CZ293109B6 - Pouzdro pro jaderný palivový soubor a použití tohoto pouzdra - Google Patents

Abstract

Pouzdro pro jaderný palivový soubor obsahuje velmi dlouhé články, které jsou vedle sebe a navzájem rovnoběžné pro uložení palivových souborů, přičemž stěny článků jsou tvořeny z materiálu obsahujícího složku pohlcující neutrony. Konkrétně pouzdro obsahuje velmi dlouhé stejné přímočaré trubice (1), které tvoří články, jsou navzájem rovnoběžné, upravené vedle sebe a dotýkají se navzájem po své délce pro vytvoření pevného svazku, který je držen v tomto seskupení pomocí jednoho nebo více stahovacích pásků (2a, 2b, 2c), rozložených po délce svazku. Použití tohoto pouzdra je možné v suchém nebo vlhkém prostředí pro skladování nebo dopravu nových nebo vyzářených palivových souborů.ŕ

Description

Vynález se týká pouzdra pro jaderný palivový soubor, obsahující velmi dlouhé články, které jsou vedle sebe a navzájem rovnoběžně pro uložení palivových souborů, přičemž stěny článků jsou tvořeny z matriálu, obsahující složku, pohlcující neutrony.

Tato pouzdra jsou určena pro skladování nebo přepravu palivových souborů, které mohou nebo nemusí být v ochranných kontejnerech. Jsou zejména vhodná pro vyhořelé palivo, ale také dokonale vhodná pro použití nového paliva. Mohou být použita v suchém nebo vlhkém prostředí, například při skladování v chladicí lázni nebo během přechodného skladování v betonových konstrukcích nebo dokonce během konečného skladování uložením v geologických slojích.

Dosavadní stav techniky

Existuje množství pouzder s články pro jaderný palivový soubor. Ta musí současně splňovat následující tři funkce.

Za prvé kritičnost souboru, umístěného uvnitř, musí být dodržena v prostředí suchém i obsahujícím vodu v kapalném nebo plynném stavu, neboť voda může obsahovat materiály, pohlcující neutrony, například na bázi bóru.

Za druhé je to přenos tepla k odvedení tepla, uvolněného z vyhořelých souborů.

Za třetí je to dostačující mechanická pevnost ke splnění následujících dvou podmínek, tedy podmínky zachovat tvar pouzdra, je-li vyplněno souborem, a předejít poškození palivových tyčí během běžného používání, např. při manipulaci, přepravě, atd., a podmínky kontrolovat kritičnost zachováním tvaru pouzdra, dokonce pod vlivem nenadálých okolností, např. silných otřesů a nárazů, v souladu se současnými předpisy.

Pouzdra jsou někdy navržena k poskytnutí doplňkového stínění před radiací pro použití v některých aplikacích.

Bylo vyvinuto množství typů pouzder pro použití palivových souborů v různých typech reaktorů, například v lehkovodních - PWR, BWR či VVER -, grafitových - UNGG, MAGNOX, AGR či RBMK, - těžkovodních - CANDU využívajících rychlé neurony či výzkumných reaktorech.

Stěny článků v těchto pouzdrech jsou obvykle vyrobeny z kombinací několika materiálů, přičemž každý z nich splňuje nejméně jednu ze tří funkcí, uvedených výše.

Základními používanými materiály je obvykle nerezavějící ocel nebo hliník nebo jejich slitiny, pro mechanickou pevnost, hliník nebo měď nebo jejich slitiny, pro přenos tepla, směsi bóru, např. skla na bázi B₄C, nebo měď, slitiny hliníku a nerezavějící oceli, obsahujících bór, pro kontrolu kritičnosti. Dosažení kritičnosti může být splněno využitím prostoru ve stěnách článků pouzdra, které jsou vhodné tloušťky a obsahují palivo a současně jsou prázdné nebo vyplněné vodou.

