RU2084975C1

RU2084975C1 - Container for spent fuel transporting and/or storage

Info

Publication number: RU2084975C1
Application number: RU95101644A
Authority: RU
Inventors: В.В. Воронцов; Ю.В. Гарусов; В.Д. Гуськов; В.П. Дроздов; Н.Н. Калязин; В.Я. Крюков; Н.В. Свиридов; А.Н. Сивков; К.Б. Ходасевич
Original assignee: Конструкторское бюро специального машиностроения
Priority date: 1995-02-02
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 1997-07-20
Also published as: RU95101644A

Abstract

FIELD: spent nuclear fuel handling. SUBSTANCE: container has metal internal and external cylindrical shells with bottoms, space between them being filled with heavy concrete. Mentioned space and container interior have sealed ceiling in the form of two covers mounted one on top of other on common base and forming with the latter two concentric pressurizing loops. Reinforcing grid is placed inside concrete filler in a spaced relation to external cylindrical shell. Grid has longitudinal and circular members joined to bottom of external shell and cover base. Shielding power sleeve is placed between grid and internal cylindrical shell in a spaced relation to the latter and is joined to base of covers and coupled to grid through rods. As an alternative, space between grid and external cylindrical shell may be filled with concrete of lower strength. EFFECT: improved design. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к контейнерам для длительного сухого хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных электростанций (АЭС) в виде тепловыделяющих сборок (ТВС). The invention relates to containers for long-term dry storage of spent nuclear fuel (SNF) of nuclear power plants (NPPs) in the form of fuel assemblies (FA).

Длительное хранение ОЯТ на территории АЭС в укрытиях либо на открытом воздухе с последующей их транспортировкой в региональные хранилища или на радиохимические заводы обуславливает повышенные требования к прочности контейнера и радиоционным защитным свойствам при аварийных ситуациях, возможных в процессе транспортировки и хранения, например предъявляемые нормативными документами МАГАТЭ требованиях включают обеспечение:
радиационной безопасности персонала при транспортировке и хранении контейнера;
герметичности при аварийном падении с высоты 9 м на жесткое основание или на штырь диаметром 150 мм с высоты 1 м;
стойкости к воздействию ударной волны с давлением во фронте 30 кПа;
сохранности при падении на контейнер самолета массой 20 т при скорости самолета 200 м/сек;
стойкости к тепловому воздействию при пожаре при температуре 800^oC в течение 30 минут и при погружении в воду на глубину 15 и в течение 8 часов.Long-term storage of spent nuclear fuel on the territory of the nuclear power plant in shelters or in the open air with their subsequent transportation to regional storage facilities or to radiochemical plants leads to increased requirements for container strength and radiation protective properties in emergency situations that are possible during transportation and storage, for example, the requirements laid down by the IAEA regulatory documents include providing:
radiation safety of personnel during transportation and storage of the container;
tightness in the event of an accidental fall from a height of 9 m onto a rigid base or onto a pin with a diameter of 150 mm from a height of 1 m;
resistance to shock waves with a front pressure of 30 kPa;
safety when falling onto a container of an airplane weighing 20 tons at an airplane speed of 200 m / s;
resistance to thermal effects in case of fire at a temperature of 800 ^o C for 30 minutes and when immersed in water to a depth of 15 and for 8 hours.

Известен контейнер для транспортировки выгоревших ТВС, который содержит внутреннюю и наружную цилиндрические стенки с днищами из нержавеющей стали и защитное перекрытие с элементами его крепления [1] На наружной стенке расположены кольцевые теплоотводящие ребра. Между стенками расположена радиационная защита в виде урановых отливок герметично объединенных соединительными элементами. A known container for transporting burned-out fuel assemblies, which contains an inner and outer cylindrical wall with stainless steel bottoms and a protective overlap with its fastening elements [1] On the outer wall are ring heat-removing fins. Between the walls there is radiation protection in the form of uranium castings hermetically connected by connecting elements.

Недостатком этой конструкции является то, что она не обеспечивает надежную защиту от быстрых нейтронов, наличие ребер на наружной поверхности вызывает перегрев ее и контейнера в целом в случае пожара. Кроме того конструкция сложна технологически и трудоемка в изготовлении. The disadvantage of this design is that it does not provide reliable protection against fast neutrons, the presence of edges on the outer surface causes overheating of it and the container as a whole in case of fire. In addition, the design is technologically complex and laborious to manufacture.

