Результат интеллектуальной деятельности: КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТУК С ЧЕХЛОМ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива и других радиоактивных материалов.

Известен транспортный упаковочный комплект для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок (Описание полезной модели к патенту RU 56704, приоритет 10.04.2006, опубл. 10.09.2006, бюл. №25), включающий корпус контейнера с внутренней и наружной крышкой, чехол с каналами из нержавеющей стали для установки отработавших тепловыделяющих сборок, вставленный в герметичный стакан, установленный в полости корпуса, и образованный облицовкой из нержавеющей стали внутренней поверхности корпуса, поверхности корпуса под установку крышек и части наружной поверхности корпуса в местах установки демпферов, и деревянные демпферы, заключенные в оболочку из нержавеющей стали и установленные на торцах контейнера. Корпус контейнера выполнен из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ), внутренняя крышка выполнена из нержавеющей стали, чехол зафиксирован в герметичном стакане, установленном с натягом в корпусе контейнера, и выполнен в виде образующих блок каналов, каждый из которых представляет собой трубу квадратного сечения, снаружи чехол снабжен по крайней мере тремя ребрами жесткости, в его нижней части установлены по крайней мере четыре нижние стойки, а через центр проходит центральная стойка с устройством под захват в ее верхней части, при этом чехол снабжен опорой для отработавших тепловыделяющих сборок, а центральная и нижние стойки проходят через опору и прикреплены к ней.

Недостатком известного транспортного упаковочного комплекта для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок является низкая технологичность конструкции и высокая стоимость, обусловленные сложностью конструкции, высокой трудоемкостью работ по изготовлению и необходимостью использования дорогостоящей нержавеющей стали. Кроме того, в известной конструкции не обеспечивается должным образом теплоотвод от размещенных в каналах чехла тепловыделяющих сборок с отработавшим ядерным топливом к корпусу из-за ограниченной поверхности их сопряжения.

Известен транспортно-упаковочный комплект для отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов (Описание изобретения к патенту RU 2463677, приоритет 22.04.2011, опубл. 10.10.2012, бюл. №28), включающий чехол и контейнер, включающий корпус выполненный с герметичным перекрытием внутренней полости контейнера. В полости контейнера установлен чехол. 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. 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 установлена облицовка с образованием герметичного межтрубного пространства, которое заполнено теплопроводящим материалом (теплопроводящей композицией), причем наружная поверхность шестигранных труб покрыта самофлюсующимся борсодержащим сплавом. Чехол состоит из насаженных одна на другую толстых литых алюминиевых шайб, соединенных нержавеющими болтами.

Недостатком известного транспортно-упаковочного комплекта для отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов является высокая трудоемкость работ и высокая его стоимость, обусловленные сложностью конструкции, а именно необходимостью установки верхней и нижней дистанционирующих решеток, необходимостью проведения сварочных работ для крепления к ним шестигранных труб, служащих для размещения тепловыделяющих сборок, использования теплопроводящей композиции для обеспечения теплоотвода от чехла к корпусу. К недостаткам также относится необходимость использования нержавеющего материала, имеющего высокую стоимость.

Наиболее близким по своей сущности и взятым за прототип является известный транспортный упаковочный комплект для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива (Описание полезной модели к патенту RU 75496, приоритет 27.02.2008, опубл. 10.08.2008, бюл. №22), включающий выполненный из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом корпус, внутреннюю и внешнюю крышки, чехол и демпферы. Корпус имеет продольные каналы, заполненные термостойким полиэтиленом. Для увеличения поверхности передачи тепла между чехлом, корпусом контейнера и окружающим воздухом наружная поверхность корпуса контейнера имеет кольцевые точеные ребра, а внутренняя поверхность корпуса контейнера и наружная поверхность чехла имеют сопряженные ребра охлаждения, обеспечивающие интенсификацию теплоотвода от отработавших тепловыделяющих сборок, помещенных в чехол контейнера, к корпусу контейнера и далее в окружающую среду. Чехол выполнен металлическим литым с каналами для установки тепловыделяющих сборок. При этом на наружной поверхности чехла выполнены ребра охлаждения, сопрягаемые с ребрами охлаждения на внутренней поверхности корпуса.