Stěny jsou často tvořeny proloženými stěnami, obsahujícími postupně vrstvy z navzájem proložených materiálů, přičemž každá vrstva splňuje nejméně jednu funkci, nebo stěnami, položenými vedle sebe v podélném směru, přičemž základní složky, jinými slovy obecně profily, jsou vytvořeny z těchto materiálů. Pořadí základních složek z různých materiálů může být pozorováno v jedné stěně mezi články v podélném směru, přičemž každá složka splňuje nejméně jednu funk

-1 CZ 293109 B6 ci. Uspořádání jako je toto, je vysvětleno ve francouzských spisech FR-A-2 627 622 a FR-A2 650 113.

V těchto řešeních jsou vedle sebe položené základní složky, tvořící stěny mezi články, profily ze standardních materiálů, které jsou pravidelně postaveny vedle sebe, spojeny navzájem kolmo k ose článků a drženy navzájem u sebe. Tyto profily mohou být z nerezavějící oceli, slitin hliníku, mědi apod., ke splnění funkce mechanické pevnosti a přenosu tepla, přičemž kritičnost musí být dosažena tyčemi z materiálu, pohlcujícího neutrony, vloženými do stěn, a/nebo pomocí stejně tvarovaných profilů z materiálu, pohlcujícího neutrony, vložených do mříže.

Obr. 6 francouzského patentového spisu FR-A-2 627 622 ukazuje stěny mezi články, které jsou tvořeny vedle sebe položenými drážkovými pásky, spolupůsobícími navzájem tak, že do sebe zapadají a vzájemně se upevňují a tak vytvářejí články, podobající se oddělovačům lahví v krabici. Tyto pásky jsou střídavě položeny vedle sebe a jsou to pásky z materiálu, pohlcujícího neutrony, ke splnění funkce kritičnosti, a pásky ze standardního materiálu, ke splnění funkce mechanické pevnosti a přenosu tepla. Toto pouzdro je navrženo tak, aby nedocházelo k deformacím vlivem nahodilých nepříznivých okolností, které jsou popsány v předpisech IAEA, což je Mezinárodní agentura pro atomovou energii, určených pro dopravu radioaktivního materiálu.

Raději než použití kombinace různých materiálů k vytvoření stěn mezi články vyvinuli přihlašovatelé pouzdro, tvořené do sebe zapadajícími pásky, jak je ukázáno na zmíněném obr. 6, ale s pásky, tvořenými jedinými víceúčelovým materiálem, který obsahuje složku, pohlcující neutrony.

Toto řešení znamená, že může být navrženo pouzdro, které má mechanickou pevnost, vymezeno požadavkem pro manipulaci a přepravu palivových souborů za normálních okolností. Zejména nepotřebuje mít mechanickou pevnost pro odolnost vůči otřesům a silným nahodilým nárazům, jakje požadováno podle předpisu. Ve skutečnosti pouzdro, ve kterém jsou stěny umístěny přímo vedle aktivní části, je zcela konstruováno z materiálu, pohlcující neutrony a zaručující podkritičnost, dokonce i v případě velké deformace. Osvědčení takového pouzdra nevyžaduje zkoušku jeho mechanické pevnosti pro silné otřesy a nárazy, což je výhodné.

Toto pouzdro je obvykle konstruováno z hliníku nebo bóru, je vyvinuto z hlediska zabezpečení kontroly kritičnosti, přenosu tepla a mechanické pevnosti za normálních podmínek při manipulaci a přepravě, nevyžaduje funkci mechanické pevnosti v případech těžkých nehod, to znamená, že tloušťka stěn mezi články může být omezena a tak může být zvýšena dosažitelná kapacita pro palivo.

Avšak tento typ vedle sebe umístěných pásků vyžaduje výrobu drážek pro vzájemné zapuštění během montáže pouzdra k zajištění jeho pevnosti, což přináší množství nevýhod.

Za prvé výroba musí být velmi přesná a montážní tolerance musí být malá, aby pásky byly dokonale zarovnané a stěny článků dokonale hladké, aby nezpůsobily jakékoliv tření při nakládání palivového souboru. Tato přesnost výroby je náročná a drahá.