Известен контейнер для транспортировки и хранения ТВС [2] Он содержит толстостенный корпус с охлаждающими ребрами на внешней поверхности и коррозионную внутреннюю футеровку. Корпус герметизирован двумя крышками, а внутренняя футеровка удерживается на корпусе резьбовыми втулками. Known container for transporting and storing fuel assemblies [2] It contains a thick-walled case with cooling fins on the outer surface and a corrosive inner lining. The housing is sealed with two covers, and the inner lining is held onto the housing by threaded bushings.

Недостатком известной конструкции является также недостаточная защита от быстрых нейтронов, быстрый перегрев корпуса при возможном пожаре, а также то, что для изготовления толстостенного контейнера требуется уникальное металлургическое оборудование, высокая трудоемкость при изготовлении и, следовательно, высокая стоимость. A disadvantage of the known design is also insufficient protection against fast neutrons, rapid overheating of the case in case of a fire, as well as the fact that the manufacture of a thick-walled container requires unique metallurgical equipment, high laboriousness in manufacturing and, therefore, high cost.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является контейнер для хранения радиоактивных отходов, помещенных в стальные бидоны, который и выбран в качестве ближайшего аналога-прототипа [3] Он представляет собой двухстенный резервуар с днищами, выполненный из металла, закрываемый защитным перекрытием с устройством его крепления и герметизации. Полость между стенками (оболочками) резервуара заполнена тяжелым бетоном. The closest set of essential features with the claimed invention is a container for storing radioactive waste placed in steel cans, which is selected as the closest analogue of the prototype [3] It is a two-walled tank with bottoms made of metal, closed with a protective overlap with the device its fastening and sealing. The cavity between the walls (shells) of the tank is filled with heavy concrete.

Однако известное устройство имеет ряд недостатков:
в условиях длительного хранения и температурных перепадах наружного воздуха и усталостных явлениях материала силы сцепления между бетоном и наружной оболочкой уменьшаются и оболочка не обеспечивает армирование (скрепление) бетона, снижая при этом общую и местную прочность контейнера, и склонность бетонного ядра к трещинообразованию;
при испытаниях на соответствие требованиям МАГАТЭ в результате местного воздействия штыря оболочка передает практически всю нагрузку на бетон, в котором распространяется квазисферическая волна, который подвергается хрупкому разрушению. Несвязанная надежно с бетоном наружная оболочка препятствует разрушению недостаточно эффективно;
наружная оболочка несвязанная достаточными силами сцепления с бетоном также не вовлекается в работу и при изгибе профиля поперечного сечения контейнера;
развитие под воздействием штыря трещины, которая может распространиться на всю глубину бетонного слоя, что может вызвать повышение локального нагружения внутренней оболочки на вершине трещины и развитие трещины по толщине внутренней оболочки и, соответственно, потерю герметизации контейнера.However, the known device has several disadvantages:
under conditions of long-term storage and temperature differences of outdoor air and fatigue phenomena of the material, the adhesion forces between concrete and the outer shell are reduced and the shell does not provide reinforcement (bonding) of concrete, while reducing the general and local strength of the container, and the tendency of the concrete core to crack;
when tested for compliance with the IAEA requirements, as a result of local exposure to the pin, the shell transfers almost the entire load to concrete, in which a quasispherical wave propagates, which undergoes brittle fracture. The outer shell, which is not reliably bonded to concrete, prevents the destruction of insufficiently effective;
the outer shell unbound by sufficient adhesion forces to concrete is also not involved in the work when bending the cross-sectional profile of the container;
the development under the influence of a pin of a crack, which can extend to the entire depth of the concrete layer, which can cause an increase in local loading of the inner shell at the top of the crack and the development of a crack along the thickness of the inner shell and, accordingly, loss of container sealing.

Указанные недостатки связаны с нерациональным распределением металла в конструкции и отсутствием арматуры, эффективно работающей в бетоне. These shortcomings are associated with the irrational distribution of metal in the structure and the lack of reinforcement that works effectively in concrete.

Задача, решаемая изобретением, заключается в том, чтобы повысить защиту ОЯТ и защиту контейнера в случае аварийных ситуаций путем повышения прочностных характеристик контейнера и надежности герметизации его внутренней полости. The problem solved by the invention is to increase the protection of spent nuclear fuel and the protection of the container in case of emergency by increasing the strength characteristics of the container and the reliability of sealing its internal cavity.

