устройство содержит: кольцевую структуру, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, и внутренняя поверхность образует центральный канал, при этом профиль горизонтального сечения кольцевой структуры имеет внутренний периметр, образованный внутренней поверхностью кольцевой структуры и внешний периметр, образованный внешней поверхностью кольцевой структуры; и в котором внутренний периметр кольцевой структуры соответствует по размеру и форме внешнему периметру корзины, внешний периметр корзины структуры соответствует по размеру и форме периметру полости.
В еще одном варианте настоящее изобретение может быть устройством для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, например, стержней отработанного ядерного топлива, при этом устройство содержит: корпус, содержащий внутреннюю поверхность, образующую полость для приема радиоактивных материалов, при этом корпус обеспечивает экранирование нейтронного и гамма-излучения, при этом полость имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец; корзину, расположенную в полости, при этом корзина содержит множество по существу вертикально ориентированных удлиненных ячеек; кольцевую структуру, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, при этом корзина проходит в центральном канале кольцевой структуры; и в котором кольцевая структура выполнена из материала, имеющего первый коэффициент теплового расширения, и внутренняя поверхность корпуса выполнена из материала, имеющего второй коэффициент теплового расширения, при этом первый коэффициент теплового расширения больше, чем второй.
В еще одном варианте настоящее изобретение может быть устройством для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, таких как стержни отработанного ядерного топлива, при этом устройство содержит: корпус, имеющий внутреннюю поверхность, образующую полость для приема радиоактивных материалов, при этом корпус обеспечивает экранирование нейтронного и гамма-излучения, при этом полость имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец, при этом полость имеет профиль горизонтального сечения, периметр которого образован внутренней поверхностью корпуса; корзину, расположенную в полости, при этом корзина содержит множество по существу вертикально ориентированных ячеек, при этом профиль горизонтального сечения имеет внешний периметр, сформированный внешней поверхностью корзины; и структуру, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, при этом структура имеет профиль горизонтального сечения, имеющий внутренний периметр, образованный внутренней поверхностью структуры, и внешний периметр, образованный внешней поверхностью структуры, при этом структура расположена в полости, корзина проходит сквозь центральный канал структуры; и в котором внутренний периметр структуры соответствует по форме и размеру внешнему периметру корзины, а внешний периметр структуры соответствует по форме и размеру периметру полости.
В еще одном варианте настоящее изобретение может быть устройством для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, например, стержней отработанного ядерного топлива, при этом устройство содержит: корпус, содержащий пенал, имеющий внутреннюю поверхность, образующую полость для приема радиоактивных материалов, при этом корпус обеспечивает экранирование нейтронного и гамма-излучения, при этом полость имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец; корзину, расположенную в полости и содержащую множество ячеек; структуру, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, при этом корзина проходит в центральном канале структуры; и в котором структура выполнена из материала, имеющего первый коэффициент теплового расширения, а пенал выполнен из материала, имеющего второй коэффициент теплового расширения, при этом первый коэффициент теплового расширения больше второго.
В еще одном варианте настоящее изобретение может быть устройством для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, например, стержней отработанного ядерного топлива, при этом устройство содержит: корпус, имеющий внутреннюю поверхность, которая образует полость для приема радиоактивных материалов, при этом корпус обеспечивает экранирование нейтронного и гамма-излучения, при этом полость имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец; корзину, расположенную в полости, при этом корзина имеет множество ячеек для приема стержней отработанного ядерного топлива, при этом корзина имеет профиль горизонтального сечения, внешний периметр которого сформирован внешней поверхностью корзины; и структуру, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, при этом профиль горизонтального сечения имеет внутренний периметр, образованный внутренней поверхностью структуры, и внешний периметр, образованный внешней поверхностью структуры; при этом структура расположена в полости между корзиной и внутренней поверхностью корпуса; при этом корзина проходит сквозь центральный канал структуры, в котором внутренний периметр структуры по форме соответствует внешнему периметру корзины, а внешний периметр структуры соответствует по форме периметру полости; и в котором, когда температура структуры равна температуре окружающей среды, между внешней поверхностью структуры и внутренней поверхностью корпуса имеется небольшой зазор.
В еще одном варианте настоящее изобретение может быть устройством для стабилизации корзины для удержания радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, в полости, сформированной внутренней поверхностью корпуса контейнера, при этом устройство содержит: кольцевую структуру, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, выполненный с возможностью приема корзины, и в котором кольцевая структура выполнена из материала, имеющего первый коэффициент теплового расширения, а внутренняя поверхность корпуса выполнена из материала, имеющего второй коэффициент теплового расширения, при этом первый коэффициент теплового расширения больше второго.
Согласно еще одному аспекту изобретение сфокусировано на специально спроектированном узле корзины для приема и удержания стержней отработанного ядерного топлива. Узел корзины можно использовать в многоцелевом контейнере или он может быть встроен непосредственно в полость контейнера, например, теплопроводной бочки. Что касается корзины, настоящее изобретение может быть реализовано во множестве разных вариантов. Например, настоящее изобретение может быть самой корзиной и/или контейнером, в котором используется корзина. К другим примерам относятся способ хранения и охлаждения радиоактивных материалов. Некоторые из таких вариантов описаны ниже, исходя из понимания, что специалистам очевидно, что могут существовать и другие варианты изобретения.
В одном варианте настоящее изобретение может быть устройством, пригодным для транспортировки и/или хранения стержней отработанного ядерного топлива, содержащим: корзину, сформированную из сотовидной решетки, сформированной из пластин, расположенных в прямолинейной конфигурации, при этом пластинчатая решетка образует множество ячеек для приема стержней отработанного ядерного топлива; при этом корзина содержит одну или более ловушку потока нейтронов, которая регулирует нейтронное излучение; и в которой пластины выполнены из композитного материала на основе металлической матрицы.
Композитный материал на основе металлической матрицы может быть металлокерамикой с высоким содержанием Cr-Al2O3. Предпочтительно корзина имеет высоту, превышающую или равную высоте стержней отработанного ядерного топлива.
В предпочтительном варианте корзина сформирована множеством сегментов, расположенных пакетом, где каждый сегмент содержит сотовидную решетку из пластин, расположенных в прямолинейной конфигурации. Каждый сегмент может содержать множество пазов так, что когда сегменты собраны в пакет, пазы каждого сегмента пересекают пазы соседнего сегмента. Предпочтительно пазы этих сегментов запирают сегменты друг с другом так, чтобы предотвратить горизонтальное и вращательно относительное перемещение между сегментами. Более предпочтительно корзина содержит, по меньшей мере, четыре сегмента, каждый из которых имеет по существу одинаковую высоту.
В этом варианте нижний сегмент пакета предпочтительно имеет множество прорезей в пластинах, образующих проходы между множеством ячеек на дне ячейки или рядом с ее дном. В результате образуется газовая полость. Прорези в верхнем и нижнем сегменте могут иметь полукруглую форму. Может иметься один или более стояк, который проходит от верхней полости к нижней полости для облегчения естественной циркуляции текучей среды внутри корзины для облегчения конвекционного охлаждения стержней отработанного ядерного топлива, помещенных в ячейки.
Пазы в пластинах предпочтительно выполняют до сборки. Таким образом, они выполнены с возможностью вставляться друг в друга для образования корзины. Более конкретно, когда одна пластина расположена под углом 90° к другой пластине, пазы в этих двух пластинах совмещаются и пересекаются. Пластины могут содержать множество пазов в верхней кромке пластины и множество пазов в нижней кромке пластины, которые находятся на одной оси с пазами в верхней кромке пластины. Пазы в верхней и нижней кромках пластины предпочтительно проходят на четверть высоты пластины. Пластины также могут содержать язычок, отходящий от боковых кромок пластины, и такие язычки имеют высоту, составляющую половину высоты пластины. Далее предпочтительно, чтобы вся корзина была сформирована из пластин, имеющих не более трех разных конфигураций. Это сокращает производственные издержки и уменьшает сложность конструкции.
Одна или более ловушка потока нейтронов может быть пространствами, сформированными между двумя из пластин. В одном варианте имеются, по меньшей мере, две ловушки потока нейтронов, которые перпендикулярны друг другу и проходят по высоте корзины. Пространства, являющиеся ловушками потока нейтронов, можно сформировать между двумя по существу параллельными пластинами.
Когда узел корзины вставлен в контейнер, например, многоцелевой контейнер, устройство по настоящему изобретению далее содержит металлический пенал, цилиндрически окружающий эту корзину, металлическую плиту основания, приваренную к металлическому пеналу, и металлическую крышку, выполненную с возможностью установки на верхний конец цилиндра, образованного металлическим пеналом, тем самым формируя контейнер.
Однако, если узел корзины необходимо встроить непосредственно в контейнер для хранения, устройство далее может содержать корпус, имеющий внутреннюю поверхность, которая образует полость, при этом корпус выполнен с возможностью обеспечивать экранирование нейтронного и гамма-излучения; при этом корзина расположена в полости по существу в вертикальной ориентации. Полость может иметь открытый верхний конец и закрытый нижний конец. На корпусе сверху может быть установлена крышка, охватывающая открытый верхний конец полости. Предпочтительно крышка является неунитарной структурой относительно корпуса. Наиболее предпочтительно, когда крышка установлена поверх корпуса, полость герметично уплотнена, и корпус выполнен с возможностью обеспечивать достаточный теплоотвод от стержней отработанного ядерного топлива, помещенных в корзину, чтобы предотвращать возникновения критического состояния.
В этом варианте устройство далее может содержать любые и/или все из признаков, описанных выше в отношении экранирующих колец и/или промежуточного устройства.
