Результат интеллектуальной деятельности: ТРАНСПОРТНЫЙ УПАКОВОЧНЫЙ КОМПЛЕКТ ДЛЯ ОТРАБОТАВШИХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к хранению отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), а более конкретно к сухому контейнерному хранению отработавших тепловыделяющих сборок атомных электростанций (АЭС), и может быть использовано для повышения надежности при обращении с ОЯТ.

Известен контейнер для транспортировки радиоактивного материала по патенту RU 1144632 (G21F 5/00, 1985). Контейнер включает металлический цилиндрический корпус, коробку (чехол) для переноски топливных элементов, внутреннюю и наружную защитные герметизирующие крышки и два установленных на концах контейнера противоударных демпфера. Корпус контейнера и внутренняя защитная крышка выполнены из углеродистой стали и обеспечивают защиту от γ- излучения. Наружная защитная крышка контейнера выполнена из нержавеющей стали. Внутренняя защитная крышка, в свою очередь, покрыта нержавеющим стальным листом. Цилиндрическая часть контейнера окружена водяной оболочкой для экранирования активной зоны топливных элементов. Вода служит в качестве экрана от быстрых нейтронов. Наружный кожух водяной оболочки снабжен выполненными по периметру кольцеобразными ребрами охлаждения из стали. В вариантах выполнения внутри контейнера могут быть установлены чехлы для размещения 7 или 17 топливных элементов. Чехлы обладают высокой внутренней прочностью и обеспечивают экранирование от нейтронов для безопасной транспортировки топливных элементов. При этом чехлы выполнены противоударными. В нормальных условиях транспортировка топливных элементов осуществляется в сухом состоянии. Предусмотренные для этого чехлы состоят из насаженных одна на другую толстых литых алюминиевых шайб, соединенных нержавеющими болтами. Между внутренней стенкой контейнера и алюминиевыми шайбами предусмотрен, принимая во внимание термическое расширение, зазор. Внутри чехлов предусмотрены продольные каналы для топливных элементов, выполненные из нержавеющей бористой стали, с добавкой 1 вес.% нейтрального бора для поглощения нейтронов. Между каналами для топливных элементов предусмотрены цилиндрические отверстия, в которых имеется смесь графита и карбида бора, причем последняя помещена в стальные трубы. Эта смесь также выполняет роль экрана для защиты от нейтронов. Один или несколько каналов, выполненных из нержавеющей бористой стали, можно смонтировать с возможностью их удаления. После удаления этих каналов в свободную полость можно вдвинуть специальные защитные контейнеры для поврежденных топливных элементов. Остальные, неудаляемые каналы, приварены к верхней нержавеющей стальной плите (диафрагме) чехла. В случае транспортировки топливных элементов в мокром состоянии в упомянутые каналы могут быть вдвинуты тонкостенные трубы из бористой стали. Все выемные части контейнера, за исключением литых алюминиевых шайб чехла, выполнены их нержавеющей стали. Отвод тепла из контейнера осуществляется путем конвекции и переноса тепла излучением.

К недостаткам известного устройства можно отнести низкую защищенность его боковой поверхности от ударных нагрузок при падении, что не исключает возможность разгерметизации наружного кожуха водяной оболочки в случае возникновения аварийной ситуации.

Известен контейнер с чехлом для транспортировки отработавших тепловыделяющих сборок по патенту SU 1790792 (G21F 5/00, 1993). Контейнер включает металлический корпус с герметичным перекрытием внутренней полости контейнера. Чехол включает два расположенных по окружности ряда шестигранных труб, установленных между верхним и нижним рядами трубных досок, которые закреплены на центральной трубе. В шестигранных трубах устанавливаются тепловыделяющие сборки с ОЯТ. Внутренняя сторона стенки корпуса в плане (т.е. на виде сверху) выполнена в виде многогранника, грани которого параллельны граням близлежащих шестигранных труб, т.е. внутренняя полость контейнера в плане по форме повторяет форму внешнего ряда шестигранных труб чехла с одинаковым зазором, обеспечивающим конвективный теплообмен от отработавших тепловыделяющих сборок к стенке корпуса контейнера, причем грани шестигранных труб имеют отверстия. Таким образом, создаются равные условия теплообмена всех отработавших сборок внешнего ряда шестигранных труб чехла со стенкой корпуса. Для обеспечения ядерной безопасности шестигранные трубы дистанционируются прокладками. Такое исполнение контейнера улучшает теплоотвод от центральных отработавших тепловыделяющих сборок к внешним и от внешних отработавших тепловыделяющих сборок к стенке корпуса контейнера.