Данная задача решается тем, что в известном контейнере для транспортировки и/или хранения ОЯТ, содержащем металлические наружную и внутреннюю цилиндрические оболочки с днищами, полость между которыми заполнена тяжелым бетоном, герметичное перекрытие упомянутой полости и внутренней полости контейнера, согласно изобретению, герметичное перекрытие выполнено в виде двух крышек, установленных одна над другой на общем основании и образующих с последним два концентричных герметизирующих контура. При этом внутри бетонного заполнителя с зазором относительно наружной цилиндрической оболочки размещено армирование в виде решетки, состоящей из кольцевых и продольных элементов, соединенных с днищем наружной оболочки и основанием крышек. Между решеткой и внутренней цилиндрической оболочкой с зазором относительно последней установлен экранирующий силовой стакан, соединенный с основанием крышек и связанный с решеткой стержнями. This problem is solved in that in a known container for transportation and / or storage of spent nuclear fuel containing metal outer and inner cylindrical shells with bottoms, the cavity between which is filled with heavy concrete, a tight overlap of the said cavity and the inner cavity of the container, according to the invention, the tight shut is made in in the form of two covers installed one above the other on a common base and forming two concentric sealing circuits with the latter. At the same time, reinforcement in the form of a lattice consisting of annular and longitudinal elements connected to the bottom of the outer shell and the base of the covers is placed inside the concrete aggregate with a gap relative to the outer cylindrical shell. Between the grate and the inner cylindrical shell with a gap relative to the latter, a shielding power cup is installed, connected to the base of the covers and connected to the grating by rods.

Кроме того зазор между решеткой и наружной цилиндрической оболочкой заполнен бетоном меньшей прочности. In addition, the gap between the grate and the outer cylindrical shell is filled with concrete of lower strength.

В зазоре между решеткой и наружной цилиндрической оболочкой по окружности могут быть установлены трубы, соединенные с днищем наружной оболочки и основанием крышек. In the gap between the grate and the outer cylindrical shell, pipes connected to the bottom of the outer shell and the base of the covers can be installed around the circumference.

Конструкция контейнера схематично представлена на чертежах, где на фиг. 1 показан продольный разрез контейнера; на фиг. 2 дан поперечный разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 показан поперечный разрез контейнера в варианте исполнения, когда в зазоре между решеткой и наружной цилиндрической оболочкой установлены трубы. The construction of the container is shown schematically in the drawings, where in FIG. 1 shows a longitudinal section through a container; in FIG. 2 is a cross-section along AA in FIG. one; in FIG. 3 shows a cross-sectional view of a container in an embodiment when pipes are installed in the gap between the grill and the outer cylindrical shell.

Контейнер содержит наружную 1 и внутреннюю 2 цилиндрические оболочки с днищами 3 и 4, выполненные в варианте исполнения изобретения из тонколистовой нержавеющей стали, обеспечивающей многолетнюю коррозионную стойкость. Полость между оболочками заполнена тяжелым особопрочным бетоном 5 с повышенной термостойкостью. Сверху внутренняя полость контейнера и полость между оболочками герметично перекрыты двумя крышками 6 и 7, расположенными одна над другой и размещенными на едином основании 8. Крышки 6 и 7 образуют с основанием 8 два концентричных герметизирующих пояса "a" и "b". Внутри бетонного заполнителя 5 по всей высоте контейнера размещено силовое армирование в виде решетки, состоящей из кольцевых 9 и продольных 10 металлических стержней; связанной с основанием 8 и с днищем 3 наружной оболочки 1. Решетка установлена с зазором относительно наружной оболочки 1, а зазор заполнен бетоном 11, меньшей прочности, чем основной тяжелый бетон 5. Внутренняя оболочка 2 снаружи экранирована силовым герметичным стаканом 12, выполненным из низколегированной стали, менее дорогой, чем нержавеющая. В варианте исполнения экранирующий стакан 12 образует с внутренней оболочкой 2 зазор. Экранирующий стакан 12 связан с решеткой и днищем 3 наружной оболочки 1 арматурой 13. В зазоре между решеткой и наружной оболочкой 1 возможна установка по окружности тонкостенных труб 14, соединенных с днищем 3 наружной оболочки 1 и основанием 8, для поглощения возможной ударной нагрузки. На период транспортировки контейнера на его днище и верхнюю часть устанавливают ударопоглощающие высокодеформативные устройства 15 и 16. The container contains an outer 1 and an inner 2 cylindrical shells with bottoms 3 and 4, made in the embodiment of the invention from stainless steel sheet providing long-term corrosion resistance. The cavity between the shells is filled with heavy extra-strong concrete 5 with high heat resistance. From above, the inner cavity of the container and the cavity between the shells are hermetically closed by two covers 6 and 7, located one above the other and placed on a single base 8. The covers 6 and 7 form two concentric sealing belts “a” and “b” with base 8. Inside the concrete aggregate 5 along the entire height of the container is placed a power reinforcement in the form of a lattice consisting of ring 9 and longitudinal 10 metal rods; connected with the base 8 and with the bottom 3 of the outer shell 1. The grill is installed with a gap relative to the outer shell 1, and the gap is filled with concrete 11, less strength than the main heavy concrete 5. The inner shell 2 is shielded from the outside with a power tight glass 12 made of low alloy steel less expensive than stainless. In an embodiment, the shielding cup 12 forms a gap with the inner shell 2. A shielding cup 12 is connected to the grate and the bottom 3 of the outer shell 1 by a valve 13. In the gap between the grating and the outer shell 1, thin-walled pipes 14 can be installed around the circumference, connected to the bottom 3 of the outer shell 1 and the base 8, to absorb a possible shock load. For the period of transportation of the container, shock absorbing highly deforming devices 15 and 16 are installed on its bottom and upper part.