Za druhé pro malou montážní toleranci může být náročné spojování pásků drážkou k sobě.

Konečně, za třetí, přítomnost drážek musí být vyrovnána zvláštní tloušťkou pásků k zabezpečení požadovaných funkcí, zejména mechanické pevnosti a přenosu tepla.

-2CZ 293109 B6

Podstata vynálezu

Vzhledem k těmto nedostatkům je úkolem vynálezu další zjednodušení konstrukce pouzdra, zvláště možnost vyhnout se výrobě drážek a náročnému postupu při montáži pásků, a to při udržení nebo zlepšení skladovací kapacity palivových souborů.

Úkol vynálezu je řešen pouzdrem pro jaderný palivový soubor, obsahujícím velmi dlouhé články, které jsou vedle sebe a navzájem rovnoběžné pro uložení palivových souborů, přičemž stěny článků jsou tvořeny z materiálu, obsahujícího složku, pohlcující neutrony. Podle vynálezu obsahuje pouzdro velmi dlouhé stejné přímočaré trubice, které tvoří články, jsou navzájem rovnoběžné, upravené vedle sebe a dotýkají se navzájem po své délce pro vytvoření pevného svazku, který je držen v tomto seskupení pomocí jednoho nebo více stahovacích pásků, rozložených po délce svazku.

Výhodné provedení podle vynálezu spočívá v tom, že trubice mají pravidelný mnohoúhelníkový nebo kruhový příčný průřez.

V takovém případě je podle vynálezu přednostně navrženo, že mnohoúhelníkový příčný průřez je rovnoramenný trojúhelník, čtverec, obdélník nebo šestiúhelník.

Jiné výhodné provedení podle vynálezu spočívá v tom, že materiál trubice je vybrán z mechanicky odolných materiálů a/nebo dobrých vodičů tepla, přednostně z oceli normální, nerezavějící nebo speciální, mědí, hořčíku, titanu, hliníku a jejich slitin.

Další výhodné provedení podle vynálezu spočívá vtom, že neutrony pohlcující materiál je na bázi bóru, přičemž zvláště výhodně je bórem obohacený bór BIO.

Další přednostní provedení podle vynálezu spočívá v tom, že materiál trubice je hliník, obsahující bór, nebo nerezavějící ocel, obsahující bór.

Dále je variantně podle vynálezu přednostně navrženo, že palivové soubory, uspořádané v pouzdru, obsahující tyče nebo pruty z materiálu, pohlcujícího neutrony, vložené v řídicích trubicích mezi palivovými pruty.

Jiné výhodné provedení vynálezu spočívá v tom, že stahovací pásek je kovový se součinitelem roztažností, který je pro udržení nebo zlepšení soudržnosti a pevnosti svazku trubice a tepelného spojení mezi trubicemi během ohřevu pouzdra odlišný od součinitele roztažností materiálu trubice.

Poslední výhodné provedení podle vynálezu spočívá v tom, že se jeho dolní čelo opírá o tuhou podložku, opatřenou vhodnými prostředky pro přepravu pouzdra.

Použití výše uvedeného pouzdra je podle vynálezu navrženo v suchém nebo vlhkém prostředí pro skladování nebo dopravu nových nebo vyřazených palivových souborů.

Další výhody oproti stavu techniky jsou uvedeny v příkladech provedení.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže vysvětlen prostřednictvím konkrétních příkladů provedení, které jsou znázorněny na připojených výkresech. Na nich jednotlivé obrázky představují různé provedení pouzdra podle vynálezu, lišící se pouze ve tvaru příčného řezu vedle sebe položených trubic. Na výkresech tedy znázorňuje obr. 1 trubice s příčným průřezem ve tvaru rovnostranného trojúhelníka,

-3CZ 293109 B6 obr. 2 čtvercový příčný průřez, obr. 3 příčný průřez ve tvaru šestiúhelníka a obr. 4 kruhový příčný průřez.

