Патент на изобретение №2351029

(54) КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШИХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК

(57) Реферат:

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к передвижным защитным контейнерам, и предназначено для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС). Контейнер для транспортирования и хранения ОТВС содержит корпус с днищем, крышкой и торцевыми демпфирующими устройствами. Внутри корпуса установлена охватывающая чехол с ОТВС обечайка с крышкой. Одно из демпфирующих устройств размещено между крышками корпуса и обечайки, а другое выполнено в виде демпфирующих элементов, равномерно расположенных между обечайкой и днищем. Обечайка снабжена равномерно расположенными и жестко закрепленными по внешнему диаметру вдоль образующей демпфирующими элементами. Каждый демпфирующий элемент обечайки и днища имеет в сечении -образную форму. Контейнер обеспечивает повышение надежности эксплуатации, а именно защиты чехла с ОТВС от ударных нагрузок как в осевом, так и в радиальном направлениях при не увеличении массы контейнера и его внутреннего объема. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к передвижным защитным контейнерам и предназначено в частности для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС).

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

Уменьшение срока хранения ОЯТ в бассейнах выдержки обуславливает необходимость транспортировки к месту промежуточного или окончательного хранения высокоактивного ОЯТ, что предъявляет повышенные требования к обеспечению радиационной безопасности при транспортировке и хранении контейнеров с ОЯТ.

Известен контейнер для транспортирования и/или хранения отработавшего ядерного топлива, содержащий внутренний и наружный корпуса (резервуары). Внутренний корпус (резервуар) предназначен для загрузки отработавшего ядерного топлива. А наружный корпус представляет собой демпфирующий кожух, выполненный в виде барабана с торцевыми стенками и обечайкой. На внутренней поверхности торцевых стенок наружного корпуса жестко закреплены и равномерно расположены демпфирующие элементы, выполненные в виде трубчатых элементов, соединенных между собой при помощи сварки (патент РФ №2105364, G21F 5/008, опуб. 20.02.1998 г.).

Такое решение позволяет повысить защиту контейнера при аварийном падении благодаря торцевым демпфирующим элементам.

Однако в данной конструкции совокупность элементов, обеспечивающих демпфирование удара, работоспособна в сравнительно узком диапазоне нагрузок.

Известен контейнер для транспортирования и длительного хранения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) АЭС, содержащий корпус с днищем и крышкой, установленную внутри корпуса охватывающую чехол с ОТВС обечайку (внутренний корпус) с крышкой и торцевые демпфирующие устройства (амортизаторы), одно из которых размещено между крышками корпуса и обечайки (внутреннего корпуса), а другое выполнено в виде демпфирующих элементов, равномерно расположенных между обечайкой (внутренним корпусом) и днищем.

Каждый амортизатор набран из стаканов, выполненных в виде полых металлических цилиндров разного диаметра, установленных друг в друге с зазорами в направлении приложения внешних нагрузок и жестко связанных между собой в месте сопряжения (патент РФ №2148864, G21F 5/008. опуб. 10.05.2000 г.).

При воздействии внешних нагрузок на торцевые демпфирующие устройства (амортизаторы) происходит деформация последних и поэтапное гашение энергии за счет зазоров между стаканами до полного гашения энергии.

Однако в этом устройстве отсутствует защита чехла с ОТВС в радиальном направлении, т.е совокупность элементов, обеспечивающих демпфирование удара, работоспособна только в осевом направлении (со стороны крышки и дна). Но в аварийных ситуациях, например при падении контейнера с грузом с большой высоты или при соударении транспортных средств между собой или преградой для надежной защиты ОТВС, необходимо гасить ударные нагрузки не только в осевом, но и в радиальном направлениях. Кроме того, амортизатор в виде набора цилиндров различного диаметра, установленных друг в друге с некоторым зазором, требует для своего размещения достаточно больших внутренних объемов. При полной деформации такого амортизатора образуется несколько наложенных друг на друга слоев металла, что увеличивает полезное расстояние для их размещения, тем самым ведет к увеличению массогабаритных характеристик контейнера, что не всегда приемлемо, например, по условиям эксплуатации.