Согласно следующему аспекту настоящее изобретение может быть устройством для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, содержащим: удерживающую структуру, образующую полость для приема радиоактивных материалов, при этом удерживающая структура образует границу удержания вокруг полости; множество кольцевых структур, при этом каждая из кольцевых структур содержит верхнюю поверхность, нижнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, проходящий в осевом направлении сквозь кольцевую структуру; при этом множество кольцевых структур уложено в пакет так, что между верхней и нижней поверхностями соседних кольцевых структур образована межкольцевая переходная зона, при этом удерживающая структура проходит сквозь центральные каналы кольцевых структур, уложенных в пакет, и втулку, расположенную на каждой межкольцевой переходной зоне и проходящую выше и ниже этой межкольцевой переходной зоны.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение может быть устройством для обеспечения экранирования излучения радиоактивных материалов, заключенных в контейнер для твердых частиц и текучих материалов, при этом устройство содержит: кольцевой корпус, выполненный из материала, экранирующего гамма-излучение, при этом кольцевой корпус содержит верхнюю поверхность, нижнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал; про этом кольцевой корпус содержит втулку, выступающую из верхней или нижней поверхностей кольцевого корпуса; в кольцевом корпусе выполнена последовательность пустот для приема материала, экранирующего нейтронное излучение, при этом пустоты окружают центральный канал; и в котором, когда два кольцевых корпуса уложены в пакет один на другой, чтобы образовать межкольцевую переходную зону, втулка одного из кольцевых корпусов заходит за эту межкольцевую переходную зону.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение является устройством для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, содержащим: удерживающую структуру, образующую полость для приема радиоактивных материалов, при этом удерживающая структура образует границу удержания вокруг полости; множество кольцевых структур, выполненных из материала, поглощающего гамма-излучение, при этом каждая из кольцевых структур содержит верхнюю поверхность, нижнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, проходящий в осевом направлении сквозь кольцевую структуру; и каждая из кольцевых структур содержит множество пространств для приема материала, поглощающего нейтронное излучение, при этом размеры, форма и расположение этих пространств таковы, что не существует линейной траектории от оси центральных каналов кольцевых структур до внешней поверхности кольцевых структур, минующих одно или более из этих пространств.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение является устройством для обеспечения экранирования излучения радиоактивных материалов, заключенных в контейнере для твердых частиц и текучих материалов, при этом устройство содержит: кольцевой корпус, выполненный из материала, экранирующего гамма-излучение, при этом кольцевой корпус содержит верхнюю поверхность, нижнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал; при этом кольцевой корпус содержит множество пустот, выполненных в кольцевом корпусе для приема материала, экранирующего нейтронное излучение; при этом размеры, форма и расположение этих пустот таковы, что не существует линейной траектории от оси центральных каналов кольцевых структур до внешней поверхности кольцевых структур, минующих одно или более из этих пространств.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение является устройством для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, содержащим: корпус, имеющий внутреннюю поверхность, которая образует полость для приема радиоактивных материалов, при этом корпус обеспечивает экранирование нейтронного и гамма-излучения, при этом полость имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец, про этом профиль горизонтального сечения полости имеет периметр, образованный внутренней поверхностью; корзину, расположенную в полости, при этом корзина содержит множество ячеек, при этом профиль горизонтального сечения корзины имеет внешний периметр, образованный внешней поверхностью корзины; и структуру, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, при этом профиль горизонтального сечения структуры имеет внутренний периметр, образованный внутренней поверхностью структуры, и внешний периметр, образованный внешней поверхностью структуры; при этом структура расположена в полости так, что корзина проходит сквозь центральный канал структуры; и в котором внутренний периметр кольцевой структуры по форме и размеру соответствует внешнему периметру корзины, а внешний периметр структуры по форме и размеру соответствует периметру полости.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение является устройством для стабилизации корзины для удержания радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, в полости, образованной внутренней поверхностью корпуса контейнера, при этом профиль горизонтального сечения полости имеет периметр, образованный внутренней поверхностью корпуса, при этом профиль горизонтального сечения корзины имеет внешний периметр, образованный внешней поверхностью корзины; при этом устройство содержит: кольцевую структуру, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, при этом профиль горизонтального сечения кольцевой структуры имеет внутренний периметр, образованный внутренней поверхностью кольцевой структуры, и внешний периметр, образованный внешней поверхностью кольцевой структуры; и в котором внутренний периметр кольцевой структуры по форме и размеру соответствует внешнему периметру корзины, а внешний периметр структуры по форме и размеру соответствует периметру полости.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение может быть устройством для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, содержащим: корпус, имеющий внутреннюю поверхность, которая образует полость для приема радиоактивных материалов, при этом корпус обеспечивает экранирование нейтронного и гамма-излучения, при этом полость имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец; корзину, расположенную в полости и содержащую множество ячеек; структуру, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, при этом корзина проходит в центральном канале структуры; и в котором структура выполнена из материала, имеющего первый коэффициент теплового расширения, а внутренняя поверхность корпуса выполнена из материала, имеющего второй коэффициент теплового расширения, при этом первый коэффициент теплового расширения больше второго.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение является устройством для стабилизации корзины для удержания радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, в полости, образованной внутренней поверхностью корпусом контейнера, при этом устройство содержит: кольцевую структуру, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, выполненный с возможностью принимать корзину; и в котором кольцевая структура выполнена из материала, имеющего первый коэффициент теплового расширения, а внутренняя поверхность корпуса выполнена из материала, имеющего второй коэффициент теплового расширения, при это первый коэффициент теплового расширения больше второго.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение может быть устройством, пригодным для транспортировки и/или хранения стержней отработанного ядерного топлива, содержащим: корзину, сформированную из сотовидной решетки, образованной пластинами, расположенными в прямолинейной конфигурации, при этом пластинчатая решетка образует множество ячеек для приема стержней отработанного ядерного топлива; при этом корзина содержит одну или более ловушку потока нейтронов, которая регулирует нейтронное излучение; и в котором пластины выполнены из композитного материала на основе металлической матрицы.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид в перспективе контейнера для хранения и/или транспортировки высокоактивных отходов по варианту настоящего изобретения.
Фиг.2 - поэлементный вид контейнера на фиг.1.
Фиг.3 - вид сверху контейнера на фиг.1 со снятым узлом крышки.
Фиг.4 - вид спереди в перспективе экранирующего кольца согласно варианту настоящего изобретения.
Фиг.5 - вид снизу в перспективе экранирующего кольца на фиг.4.
Фиг.6А - вертикальное сечение экранирующего кольца на фиг.4.
Фиг.6В - вертикальное сечение экранирующего кольца на варианту настоящего изобретения.
Фиг.7 - вид в перспективе начального этапа сборки контейнера на фиг.1, когда экранирующие кольца находятся в процессе надевания на внутренний пенал в нагретом состоянии.
Фиг.8 - вертикальное сечение части корпуса контейнера на фиг.1, когда экранирующие кольца находятся в процессе надевания на внутренний пенал.
Фиг.9 - вид в перспективе четырех экранирующих колец согласно альтернативному варианту настоящего изобретения.
Фиг.10 - вид в перспективе промежуточного элемента согласно варианту настоящего изобретения.
Фиг.11 - вид сверху промежуточного элемента на фиг.10.
Фиг.12 - вид сверху корзины, предназначенной для использования в сочетании с промежуточным элементом на фиг.10 согласно одному варианту настоящего изобретения.
Фиг.13А - вид сверху узла промежуточного элемента по фиг.10 и корзины на фиг.12, установленной в полость внутреннего пенала контейнера на фиг.1 при температуре окружающей среды.
Фиг.13В - вертикальное сечение части узла на фиг.13А по линии XIII-XIII.
Фиг.14А - виз сверху узла на фиг.13А при тепловой нагрузке от высокоактивных отходов, помещенных в полость.
Фиг.14В - вертикальное сечение части узла на фиг.14А согласно линии XIV-XIV.
Фиг.15 - вид в перспективе корзины для приема высокоактивных отходов по варианту настоящего изобретения.
Фиг.16 - вид в перспективе среднего сегмента корзины на фиг.15.
Фиг.17 - вид в перспективе нижнего сегмента корзины на фиг.15.
Осуществление изобретение
На фиг.1 приведен вид в перспективе контейнера 100 для хранения и/или транспортировки высокоактивных отходов по варианту настоящего изобретения. Хотя в настоящем описании контейнер 100 (и его компоненты) описан в связи с хранением и/или транспортировкой стержней отработанного ядерного топлива настоящее изобретение ни в коем случае не ограничено типом высокоактивных отходов. Контейнер 100 (и его компоненты) можно использовать для транспортировки и/или хранения радиоактивных отходов любого типа. Контейнер 100, однако, особенно пригоден для транспортировки, хранения и/или охлаждения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку и создающих нейтронное и гамма-излучение.
Контейнер 100 является теплопроводной бочкой и поэтому содержит герметично закрываемую полость, в которую можно помещать стержни отработанного ядерного топлива для их хранения, охлаждения и/или транспортировки. Для охлаждения стержней отработанного ядерного топлива, расположенных в герметично закрытой полости контейнера 100, остаточное тепло, излучаемое стержнями, отводится от полости за счет теплопроводности корпуса 20 контейнера 100. Это процесс охлаждения отводом теплоты более подробно будет описан ниже. Однако, хотя в отношении теплопроводной бочки более подробно будут описаны различные аспекты настоящего изобретения, специалистам понятно, что компоненты и концепции по настоящему изобретению могут быть при желании встроены в систему вентилируемого вертикального контейнера.
Контейнер 100 предназначен для использования по существу в вертикальной ориентации (как показано на фиг.1). Контейнер 100 имеет верхнюю часть 101 и дно 102. Контейнер 100 предпочтительно является по существу цилиндрической емкостью, имеющей по существу круглый профиль горизонтального сечения. Однако настоящее изобретение не ограничено формой контейнера 100 или его ориентацией при использовании.
Контейнер 100 содержит корпус 20 и узел 21 крышки, который содержит первичную крышку 9 и вторичную крышку 8 (видимые на фиг.2). И корпус 20, и узел 21 крышки выполнены с возможностью осуществления экранирования нейтронного и гамма-излучения от радиоактивных материалов, находящихся в контейнере 100, особенно от стержней отработанного ядерного топлива. Как более подробно будет описано ниже, конструкция и технология производства контейнера 100 обеспечивают улучшенное экранирование нейтронного и гамма-излучения по сравнению с контейнерами по предшествующему уровню техники.
Узел 21 крышки соединен с корпусом 20 множеством болтов 22. Узел 21 крышки прикреплен к корпусу 10 таким образом, который позволяет многократно снимать и устанавливать узел 21 крышки на корпус 20, не повреждая структурную целостность контейнера 100 или любого из его компонентов. Таким образом, узел 21 крышки образует переходную зону между крышкой и корпусом 20 и является нецельной и съемной структурой относительно корпуса 20.
Корпус 20 контейнера 100 содержит множество экранирующих колец 11, 11А, верхнюю поковку 3 и нижнюю поковку 4. И на верхней, и на нижней поковке 3, 4 имеется пара цапф 5 для облегчения подъемно-транспортных операций с контейнером 100 при помощи крана или других средств. Более конкретно, цапфы 5 расположены и на верхней, и на нижней поковке 3, 4 так, чтобы угловое расстояние между ними было равно приблизительно 180°. Цапфы 5 предпочтительно выполнены из материала, поглощающего гамма-излучение, достаточно прочного, чтобы выдерживать нагрузки и напряжения, возникающие при многократных циклах загрузки и выгрузки, возникающих при эксплуатации контейнера 100. В одном варианте цапфы 5 предпочтительно выполнены из стали. Разумеется, можно использовать и другие подходящие материалы, имеющие достаточную прочность и адекватную пластичность, чтобы выдерживать циклы нагрузки.
В основании каждой цапфы 5 также имеется плита 6 цапфы. Эти плиты 6 предпочтительно выполнены прямоугольными и имеют отверстие, которое является каналом, сквозь который может проходить цапфа 5. Плиты 6 могут быть выполнены из материала, поглощающего гамма-излучение, например, стали. Однако, когда от верхней или нижней поковки 3, 4 требуется дополнительное свойство экранирования нейтронного излучения, плиты 6 могут быть выполнены из материала, поглощающего нейтронное излучение. Материал плит 6 определяется требуемыми структурными и/или экранирующими свойствами контейнера 100. Верхняя и нижняя поковки 3, 4 имеют углубления 24 (показанные на фиг.2), для приема плит 6. Углубления 24 имеют размеры и форму, соответствующие размерам и форме плит 6.
Цапфы 5 могут быть соединены с верхней и нижней поковками 3, 4 разными способами, включая, помимо прочего, сварку, болтовое соединение, посадку в натяг и резьбовое соединение. Для контейнера 100 во внешних поверхностях верхней и нижней поковок 2, 4 в требуемых положениях размещения цапф 5 выполнены соответствующего размера отверстия 23 (показанные на фиг.2). Цапфы 5 имеют размер, позволяющий вставить их в отверстия 23 так, чтобы выступать из них. Жесткое зацепление цапф 5 в отверстиях 23 может быть обеспечено указанными выше способами. Однако предпочтительным может быть резьбовое соединение между внешними поверхностями цапф 5 и внутренними поверхностями отверстий 23. Отверстия 23 расположены в углублениях 24.