Příklady provedení vynálezu

Pouzdra pro jaderné palivové soubory obsahují množství velmi dlouhých článků, které jsou přilehlé a souběžné navzájem k dosažení zmíněných souborů. Stěny článků jsou tvořeny z materiálu, obsahujícího složku, pohlcující neutrony. Pouzdra obsahující hlavně množství velmi dlou10 hých a stejných přímočarých trubic J, které tvoří články, které jsou navzájem rovnoběžné, položené vedle sebe a dotýkají se navzájem podél své délky a pro vytvoření pevného svazku, který je držen v seskupení pomocí jednoho nebo více utěsňovacích pásků 2a, 2b, 2c, které jsou rozmístěny po délce zmíněného svazku. V každém z provedení dle obr. 1 až 4 je svazek trubic 1 držen třemi pásky 2a, 2b, 2c, ve kterých stahovací systém není z dále uvedených důvodů 15 znázorněn. Pouzdro takto vypadá jako svazek stejných trubic 1, které jsou svázány dohromady, přičemž každá trubice 1 je vhodná pro přijetí palivového souboru.

Trubice 1 jsou hranolové nebo válcové s příčným průřezem, který obecně odpovídá souboru, ve kterém má být umístěn. Tento příčný průřez může být rovnostranný trojúhelník, čtverec, 20 pravoúhelník nebo šestiúhelník, aby umožnil čelním plochám trubic 1 dotýkat se navzájem a tak zajistit přenos tepla.

Také může být použit kulatý průřez trubice £. Dotek je tvořen podél společných površek, které jsou vhodné zvláště v tekutém prostředí, kde účinný přenos nastane vlivem tekutiny, vyplňující 25 pouzdro.

Délka trubice 1 obecně odpovídá délce souboru, ve kterém má být uložena, nebo alespoň délce aktivní části.

Je nutné poznamenat, že u pouzder ze stavu techniky byla hledána souvislost základních materiálů pouzdra v radiálním směru z důvodu přenosu tepla z centrálních oblastí pouzdra směrem k okrajům. Neočekávaně, navzdory faktu, že není žádná radiální spojitost v pouzdru podle tohoto vynálezu, neboť je zde jenom podélná spojitost, existuje zde vynikající radiální přestup tepla, způsobený nehybným uložením, vytvořeným jednoduchými pásky 2a, 2b. 2c, napnutými kolem 35 trubice 1, položených čelo proti čelu navzájem v kontaktu.

Trubice 1 jsou s výhodou vyráběny technologiemi, využívajícími protlačování, což je nejdůležitější pro zjednodušení výroby pouzdra a pro snížení jeho ceny bez nepříznivého působení na jiné charakteristicky pouzdra. Avšak mohou být také vyráběny kterýmkoliv jiným postupem, napřík40 lad ohýbáním a/nebo svařováním, tvářením apod.

Trubice 1 jsou obvykle homogenní a jsou vyrobeny z jediného materiálu, obesně z kovu nebo slitiny, obsahující prvek nebo směs, pohlcující neutrony, s mechanickými charakteristikami, které mohou odolat zatěžování palivovým souborem, normálním okolnostem při podmínkách normální 45 manipulace a přepravy, a/nebo s volitelně dobrou tepelnou vodivostí pro aplikace, vyžadující účinný radiální přenos tepla.

V závislosti na aplikaci může být jako materiál trubice 1 vybrán kov nebo slitina z oceli běžné, nerezavějící nebo speciální, hořčík, měď, titan, hliník nebo jejich slitiny apod.. Směsy pohlcující 50 neutrony, mohou být založeny na bázi bóru, zejména bór BIO, Cd, Gd, Hf, In, Li, apod. Nerezavějící ocel, obsahující bór, je zejména doporučena, je-li pouzdro určeno na dlouhou dobu do mokrého prostředí, zatímco pro dlouhodobé skladování v suchu je upřednostňován hliník nebo slitiny hliníku s bórem z důvodu tepelné vodivosti, srovnatelné s ocelí.