Таким образом, задачей изобретения является обеспечение повышения надежности эксплуатации контейнера, а именно защиты чехла с ОТВС от ударных нагрузок как в осевом, так и в радиальном направлениях при не увеличении массы контейнера и его внутреннего объема.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в том, что наличие демпфирующих элементов, которые установлены по всей поверхности внутренней оболочки корпуса, и выполнение демпфирующих элементов -образного поперечного сечения обеспечивает снижение по всей поверхности контейнера нагрузок, воздействующих на ОТВС, тем самым повышается надежность эксплуатации контейнера и не увеличивается его масса и габариты.

Вышеуказанная задача решается за счет того, что контейнер для транспортирования отработавших тепловыделяющих сборок, содержащий корпус с днищем и крышкой, установленную внутри корпуса охватывающую чехол с ОТВС обечайку с крышкой и торцевые демпфирующие устройства, одно из которых размещено между крышками корпуса и обечайки, а другое выполнено в виде демпфирующих элементов, равномерно расположенных между обечайкой и днищем, согласно изобретению обечайка снабжена равномерно расположенными и жесткозакрепленными по внешнему диаметру вдоль образующей демпфирующими элементами для регулировки массы ОТВС, причем каждый демпфирующий элемент обечайки и днища имеет в сечении -образную форму.

Кроме того, для уменьшения массы и габаритов контейнера при том же его внутреннем объеме в связи с необходимостью создания контейнера относительно большого полезного объема (с максимальной вместимостью ОЯТ) при определенных (в частности, транспортных) ограничениях его по наружному габариту и массе, демпфирующие элементы обечайки расположены на ее концах, а крышка контейнера снабжена выемкой, обращенной к крышке обечайки и повторяющей форму ее наружной поверхности.

Для обеспечения универсальности, т.е. возможности использования контейнера для транспортирования и хранения ОТВС разной массы в тех же габаритах, обечайка поджата кольцом, закрепленным на внутренней поверхности крышки корпуса к основанию, на котором жестко закреплены демпфирующие элементы днища.

Такое конструктивное решение обеспечивает:

– повышение защиты ОТВС от внешних нагрузок как в условиях нормальной эксплуатации (хранения и транспортирования груза), так и в аварийных ситуациях, например при падениях контейнера с большой высоты или при взаимодействии транспортных средств с преградой или другими транспортными средствами;

– уменьшение массы контейнера при том же его внутреннем объеме;

– условие взаимозаменяемости демпфирующих устройств в случае необходимости изменения массы транспортируемых ОТВС за счет регулирования габаритно-массовых характеристик демпфирующих устройств при сохранении защиты контейнера от внешних нагрузок.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где

на фиг.1 показан продольный разрез контейнера (в вертикальном положении);

на фиг.2 – вид А фиг.1 на внутреннюю поверхность крышки корпуса с демпфирующими элементами;

на фиг.3 представлено основание с демпфирующими элементами;

на фиг.4 – вид на торец обечайки;

на фиг.5 представлен график зависимости значения силы, с которой воздействует центр масс чехла с ОТВС на различные демпфирующие элементы, от величины их сжатия;

на фиг.6 представлен график зависимости ускорения в центре масс чехла с ОТВС от времени воздействия для различных демпфирующих элементов.

Контейнер для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) содержит корпус 1 с днищем 2 и крышкой 3, толщина стенок которых позволяет ограничивать воздействие ионизирующего излучения на обслуживающий персонал и окружающую среду. Внутри корпуса 1 установлены охватывающая чехол 4 с ОТВС обечайка 5 с крышкой 6 и торцевые демпфирующие устройства. Обечайка 5 снабжена равномерно расположенными по внешнему диаметру вдоль образующей демпфирующими элементами 7, каждый из которых жестко закреплен своими концами на обечайке 5, например приварен (фиг.1, 4). Одно торцевое демпфирующее устройство размещено между крышками 3 и 6 и представляет собой равномерно расположенные и жестко закрепленные на внутренней поверхности крышки 3 демпфирующие элементы 8, выполненные с сечением «труба-овал» (фиг.2). Другое торцевое демпфирующее устройство выполнено в виде демпфирующих элементов 9, равномерно расположенных между обечайкой 5 и днищем 2 и жестко закрепленных своими концами, например, с помощью крепежных элементов на основании 10 (фиг.3). На основание 10 опираются своими торцами обечайка 5 с демпфирующими элементами 7 и чехол 4 с ОТВС. Каждый демпфирующий элемент 7 и 9 выполнен из гнутых металлических листов, имеющих в сечении -образную форму и обращен округлой частью навстречу действия внешних нагрузок (фиг.1,4).