Недостатками известного транспортного упаковочного комплекта для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива являются высокая трудоемкость работ и высокая его стоимость, обусловленные сложностью конструкции, необходимостью выполнения ребер охлаждения, как на наружной поверхности чехла, так и внутренней поверхности корпуса, и их точная подгонка при сборке изобретения, при которой необходимо обеспечить хороший контакт между указанными ребрами охлаждения с учетом тепловых расширений используемых материалов.

Технический результат предлагаемого контейнера для ТУК с чехлом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом заключается в повышении технологичности изготовления, обеспечении хорошего теплоотвода от чехла к корпусу контейнера, снижении себестоимости.

Достигается технический результат тем, что в контейнере для ТУК с чехлом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, включающем корпус из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, внутреннюю и внешнюю крышки, чехол с каналами для установки тепловыделяющих сборок, чехол выполнен составным из литого корпуса, в котором каналы для размещения тепловыделяющих сборок оформлены трубами из борсодержащего металла, зафиксированными за счет усадки расплава высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, происходящей при изготовлении отливки чехла и прикрепленного к нему неподвижным механическим соединением опорного днища с отверстиями, расположенными напротив каналов для размещения тепловыделяющих сборок, площадь поперечного сечения каждого из которых составляет от 0,1 до 0,9 от площади поперечного сечения канала для размещения тепловыделяющей сборки, и прикрепленного неподвижным механическим соединением глухого днища, при этом между глухим днищем и опорным днищем обеспечивается наличие свободного внутреннего пространства, чехол зафиксирован в корпусе за счет усадки, происходящей в процессе кристаллизации расплава высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при изготовлении отливки корпуса, в нижней части корпуса контейнера выполнен канал, связывающий внутреннее пространство чехла, расположенное между глухим днищем и опорным днищем с окружающей средой, канал оснащен заглушкой, верхний торец чехла, его опорное днище и глухое днище покрыты защитным покрытием, стойким к воздействию дезактивационных растворов.

На фиг. 1 представлен контейнер для ТУК с чехлом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в разрезе.

На фиг. 2 показан вид сверху контейнера для ТУК с чехлом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при снятых внутренней и внешней крышках.

Предлагаемый контейнер для ТУК с чехлом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом включает корпус 1 из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, внутреннюю 2 и внешнюю 3 крышки, чехол 4 с каналами 5 для установки тепловыделяющих сборок. Чехол 4 выполнен составным из литого корпуса 8, в котором каналы 5 для размещения тепловыделяющих сборок оформлены трубами 19 из борсодержащего металла, зафиксированными за счет усадки расплава высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, происходящей при изготовлении отливки чехла, и прикрепленного к нему неподвижным механическим соединением опорного днища 9 с отверстиями 10, расположенными напротив каналов 5 для размещения тепловыделяющих сборок, и прикрепленного неподвижным механическим соединением глухого днища 11.

Форму и размеры поперечного сечения труб 19 выбирают в зависимости от геометрии тепловыделяющих сборок. Преимущественно трубам 19 придают форму поперечного сечения в виде шестигранника, что соответствует форме поперечного сечения тепловыделяющих сборок ядерных реакторов типа ВВЭР-1000.

Площадь поперечного сечения отверстий 10 составляет от 0,1 до 0,9 от площади поперечного сечения канала 5 для размещения тепловыделяющей сборки. Такое соотношение размеров необходимо для того, чтобы тепловыделяющие сборки, установленные в каналы 5, опирались на опорное днище 9 и не провалились в его отверстия 10 и в то же время размер отверстия 10 обеспечивал бы возможность доступа через них к внутреннему пространству 12 и возможность дезактивации стенок чехла 4, образующих это внутреннее пространство 12. При от отношении площади поперечного сечения отверстия 10 к площади поперечного сечения канала 5 для размещения тепловыделяющей сборки более чем 0,9 не обеспечивается достаточной величины выступа, служащего опорой для тепловыделяющей сборки, загруженной в канал 5, а при отношении площади поперечного сечения отверстия 10 к площади поперечного сечения канала 5 для размещения тепловыделяющей сборки менее чем 0,1, существенно затрудняется доступ через отверстия 10 к внутреннему пространству 12 и возможность дезактивации стенок чехла 4, образующих это внутреннее пространство.