К внешней поверхности каждой из верхней и нижней поковок 3, 4 прикреплены две пластины 10, экранирующие нейтроны. Экранирующие нейтроны пластины 10 установлены между плитами 6 цапф и предназначены для улучшения экранирования нейтронного излучения поковками 3, 4 (которые изготовлены из материала, в первую очередь поглощающего гамма-излучения, например, стали). Экранирующие нейтроны пластины 10 выполнены из материала, поглощающего нейтронное излучение, например, полимера, богатого водородом. Материалы такого типа продаются под наименованиями Hold-Tite и NSC4FR. Экранирующие нейтроны пластины 10 являются изогнутыми пластинчатыми структурами, предназначенными для окружения по периметру, по меньшей мере, части внешней поверхности верхней и нижней поковок 3, 4. Предпочтительно вся внешняя поверхность верхней и нижней поковок 3, 4 окружена материалом, поглощающим нейтроны.
Далее следует подробное описание общей конструкции контейнера 100 и расположения его основных компонентов, со ссылками на фиг.2. На фиг.2 приведен разнесенный вид контейнера 100. Корпус 20 контейнера 100 содержит нижнюю поковку 4. Нижняя поковка 4 действует как структура основания и/или фундамента для остальной части контейнера 100. Нижняя поковка 4 является толстой пластинчатой структурой, выполненной из материала, поглощающего гамма-излучение, такого как сталь или свинец. Однако при желании можно использовать и другие материалы. Нижняя поковка 4 выполнена достаточно толстой, чтобы экранировать излучение на выходе через дно контейнера 100, загруженного радиоактивными материалами, например, стержнями отработанного ядерного топлива. Точная толщина и материал нижней поковки 4 определяется для каждого конкретного случая в зависимости от конструкции, в которой учитываются такие факторы, как требуемое экранирование излучения, нормативные акты и требуемая структурная целостность. Дополнительно, хотя структура основания 4 контейнера именуется нижней "поковкой", структура основания 4 не ограничена какой-либо конкретной технологией формирования/изготовления. Нижняя поковка 4 может быть выполнена ковкой, машинной обработкой, фрезерованием, точением, литьем, штамповкой и пр. или любой комбинацией перечисленных технологий.
Нижняя поковка 4 содержит внешнюю поверхность 30, верхнюю поверхность 31 и нижнюю поверхность 32. Внешняя поверхность 30 служит боковой стенкой нижней поковки 4, к которой крепятся экранирующие нейтроны пластины 10. Верхняя поверхность 31 нижней поковки 4 содержит выемку 33, образованную поднятой кромкой 34. Выемка 33 образует площадку, на которую садится внутренний пенал 1. В результате выемка 33 способствует правильной установке внутреннего пенала 1 поверх нижней поковки 4. Хотя выемка 33 имеет круглый профиль горизонтального сечения, профиль горизонтального сечения этой выемки 33 может принимать разнообразные формы. Однако предпочтительно, чтобы форма горизонтального профиля выемки 33 по существу была бы той же что и форма горизонтального профиля внутреннего пенала 1. Размер горизонтального профиля выемки 22 предпочтительно немного больше горизонтального профиля внутреннего пенала так, что нижняя часть пенала 1 могла вставляться в выемку и поддерживаться в ней по существу в вертикальной ориентации, когда контейнер 100 собран.
Корпус 20 контейнера 100 также содержит внутренний пенал 1 (полностью показанный на фиг.3). Внутренний пенал 1 является тонкостенной трубчатой структурой. Внутренний пенал 1 имеет по существу цилиндрическую форму и по существу круглый профиль горизонтального сечения. Внутренний пенал 1 предпочтительно выполнен из материала, поглощающего гамма-излучение, например, из стали. Однако другие варианты внутреннего пенала 1 могут иметь разнообразные другие формы и могут быть выполнены и множества других материалов.
Внутренний пенал 1 имеет внешнюю поверхность 40 и внутреннюю поверхность 41 (показанную на фиг.8), которая образует полость 42 для приема радиоактивных материалов, которые подлежат хранению, транспортировке и/или охлаждению. Полость 42 имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец. Открытый верхний конец обеспечивает беспрепятственный доступ в полость 42. Внутренний пенал 1 содержит нижнюю плиту 2, приваренную, привинченную, приклепанную или иным способом соединенную с дном внутреннего пенала 1. Нижняя плита 2 выполняет функцию пола и закрывает дно полости 42. Предпочтительно нижняя плита выполнена из того же материала, что и внутренний пенал 1. Как упомянуто выше, внутренний пенал 1 расположен поверх нижней поковки 4 по существу стоя в вертикальной ориентации, когда контейнер 100 полностью собран. Следует отметить, что в некоторых вариантах изобретения корпус 20 может не содержать внутреннего пенала 1. Вместо этого полость 42 будет сформирована непосредственно в корпусе 20.
Когда контейнер 100 полностью собран и в него загружено отработанное ядерное топливо, вокруг полости 42 образуется граница удержания. Эта граница удержания удерживает и твердые частицы, и текучее вещество внутри полости 42. В настоящем описании термин "текучее вещество" включает и газы, и жидкости. В то время как в иллюстративном контейнере 100 граница удержания сформирована за счет взаимодействия внутреннего пенала 1, нижней плиты 2, верхней поковки 3 и крышек 8, 9, настоящее изобретение не ограничено таким решением. Граница удержания может быть сформирована единой интегральной структурой или любым количеством компонентов/структур и их комбинациями при условии, что выполняется функция удержания твердых частиц и текучего вещества. Например, граница удержания может быть образована многоцелевым контейнером или внутренними поверхностями экранирующих колец 11, 11А, нижней поковкой 4 и крышкой 8.
Корпус 20 контейнера 100 дополнительно содержит множество экранирующих колец 11, 11А. Экранирующие кольца 11, 11А расположены пакетом, который окружает внутренний пенал 1 и, таким образом, образованную в нем полость 42. Предпочтительно экранирующие кольца 11, 11А уложены в пакет так, чтобы окружать внутренний пенал 1 по всей его высоте, как гильза. Экранирующие кольца 11, 11А опираются на верхнюю поверхность приподнятой реборды 34 нижней поковки 4. Поэтому по существу приподнятая реборда 34 нижней поковки 4 действует как фланец.
Экранирующие кольца 11, 11А выполнены с возможностью осуществления основной части экранирования в боковом направлении нейтронного и гамма-излучения радиоактивных материалов, хранящихся в полости 42. Экранирующие кольца 11, 11А также образуют внешнюю часть контейнера 100 и обеспечивают прекрасный путь отвода тепла за счет теплопроводности. Разумеется, внутренний пенал 1 также обеспечивает некоторое экранирование гамма-излучения. Кольца 11, 11А также создают структурную границу, защищающую контейнер от случайных повреждений. Пакет экранирующих колец 11, 11А и взаимодействие колец 11, 11А друг с другом и с внутренним пеналом 1 будет пространно описано ниже со ссылками на фиг.6-8.
В иллюстративном варианте по фиг.2 показано всего шесть экранирующих колец 11, 11А, образующих пакет вокруг внутреннего пенала. Однако в зависимости от требуемой высоты контейнера 100 можно использовать большее или меньшее количество колец 11, 11А. Предпочтительно используется, по меньшей мере, три экранирующих кольца 11, 11А, чтобы облегчить сборку и надевание на внутренний пенал 1. Экранирующие кольца 11, 11А идентичны за исключением того, что самое нижнее кольцо 11А, которое работает как концевой компонент пакета, не имеет втулки, отходящей/выступающей от его нижней поверхности. Это более подробно будет описано ниже. Использование множества идентичных экранирующих колец 11, 11А для формирования корпуса 20 контейнера 100 позволяет производителю создавать контейнеры различной высоты с минимальной переоснасткой.
Сверху и снизу в пакете экранирующих колец 11, 11А установлены две торцевые плиты 7. Торцевые плиты 7 являются плоскими кольцевыми пластинчатыми структурами, которые напоминают диск, в котором выполнено центральное отверстие. Как и экранирующие кольца 11, 11А, торцевые плиты 7 окружают внутренний пенал 1 (и, следовательно, образованную ею полость 42). Внутренний пенал 1 проходит сквозь центральное отверстие торцевых плит 7. Одна торцевая плита расположена под нижним экранирующим кольцом (11А) и, следовательно, находится между нижней поверхностью экранирующего кольца 11А и верхней поверхностью приподнятой реборды 34 нижней поковки 4. Другая торцевая плита 7 расположена над верхним экранирующим кольцом 11 и, следовательно, находится между верхней поверхностью верхнего экранирующего кольца 11 и нижней поверхностью верхней поковки 3. Торцевые плиты 7 окружают пустоты/карманы 65 в экранирующих кольцах 11, 11А, в которых расположен материал, поглощающий нейтронное излучение (как описано ниже). Для соединения торцевых пластин 7 с экранирующими кольцами 11, 11а и с верхней и нижней поковками 3, 4 можно использовать соответствующую сварку или другие способы соединения. Предпочтительно торцевые плиты 7 соединены с экранирующими кольцами 11, 11А так, чтобы герметично уплотнять карманы/пустоты, например, сварным швом или за счет применения прокладок.
Корпус 20 контейнера 100 также содержит верхнюю поковку 3. Верхняя поковка 3 является толстой кольцевой структурой, выполненной из материала, поглощающего гамма-излучение, например, стали или свинца. Верхняя поковка 4 должна быть достаточно толстой, чтобы обеспечить необходимое экранирование излучения от радиоактивных материалов, хранящихся в полости 42. При желании можно использовать другие материалы. Как и нижняя поковка 4, верхняя поковка 3 может быть изготовлена по любой подходящей технологии, применяя ковку, машинную обработку, фрезерование, точение, литье, штампование и пр. или любые комбинации таких технологий.
Верхняя поковка 3 расположена поверх пакета экранирующих колец 11, 11А и соединена с ним. Для обеспечения доступа в полость 42 для загрузки и выгрузки радиоактивных материалов верхняя поковка 3 выполнена как кольцевая структура, имеющая внешнюю поверхность 44 и внутреннюю поверхность 45, которая образует канал 46 сквозь верхнюю поковку. Верхняя поковка 3 расположена поверх внутреннего пенала 1 и пакета экранирующих колец 11, 11А так, что канал 46 совмещен с открытым верхним концом полости 42 внутреннего пенала 1.
Верхняя поковка 3 также работает как структура, посредством которой первичную и вторичную крышки 9, 8 можно крепить к корпусу 20 контейнера 100. Верхняя поковка 3 содержит первую реборду 47 и вторую реборду 48, которая окружает канал 46. Реборды 47, 48 образованы ступенчатым характером внутренней поверхности 45. Первая реборда 47 образована горизонтальной поверхностью, расположенной сверху первого вертикального участка внутренней поверхности 45. Вторая реборда 48 образована горизонтальной поверхностью, расположенной сверху второго вертикального участка внутренней поверхности 45. Поэтому второй вертикальный участок внутренней поверхности 45 является боковым ограничителем для вторичной крышки 8. Вторую реборду окружает удерживающий гребень 49, являющийся боковым ограничителем для первичной крышки 9.
Первая и вторая реборды 47, 48 содержат множество расположенных на расстоянии отверстий 23. Отверстия 23 служат приемными отверстиями для болтов 22, которые используются для крепления первичной и вторичной крышек 9, 8 к корпусу 20 контейнера 100. При желании отверстия 23 могут иметь резьбовые внутренние стенки для зацепления с резьбой болтов 22. Разумеется, первичная и вторичная крышки 9, 8 можно крепить к корпусу 20 контейнера 100 любыми известными средствами, включая, помимо прочего, приклепывание, навинчивание, посадку в натяг или комбинации этих средств.