Недостатком известного контейнера является то, что для изготовления толстостенного металлического корпуса контейнера требуется уникальное металлургическое оборудование. Кроме того, контейнер предполагает высокую трудоемкость изготовления и, следовательно, высокую стоимость. Также можно отметить недостаточную эффективность отвода тепла от шестигранных труб к стенке корпуса контейнера. Это связано с тем, что теплоотвод осуществляется главным образом посредством переноса тепла излучением.

Известен железобетонный контейнер по патенту RU 2134918 C1 (G21F 5/00, 1999). Известное устройство содержит контейнер, включающий металлобетонный корпус с герметичным перекрытием внутренней полости контейнера. Внутри контейнера установлен чехол для сборок ТВЭЛ, например, с шестигранными, прямоугольными или круглыми чехловыми трубами, зазоры между которыми рядами по высоте заполнены зигзагообразными или прямыми дистанционирующими листовыми проставками, приваренными к оболочке чехла. При этом ряды проставок равномерно развернуты по окружности и по высоте чехла. При нормальных условиях эксплуатации неравномерный тепловой поток от сборок ТВЭЛ, установленных внутри чехловых труб, передается через стенки чехловых труб и дистанционирующие проставки на оболочку чехла, растекаясь по которой обеспечивает равномерную тепловую нагрузку на стенку корпуса контейнера. От оболочки чехла через минимальный конструктивный зазор между чехлом и внутренней оболочкой корпуса через объемную арматурную решетку и бетонное заполнение корпуса тепловой поток равномерно распределяется по всей поверхности наружной оболочки корпуса и далее отводится в окружающую среду.

Однако конструктивные особенности контейнера предполагают использование этого контейнера для транспортировки и/или хранения относительно низкоактивного ОЯТ, т.е. известное устройство имеют ограниченную область использования.

Известен транспортно-упаковочный (транспортный упаковочный) комплект (ТУК) для транспортирования и хранения ОЯТ по патенту RU 2127919 C1 (G21F 5/008, 1999). Известный ТУК содержит чехол, корпус с полостью, крышку и фиксирующие элементы, установленные на внутренней поверхности корпуса. Чехол представляет собой сварную конструкцию и состоит из центральной трубы, дистанционирующих плит (решеток), закрепленных на центральной трубе, шестигранных труб для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, основания. Фиксирующие элементы расположены на внутренней поверхности корпуса и предназначены для предотвращения разворота чехла при опрокидывании ТУК.

Однако в известном ТУК недостаточный тепловой контакт между элементами чехла и цилиндрической поверхностью полости контейнера снижает эффективность отвода тепла от отработавших тепловыделяющих сборок к стенке корпуса контейнера.

Известен транспортный упаковочный контейнер для транспортирования и хранения ОЯТ по патенту RU 75496 U1 (G21F 5/008, G21F 5/10, 2008). Известный ТУК содержит чехол, контейнер, включающий металлический корпус с герметичным перекрытием внутренней полости контейнера, и торцевые деревянные демпферы. Корпус контейнера выполнен из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Чехол выполнен металлическим монолитным с каналами для установки тепловыделяющих сборок. Для увеличения поверхности передачи тепла между чехлом и корпусом контейнера внутренняя поверхность корпуса контейнера и наружная поверхность чехла имеют сопряженные кольцевые или продольные ребра охлаждения, обеспечивающие интенсификацию теплоотвода от отработавших тепловыделяющих сборок к корпусу контейнера и далее в окружающую среду в процессе транспортирования и временного хранения ТУК. Корпус контейнера имеет продольные каналы, заполненные термостойким полиэтиленом, обеспечивающим защиту обслуживающего персонала, населения и окружающей среды от нейтронного излучения.

