RU2459295C1

RU2459295C1 - Outer container set for used nuclear reactor fuel rod arrays

Info

Publication number: RU2459295C1
Application number: RU2011116191/07A
Authority: RU
Inventors: Альберт Михайлович Амелин (RU); Альберт Михайлович Амелин; Владимир Владимирович Воронцов (RU); Владимир Владимирович Воронцов; Владимир Дмитриевич Гуськов (RU); Владимир Дмитриевич Гуськов; Борис Иванович Зайцев (RU); Борис Иванович Зайцев; Ольга Олеговна Капусткина (RU); Ольга Олеговна Капусткина; Александр Николаевич Сивков (RU); Александр Николаевич Сивков; Константин Борисович Ходасевич (RU); Константин Борисович Ходасевич
Original assignee: Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро специального машиностроения"
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2012-08-20

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: proposed set comprises bag and container including metal case with tight cover of container inner chamber. Said bag is arranged with preset radial clearance to ensure heat-conducting contact between bag outer surface and container case inner surface in loaded state and at thermal effects brought about by fuel rod arrays. Bag is made from stainless steel and comprises top and bottom spacer grids. Hexagonal tubes to receive used fuel rod arrays are welded tightly to grid edges. Lining is attached to bag edges to form tight tube space to be filled with heat-conducting neutron-absorbing composition.

EFFECT: higher operating performances of proposed set.

8 cl, 3 dwg

Description

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.The invention relates to nuclear engineering, in particular to the storage of spent nuclear fuel (SNF), and more particularly to dry container storage of spent fuel assemblies of nuclear power plants (NPPs), and can be used to increase reliability in the handling of spent nuclear fuel.

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.A known container for transporting radioactive material according to patent RU 1144632 (G21F 5/00, 1985). The container includes a metal cylindrical body, a box (case) for carrying fuel elements, an inner and outer protective sealing caps and two shockproof dampers installed at the ends of the container. The container body and the inner protective cover are made of carbon steel and provide protection against γ radiation. The outer protective lid of the container is made of stainless steel. The inner protective cover, in turn, is coated with stainless steel sheet. The cylindrical part of the container is surrounded by a water shell to shield the core of the fuel cells. Water serves as a screen against fast neutrons. The outer casing of the water shell is provided with ring-shaped cooling ribs made of steel along the perimeter. In embodiments, covers can be installed inside the container to accommodate 7 or 17 fuel cells. Covers have high internal strength and provide neutron shielding for the safe transportation of fuel cells. In this case, the covers are made shockproof. Under normal conditions, fuel cells are transported in a dry state. The covers provided for this consist of thick cast aluminum washers mounted one on top of the other, connected by stainless bolts. Between the inner wall of the container and the aluminum washers is provided, taking into account thermal expansion, a gap. Inside the covers there are longitudinal channels for fuel cells made of stainless boron steel, with the addition of 1 wt.% Neutral boron for neutron absorption. Between the channels for the fuel cells are provided cylindrical openings in which there is a mixture of graphite and boron carbide, the latter being placed in steel pipes. This mixture also acts as a shield for neutron protection. One or more channels made of stainless boron steel can be mounted with the possibility of their removal. After removing these channels, special protective containers for damaged fuel cells can be pushed into the free cavity. The remaining, non-removable channels are welded to the upper stainless steel plate (diaphragm) of the cover. In the case of transporting fuel cells in the wet state, thin-walled boron steel pipes can be inserted into said channels. All removable parts of the container, with the exception of cast aluminum washers of the case, are made of stainless steel. Heat is removed from the container by convection and heat transfer by radiation.

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.The disadvantages of the known device include the low protection of its side surface from shock loads when dropped, which does not exclude the possibility of depressurization of the outer casing of the water shell in the event of an emergency.

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.A known container with a cover for transporting spent fuel assemblies according to patent SU 1790792 (G21F 5/00, 1993). The container includes a metal housing with a sealed overlap of the internal cavity of the container. The cover includes two circumferential rows of hexagonal pipes installed between the upper and lower rows of pipe boards, which are mounted on the central pipe. Fuel assemblies with SNF are installed in the hexagonal tubes. The inner side of the casing wall in plan (i.e., in a plan view) is made in the form of a polyhedron, the faces of which are parallel to the faces of the adjacent hexagonal pipes, i.e. the shape of the inner cavity of the container in the plan follows the shape of the outer row of hexagonal pipes of the case with the same gap, which provides convective heat transfer from the spent fuel assemblies to the wall of the container body, and the faces of the hexagonal pipes have holes. Thus, equal heat transfer conditions are created for all spent assemblies of the outer row of hexagonal tubes of the sheath with the wall of the housing. To ensure nuclear safety, the hex pipes are spaced apart by gaskets. This embodiment of the container improves heat dissipation from the central spent fuel assemblies to the external and from the external spent fuel assemblies to the wall of the container body.