Вторичная крышка 8 имеет меньший размер, чем первичная крышка 9. Первичная крышка 8 лежит на первой реборде 47 верхней поковки 3 и соединена с ней болтами. Вторичная крышка 9 лежит на второй реборде 48 верхней поковки 3 и соединена с ней болтами. Когда первичная крышка 9 и вторичная крышка 8 прикреплены к корпусу контейнера в нужной ориентации, между ними образуется пространство. Первичная и вторичная крышки 8, 9 предпочтительно выполнены из толстой стали или другого металла. Можно использовать свинец. При желании вторичная крышка 8 может содержать адекватное количество материала, поглощающего нейтронное излучение. Первичная и вторичная крышки 9, 8 совместно обеспечивают необходимое экранирование излучения на вершине контейнера 100 так, что излучение не выходит вверх из полости 42.
Далее со ссылками на фиг.2 и 3, будет описана корзина 13 и промежуточные элементы 60 контейнера 100. Контейнер 100 далее содержит корзину 13 для хранения отработанного ядерного топлива и множество промежуточных элементов 60. Корзина 13 расположена центрально в полости 42 внутреннего пенала 1 и опирается на пол полости 42, образованный нижней плитой 2. Корзина 13 расположена в полости 42 по существу в вертикальной ориентации и предпочтительно является свободно стоящим компонентом. Корзина 13 содержит множество вертикально ориентированных ячеек 50, предназначенных для приема стержней отработанного ядерного топлива. Каждая ячейка 50 является пространством, предназначенным для полного размещения стержня отработанного ядерного топлива. Корзина также содержит множество ловушек 53 потока нейтронов. Корзина 13 будет описана более подробно ниже со ссылками на фиг.15-17.
Как показано на фиг.2 и 3, промежуточные элементы 60 расположены в полости 42 в виде пакета, который окружает периметр корзины 13. Корзина 13 проходит сквозь центральный канал 165 между промежуточными элементами 60. В пакете имеется достаточное количество промежуточных элементов, уложенных один на другой, чтобы вся высота корзины 13 была окружена. Предпочтительно для одного контейнера 100 используют боле трех промежуточных элементов. В альтернативном варианте промежуточный элемент 60 может быть выполнен не как множество отдельных сегментов, а как единая интегральная структура, достаточно высокая, чтобы окружать всю высоту корзины 13.
Промежуточные элементы 60 поддерживают, позиционируют и ориентируют корзину 12 в полости 42. Промежуточные элементы 60 расположены между внутренней поверхностью 41 внутреннего пенала 1 и внешней поверхностью 52 корзины 13. Промежуточные элементы 60 предпочтительно выполнены из материала, имеющего коэффициент теплового расширения, превышающий коэффициент теплового расширения материала, из которого выполнен внутренний пенал 1. Более предпочтительно промежуточные элементы 60 выполнены из материала, имеющего коэффициент теплового расширения, превышающий коэффициент теплового расширения материалов, из которого выполнены все компоненты контейнера 100, включая, без ограничений, экранирующие кольца 11, 11А, корзину 13 и поковки 3, 4. За счет того, что промежуточные элементы 60 выполнены из материала, имеющего коэффициент теплового расширения больший, чем коэффициент теплового расширения внутреннего пенала 1, при тепловой нагрузке обеспечивается постоянный контакт между внешней поверхностью 61 промежуточных элементов 60 и внутренней поверхностью 41 внутреннего пенала 1. Постоянный контакт поверхностей улучшает возможность отводить наружу теплоту, выделяемую радиоактивными отходами, через корпус 20 контейнера 100. В одном варианте промежуточный элемент 60 выполнен из алюминия, а внутренний пенал 1 выполнен из стали. Промежуточные элементы 60 и их работа будут более подробно описаны ниже со ссылками фиг.10-14.
Далее со ссылками на фиг.4-6А, будет подробно описана конструкция экранирующих колец 11. Экранирующее кольцо 11 является круглой кольцевой структурой. Хотя в показанном варианте кольцевая структура 11 имеет по существу круглый профиль горизонтального сечения, она не ограничивается этой формой. В других вариантах кольцевая структура 11 может иметь прямоугольный или другой геометрический профиль. Экранирующее кольцо 11 имеет кольцевой корпус 70, имеющий внешнюю поверхность 71, внутреннюю поверхность 72, верхнюю поверхность 73 и нижнюю поверхность 74.
Внутренняя поверхность 72 образует центральный канал 75, который проходит сквозь экранирующее кольцо 11. Размеры центрального канала 75 определяются размерами внутреннего пенала 1 и материалом, из которого выполнен кольцевой корпус 70. Внутренняя поверхность 72 предпочтительно является ступенчатой поверхностью, содержащей первую вертикальную поверхность 76, горизонтальную поверхность 77 ступени и вторую вертикальную поверхность 78. Ступенчатая внутренняя поверхность 72 образует кольцевой канал 79, который окружает центральный канал 75.
При желании внешняя поверхность 71 экранирующего кольца 11 может быть изменена для увеличения общей площади, обращенной к окружающей среде для увеличения отвода теплоты путем конвекции. Например, такая внешняя поверхность может быть волнистой, резьбовой, содержащей лунки или выступы.
Экранирующее кольцо 11 дополнительно содержит втулку 80, выступающую из нижней поверхности кольцевого корпуса 70. Втулка 80 является пластинчатой структурой, которая образует гребень, отходящий от нижней поверхности 74 кольцевого корпуса 70. Втулка 80 окружает центральный канал 75 так же, как и канал 79. Втулка 80 может быть выполнена за одно, как часть кольцевого корпуса 70, или она может быть отдельной структурой, прикрепленной к кольцевому корпусу сваркой, болтовым соединением или любым другим способом соединения. В показанном варианте втулка 80 является интегральной частью кольцевого корпуса 70.
В показанном варианте экранирующего кольца 11 втулка 80 расположена рядом с центральным каналом 75 и содержит первую вертикальную поверхность 76 внутренней поверхности 72. Втулка 80, однако, при желании может быть расположена на кольцевом корпусе 70 в положении, радиально отнесенном от центрального канала 75, например, рядом с внешней поверхностью 71 кольцевого корпуса 70. Кроме того, в некоторых вариантах втулка 80 может быть расположена на верхней поверхности 73 кольцевого корпуса 70. В таких вариантах канал 79 будет расположен на нижней поверхности 74 кольцевого корпуса 70, а не на верхней поверхности 73.
Как показано на фиг.6А, втулка 80 имеет высоту H1, которая по существу равна высоте Н2 кольцевого корпуса 70. Втулка 80 соединена с кольцевым корпусом 70 так, что приблизительно половина высоты H1 выступает за нижнюю поверхность 74 кольцевого корпуса 70. В результате канал 79 имеет глубину D, которая составляет приблизительно половину высоты H1. Важность этих размеров станет очевидной из нижеследующего описания со ссылками на фиг.7 и 8, относящемуся к пакету и взаимодействию между смежными экранирующими кольцами 11.
Верхняя и нижняя поверхности 73, 74 каждого кольца 11 имеют фаску по внешнему периметру так, чтобы образовать скошенную поверхность 81. При укладке в пакет скошенные поверхности 81 смежных экранирующих колец 11 образуют проходящую по окружности канавку во внешней поверхности контейнера 100. Эта проходящая по окружности канавка позволяет соединять смежные кольца 11 в пакете уплотняющим сварным швом, что способствует водонепроницаемости контейнера 100, когда он помещен в бассейн для отработанного топлива.
Как показано на фиг.4-6А, экранирующие кольца 11 содержат множество пустот 65. Чтобы не перегружать описание, на чертежах позициями обозначены лишь некоторые из пустот 65. Пустоты 65 предназначены для приема материала, поглощающего нейтронное излучение, например затвердевающую жидкость, которую заливают в каждую из пустот 65. Такие затвердевающие жидкости хорошо известны. Другие подходящие поглощающие нейтронное излучение материалы включают воду и другие материалы с высоким содержанием водорода. Каждая пустота 65 проходит от верхней поверхности 73 до нижней поверхности 74, тем самым образуя вертикальный канал, проходящий сквозь корпус 70 экранирующего кольца 11. Когда контейнера 100 полностью собран, пустоты 65 заполнены материалом, поглощающим нейтроны.
Пустоты 65 расположены последовательно двумя концентрическими кольцами, окружающими центральный канал 75. Важно, чтобы пустоты 65 в последовательности внутреннего кольца были смещены по окружности относительно пустот 65 последовательности внешнего кольца. Такая конфигурация обеспечивает окружение центрального канала 75 материалом, экранирующим нейтронное излучение, без каких-либо зазоров в радиационном экране. Такое смещение/наложение пустот 65 в последовательностях внутреннего и внешнего колец устраняет возможность появления линейной траектории от центрального канала 75 к внешней поверхности 71 экранирующего кольца 11, минующую материал, поглощающий нейтронное излучение в пустотах 65. Другими словами, не существует линейной траектории сквозь материал, из которого выполнено экранирующее кольцо 11. Такая линейная траектория нежелательна, поскольку материал экранирующего кольца 11, который типично является материалом, поглощающим гамма-излучение, сам по себе не обеспечивает достаточной защиты от нейтронного излучения. В результате, если бы появилась возможность существования такой линейной траектории, возникли бы участки, интенсивно излучающие поток нейтронов (прострел). Двойная последовательность пустот и смещение/наложение пустот 65 внутреннего и внешнего колец устраняют эту проблему.
Геометрическая форма/расположение пустот 65 также преследует другую важную цель. Геометрическое расположение пустот 65 обеспечивает пространственное сообщение всех пустот соседних экранирующих колец 11, 11А друг с другом, когда эти экранирующие кольца 11, 11А уложены в пакет вокруг внутреннего пенала 1, независимо от ориентации по окружности (т.е. углового положения) этих экранирующих колец 11, 11А. В результате поглощающий нейтроны материал можно заливать в пустоты верхнего экранирующего кольца 11 в пакете и он свободно перетекает во все пустоты 65 остальных экранирующих колец 11, 11А в пакете. Таким образом, во время заливки можно не беспокоиться об окружной/угловой ориентации экранирующих колец 11, 11А относительно друг друга. Следует отметить, что два кольца (две последовательности) пустот 65 могут быть пространственно соединены друг с другом для облегчения заполнения поглощающим нейтроны материалом при изготовлении.
Кольцевой корпус 70 экранирующего кольца 11 дополнительно содержит внешнюю стенку 66, среднюю стенку 67 и внутреннюю стенку 68 (лучше всего показанные на фиг.6А). Стенки 66-68 разнесены друг от друга и расположены концентрично. Первая внутренняя кольцевая последовательность пустот 65 расположена между внутренней стенкой 68 и средней стенкой 67. Вторая внешняя кольцевая последовательность пустот 65 расположена между средней стенкой 67 и внешней стенкой 66.
Имеются радиальные ребра 69, которые образуют структурные соединения между стенками 66-68 и работают, отводя теплоту. Первая серия/множество радиальных ребер 69 соединяет внутреннюю стенку 68 со средней стенкой 67. Вторая серия/множество ребер 69 соединяет среднюю стенку 67 с внешней стенкой 66. Радиальные ребра 69 способствуют охлаждению радиоактивных отходов, хранящихся в контейнере 100, отводя теплоту через экранирующие кольца 11 от радиоактивных отходов. Более конкретно, радиальные ребра 69 создают траекторию теплоотвода, которая обеспечивает адекватный отвод теплоты от внутренней стенки 68 к внешней стенке 66, откуда силы конвекции могут отвести тепловую нагрузку от внешней поверхности 71 кольцевого корпуса 70.