Однако в известном ТУК не раскрыто решение задачи обеспечения ядерной безопасности, например, в случае плотной упаковки чехла отработавшими тепловыделяющими сборками (т.е. при обеспечении размещения в чехле возможно большего количества отработавших тепловыделяющих сборок).

Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является ТУК для транспортировки и/или хранения отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, содержащий чехол и контейнер, включающий металлический корпус с герметичным перекрытием внутренней полости контейнера по патенту RU 2348085 C1 (G21F 5/00, 2009). В чехле этого ТУК может быть размещено до 19-ти отработавших тепловыделяющих сборок с максимальным суммарным тепловыделением, например, 30-40 кВт. Чехол обеспечивает строго определенное расположение отработавших тепловыделяющих сборок во внутренней полости контейнера и передачу тепла, выделяемого ОЯТ, корпусу контейнера. Чехол выполнен в виде составного цилиндра из отдельных алюминиевых блоков, внутри которых расположены шестигранные трубы для установки отработавших тепловыделяющих сборок. Для обеспечения ядерной безопасности наружная поверхность шестигранных труб покрыта самофлюсующимся борсодержащим сплавом, обеспечивающим поглощение нейтронов, выделяемых ОЯТ. Каждый алюминиевый блок заключен в герметичную оболочку из нержавеющей стали. Блоки скреплены между собой с помощью стяжек, которые одновременно являются опорными элементами чехла, взаимодействующими с днищем корпуса контейнера. Вместе с этим часть стяжек одновременно выполняет функцию такелажных элементов чехла. На период транспортировки на корпусе контейнера монтируют съемные торцевые защитные демпфирующие элементы.

Однако в известном ТУК недостаточный тепловой контакт между наружной цилиндрической поверхностью отдельных блоков чехла и цилиндрической поверхностью полости контейнера снижает эффективность отвода тепла от отработавших тепловыделяющих сборок к стенке корпуса контейнера.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании транспортного упаковочного комплекта для отработавшего ядерного топлива реакторов типа ВВЭР-1000, особенностью которого (т.е. - ОЯТ) является, в частности, интенсивное выделение тепла и интенсивные γ- излучение и нейтронное излучение.

Указанная задача решается тем, что в транспортном упаковочном комплекте для отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, содержащем чехол и контейнер, включающий металлический корпус с герметичным перекрытием внутренней полости контейнера, согласно изобретению чехол в полости контейнера установлен с заданным радиальным зазором с возможностью образования теплопроводящего контакта между наружной поверхностью чехла и внутренней поверхностью корпуса контейнера в загруженном состоянии последнего при тепловом воздействии со стороны отработавших тепловыделяющих сборок. При этом чехол выполнен из нержавеющей стали и включает верхнюю и нижнюю дистанционирующие решетки, к которым герметично на сварке присоединены шестигранные трубы для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, а по периметру чехла - облицовка с образованием герметичного межтрубного пространства, которое заполнено поглощающей нейтроны теплопроводящей заливочной композицией.

Вместе с этим транспортный упаковочный комплект в качестве заливочной композиции содержит сплав, включающий алюминий и бор.

В варианте выполнения транспортный упаковочный комплект в качестве заливочной композиции содержит сплав, включающий свинец и карбид бора.

В другом варианте выполнения транспортный упаковочный комплект в качестве заливочной композиции содержит сплав, включающий медь и карбид бора.

Кроме того, через чехол пропущены продольные трубчатые элементы, которые расположены вдоль продольной оси чехла между гранями смежных шестигранных труб и герметично на сварке присоединены соответственно к верхней и нижней дистанционирующим решеткам.

В варианте выполнения транспортный упаковочный комплект в качестве материала корпуса контейнера содержит конструкционную сталь.

В другом варианте выполнения транспортный упаковочный комплект в качестве материала корпуса контейнера содержит чугун.

Вместе с этим к верхней и нижней дистанционирующим решеткам чехла герметично на сварке присоединены трубы, расположенные равномерно по окружности вокруг продольной оси чехла, через которые пропущены скрепленные с чехлом тяги, выполняющие функцию такелажных элементов последнего.

Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно позволяет повысить эксплуатационные характеристики транспортного упаковочного комплекта.

На фиг.1 схематично показан транспортный упаковочный комплект для отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, общий вид, продольный разрез, штрихпунктиром показаны отработавшие тепловыделяющие сборки; на фиг.2 - то же, поперечный разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - трубчатые элементы, расположенные между гранями смежных шестигранных труб, служащих для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, поперечный разрез, элемент Б на фиг.2.

В варианте осуществления изобретения ТУК предназначен для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива реакторов типа ВВЭР-1000, особенностью которого (т.е. - ОЯТ) является интенсивное выделение тепла и интенсивные γ-излучение и нейтронное излучение. ТУК содержит чехол 1 и контейнер 2, включающий металлический корпус 3 с герметичным перекрытием 4 внутренней полости «а» контейнера. Перекрытие 4 выполнено, например, в виде трех защитных герметизирующих крышек 5-7, установленных одна над другой на общем основании (не показано) и образующих с последним три концентричных герметизирующих контура. Защитные герметизирующие крышки 5 и 6 выполнены под углубление в верхней части корпуса 3 и образуют два контура (барьера) защиты.

Конструкция контейнера допускает возможность установки дополнительной наружной защитной герметизирующей крышки 7. В варианте осуществления изобретения крышка 7 выполнена в виде листа, который по периметру приваривают к общему основанию крышек. Установка дополнительной защитной герметизирующей крышки обусловлена возможностью снижения герметичности уплотнений крышек 5 и 6 в условиях длительного радиационного и термоциклического воздействия в процессе хранения ОЯТ и - требованием обеспечения надежности и экологической безопасности сухого контейнерного хранения. В варианте осуществления изобретения в качестве материала корпуса контейнера ТУК содержит конструкционную сталь, например, 09Г2СА. В другом варианте в качестве материала корпуса контейнера ТУК содержит чугун.

Чехол 1 выполнен из нержавеющей стали, например, типа 08Х18Н10Т и включает верхнюю 8 и нижнюю 9 дистанционирующие решетки, к которым герметично на сварке присоединены, например, 19 шестигранных труб 10 для размещения отработавших тепловыделяющих сборок, а по периметру чехла присоединена облицовка 11 с образованием герметичного межтрубного пространства, которое заполнено поглощающей нейтроны теплопроводящей заливочной композицией «b». В варианте осуществления изобретения транспортный упаковочный комплект в качестве заливочной композиции содержит, например, сплав, включающий алюминий и бор. В другом варианте в качестве заливочной композиции ТУК может содержать сплав, включающий свинец и карбид бора. Возможен вариант, когда ТУК в качестве заливочной композиции содержит сплав, включающий медь и карбид бора.

В варианте выполнения через чехол пропущены продольные трубчатые элементы 12, которые расположены вдоль продольной оси 13 чехла между гранями смежных шестигранных труб 10 и герметично на сварке присоединены соответственно к верхней и нижней дистанционирующим решеткам 8 и 9. Благодаря трубчатым элементам 12 достигается возможность обеспечения ядерной безопасности ТУК в нормальных условиях эксплуатации и в аварийных ситуациях при затоплении внутренней полости контейнера водой согласно нормативным требованиям НП-061-05 и НП-053-04. В подобных ситуациях ядерная безопасность обеспечивается, в частности, за счет:

- заполнения межтрубного пространства чехла 1 заливочным борсодержащим материалом (заливочной композицией), способным поглощать нейтроны;

- установки между гранями смежных шестигранных труб 10 продольных трубчатых элементов 12 с возможностью заполнения их водой при затоплении внутренней полости «а» контейнера 2.

При этом соотношение площади F_зк поперечного сечения борсодержащей прослойки (заливочной композиции) между смежными шестигранными трубами и суммарной площади F_тэ соответствующих трубчатых элементов определяется по соотношению

F_тэ/F_зк=0,2…0,4.

Величина этого соотношения зависит от материала, составляющего основу заливочной композиции, и содержания в нем поглощающего нейтроны вещества.