-4CZ 293109 B6

Je nutné poznamenat, že pouzdro má zajistit pouze omezenou mechanickou pevnost k udržení palivového souboru za normálních podmínek manipulace a přepravy, tedy není nezbytné použít například slitinu s vysokým obsahem hliníku, která má horší tepelné vlastnosti. Forma čistého hliníku může být použita pro lepší tepelnou vodivost. Mimochodem, tepelná vodivost např. slitin typu AS 13, používaných pro odlévané výrobky, je kolem 160 W/m °C, slitiny Al-Mg pro profily svelkou mechanickou pevností kolem 120 W/m °C, zatímco A5 typu Al svíce než 99,5% čistotou je kolem 230 W/m °C.

K zabezpečení podkritičnosti pouzdra, vyplněného souborem, obsahuje trubice 1 materiál, pohlcující neutrony, jak bylo vysvětleno výše. Koncentrace materiálu, pohlcujícího neutrony, v trubicích je samozřejmě závislé na typu palivového souboru, který obsahuje. Ty mohou zejména obsahovat tyče nebo pruty s neutronovou otravou, rozloženou v palivových tyčích uvnitř souboru, jako např. v souborech pro PWER, VVER 1000 ....

Při použití materiálu, pohlcujícího neutrony na bázi bóru, může být zaneseno do kovových materiálů množství různých chemických forem, například aluminid bóru, jestliže kov je hliník nebo jeho slitina. Výhodou lze bór obohatit na BIO, což je izotop, účinně absorbující neutrony v celém energetickém spektru. To umožňuje snížit koncentraci v kovových materiálech a předchází se tak změnám vlastností, zejména metalurgických, mechanických či fyzikálních. Směsi na bázi bóru, které jsou obvykle rozptýlené v kovu, např. v Al, sotva změní tepelné charakteristiky.

Vezmeme-li v úvahu nebezpečí kritičnosti, má pouzdro podle vynálezu tu výhodu, že je vlastně zařízením se zabudovaným autojištěním. Z důvodů, spojených s reaktorovou bezpečností, je pro jaderný palivový soubor obvykle použito UO₂ palivo, obohacené méně než 5 % U₂₃₅, nebo směs UO₂-PuO₂ paliva, obvykle navržené tak, aby tvořily podmoderované uspořádání štěpeného materiálu. Jsou-li pak kovové trubice 1 dostatečně dlouhé, jakýkoliv nenadálý dopad, který může deformovat pouzdro podle tohoto vynálezu, může pouze zkrátit příčnou vzdálenost mezi tyčemi a zvýšit podmoderovanost, přičemž takto snižuje jakékoliv nebezpečí kritičnosti. Na druhé straně pouzdra, kde podkritičnost závisí na udržovaných vzdálenostech nebo prostoru mezi stěnami článku, mohou vést ke kritické odchylce v případě neobvyklých a pouzdro deformujících nehod.

Stahovací pásky 2a, 2b, 2c, které drží vedle sebe upravené trubice 1, jsou pravidelně rozložené po délce svazku. Svázání je obvykle provedeno použitím kovových pásků 2a, 2b, 2c, které obepínají obvod svazku. K stažení jejich konců lze použít kterýkoliv známý prostředek.

Pásky 2a, 2b, 2c jsou obvykle vyrobeny z kovu, odlišného od kovu trubice J, se součinitelem roztažnosti, odlišným od součinitele roztažnosti trubice L Proto je během ohřevu pouzdra soudržnost a pevnost svazku vedle sebe položených trubic 1 a tepelný styk mezi trubicemi 1 udržen nebo zlepšen.

Ve skutečnosti je kov, určený pro pásky 2a, 2b, 2c, pozorně vybírán a napětí je soustředěno tak, že efekt různé roztažnosti pro maximální tepelné zatížení nezpůsobuje nadměrné pnutí v různých složkách pouzdra.