Между глухим днищем 11 и опорным днищем 10 чехла 4 обеспечивается наличие свободного внутреннего пространства 12. Чехол 4 по отношению к корпусу 1 выполнен несъемным. Чехол 4 неподвижно зафиксирован в корпусе 1 за счет усадки, происходящей в процессе кристаллизации расплава высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при изготовлении отливки корпуса 1. Благодаря этому сопряжение между чехлом 4 и внутренней поверхностью корпуса 1 осуществляется по наружной боковой поверхности чехла 4 и поверхности глухого днища 11.

Внутреннее пространство чехла 4, расположенное между глухим днищем 11 и опорным днищем 9, связано с окружающей средой сквозным отверстием 13, проходящим через корпус 1. В сквозном отверстии 13 установлена заглушка 14.

Верхний торец 15 чехла 4, его опорное днище 9, глухое днище 11 покрыто защитным покрытием, стойким к воздействию дезактивационных растворов.

Для обеспечения возможности дезактивации внутренней поверхности корпуса 1 в верхней его части 16, не сопрягаемой с наружной поверхностью чехла 4, а также имеющего ступенчатую форму верхнего торца 20 корпуса 1 на них наносится защитное покрытие, стойкое к воздействию дезактивационных растворов.

Свободное пространство между внутренней 2 и внешней 3 крышками заполнено нейтронно-защитным материалом 6. Корпус снабжен продольными каналами 7, заполненными нейтронно-защитным материалом.

На нижний торец корпуса 1 установлено дополнительное дно 17. Внутреннее пространство между дополнительным дном 17 и нижней торцевой поверхностью корпуса 1 заполнено нейтронно-защитным материалом 18.

Реализуется предлагаемое изобретение следующим образом.

При изготовлении литого корпуса чехла 4 в литейную форму в качестве литейных стержней устанавливают трубы 19 из борсодержащего металла, литейную форму заполняют расплавом высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. По мере остывания расплава высокопрочного чугуна с шаровидным графитом происходит его кристаллизация, при этом трубы 19 оказываются надежно закрепленными в отливке чехла 4 за счет усадки, происходящей в результате кристаллизации расплава чугуна при его остывании. Затем полученную отливку корпуса чехла 4 направляют на механическую обработку. После механической обработки к полученному литому корпусу 8 чехла 4 к его нижней части посредством неподвижного механического соединения, крепят предварительно подготовленные и покрытые материалом, стойким к дезактивационным растворам, опорное днище 9 и глухое днище 11. Опорное днище 9 крепят таким образом, чтобы его отверстия 10 располагались напротив каналов 5 литого корпуса 8 чехла 4, а между глухим днищем 11 и опорным днищем 10 обеспечивалось наличие свободного внутреннего пространства 12.

Далее чехол 4 устанавливают в центр литейной формы для изготовления корпуса 1 в качестве литейного стержня. Заполняют литейную форму расплавом высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. По мере остывания расплава чугуна с шаровидным графитом происходит его кристаллизация, при этом чехол 4 оказывается надежно закрепленным в отливке корпуса 1 за счет усадки, происходящей в результате кристаллизации расплава чугуна при его остывании. Затем проводят механическую обработку полученной отливки корпуса 1. Каналы 7 корпуса 1 заполняют нейтронно-защитным материалом. В нижней части корпуса 1 изготавливают сквозное отверстие 13, проходящее сквозь стенку корпуса 1 и стенку донной части чехла 4, и закрывают его заглушкой 14.

На верхний торец 15 чехла 4, внутреннюю поверхность корпуса 1 в верхней его части 16, не сопрягаемой с наружной поверхностью чехла 4, а также на имеющий ступенчатую форму верхний торец 20 корпуса 1 наносят защитное покрытие, стойкое к воздействию дезактивационных растворов.