Важно, что радиальные ребра 69 первой серии смещены по окружности относительно радиальных ребер 69 второй серии. Такое смещение/наложение радиальных ребер 69 исключает возможность возникновения линейной траектории от центрального канала 75 к внешней среде сквозь материал экранирующего кольца 11. Таким образом, устраняется возможность нейтронного излучения (прострела) сквозь самоэкранирующее кольцо 11.
На фиг.6В показано концевое экранирующее кольцо 11А. Во избежание повторов далее будут описаны только те аспекты концевого экранирующего кольца 11А, которые отличаются от кольца 11. Для обозначения одинаковых элементов используются те же позиции, но с суффиксом "А". Концевое экранирующее кольцо 11А идентично кольцу 11 за исключением того, что оно не имеет втулки. Втулка не используется в концевом экранирующем кольце 11А, поэтому в собранном пакете нижняя поверхность 74А корпуса 70А кольца может плоско опираться на торцевую плиту 7 (фиг.2). Наличие втулки помешало бы этому. Однако, если нижняя поковка 4 имеет канал, сформированный в нем для приема втулки, концевое экранирующее кольцо 11А может иметь втулку. Наконец, хотя концевое экранирующее кольцо 11А является нижним кольцом пакета, при желании оно также может быть верхним кольцом пакета.
Далее, со ссылками на фиг.7 следует описание процесса установки экранирующих колец 11, 11А на внутренний пенал 1 при изготовлении контейнера 100. Сначала берут верхнюю поковку 3. Затем с нижней поверхностью верхней поковки 3 соединяют торцевую плиту 7. Затем с узлом, состоящим из верхней поковки 3 и торцевой плиты 7, соединяют внутренний пенал 1 (содержащий плиту 2 дна) так, чтобы открытый конец полости 42 был доступен сквозь верхнюю поковку 3 через ее открытый верхний конец. Соединения можно осуществлять сваркой или другими способами.
Затем узел, состоящий из внутреннего пенала 1, верхней поковки 3 и торцевой плиты 7, переворачивают верхней поковкой вниз. Теперь этот узел готов к установке экранирующих колец 11, 11А. Однако для того чтобы оптимизировать теплоотвод (т.е., охлаждение) от радиоактивных материалов, загруженных в полость 42 внутреннего пенала 1, желательно, чтобы внутренняя поверхность 72 экранирующих колец 11, 11А находилась по существу в постоянном контакте с внешней поверхностью 40 внутреннего пенала 1. Даже малейшие зазоры и пустоты между этими поверхностями отрицательно повлияют на способность теплоты уходить наружу от радиоактивных отходов к внешней поверхности 71 экранирующих колец 11, 11А (откуда она может быть отведена силами конвекции). Таким образом, желательно добиться очень плотной и не имеющей зазоров посадки между внутренней поверхностью 72 экранирующих колец 11 и внешней поверхностью внутреннего пенала 1.
Согласно настоящему изобретению такая плотная и не имеющая зазоров посадка между поверхностями 40 и 72 достигается за счет явления теплового расширения. Как было описано выше, экранирующие кольца 11, 11А предпочтительно выполнены из металла, например, стали. Таким образом, используя явление теплового расширения размеры экранирующих колец 11, 11А изменяют/подгоняют путем нагревания и/или охлаждения структуры. Экранирующие кольца 11 спроектированы так, что: (1) когда экранирующие кольца 11, 11А и внутренний пенал 1 имеют по существу одинаковую температуру, горизонтальное сечение центральных каналов 75 немного меньше или равно горизонтальному сечению внешней поверхности 40 внутреннего пенала 1; и (2) когда экранирующие кольца 11, 11А перегреты для требуемой температуры, превышающей температуру внутреннего пенала 1, горизонтальное сечение центральных каналов 75 немного больше горизонтального сечения внешней поверхности 40 внутреннего пенала 1.
В настоящем изобретении этот ключевой конструктивный признак используется для осуществления монтажа экранирующих колец 11, 11А в пакет вокруг внутреннего пенала 1. Более конкретно, когда узел, состоящий из внутреннего пенала 1, верхней поковки 3 и торцевой плиты 7, перевернут верхней поковкой вниз, первое экранирующее кольцо 11 перегревают до температуры, результатом которой является небольшое превышение горизонтального сечения центральных каналов 75 по сравнению с горизонтальным сечением внешней поверхности 40 внутреннего пенала. В одном варианте экранирующее кольцо 11А предпочтительно нагревают до температуры менее 600°F (приблизительно 315°С). Важно, что перегревом следует управлять так, чтобы не достичь температуры, которая повлияла бы на металлургические свойства материала, из которого выполнены экранирующие излучения кольца 11, 11А. Внутренний пенал 1 в это время поддерживается при температуре окружающей среды. Когда экранирующее кольцо 11 будет адекватно нагрето и поэтому будет находиться в расширенном состоянии, кольцо 11 переворачивают верхней поверхностью вниз. В этой ориентации верхняя поверхность 73 первого экранирующего кольца 11 обращена вниз, а втулка 80 направлена вверх.
После этого центральную ось центрального канала 75 первого экранирующего кольца 11 совмещают с центральной осью внутреннего пенала 1 и кольцо надевают на внутренний пенал 1. Когда первое экранирующее кольцо 11 скользит вниз, внутренний пенал проходит сквозь центральный канал 75 кольца 11. Поскольку во время этой процедуры монтажа первое экранирующее кольцо 11 остается нагретым (и, значит, расширенным), между внутренней поверхностью 72 кольца 11 и внешней поверхностью 40 внутреннего пенала 11 остается небольшой зазор 82 (видный на фиг.8). Этот кольцевой зазор/пространство 82 является припуском, позволяющим первому экранирующему кольцу 11 легко скользить по всей высоте внутреннего пенала 1. Первое экранирующее кольцо 11 опускают до тех пор, пока его верхняя поверхность 73 не ляжет на торцевую плиту 7. По мере того как первое экранирующее кольцо 11 остывает, оно дает усадку, тем самым создавая очень плотную посадку между внутренней поверхностью 72 кольца 11 и внешней поверхностью 40 внутреннего пенала 1, то есть без зазоров и пустот (т.е. по существу непрерывный контакт поверхностей). Внутренняя поверхность 72 первого экранирующего кольца 11 предпочтительно обжимает внешнюю поверхность 40 внутреннего пенала 1.
После того как первое (и самое верхнее) экранирующее кольцо 11 окажется на месте, процедуру нагрева и установки повторяют для остальных экранирующих колец 11, 11А, пока весь внутренний пенал 1 не будет охвачен уложенными в пакет кольцами 11, 11А по всей высоте.
Далее со ссылками на фиг.8 следует более подробное описание процедуры создания пакета экранирующих колец 11a-d. Для облегчения понимания экранирующим кольцам 11 присвоены буквенные суффиксы с "а" по "d". Для еще большего облегчения понимания показано создание пакета в нормальной ориентации, а не в перевернутой, как на фиг.7. Однако описание легко может быть применено и к перевернутой ориентации по фиг.7. На фиг.8 показаны три экранирующих кольца 11a-11c, уже установленные в пакет вокруг внешней поверхности 50 внутреннего пенала 1. Четвертое экранирующее кольцо 11d скользит вниз по внутреннему пеналу 1 для установки поверх сложенного пакета. Экранирующее кольцо 11d находится в перегретом состоянии, тогда как экранирующие кольца 11a-11c находятся в остывшем состоянии при температуре окружающей среды.
Поскольку экранирующее кольцо 11d находится в перегретом состоянии, оно расширено. Между первой вертикальной поверхностью 76d (внутренней поверхности 72а) кольца 11d и внешней поверхностью 40 внутреннего пенала 1 имеется небольшой зазор 82. Настоящее изобретение, однако, не ограничено каким-либо конкретным размером или формой зазора 82. Кольцевой зазор 82 предпочтительно создает минимальный просвет, необходимый для скольжения экранирующего кольца 11d по внутреннему пеналу 1. Когда экранирующее кольцо 11d остывает, оно дает усадку, как и кольца 11a-11c. После охлаждения из перегретого состояния первые вертикальные поверхности 76a-d колец 11a-d обжимают внешнюю поверхность 40 внутреннего пенала 1, создавая тем самым по существу непрерывный контакт поверхностей. Чтобы устранить вероятность формирования каких-либо зазоров/пустот между внутренними поверхностями 72a-d экранирующих колец 11a-d и внешней поверхностью внутреннего пенала 1 под тепловой нагрузкой от радиоактивного материала, хранящегося в полости 42, предпочтительно внутренний пенал 1 выполнен из того же материала, что и экранирующие кольца 11a-d или из материала, имеющего коэффициент теплового расширения, больший, чем коэффициент теплового расширения материала, из которого выполнены экранирующие кольца 11a-11d, или по существу равный ему.
Втулка 80d экранирующего кольца 11d обращена вниз для введения скольжением в канал 79с примыкающего в пакете экранирующего кольца 11с. Канал 79d экранирующего кольца 11d обращен вверх для приема втулки следующего экранирующего кольца, который будет добавлен в пакет. При желании нижняя поверхность втулки 80d может иметь фаски на кромках, чтобы облегчить вход втулки 80d в канал 79с.
Экранирующее кольцо 11d опускают до тех пор, пока его втулка 80d не войдет в канал 79с примыкающего экранирующего кольца 11с. Когда кольцо полностью опущено, нижняя поверхность 73d экранирующего кольца 11d ложится на верхнюю поверхность 74с экранирующего кольца 11с, тем самым формируя межкольцевую переходную зону. Такая межкольцевая переходная зона обычно является путем для выхода излучения (прострела). Однако поскольку втулка 80d (выполненная из материала, поглощающего гамма-излучение) проходит и выше, и ниже межкольцевой переходной зоны, опасность выхода излучения устранена. Как можно видеть на чертеже, втулка 80b-с идеально расположена на каждой межкольцевой переходной зоне 83b-с, образованной между соседними экранирующими кольцами 11а-с в пакете.
В показанном примере каналы 79a-d экранирующих колец сформированы между внешней поверхностью 40 внутреннего пенала и вторыми вертикальными поверхностями 78a-d экранирующих колец 11a-d. Однако в других вариантах эти каналы могут быть расположены в другом радиальном положении вдоль либо верхней поверхности, либо нижней поверхности колец 11a-d. Например, эти каналы могут располагаться центрально или рядом со средней стенкой корпуса кольца, или рядом с внешней поверхностью корпуса кольца. Когда положение канала изменено, положение втулки на соответствующей верхней или нижней поверхности экранирующих колей 11a-d также нужно соответственно изменить, чтобы обеспечить возможность вышеописанного введения/сопряжения. В некоторых вариантах наличие канала для приема втулки даже может быть необязательным. В таких вариантах втулки могут быть расположены на внешних поверхностях экранирующих колец и проходить над межкольцевой переходной зоной так, чтобы окружать периметр внешней поверхности соседнего кольца в пакете. Таким образом, как и в приведенной для примера конструкции, формируются межкольцевые переходные зоны, не содержащие трещин, сквозь которые может выходить излучение.
Добавление экранирующих колец 11 в пакет продолжается, как описано выше, пока вся высота внутреннего пенала 1 не будет окружена кольцами, наподобие гильзы. При том порядке сборки, который показан на фиг.7, последним устанавливается на место нижнее экранирующее кольцо 11А (фиг.1).