Наличие открытых продольных каналов (трубчатых элементов 12) в теплопроводящем борсодержащем материале при затоплении внутренней полости контейнера с ОЯТ приводит к увеличению числа замедленных нейтронов и, как следствие, к увеличению числа нейтронов, поглощенных бором (сечение поглощения нейтронов бором увеличивается с уменьшением энергии нейтрона). По существу, вода замедляет нейтроны и далее замедленные нейтроны более эффективно поглощаются бором, содержащимся в заливочной композиции. Таким образом, уменьшается число нейтронов, воздействующих на соседние тепловыделяющие сборки, загруженные в шестигранные трубы 10, и тем самым обеспечивается возможность повышения ядерной безопасности ТУК.

Вместе с этим благодаря достаточно большому массиву борсодержащего материала чехол предлагаемой конструкции вносит вклад в повышение эффективности нейтронной защиты и, следовательно, в повышение безопасности обращения с ОЯТ. Чехол также вносит дополнительный вклад в обеспечение радиационной защиты от γ-излучения и нейтронного излучения ОЯТ. Это достигается благодаря наличию наружной цилиндрической обшивки (облицовки), толщина которой может быть принята несколько большей, чем требуется для ее прочности, наличию в чехле продольных трубчатых элементов, которые в совокупности имеют значительную массу, наличию в чехле материалов, поглощающих нейтроны.

К дистанционирующим решеткам 8 и 9 герметично на сварке также присоединены трубы 14, расположенные равномерно по окружности вокруг продольной оси 13 чехла. Через трубы 14 пропущены скрепленные с чехлом, например, с помощью резьбовых соединений тяги 15, выполняющие функцию такелажных элементов чехла.

Чехол 1 в полости «а» контейнера 2 установлен с заданным радиальным зазором Δ_ну с возможностью образования теплопроводящего контакта между наружной цилиндрической поверхностью чехла и ответной внутренней поверхностью корпуса контейнера в загруженном состоянии последнего при тепловом воздействии отработавших тепловыделяющих сборок.

Величина радиального зазора Δ_ну определяется по соотношению

Δ_ну<Δ_чт-Δ_кт,

где Δ_ну - радиальный зазор между наружной цилиндрической поверхностью чехла и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса при нормальных условиях, Δ_чт - радиальное температурное расширение чехла, зависящее от температуры нагрева чехла (например, ~300°С), коэффициентов линейного расширения и модулей упругости материалов чехла (нержавеющей стали и заливочной композиции) при рассматриваемой температуре нагрева чехла, Δ_кт - радиальное температурное расширение корпуса контейнера, зависящее от перепада температур на стенке корпуса контейнера, коэффициента линейного расширения и модулей упругости материала корпуса контейнера (т.е. конструкционной стали или чугуна).

Для контейнера с внутренним диаметром, например, 1600 мм радиальный зазор Δ_ну может быть принят равным 5…6 мм. В загруженном состоянии контейнера при тепловом воздействии со стороны отработавших тепловыделяющих сборок этот зазор «выбирается», тем самым обеспечивается прилегание наружной цилиндрической поверхности чехла к внутренней цилиндрической поверхности корпуса, что способствует хорошему отводу тепла от чехла на стенку корпуса контейнера и через нее - в окружающую среду. Это достигается за счет более высокой температуры чехла по сравнению с температурой корпуса контейнера и выполнению чехла из нержавеющей стали, обладающей более высоким коэффициентом температурного расширения по сравнению с материалом корпуса контейнера (конструкционной сталью или чугуном). Заданная величина радиального зазора Δ_ну обеспечивается путем механической обработки наружной цилиндрической поверхности чехла.

Для перемещения и кантования контейнера в верхней и нижней частях корпуса контейнера предусмотрены грузоподъемные цапфы 16. Для слива воды, осушки и заполнения внутренней полости «а» контейнера инертным газом в верхней и нижней частях корпуса контейнера предусмотрены соответствующие клапанные устройства (не показано).

На период транспортировки на корпусе контейнера монтируют съемные торцевые противоударные демпферы. В качестве таких демпферов могут быть использованы, например, съемные противоударные демпферы по патенту RU 2400843 (G21F 5/008, 5/08, 2010). Конструкция известного демпфера, по существу, представляет собой открытый конвектор, что позволяет интенсифицировать теплоотдачу корпуса контейнера.