При определении оптимальной формы демпфирующего элемента с точки зрения сопротивления материалов были рассмотрены и сравнены конфигурации демпфирующих элементов с сечением «труба – овал» (с геометрическими характеристиками, близкими к характеристикам элемента -образного поперечного сечения) и демпфирующего элемента с -образным поперечным сечением, которые анализировались при проектировании различных типов ТУК. Были приняты следующие условия: величина ускорения в центре масс чехла с ОТВС не должна превышать величину 72 g (g=9,81 м/с² – ускорение свободного падения), длина каждого демпфирующего элемента равна 1 м и в силу симметрии поперечного сечения демпфирующих элементов моделировалась их половина с соответствующими граничными условиями. Результаты исследований показаны на фиг.5, где показана зависимость значения силы (F), с которой воздействует центр масс чехла 4 с ОТВС на различные демпфирующие элементы от величины их сжатия (). На начальном участке перемещения (смятия) демпфирующих элементов (=0 – 0.06 мм) видно, что силовая характеристика демпфера с -образным поперечным сечением при толщине 13 мм (кривая а на фиг.5) превышает силовые характеристики демпферов с сечением «труба – овал» (кривая в на фиг.5) при той же толщине 13 мм и при толщине 16 мм (кривая с на фиг.5) и имеет продолжительный и почти горизонтальный участок, что позволяет демпферу с -образным поперечным сечением обеспечивать более эффективное погашение энергии удара. Кроме того, характеристика ускорения (А) в центре масс чехла с ОТВС демпферов с поперечным сечением «труба – овал» при толщине 13 мм и 16 мм (кривые в и с на фиг.6) значительно превышает допустимый уровень 72 g (линия d на фиг.6), тогда как характеристика ускорения демпфера с -образным поперечным сечением (кривая а на фиг.6) имеет устойчивый по времени (t) воздействия почти горизонтальный характер, не превышающий уровень 72 g. Из графиков 5, 6 видно, что оптимальной формой демпфирующего элемента является -образная форма в поперечном сечении.

В связи с возникновением необходимости создания контейнера относительно большого полезного объема (с максимальной вместимостью ОЯТ) при определенных (в частности, транспортных) ограничениях по наружному габариту, с целью уменьшения массы контейнера демпфирующие элементы 7 расположены на концах обечайки 5 и отсутствуют в ее средней части, что не снижает защитных свойств контейнера. Крышка 3 снабжена выемкой 11, обращенной к крышке 6 и повторяющей форму ее наружной поверхности. Глубина выемки 11 равна максимальному ходу демпфирующих элементов 8 в случае их смятия. Наличие выемки 11 позволяет уменьшить осевые габариты контейнера, что обеспечивает сохранность головки 13 в случае смятия демпфирующих элементов 8 при осевом ударе.

Обечайка 5 установлена без дополнительного закрепления в корпусе 1, что дает возможность осуществления замены как обечайки 5, так и основания 10 при срабатывании демпфирующих элементов 7 и 9. Крепление обечайки 5 к корпусу 1 не производится, так как в случае ее закрепления демпфирование будет работать не в расчетном режиме из-за появления местных силовых связей с корпусом 1. Обечайка 5 опирается одним торцем на основание 10, а другой ее торец подпирает кольцо 12. Кольцо 12 жестко закреплено на внутренней поверхности крышки 3 и предназначено для выбора зазора при установке обечайки 5.

Крышка 6 предназначена для передачи возникающих при аварийных условиях эксплуатации осевых нагрузок от чехла 4 с ОТВС на демпфирующие элементы 8, которые, деформируясь, снижают перегрузки, воздействующие на чехол 4. Одновременно крышка 6 предназначена для защиты грузозахватной головки 13 чехла 4 с ОТВС от механических воздействий при аварийных ситуациях. Для переноски контейнера корпус 1 имеет съемные цапфы 14. Для перевозки в железнодорожном вагоне или автотранспорте контейнер имеет транспортные демпферы 15, размещенные на торцах контейнера в области крышки 3 и днища 2 контейнера.