Как показано на фиг.8, когда экранирующие кольца 11, 11А уложены в пакет, все пустоты 65a-d каждого из колец 11a-d находятся в пространственном сообщении со всем пустотами 65a-d соседних колец 11a-d.
В результате, когда монтаж пакета экранирующих колец 11, 11А будет завершен, в пустоты 65 нижнего кольца 11А заливают затвердевающую жидкость, поглощающую нейтронное излучение. Поскольку на этом этапе контейнер 100 перевернут верхней стороной вниз, затвердевающая жидкость, поглощающая нейтронное излучение, течет вниз и заполняет пустоты 65 всех экранирующих колец 11 в пакете. Как описано выше, геометрическое расположение пустот 65 обеспечивает сообщение всех пустот 65 колец 11, 11А со всеми пустотами 65 соседних колей 11, 11А, независимо от углового положения (т.е. положения на окружности) экранирующих колец 11, 11А.
При использовании множества экранирующих колец 11, 11А, которые имеют существенно меньшую высоту, чем внутренний пенал 1, существенно уменьшается риск заклинивания кольца 11, 11А на внутреннем пенале 1 из-за преждевременного остывания до того, как кольцо будет установлено в нужное положение. Предпочтительно высота корпуса 70 экранирующих колец 11, 11А составляет не более трети высоты полости 42. Кроме того, за счет использования множества экранирующих колец 11, 11А, высоту любого контейнера 100 для хранения высокоактивных отходов можно увеличивать/уменьшать по мере необходимости лишь с незначительными изменениями конструкции и оснастки.
После того как отвердевающая жидкость, поглощающая нейтронное излучение, должным образом заполнит все пустоты 65 экранирующих колец 11, 11А, вторую торцевую плиту 7 крепят к дну нижнего кольца 11А сваркой или другим способом. Это предотвращает вытекание жидкости. Затем нижнюю поковку 4 крепят ко второй торцевой плите 7 и плите 2 основания внутреннего пенала 1.
На фиг.9 показаны альтернативные варианты 11В-11Е экранирующих колец 11, 11А. Следует отметить, что форма и геометрическое расположение пустот 65 отличаются. Однако принципы, описанные выше, сохраняются, несмотря на изменение формы и расположения.
Со ссылками на фиг.10 будет более подробно описана конструкция промежуточных элементов 60. Промежуточные элементы 60 являются кольцевыми структурами, выполняющими в контейнере 100 несколько функций, включая структурную поддержку корзины 13, создание пути отвода теплоты от корзины 13 к внутреннему пеналу 1 и экранирование излучения.
Промежуточный элемент 60 имеет верхнюю поверхность 61, нижнюю поверхность 62 и внешнюю поверхность 63, а также внутреннюю поверхность 64. Внутренняя поверхность 64 образует центральный канал 165, проходящий сквозь промежуточный элемент 60. Центральный канал 165 специально спроектирован для размещения корзины 13, которая проходит сквозь него. Промежуточный элемент 60 предпочтительно выполнен из материала, который имеет коэффициент теплового расширения, превышающий коэффициент теплового расширения материала, из которого выполнен внутренний пенал 1. Промежуточный элемент 60 следует выполнять из материала, коэффициент теплового расширения которого предпочтительно, по меньшей мере, на 20% превышает коэффициент теплового расширения материала, из которого выполнен внутренний пенал 1. Более предпочтительно промежуточный элемент 60 выполнен из материала, имеющего более высокий коэффициент теплового расширения, чем остальные компоненты корпуса 20 контейнера 100 и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, на 20% больше, чем остальные компоненты корпуса 20. В одном варианте промежуточный элемент 60 выполнен из алюминия, поскольку он обладает прекрасными теплопроводными свойствами, малым весом и высоким коэффициентом теплового расширения.
Могут быть обеспечены облегчающие отверстия/каналы 116 для снижения веса и сокращения количества материала, необходимого для изготовления промежуточного элемента 60. Промежуточный элемент 60 может изготавливаться в форме укладываемых в пакет сегментов для получения пакета необходимой высоты или в форме множества радиальных сегментов. Промежуточный элемент 60 также может оснащаться шипами для того, чтобы сохранять ориентацию в пакете. Промежуточный элемент 60 можно изготавливать машинной обработкой, точением, ковкой, литьем сваркой или любыми комбинациями этих технологий.
Промежуточный элемент 60 изготовлен с немного заниженными размерами относительно полости 43 внутреннего пенала 1 так, чтобы его можно было легко вставлять при сборке. Когда в контейнер 100 закладывают радиоактивные материалы, имеющие тепловую нагрузку, корзина 13 и промежуточный элемент 60 могут нагреваться. В свою очередь, промежуточный элемент расширяется так, что его внешняя поверхность 63 входит в плотный контакт с внутренней поверхностью 41 внутреннего пенала 1, а его внутренняя поверхность 64 входит в плотный контакт с внешней поверхностью корзины 13. Это будет более подробно описано ниже со ссылками на фиг.13-14.
На фиг.11 показан вид сверху на промежуточный элемент 60. Этот вид сверху промежуточного элемента 60 идентичен виду профиля горизонтального сечения. Профиль горизонтального сечения промежуточного элемента содержит внешний периметр 67 и внутренний периметр 68. Внешний периметр 67 сформирован внешней поверхностью 63, а внутренний периметр 69 сформирован внутренней поверхностью 64.
Внешний периметр 67 в показанном варианте имеет круглую форму. Однако настоящее изобретение на ограничено такой формой и внешний периметр 67 промежуточного элемента 60 может иметь любую форму. Однако предпочтительно, чтобы форма внешнего периметра 67 соответствовала форме внутреннего периметра профиля горизонтального сечения внутреннего пенала 1, который образован его внутренней поверхностью 41. Внешний периметр 67 имеет такой размер, чтобы между внешней поверхностью 63 промежуточного элемента 60 и внутренней поверхностью 41 внутреннего пенала 1 оставалось небольшое пространство 68 (фиг.13В), когда промежуточный элемент 60 установлен в полость 42, и сборка проводится при температуре окружающей среды.
Внутренний периметр 68 промежуточного элемента 60 имеет прямоугольную форму. Однако настоящее изобретение не ограничено этой формой и внутренний периметр 68 промежуточного элемента 60 может иметь любую форму. Предпочтительно однако, чтобы форма внутреннего периметра 68 промежуточного элемента 60 соответствовала форме внешнего периметра 56 корзины 13, который образован ее внешней поверхностью 52. Внутренний периметр 68 имеет такой размер, чтобы между внутренней поверхностью 64 промежуточного элемента 60 и внешней поверхностью 52 корзины 13 оставалось небольшое пространство 69 (фиг.13В), когда промежуточный элемент 60 установлен в полость 42, и сборка проводится при температуре окружающей среды. Промежуточный элемент по фиг.10 и 11 специально предназначен для использования в сочетании с корзиной 13 по фиг.12, которая имеет прямолинейный профиль горизонтального сечения.
Как показано на фиг.12, корзина 13 имеет профиль горизонтального сечения, имеющий внешний периметр 54, образованный ее внешней поверхностью 52. Корзина 13 спроектирована так, что когда она установлена в полость 42 внутреннего пенала, она проходит сквозь центральные каналы 165 пакета промежуточных элементов 60. Как видно из сравнения фиг.11 и 12, внутренний периметр 68 промежуточных элементов 60 соответствует внешнему периметру 54 корзины 13 по форме и размерам. Это будет более подробно описано ниже со ссылками на фиг.13-14.
Далее со ссылками на фиг.13-14 следует описание порядка сборки и функционирование промежуточных элементов 60 в полости 42 внутреннего пенала 1. Для облегчения понимания экранирующие кольца 11, 11А и верхняя и нижняя поковки 3, 4 на этих чертежах опущены. Однако понятно, что после монтажных работ получается узел, описанный со ссылками на фиг.7 и 8.
Как показано на фиг.13А и 13В, сначала берут внутренний пенал 1, имеющий пустую полость 42. Затем в полость 42 в пакет укладывают множество промежуточных элементов 60 так, чтобы их центральные каналы 165 проходили по существу на одной оси. Верхняя и нижняя поверхности 61, 62 соседних промежуточных элементов 60 образуют переходную зону 67 между промежуточными элементами. Берется достаточное количество промежуточных элементов 60, чтобы заполнить полость 42 на всю ее высоту. В некоторых вариантах промежуточные элементы 60 могут иметь шипы для обеспечения правильной ориентации.
Когда промежуточные элементы 60 установлены на место, в полость вставляют пустую корзину, продвигая ее сквозь центральные каналы 165 промежуточных элементов 60 до тех пор, пока корзина 13 не ляжет на пол 45 полости 42. В это время корзина 13 имеет по существу вертикальную ориентацию. Удлиненные ячейка 50 корзины 13 также имеют вертикальную ориентацию, позволяющую через открытый верхний конец полости 42 вставить в ячейки стержни отработанного ядерного топлива.
На фиг.13А и 13В узел, содержащий внутренний пенал 1, промежуточные элементы 60 и корзину 13, показан при температуре окружающей среды, например, в условиях, когда контейнер 100 пуст и не испытывает тепловой нагрузки. В таких условиях между внешней поверхностью 63 промежуточных элементов 60 и внутренней поверхностью 41 внутреннего пенала 1 имеется небольшой зазор 68. Предпочтительно, чтобы размеры небольшого зазора 68 были достаточно малы, чтобы когда корзина 13 будет загружена радиоактивными отходами, имеющими остаточную тепловую нагрузку, например, стержнями отработанного ядерного топлива, промежуточные элементы 60 расширились, чтобы внешняя поверхность 63 промежуточных элементов 60 вошла по существу в непрерывный поверхностный контакт с внутренней поверхностью 41 внутреннего пенала 1 и прижалась к ней, тем самым выбрав пространство/зазор 68 (как показано на фиг.14А и 14В). По существу непрерывный поверхностный контакт обеспечивает широкие возможности для отвода теплоты от радиоактивных отходов.
Аналогично при температуре окружающей среды между внешней поверхностью 52 корзины 13 и внутренней поверхностью 64 промежуточных элементов 60 имеется небольшой зазор 69. Предпочтительно придавать этому пространству/зазору 69 такие размеры, чтобы когда корзина 13 загружена радиоактивными отходами, имеющими остаточную тепловую нагрузку, такими как стержни отработанного ядерного топлива, промежуточные элементы 60 (и/или корзина 13) расширялись, чтобы внутренняя поверхность 64 промежуточных элементов 60 вошла в по существу непрерывный поверхностный контакт с внешней поверхностью 52 корзины 13, тем самым, выбирая пространство/зазор 69 (как показано на фиг.14А и 14В). По существу непрерывный поверхностный контакт обеспечивает широкие возможности для отвода теплоты от радиоактивных отходов.
На фиг.14А и 14В показан узел, состоящий из внутреннего пенала, промежуточных элементов 60 и корзины 13, находящийся при повышенной температуре (т.е. превышающей температуру окружающей среды), например, когда корзина 13 загружена радиоактивными материалами, имеющими остаточную тепловую нагрузку. Когда контейнер 100 загружен радиоактивными материалами, имеющими остаточную тепловую нагрузку, например, стержнями отработанного ядерного топлива, теплота проходит сквозь корзину 13, промежуточные элементы 60 и внутренний пенал 1. В результате такой тепловой нагрузки корзина 13, промежуточные элементы 60 и внутренний пенал 1 расширяются (явление теплового расширения).