К нижнему торцу корпуса 1 крепят дополнительное дно 17. Внутреннее пространство между дополнительным дном 17 и нижней торцевой поверхностью корпуса 1 заполняют нейтронно-защитным материалом 18.

При транспортировке отработавшего ядерного топлива тепловыделяющие сборки размещают в каналах 5 чехла 4 корпуса 1. Устанавливают внутреннюю 2 и внешнюю 3 крышки, пространство между которыми заполняют нейтронно-защитным материалом 6.

Доставляют контейнер для ТУК с чехлом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом к месту хранения отработавшего ядерного топлива, извлекают из него тепловыделяющие сборки.

При необходимости проводят дезактивацию внутреннего пространства контейнера для ТУК с чехлом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом дезактивационным раствором. При этом дезактивационным раствором обрабатывают верхний торец 20 корпуса 1, внутреннюю поверхность корпуса 1 в верхней его части 16, верхний торец 15 чехла 4, внутреннюю поверхность каналов 5 чехла 4. При этом дезактивационный раствор через отверстия 10 в опорном днище 9 будет попадать во внутреннее пространство 12 между опорным днищем 9 и глухим днищем 11, откуда через сквозное отверстие 13 выводиться за пределы корпуса 1. После завершения дезактивационных работ сквозное отверстие закрывают заглушкой 14.

Поскольку конструкция предлагаемого изобретения предполагает использование несъемного чехла, то, ввиду отсутствия ограничений по массе чехла, обеспечивается возможность изготовления чехла из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Изготовление чехла 4 методом литья существенно снижает трудоемкость работ по его изготовлению и его стоимость по сравнению с аналогами.

Изготовление и корпуса 1 и чехла 4 из одного и того же материала (высокопрочного чугуна с шаровидным графитом) позволит устранить проблему, связанную с различными коэффициентами теплового расширения различных металлов, которая характерна для аналогов.

Наличие металлических труб 19 в конструкции чехла 4 позволит изготавливать корпус чехла 4 методом литья из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, материала обладающего хорошими радиационно-защитными свойствами и сравнительно невысокой стоимостью, и при этом обеспечит возможность легкой очистки каналов 5 от радиационного загрязнения при проведении дезактивационных работ после извлечения из него тепловыделяющих сборок. Благодаря тому, что соединение между трубами 19 и корпусом чехла 4 осуществляется за счет усадки, происходящей в процессе кристаллизации расплава чугуна с шаровидным графитом при изготовлении отливки корпуса чехла 4, будет обеспечиваться его высокая прочность и хороший отвод тепла без применения дополнительных крепежных элементов и операций.

Благодаря тому, что чехол 4 соединен с корпусом 1 за счет усадки, происходящей в процессе кристаллизации расплава высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при изготовлении отливки корпуса, обеспечивается высокая прочность соединения, большая площадь контакта между сопрягаемыми поверхностями, определяемая площадью боковой поверхности корпуса чехла 4 и площадью глухого днища 11 чехла 4, что способствует хорошему отводу тепла от литого чехла с загруженными в него тепловыделяющими сборками к корпусу 1 без применения дополнительных крепежных элементов и операций.

Предлагаемая конструкция контейнера для ТУК с чехлом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом обеспечивает: высокую технологичность изготовления, обеспечиваемую за счет простоты соединения чехла и корпуса контейнера, а также отсутствия дополнительных теплопроводящих элементов между чехлом и корпусом; обеспечивает хороший отвод тепла от чехла к корпусу контейнера за счет большой площади их сопряжения и плотного контакта; более низкой по сравнению с аналогами себестоимостью, обусловленной простотой конструкции, и исключением трудоемкой операции по нанесению покрытия на внутреннюю поверхность каналов чехла, характерной для аналогов.

Источники информации

1. Описание полезной модели к патенту RU 56704, приоритет 10.04.2006, опубл. 10.09.2006, бюл. №25.

2. Описание изобретения к патенту RU 2463677, приоритет 22.04.2011, опубл. 10.10.2012, бюл. №28.

3. Описание полезной модели к патенту RU 75496, приоритет 27.02.2008, опубл. 10.08.2008, бюл. №22.