Загрузку контейнера осуществляют следующим образом. Кантователем захватывают контейнер, предварительно демонтировав транспортные демпферы 15 с крышки 3 и днища 2. Затем на монтажной площадке (не показано) контейнер устанавливают из горизонтального положения в вертикальное положение. Последовательно демонтируются крышки 3, 6. После чего зацепляют краном грузозахватную головку 13 и переносят чехол 4 на площадку для его загрузки (не показано). Загруженный чехол 4 с ОЯТ помещают обратно внутрь обечайки 5, опуская его до упора в основание 10. При помощи крана устанавливают крышку 6 на чехол 4 с ОТВС и обечайку 5. Крышкой 3 закрывают контейнер, при этом демпфирующие элементы 8 крышки 3 прижимают крышку 6 к чехлу 4, а кольцо 12 поджимает обечайку 5 к основанию 10. Затем контейнер устанавливают в горизонтальное положение, монтируют транспортные демпферы 15. В таком положении контейнер подготовлен для перевозки в железнодорожном вагоне или автотранспорте. Демонтаж ОТВС производится в обратной последовательности.

В процессе эксплуатации вышеописанное устройство работает следующим образом:

– в нормальных условиях эксплуатации сохранность ОТВС обеспечивается соответствующей жесткостью и прочностью корпуса контейнера и всех демпфирующих устройств;

– в аварийных ситуациях снижение перегрузок на чехол 4 с ОТВС до приемлемого уровня обеспечивается за счет обжатия всех демпферов, для чего геометрические параметры, жесткостные и прочностные свойства их выбираются такими, чтобы они одновременно могли деформироваться или разрушаться, давая возможность чехлу 4 с ОТВС перемещаться и сжимать демпфирующие элементы 8 и 9 (при осевых и ударных нагрузках), а также чтобы нагрузки на чехле 4 с ОТВС при деформации или разрушении охватывающей его обечайки 5 с демпфирующими элементами 7 не превышали допустимые (при радиальных ударных нагрузках).

Демпфирующие элементы 7, 8, 9 при возможных аварийных ситуациях при транспортировке и хранении контейнера обеспечивают снижение действующих на чехол 4 перегрузок до уровня, допускаемого прочностью чехла 4 (до 72 g), и исключение деформаций чехла 4, при которых может иметь место нарушение условий ядерной безопасности. Вместе с этим, благодаря демпфирующим элементам 8, 9 в аварийной ситуации обеспечивается снижение величины относительного продольного перемещения чехла 4 с ОТВС.

Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

– обеспечение повышения безопасности и надежности при эксплуатации и транспортировке контейнера;

снижение уровня транспортных и аварийных нагрузок, приходящихся на транспортируемый чехол с ОТВС;

– рациональное использование внутреннего объема контейнера, обеспечивающее возможность безопасной транспортировки и хранения ОЯТ;

– обеспечение контейнером по предлагаемому изобретению решения сложной экологической проблемы, требующей немедленного разрешения по хранению и транспортировке отработанного ядерного топлива;

– для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Формула изобретения

1. Контейнер для транспортирования отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС), содержащий корпус с днищем и крышкой, установленную внутри корпуса охватывающую чехол с ОТВС обечайку с крышкой и торцевые демпфирующие устройства, одно из которых размещено между крышками корпуса и обечайки, а другое выполнено в виде демпфирующих элементов, равномерно расположенных между обечайкой и днищем, отличающийся тем, что обечайка снабжена равномерно расположенными и жестко закрепленными по внешнему диаметру вдоль образующей демпфирующими элементами, причем каждый демпфирующий элемент обечайки и днища имеет в сечении -образную форму.

2. Контейнер по п.1, отличающийся тем, что демпфирующие элементы обечайки расположены на концах обечайки, а крышка корпуса снабжена выемкой, обращенной к крышке обечайки и повторяющей форму ее наружной поверхности.

3. Контейнер по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности крышки корпуса выполнено кольцо, которое поджимает обечайку к основанию, на котором жестко закреплены демпфирующие элементы днища.

РИСУНКИ