Поскольку промежуточные элементы 60 выполнены из материала, имеющего больший коэффициент теплового расширения, чем коэффициент теплового расширения материала внутреннего пенала 1, промежуточные элементы 60 расширяются быстрее и на большую величину, чем внутренний пенал 1. В результате внешние поверхности 63 промежуточных элементов 60 прижимаются к внутренней поверхности 41 внутреннего пенала 1, тем самым выбирая пространство/зазор 68 (показанный на фиг.13А и 13В). Аналогично пространство/зазор 69 между внутренней поверхностью 64 промежуточного элемента 60 и внешней поверхностью 52 корзины 13 также выбирается.
Тепловое расширение заставляет внешнюю поверхность 52 корзины 13 войти по существу в непрерывный поверхностный контакт с внутренними поверхностями 64 промежуточных элементов 60 и испытывать сжатие. Тепловое расширение также предпочтительно заставляет внешние поверхности 63 промежуточных элементов 60 войти по существу в непрерывный поверхностный контакт с внутренней поверхностью 41 внутреннего пенала 1 и испытывать сжатие. Предпочтительно, чтобы размеры зазоров 68, 69 и/или материалы, из которых изготовлены пенал 1, промежуточные элементы 60 и корзина 13, подбирались так, чтобы прижатие и непрерывный поверхностный контакт возникали в том температурном диапазоне, на который рассчитана система.
Далее со ссылками на фиг.15-17 следует описание корзины 13 и ее конструкции. Начиная с фиг.15, корзина 13 является сборкой, составленной из пластин 55А-С, в которых выполнены пазы. Пластины 55-С образуют сотовидную решетчатую структуру, имеющую прямолинейную конфигурацию. Пластины 55А-С расположены под углом приблизительно 90° друг к другу. Решетка из пластин 55А-С образует множество удлиненных ячеек 50, расположенных между пластинами. Для упрощения чертежа (и во избежание перегруженности позициями) на фиг.15 позициями обозначены лишь некоторые из пластин 55А-С и ячеек 50.
Ячейки 50 являются по существу вертикально ориентированными пространствами, имеющими по существу прямоугольную конфигурацию горизонтального сечения. Каждая ячейка 50 предназначена для приема одного стержня отработанного ядерного топлива. Корзина 13 (и, следовательно, ячейки 50) имеет высоту, не менее чем высота стержней отработанного ядерного топлива, для хранения которых предназначена корзина 13. Корзина 13 предпочтительно содержит от 12 до 120 ячеек 50.
Корзина 13 также содержит множество ловушек 53 потока нейтронов, которые регулируют нейтронное излучение и предотвращают возникновение критического состояния при затоплении. Ловушки 53 потока нейтронов - это небольшие пространства, проходящие по всей высоте корзины 13. Ловушки 53 потока нейтронов сформированы между двумя из пластин 55С, расположенных близко друг к другу и проходящих по существу параллельно. Ловушки 53 потока нейтронов выполнены слишком узкими, чтобы в них можно было вставить стержень отработанного ядерного топлива. В одном варианте ловушки 53 потока нейтронов имеют ширину приблизительно 9 см. Разумеется, можно использовать и другие размеры.
В корзине 13 выполнено всего четыре ловушки 53 потока нейтронов. Первая пара параллельных ловушек 53 потока нейтронов проходит от противоположных боковых сторон корзины 13. Вторая пара параллельных ловушек 53 потока нейтронов проходит по существу перпендикулярно первой паре параллельных ловушек 53 потока нейтронов и от других противоположных боковых сторон корзины 13.
Пластины 55А-С предпочтительно выполнены из композитного материала на основе металлической матрицы. Более предпочтительно пластины 55А-С выполнены из металлокерамики с высоким содержанием Cr-Al2O3. Наиболее предпочтительно пластины 55А-С выполнены из материала Metamic. В некоторых вариантах, однако, корзина может быть выполнена из альтернативных материалов, таких как сталь или борированная нержавеющая сталь.
В пластинах 55А-С верхней и нижней частей корзины 13 выполнено множество вырезов 58. Для упрощения чертежа (и во избежание перегруженности позициями) на фиг.15 позициями обозначены лишь некоторые из вырезов 58. Вырезы 58 образуют каналы сквозь пластины 55А-С так, что все ячейки 50 находятся в пространственном сообщении друг с другом. В результате вырезы 58 у дна или на дне корзины 13 действуют как воздушная напорная камера, а вырезы у вершины или на вершине корзины 13 действуют как верхняя воздушная напорная камера. Эти напорные камеры способствуют циркуляции воздуха внутри корзины 13 (и полости 42) для осуществления конвекционного охлаждения хранящихся стержней отработанного ядерного топлива при хранении и транспортировке. Такая естественная циркуляция воздуха может быть еще более усилена, если оставить одну или более ячейку 50 по периферии корзины 13 пустой, чтобы она могла работать как спускная труба. Спускные каналы предпочтительно проходят от верхней воздушной напорной камеры, образованной вырезами 58 на вершине корзины 13, но нижней напорной воздушной камеры, образованной вырезами 58 на дне корзины 13. В показанном варианте вырезы 58 имеют полукруглую форму, но им можно придавать широкое разнообразие форм.
Альтернативно каналы 166 промежуточных элементов 60 можно использовать как спускные трубы, выполнив вырезы/отверстия, которые ведут из каналов 166 в ячейки 50 у напорных камер. Эти вырезы/отверстия обеспечивают пространственное сообщение между ячейками 50 и каналами 166. Вырезы/отверстия в промежуточных элементах 60 должны выполняться и у вершины, и у дна полости 42. Наиболее предпочтительно вырезы/отверстия расположены у вырезов 58 на вершине и на дне корзины 13 так, что спускные каналы 166 проходят от верхней напорной воздушной камеры, образованной вырезами 58 на вершине корзины 13, к нижней напорной камере, образованной вырезами 58 у дна корзины 13.
Как показано на фиг.15, корзина 13 образована множеством сегментов пластин 55, расположенных пакетом. Один средний сегмент 150 корзины 13 показан на фиг.16. Сегменты 150 и пластины 55А-С вставляются друг в друга и запираются для формирования пакетного узла, которым является корзина 13.
На фиг.16 показан один сегмент 150 корзины. Каждый сегмент 150 корзины 13 содержит сотовидную решетку из пластин 55А-С, расположенных в прямолинейной конфигурации. Пластины 55А-С корзины 13 содержат множество пазов 151 и торцевых язычков 153 для облегчения сборки.
И в верхней, и в нижней кромке каждой пластины 55А-С выполнено множество пазов 151. Пазы 151 на верхней кромке каждой пластины 55А-С находятся на одной оси с пазами 151, выполненными в нижней кромке каждой пластины 55А-С. Пазы 151 проходят в пластинах 55А-С на четверть их высоты. Концевые язычки 152 отходят от боковых кромок пластин 55А-С и предпочтительно равны половине высоты пластин 55А-С. Концевые язычки 152 вставлены в пазы 151, прорезанные в боковых кромках пластин 55А-С. Пазы в пластинах 55А-С прорезают до сборки.
Пластины 55А-С вставляются одна в другую для формирования корзины 13, когда сегменты 150 уложены в пакет. Более конкретно, пазы каждого сегмента пересекают пазы 151 прилегающего сегмента 150. Пластины 55А-С пересекаются и запираются, когда одна пластина 55А-С расположена под углом 90° ко второй пластине 55А-С так, что совмещенные пазы двух пластин пересекаются. Пазы 151 и концевые язычки 152 сегментов 150 запирают прилегающие сегменты 150 так, чтобы предотвратить относительное горизонтальное и вращательное перемещение между сегментами 150. Корзина 13 предпочтительно содержит, по меньшей мере, четыре сегмента 150 и более предпочтительно, по меньшей мере, десять сегментов 150. Все сегменты 150 по существу имеют одинаковую высоту и конфигурацию.
Весь сегмент 150 сформирован из пластин 55А-С, имеющих не более трех разных конфигураций. Фактически, вся корзина 13 сформирована из пластин 55А-С, имеющих не более трех разных конфигураций, за исключением того, что к пластинам 55А-С необходимо добавить вырезы 158 в верхнем и нижнем сегментах 150, и несколько пластин 55А-С нужно обрезать, чтобы сформировать торцевые пластины 55D (фиг.17).
На фиг.17 показан нижний сегмент 250 пакета, образующего корзину 13. Нижний сегмент 250 идентичен среднему сегменту 150 по фиг.16 за исключением того, что в пластинах выполнены вырезы 58 и используются концевые пластины 55D. Концевые пластины 55D идентичны пластинам 55А-С за исключением того, что они обрезаны до необходимого размера. Верхний сегмент пакета, образующего корзину, идентичен сегменту 250 за исключением того, что перевернут нижней частью вверх.
Хотя корзина 13 была описана в связи с ее установкой в теплопроводные контейнеры, такие как контейнер 100, корзина 13 по настоящему изобретению не ограничена таким применением. Например, корзина 13 может встраиваться в герметичные многоцелевые контейнеры для использования в системах хранения, относящихся к вентилируемым вертикальным контейнерам (ВВК). В таких вариантах корзина 13 будет снабжена полостью, образованной цилиндрическим металлическим пеналом. Металлический пенал охватывает корзину 13, а к нижней части пенала может быть приварена металлическая плита основания. На верхнюю часть цилиндра, образованного металлическим пеналом, может быть установлена металлическая крышка и, таким образом, может быть сформирован контейнер.
Хотя настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано достаточно подробно, чтобы специалист мог его легко воспроизвести и использовать, очевидно, что в настоящее изобретение могут быть внесены различные альтернативы, модификации и улучшения, не выходящие за пределы изобретательской идеи.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И/ИЛИ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА | 2011 |
|
RU2465662C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И/ИЛИ ТРАНСПОРТИРОВКИ ВЫСОКОРАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ, А ТАКЖЕ СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2010 |
|
RU2525229C2 |
| КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И/ИЛИ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА | 2011 |
|
RU2479876C1 |
| КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И/ИЛИ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА | 2012 |
|
RU2510770C1 |
| КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И/ИЛИ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА | 2007 |
|
RU2348085C1 |
| Контейнер для транспортировки и/или хранения отработавших тепловыделяющих сборок | 2019 |
|
RU2707868C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК | 2008 |
|
RU2465661C2 |
| СИСТЕМА И СПОСОБ ХРАНЕНИЯ ВЫСОКОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ | 2006 |
|
RU2427939C2 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНТЕЙНЕРА ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА | 2014 |
|
RU2582083C2 |
| Двухцелевой транспортный упаковочный комплект для технологического обращения и транспортирования по дорогам общего пользования изделий активной зоны реактора | 2022 |
|
RU2793228C1 |
Изобретение относится к контейнерам и компонентам контейнеров для транспортировки, поддержки и/или хранения радиоактивных материалов, таких как облученное ядерное топливо. Сущность изобретения: в одном варианте кольцевая структура выполнена с возможностью сборки в пакет с ей подобными структурами для формирования пакетной структуры, которая полностью окружает внутреннюю границу удержания. В другом варианте кольцевая структура имеет пустоты особой геометрии для приема материала, поглощающего нейтроны. Согласно другому аспекту кольцевая структура является промежуточным устройством, устанавливаемым в пределах границы удержания для поддержки корзины с топливом и/или для улучшения отвода теплоты сквозь границу удержания. Согласно еще одному аспекту изобретение относится к корзине для топлива, содержащей одну или более ловушку потока нейтронов, которая регулирует нейтронное излучение, и пластины, выполненные из композитного материала на основе металлической матрицы. Техническим результатом изобретения является повышение радиационной защиты при транспортировке и/или хранении ядерного топлива, безопасное охлаждение облученного ядерного топлива. 6 н. и 17 з.п. ф-лы, 17 ил.