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.A disadvantage of the known container is that the manufacture of a thick-walled metal container body requires unique metallurgical equipment. In addition, the container involves a high complexity of manufacturing and, therefore, high cost. It is also possible to note the insufficient efficiency of heat removal from the hexagonal pipes to the wall of the container body. This is due to the fact that heat removal is carried out mainly through heat transfer by radiation.

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.Known reinforced concrete container according to patent RU 2134918 C1 (G21F 5/00, 1999). The known device comprises a container, including a metal-concrete housing with a tight seal of the inner cavity of the container. A cover is installed inside the container for assemblies of fuel elements, for example, with hexagonal, rectangular or round cover pipes, the gaps between which are filled in rows in rows with zigzag or straight spacer sheet spacers welded to the cover of the cover. In this case, the rows of spacers are uniformly deployed around the circumference and height of the cover. Under normal operating conditions, the uneven heat flux from the fuel assemblies installed inside the jacketed pipes is transmitted through the walls of the jacketed pipes and spacers to the jacket shell, spreading over which ensures a uniform thermal load on the wall of the container body. From the sheath of the sheath through the minimum structural gap between the sheath and the inner sheath of the body through the volume reinforcing grill and concrete filling of the body, the heat flux is evenly distributed over the entire surface of the outer shell of the body and then discharged into the environment.

Однако конструктивные особенности контейнера предполагают использование этого контейнера для транспортировки и/или хранения относительно низкоактивного ОЯТ, т.е. известное устройство имеют ограниченную область использования.However, the design features of the container suggest the use of this container for transportation and / or storage of relatively low-level spent nuclear fuel, i.e. known devices have a limited area of use.

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.Known transport packaging (transport packaging) kit (TUK) for transportation and storage of spent nuclear fuel according to patent RU 2127919 C1 (G21F 5/008, 1999). Known TUK contains a cover, a housing with a cavity, a cover and fixing elements mounted on the inner surface of the housing. The cover is a welded construction and consists of a central pipe, spacer plates (grids), mounted on the central pipe, hexagonal pipes to accommodate the spent fuel assemblies, base. The locking elements are located on the inner surface of the housing and are designed to prevent the cover from turning when the TUK overturns.

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.However, in the known TUK, insufficient thermal contact between the elements of the case and the cylindrical surface of the container cavity reduces the efficiency of heat removal from the spent fuel assemblies to the wall of the container body.

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.Known transport packaging container for transporting and storing SNF according to patent RU 75496 U1 (G21F 5/008, G21F 5/10, 2008). Known TUK contains a cover, a container, including a metal casing with a sealed overlap of the internal cavity of the container, and end wooden dampers. The container body is made of ductile cast iron with spherical graphite. The cover is made of monolithic metal with channels for installing fuel assemblies. To increase the heat transfer surface between the cover and the container body, the inner surface of the container body and the outer surface of the cover have conjugate ring or longitudinal cooling fins, which intensify the heat removal from the spent fuel assemblies to the container body and further into the environment during transportation and temporary storage of TUKs. The container body has longitudinal channels filled with heat-resistant polyethylene, which protects the staff, the public and the environment from neutron radiation.

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).However, in the well-known TUK, the solution to the problem of ensuring nuclear safety is not disclosed, for example, in the case of tight packing of the case with spent fuel assemblies (i.e., while ensuring that as many spent fuel assemblies can be placed in the case).

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.The closest in combination of essential features with the claimed invention is a TUK for transportation and / or storage of spent fuel assemblies of nuclear reactors, comprising a case and a container including a metal casing with a sealed overlap of the container’s internal cavity according to patent RU 2348085 C1 (G21F 5/00, 2009) . Up to 19 spent fuel assemblies with a maximum total heat release, for example, 30-40 kW, can be placed in the cover of this TUK. The cover provides a strictly defined location of the spent fuel assemblies in the inner cavity of the container and the transfer of heat generated by SNF to the container body. The cover is made in the form of a composite cylinder of separate aluminum blocks, inside of which are located hexagonal pipes for installing spent fuel assemblies. To ensure nuclear safety, the outer surface of the hexagonal tubes is covered with a self-fluxing boron-containing alloy, which ensures the absorption of neutrons emitted by SNF. Each aluminum block is enclosed in a sealed stainless steel casing. The blocks are fastened together by means of couplers, which are simultaneously supporting elements of the cover interacting with the bottom of the container body. At the same time, part of the couplers simultaneously serves as the rigging elements of the cover. For the period of transportation, removable end protective damping elements are mounted on the container body.

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.However, in the known TUK, insufficient thermal contact between the outer cylindrical surface of individual case blocks and the cylindrical surface of the container cavity reduces the efficiency of heat removal from the spent fuel assemblies to the container body wall.

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.The problem solved by the invention is to create a transport packaging for spent nuclear fuel of VVER-1000 reactors, the feature of which (i.e., SNF) is, in particular, intense heat and intense γ-radiation and neutron radiation.