Использование ТУК в промышленности осуществляется следующим образом.

Чехол 1 с заданным радиальным зазором Δ_ну устанавливают в контейнер 2. При установке чехол опускается в полость «а» корпуса контейнера до упора в днище. Корпус контейнера 2 с чехлом устанавливают в загрузочный бассейн, бассейн заполняется водой и осуществляется загрузка под водой отработавшего ядерного топлива (отработавших тепловыделяющих сборок). После загрузки контейнера устанавливают его внутреннюю защитную герметизирующую крышку 5, загруженный контейнер извлекают из водяного бассейна и устанавливают на площадку обслуживания. Внутреннюю полость «а» контейнера с помощью предусмотренных на контейнере клапанных устройств (не показано) освобождают от воды. Затем затягивается болтовое соединение крепления внутренней защитной герметизирующей крышки 5 и производится контроль герметичности соединения крышки 5 с корпусом 3. Аналогичным образом закрывается защитная герметизирующая крышка 6 и производится контроль герметичности ее соединения с корпусом 1. Защитные герметизирующие крышки 5 и 6 образуют два контура (барьера) защиты. Затем при необходимости устанавливается наружная защитная герметизирующая крышка 7, выполненная в виде листа, который приваривают к общему основанию крышек 5-7. После производится осушение внутренней полости «а» контейнера и при необходимости заполнение ее инертным газом с помощью предусмотренных на контейнере клапанных устройств (не показано). После этого контейнер с ОЯТ транспортируют к месту промежуточного (предварительного) хранения (на территории АЭС или в прилегающем к ней хранилище). В месте промежуточного хранения загруженный контейнер может находиться длительное время. Затем контейнер с ОЯТ транспортируют к месту окончательного хранения в региональное хранилище или - на переработку. На период транспортировки к месту окончательного хранения (захоронения) ОЯТ с целью предохранения контейнера с ОЯТ от разрушения при возможных аварийных ситуациях и повышения радиационной защиты персонала при транспортировке оснащают съемными противоударными демпферами, которые практически не препятствуют съему тепла от контейнера.

Транспортировка и хранение контейнера с ОЯТ сопровождаются достаточно интенсивным тепловыделением активной части ОЯТ. Например, в варианте осуществления изобретения, при загрузке в контейнер 19 отработавших тепловыделяющих сборок ядерного реактора типа ВВЭР-1000 мощность тепловыделения внутри контейнера составляет 30-40 кВт.

В начальный период хранения контейнера в результате теплового воздействия со стороны ОЯТ происходит разогрев чехла. Наличие плотно упакованного во внутренней полости чехла теплопроводящего материала (заливочной композиции) и его контакт со всеми шестигранными трубами, внутри которых размещены отработавшие тепловыделяющие сборки, обеспечивает достаточно интенсивный отвод тепла на наружную цилиндрическую поверхность (облицовку) чехла, установленного с относительно небольшим радиальным зазором Δ_ну в полости «а» корпуса контейнера. В результате теплового воздействия со стороны тепловыделяющих сборок происходит температурное расширение чехла, зазор Δ_ну «выбирается» и между наружной цилиндрической поверхностью чехла и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса контейнера образуется теплопроводящий контакт (по существу, обеспечивается прилегание наружной цилиндрической поверхности чехла к внутренней цилиндрической поверхности корпуса), что существенно повышает теплоотдачу. Таким образом, обеспечивается интенсивный отвод тепла на стенку корпуса контейнера и через нее - в окружающую среду.

Таким образом, благодаря особенности исполнения транспортного упаковочного комплекта для отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов типа ВВЭР-1000 изобретение позволяет создать ТУК, обеспечивающий повышение эффективности отвода тепла изнутри загруженного ОЯТ контейнера, повышение эффективности нейтронной защиты и, следовательно, - повышение безопасности обращения с ОЯТ. Вышеотмеченное, в конечном счете, позволяет повысить эксплуатационные характеристики ТУК.