1. Устройство для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, содержащее:
удерживающую структуру, образующую полость для приема радиоактивных материалов, при этом удерживающая структура образует границу удержания вокруг полости;
множество кольцевых структур, при этом каждая из кольцевых структур содержит верхнюю поверхность, нижнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, проходящий в осевом направлении сквозь кольцевую структуру;
при этом множество кольцевых структур расположены пакетом так, что между верхней и нижней поверхностями соседних кольцевых структур образована межкольцевая переходная зона, при этом удерживающая структура проходит сквозь центральные каналы кольцевых структур в пакете; и
в котором каждая кольцевая структура содержит множество пустот, причем пустоты имеют такие размеры, форму и/или расположены так, что не существует линейной траектории от внутренней поверхности кольцевых структур до внешней поверхности кольцевых структур, минующую одну или более из пустот.
2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее втулку, расположенную на каждой межкольцевой переходной зоне и проходящую выше и ниже межкольцевой переходной зоны.
3. Устройство по п.1, в котором удерживающая структура содержит трубчатый пенал, имеющий закрытый нижний конец и открытый верхний конец, при этом трубчатый пенал имеет внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, которая образует полость.
4. Устройство по п.1, дополнительно содержащее:
удерживающую структуру, имеющую внешнюю поверхность;
при этом внутренние поверхности кольцевых структур пакета находятся, по существу, в непрерывном поверхностном контакте с внешней поверхностью удерживающей структуры.
5. Устройство по п.1, в котором каждая кольцевая структура содержит последовательность пустот, при этом пустоты проходят от верхней поверхности кольцевой структуры до нижней поверхности кольцевой структуры; причем пустоты имеют такие размеры, форму и/или расположение, которые позволяют заливать поглощающую нейтроны жидкость в самую верхнюю кольцевую структуру пакета и заполнять все пустоты всех кольцевых структур пакета, независимо от угловой ориентации кольцевых структур.
6. Устройство по п.1, дополнительно содержащее:
каждую из кольцевых структур, содержащую внешнюю стенку, среднюю стенку и внутреннюю стенку, при этом внешняя стенка отстоит от средней стенки и расположена соосно с ней, при этом средняя стенка отнесена от внутренней стенки и расположена соосно с ней;
первый набор ребер, соединяющих внутреннюю стенку со средней стенкой и второй набор ребер, соединяющих среднюю стенку с внешней стенкой;
пустоты, расположенные между ребрами первого и второго набора ребер, при этом пустоты проходят от верхней поверхности кольцевой структуры до нижней поверхности кольцевой структуры; и при этом первый и второй наборы ребер смещены друг относительно друга по окружности так, что не существует линейной траектории от внутренней стенки до внешней стенки, минующей одну или более из пустот.
7. Устройство по п.1, дополнительно содержащее:
удерживающую структуру, содержащую трубчатый пенал, имеющий высоту и внутреннюю поверхность, образующую полость; и
при этом трубчатый пенал окружен пакетом кольцевых структур, по существу, по всей высоте.
8. Устройство для экранирования излучения радиоактивных материалов, заключенных в границе удержания твердых частиц и текучих материалов, содержащее:
кольцевой корпус, выполненный из материала, экранирующего гамма-излучение, при этом кольцевой корпус содержит верхнюю поверхность, нижнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал;
причем кольцевой корпус содержит втулку, выступающую из верхней или нижней поверхности кольцевого корпуса;
последовательность пустот в кольцевом корпусе для приема материала, экранирующего нейтронное излучение, при этом пустоты окружают центральный канал, и
в котором, когда два кольцевых корпуса составлены в пакет один поверх другого так, чтобы образовывать межкольцевую переходную зону, втулка одного из кольцевых корпусов проходит за межкольцевой переходной зоной.
9. Устройство по п.8, в котором последовательность пустот имеет такие размеры, форму и/или расположение, что не существует линейной траектории от внутренней стенки кольцевой структуры до внешней стенки кольцевой структуры, минующей одну или более из пустот.
10. Устройство по п.8, дополнительно содержащее кольцевой корпус, содержащий внешнюю стенку, среднюю стенку и внутреннюю стенку, при этом внешняя стенка отстоит от средней стенки и расположена концентрично с ней, при этом средняя стенка отнесена от внутренней стенки и расположена концентрично с ней;
первый набор ребер, соединяющий внутреннюю стенку со средней стенкой, и второй набор ребер, соединяющий среднюю стенку с внешней стенкой; и
первый и второй наборы ребер смещены по окружности относительно друг друга.
11. Устройство для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, содержащее:
корпус, имеющий внутреннюю поверхность, образующую полость для приема радиоактивных материалов, причем корпус обеспечивает экранирование нейтронного и гамма-излучения, при этом полость имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец, при этом профиль горизонтального сечения полости имеет периметр, образованный внутренней поверхностью корпуса;
корзину, расположенную в полости, при этом корзина содержит множество ячеек, при этом профиль горизонтального сечения корзины имеет внешний периметр, образованный внешней поверхностью корзины;
структуру, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, при этом профиль горизонтального сечения структуры имеет внутренний периметр, образованный внутренней поверхностью структуры, и внешний периметр, образованный внешней поверхностью структуры;
причем структура содержит множество отдельных кольцевых сегментов, собранных в пакет так, что соседние кольцевые сегменты в пакете контактируют друг с другом, тем самым образуя переходную зону, при этом пакет окружает корзину, по существу, по всей ее высоте,
при этом структура расположена в полости так, что корзина проходит сквозь центральный канал структуры;
в котором внутренний периметр структуры соответствует внешнему периметру корзины по форме и размеру, а внешний периметр структуры соответствует периметру полости по форме и размеру;
первый зазор, имеющийся между внутренним периметром структуры и внешним периметром корзины при температуре окружающей среды, при этом первый зазор по окружности окружает корзину;
второй зазор, имеющийся между внешним периметром структуры и периметром полости при температуре окружающей среды; и
при этом после помещения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, в ячейки корзины, остаточная тепловая нагрузка радиоактивных отходов приводит к расширению корзины и/или структуры и устранению первого и второго зазоров.
12. Устройство по п.11, в котором структура выполнена из материала, имеющего первый коэффициент теплового расширения, а внутренняя поверхность корпуса выполнена из материала, имеющего второй коэффициент теплового расширения, при этом первый коэффициент теплового расширения больше второго.
13. Устройство по п.11, дополнительно содержащее:
периметр профиля горизонтального сечения полости, имеющий круглую форму;
внешний периметр профиля горизонтального сечения структуры, имеющий круглую форму;
внешний периметр профиля горизонтального сечения корзины, имеющий прямолинейную форму;
внутренний периметр профиля горизонтального сечения структуры, имеющий прямолинейную форму.
14. Устройство по п.11, дополнительно содержащее:
первый зазор, имеющийся между внутренним периметром профиля горизонтального сечения структуры, и внешним периметром профиля горизонтального сечения корзины при температуре окружающей среды; и
в котором после помещения в удлиненные ячейки корзины радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, остаточная тепловая нагрузка радиоактивных отходов заставляет корзину и/или структуру расширяться, тем самым устраняя первый небольшой зазор.
15. Устройство по п.11, дополнительно содержащее узел крышки, выполненный из материала, поглощающего гамма-излучение, при этом узел крышки расположен поверх корпуса так, чтобы, по существу, охватывать открытый верхний конец полости.
16. Устройство для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов, имеющих остаточную тепловую нагрузку, содержащее:
корпус, содержащий внутреннюю поверхность, образующую полость для приема радиоактивных материалов, при этом корпус обеспечивает экранирование нейтронного и гамма-излучения, при этом полость имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец;
корзину, расположенную в полости и содержащую множество ячеек;
множество кольцевых структур, имеющих внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, образующую центральный канал, при этом кольцевые структуры собраны в пакет в полости, при этом корзина проходит в центральных каналах кольцевых структур, при этом соседние кольцевые структуры в пакете контактируют одна с другой, тем самым образуя переходную зону; и
в котором множество кольцевых структур выполнено из материала, имеющего первый коэффициент теплового расширения, а внутренняя поверхность корпуса выполнена из материала, имеющего второй коэффициент теплового расширения, при этом первый коэффициент теплового расширения больше второго.
17. Устройство, пригодное для транспортировки и/или хранения стержней отработанного ядерного топлива, содержащее:
корзину, сформированную множеством сегментов, расположенных пакетом; при этом каждый сегмент содержит сотовидную решетку из пластин, расположенных в прямолинейной конфигурации; при этом указанная решетка из пластин формирует множество ячеек для приема стержней отработанного ядерного топлива, каждый сегмент содержит множество пазов; и в котором когда сегменты собраны в пакет, пазы каждого из сегментов пересекаются с пазами соседнего сегмента;
при этом корзина содержит одну или более ловушек потока нейтронов, которые регулируют нейтронное излучение; и
в котором пластины выполнены из композитного материала на основе металлической матрицы.
18. Устройство по п.17, в котором пазы запирают сегменты друг с другом так, чтобы предотвратить горизонтальное и угловое перемещение между сегментами.
19. Устройство по п.17, далее содержащее:
множество вырезов в пластинах, которые образуют каналы между множеством ячеек у дна или на дне ячеек, которые действуют как нижняя напорная камера; и
множество вырезов в пластинах, которые образуют каналы между множеством ячеек у вершины или на вершине ячеек, которые действуют как верхняя напорная камера.
20. Устройство по п.19, дополнительно содержащее один или более спускной канал, проходящий от верхней напорной камеры к нижней напорной камере для облегчения естественной циркуляции среды в корзине для способствования конвекционному охлаждению стержней отработанного ядерного топлива в ячейках.
21. Устройство по п.17, в котором вся корзина выполнена из пластин, имеющих не более трех разных конфигураций.
22. Устройство по п.17, содержащее первую пару параллельных ловушек потока нейтронов и вторую пару параллельных ловушек потока нейтронов, при этом первая пара ловушек, по существу, перпендикулярна второй паре ловушек.
23. Устройство, пригодное для транспортировки и/или хранения стержней отработанного ядерного топлива, содержащее:
корзину, образованную сотовидной решеткой из пластин, расположенных в прямолинейной конфигурации, при этом решетка из пластин образует множество ячеек для приема стержней отработанного ядерного топлива;
при этом корзина выполнена из множества сегментов, расположенных пакетом, причем каждый сегмент содержит сотовидную решетку, выполненную из пластин, расположенных в прямоугольной конфигурации, в котором каждый сегмент содержит множество верхних и нижних пазов, расположенных так, что когда сегменты собраны в пакет, верхние пазы каждого сегмента пересекаются с нижними пазами соседнего сегмента; и при этом корзина выполнена из пластин, имеющих не более трех разных конфигураций, причем пластины выполнены из композитного материала на основе металлической матрицы.
| US 2005286674 A1, 29.12.2005 | |||
| US 5898747 A, 27.04.1999 | |||
| МАШИНА ДЛЯ УБОРКИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК | 0 |
|
SU250847A1 |
| СЦЕПНАЯ КУЛАЧКОВАЯ МУФТА | 0 |
|
SU219343A1 |
| КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ОТРАБОТАВШИХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК | 1998 |
|
RU2154316C2 |