Dolní čelo pouzdra smí spočívat na tuhé podložce, obvykle z kovu, spatřené vhodnými prostředky pro přepravu pouzdra.

Oblast použití pouzdra podle tohoto vynálezu je velmi široká. Nejsou jenom přizpůsobeny různým typům palivových souborů, ale mohou být také použity pro skladování nebo dopravu nového nebo vyzářeného palivového souboru v suchém nebo vlhkém prostředí. Tak pro určité typy reaktorů mohou být použita pouzdra podle tohoto vynálezu k přepravě souboru z reaktoru do chladicí lázně, z které jsou přemístěny do stíněných přepravních nádob v souladu s příslušnými předpisy. Pouzdra podle vynálezu mohou být použita pro konečné úložiště, která zaručují podkritičnost pro období jejich existence.

-5CZ 293109 B6

Je nutné poznamenat, že jaderný palivový soubor mimo reaktor je ponechán v pouzdru podle tohoto vynálezu během jakýchkoliv podmínek během jeho uložení ve střednědobém úložišti, následujícím po chladicí lázni, pak během přepracování nebo dočasného uložení nebo dokonce trvalého uložení, přičemž je zcela odstraněno lidským faktorem ovlivněné nebezpečí kritičnosti.

Claims (11)

1. Pouzdro pro jaderný palivový soubor, obsahující velmi dlouhé články, které jsou vedle sebe a navzájem rovnoběžné, pro uložení palivového souborů, přičemž stěny článků jsou tvořeny z materiálu obsahující složku pohlcující neutrony, vyznačující se tím, že obsahuje velmi dlouhé stejné přímočaré trubice (1), které tvoří články, jsou navzájem rovnoběžné, upravené vedle sebe a dotýkají se navzájem po své délce pro vytvoření pevného svazku, který je držen v tomto seskupení pomocí jednoho nebo více stahovacích pásků (2a, 2b, 2c), rozložených po délce svazku.

2. Pouzdro podle nároku 1, vyznačující se tím, že trubice (1) mají pravidelný mnohoúhelníkový nebo kruhový příčný průřez.

3. Pouzdro podle nároku 2, vyznačující se tím, že mnohoúhelníkový příčný průřez je rovnoramenný trojúhelník, čtverec, obdélník nebo šestiúhelník.

4. Pouzdro podle některého z nároků laž 3, vyznačující se tím, že materiál trubice (1) je vybrán z mechanicky odolných materiálů a/nebo dobrých vodičů tepla, přednostně z oceli normální, nerezavějící nebo speciální, mědi, hořčíku, titanu, hliníku a jejich slitin.

5. Pouzdro podle některého z nároků 1 až 4, v y z n a č u j í c í se t í m, že neutrony pohlcující materiál je na bázi bóru.

6. Pouzdro podle nároku 5,vyznačující se tím, že bórem je obohacený bór Β10.

7. Pouzdro podle některého z nároků laž 6, vyznačující se tím, že materiál trubic (1) je hliník, obsahující bór, nebo nerezavějící ocel, obsahující bór.

8. Pouzdro podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že palivové soubory, uspořádané v pouzdru, obsahují tyče nebo pruty z materiálu, pohlcujícího neutrony, vložené v řídicích trubicích (1) mezi palivovými pruty.

9. Pouzdro podle některého z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že stahovací pásek (2a, 2b, 2c) je kovový se součinitelem roztažnosti, který je pro udržení nebo zlepšení soudržnosti a pevnosti svazku trubic (1) a tepelného spojení mezi trubicemi (1) během ohřevu pouzdra odlišný od součinitele roztažnosti materiálu trubic (1).

10. Pouzdro podle některého z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že se jeho dolní čelo opírá o tuhou podložku, opatřenou vhodnými prostředky pro přepravu pouzdra.

11. Použití pouzdra podle některého z nároků 1 až 10 v suchém nebo vlhkém prostředí pro skladování nebo dopravu nových nebo vyzářených palivových souborů.