Использование контейнера в промышленности осуществляется следующим образом. The use of the container in industry is as follows.

Контейнер устанавливают в загрузочной камере, либо непосредственно в бассейне выдержки приреакторного хранилища, где в него загружаются кассеты (сборки) с ОЯТ по технологии, определяемой конструктивной схемой хранилища, типом ОЯТ и технологией обращения его на АЭС (на чертеже не показано). Закрывается внутренняя крышка 6, затягивается болтовое соединение ее крепления и производится контроль герметизирующего контура "a". Закрывается наружная крышка 7, затягивается болтовое соединение ее крепления (на чертеже не показано) и производится контроль герметизирующего контура "b". При необходимости производится вакуумирование внутренней полости контейнера и заполнение ее инертным газом, а также герметизация и опломбирование каналов (на чертеже не показаны) для контроля герметичности контуров "a" и "b". После чего устанавливают на торцы контейнера транспортные ударопоглощающие устройства 15 и 16. Готовый для транспортировки контейнер устанавливается на транспортное средство, преимущественно на железнодорожную платформу (на чертеже не показано) и перевозится к месту длительного хранения. В месте длительного хранения контейнер перегружается с железнодорожной платформы, демонтируются ударопоглощающие устройства 15 и 16 и контейнер закрепляют на месте установки. The container is installed in the loading chamber, or directly in the exposure pool of the reactor storage, where cassettes (assemblies) of spent nuclear fuel are loaded into it according to the technology determined by the design of the storage, type of spent nuclear fuel and its handling technology at nuclear power plants (not shown in the drawing). The inner cover 6 is closed, the bolt connection of its fastening is tightened and the sealing circuit "a" is checked. The outer cover 7 is closed, the bolt connection of its fastening is tightened (not shown in the drawing) and the sealing circuit "b" is checked. If necessary, the internal cavity of the container is evacuated and filled with an inert gas, as well as the channels are sealed and sealed (not shown in the drawing) to control the tightness of the "a" and "b" circuits. After that, shock absorbing devices 15 and 16 are installed on the ends of the container. The container ready for transportation is installed on the vehicle, mainly on a railway platform (not shown in the drawing) and transported to a place of long-term storage. In the place of long-term storage, the container is reloaded from the railway platform, shock absorbing devices 15 and 16 are dismantled and the container is fixed at the installation site.

Предлагаемая конструкция металлобетонного контейнера обеспечивает защиту ОЯТ при длительном хранении и в случае аварийных ситуаций при сравнительно невысокой стоимости контейнера по сравнению с монолитным исполнением контейнера. The proposed design of a metal-concrete container provides protection of spent nuclear fuel during long-term storage and in case of emergency at a relatively low cost of the container compared to the monolithic version of the container.

Радиационная безопасность обеспечивается за счет использования тяжелого особопрочного бетона 5 с плотностью до 4 т/м³, наличия внутренней 2, наружной 1 оболочек и экранирующего стакана 12 и за счет достаточно плотного армирования бетонного массива стержнями 9, 10 и 13.Radiation safety is ensured through the use of heavy extra-strong concrete 5 with a density of up to 4 t / m ³ , the presence of inner 2, outer 1 shells and shielding cup 12 and due to the sufficiently dense reinforcement of the concrete mass with rods 9, 10 and 13.

Ядерная безопасность обеспечивается защитой цезиевых оболочек сборок от перегрева в различных возможных условиях хранения контейнера с ОЯТ за счет обеспечения необходимого теплоотвода из внутренней полости контейнера благодаря созданию необходимого количества дополнительных "тепловых мостов" в виде арматурных стержней 13, связывающих экранирующий стакан 12 со стержнями 9 и 10 решетки. Nuclear safety is ensured by protecting the cesium shells of assemblies from overheating under various possible storage conditions for a container with spent nuclear fuel by providing the necessary heat removal from the internal cavity of the container by creating the necessary number of additional "thermal bridges" in the form of reinforcing rods 13 connecting the shielding glass 12 with rods 9 and 10 lattice.

При аварийном воздействии падающего самолета, когда контейнер находится на открытом воздухе (без учета экранирующего защитного действия хранилища) в пятне контакта падающего самолета давление не превышает 100 кГс/см². Такое нагружение существенно ниже допустимого по уровню прочности для данного контейнера.In case of accidental impact of a falling airplane, when the container is in the open air (without taking into account the shielding protective action of the storage) in the contact patch of the falling airplane, the pressure does not exceed 100 kG / cm ² . Such loading is significantly lower than the permissible level of strength for this container.

Снижение перегрузок до уровня, допустимого по условиям прочности контейнера и расположенных внутри его сборок с ОЯТ при падении контейнера с высоты до 9 м на жесткое основание обеспечивается ударопоглощающими устройствами 15 и 16, установленными на торцах контейнера, выполненными, например, в виде заключенной в оболочку бальзовой древесины. Reducing overloads to a level acceptable under the conditions of container strength and SNF assemblies located inside its container when the container falls from a height of 9 m to a rigid base is ensured by shock absorbing devices 15 and 16 mounted on the ends of the container, made, for example, in the form of a balsa shell wood.

Герметичность контейнера, имеющего массу порядка 100 т, при падении его на штырь обеспечивается наружной оболочкой 1 и защитным слоем бетона с меньшей прочностью или демпфирующими трубами 14, которые поглощают часть кинетической энергии падающего контейнера. Наличие решетки из стержней 9 и 10 удерживает раскрытие трещины в зоне контакта со штырем. Экранирующий стакан 12 в случае распространения трещины на всю глубину наружного бетонного заполнителя воспринимает растягивающие нагрузки на вершине трещины и сдерживает ее развитие в зону внутренней оболочки 2. Таким образом ряд контуров локализации развития трещины позволяет надежно обеспечить герметичность внутренней оболочки 2 при данном, наиболее неблагоприятном нагружении контейнера. The tightness of the container, having a mass of the order of 100 tons, when it falls on the pin is provided by the outer shell 1 and a protective layer of concrete with lower strength or damping pipes 14, which absorb part of the kinetic energy of the falling container. The presence of a lattice of rods 9 and 10 holds the opening of the crack in the zone of contact with the pin. In the case of crack propagation to the entire depth of the external concrete aggregate, the shielding cup 12 receives tensile loads at the crack tip and inhibits its development into the zone of the inner shell 2. Thus, a number of localization profiles of the crack development can reliably ensure the tightness of the inner shell 2 at this most unfavorable loading of the container .

Наличие свободной наружной оболочки 1 позволяет существенно упростить технологию сварки стержней 9, 10 и 13 армокаркаса со стаканом 12, днищем 3 оболочки 1 и основанием 8. В аварийных условиях нагрева контейнера при пожаре оболочка 1 снижает температурные напряжения в силовой металлоконструкции контейнера благодаря возможности свободного расширения. The presence of a free outer shell 1 can significantly simplify the technology of welding rods 9, 10 and 13 of the armature frame with a glass 12, the bottom 3 of the shell 1 and the base 8. In emergency conditions of heating the container in case of fire, the shell 1 reduces the temperature stresses in the power metal structure of the container due to the possibility of free expansion.

Таким образом, заявляемый контейнер обеспечивает надежное длительное хранение сборок ОЯТ, в том числе при транспортировке и в условиях аварийных ситуаций. Thus, the inventive container provides reliable long-term storage of SNF assemblies, including during transportation and in emergency situations.

Claims

1. A container for transporting and / or storage of spent nuclear fuel, containing metal outer and inner cylindrical shells with bottoms, the cavity between which is filled with heavy concrete, a sealed overlap of said cavity and the inner cavity of the container, characterized in that the sealed overlap is made in the form of two covers installed one above the other on a common base and forming two concentric sealing circuits with the latter, inside the concrete aggregate with a clearance relative to the outside Second cylindrical shells placed reinforcement in a lattice consisting of circular and longitudinal elements connected with the bottom of the outer shell and base caps, between the grid and the inner cylindrical shell with a clearance relative to the last set shielding strength glass, connected to the base covers and the associated grille bars.

2. The container according to claim 1, characterized in that the gap between the grate and the outer cylindrical shell is filled with concrete of lower strength.

3. The container according to claim 1, characterized in that in the gap between the grate and the outer cylindrical shell circumferentially installed pipes connected to the bottom of the outer shell and the base of the covers.