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.This problem is solved by the fact that in the transport packaging for spent fuel assemblies of nuclear reactors containing a case and a container including a metal case with a sealed overlap of the container’s inner cavity, according to the invention, the case is installed in the container cavity with a predetermined radial clearance with the possibility of formation of heat-conducting contact between the outer the surface of the cover and the inner surface of the container body in a loaded state of the latter under heat exposure with on the side of the spent fuel assemblies. In this case, the cover is made of stainless steel and includes the upper and lower spacer grids, to which hexagonal pipes are tightly welded to accommodate the spent fuel assemblies, and along the perimeter of the cover is a lining with the formation of a hermetic annular space filled with a neutron-absorbing heat-conducting casting composition.

Вместе с этим транспортный упаковочный комплект в качестве заливочной композиции содержит сплав, включающий алюминий и бор.At the same time, the transport packaging set contains an alloy comprising aluminum and boron as a casting composition.

В варианте выполнения транспортный упаковочный комплект в качестве заливочной композиции содержит сплав, включающий свинец и карбид бора.In an embodiment, the transport packaging set comprises, as a casting composition, an alloy comprising lead and boron carbide.

В другом варианте выполнения транспортный упаковочный комплект в качестве заливочной композиции содержит сплав, включающий медь и карбид бора.In another embodiment, the transport packaging kit comprises an alloy comprising copper and boron carbide as a casting composition.

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.In addition, longitudinal tubular elements are passed through the cover, which are located along the longitudinal axis of the cover between the faces of adjacent hexagonal pipes and are tightly welded to the upper and lower spacer grids, respectively.

В варианте выполнения транспортный упаковочный комплект в качестве материала корпуса контейнера содержит конструкционную сталь.In an embodiment, the transport packaging set comprises structural steel as the material of the container body.

В другом варианте выполнения транспортный упаковочный комплект в качестве материала корпуса контейнера содержит чугун.In another embodiment, the transport packaging set comprises cast iron as the material of the container body.

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.Along with this, pipes located uniformly around the circumference around the longitudinal axis of the cover are tightly connected to the upper and lower spacer grids of the cover, through which the rods fastened with the cover are passed, which serve as the lifting elements of the latter.

Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно позволяет повысить эксплуатационные характеристики транспортного упаковочного комплекта.The technical result of the use of the invention is that it improves the operational characteristics of the transport packaging.

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.Figure 1 schematically shows a transport packaging set for spent fuel assemblies of nuclear reactors, a General view, a longitudinal section, the dotted line shows spent fuel assemblies; figure 2 is the same, a cross section along aa in figure 1; figure 3 - tubular elements located between the faces of adjacent hexagonal pipes, used to accommodate spent fuel assemblies, cross section, element B in figure 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.In an embodiment of the invention, the TUK is intended for storage and transportation of spent nuclear fuel of VVER-1000 reactors, the feature of which (i.e., SNF) is the intense heat generation and intense γ-radiation and neutron radiation. TUK contains a cover 1 and a container 2, including a metal casing 3 with a tight seal 4 of the inner cavity "a" of the container. The overlap 4 is made, for example, in the form of three protective sealing caps 5-7, mounted one above the other on a common base (not shown) and forming three concentric sealing circuits with the latter. Protective sealing caps 5 and 6 are made under the recess in the upper part of the housing 3 and form two contours (barriers) of protection.

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.The design of the container allows the installation of an additional outer protective sealing cover 7. In an embodiment of the invention, the cover 7 is made in the form of a sheet, which is welded around the perimeter to a common base of the covers. The installation of an additional protective sealing lid is due to the possibility of reducing the tightness of the lid seals 5 and 6 under conditions of prolonged radiation and thermocyclic exposure during storage of spent nuclear fuel and the requirement to ensure the reliability and environmental safety of dry container storage. In an embodiment of the invention, the TUK contains structural steel, for example, 09G2SA, as the container body material. In another embodiment, the TUK contains cast iron as the material of the container body.

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.The cover 1 is made of stainless steel, for example, type 08X18H10T and includes the upper 8 and lower 9 spacer grids, to which, for example, 19 hexagonal tubes 10 are tightly connected to weld the spent fuel assemblies, and a lining 11 is connected along the perimeter of the cover to form a tight annulus, which is filled with neutron-absorbing heat-conducting casting composition "b". In an embodiment of the invention, the transport packaging as a filling composition comprises, for example, an alloy comprising aluminum and boron. In another embodiment, the TUK may comprise an alloy comprising lead and boron carbide as a casting composition. It is possible that the TUK contains an alloy including copper and boron carbide as a casting composition.

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:In an embodiment, longitudinal tubular elements 12 are passed through the cover, which are located along the longitudinal axis 13 of the cover between the faces of adjacent hexagonal tubes 10 and are tightly welded to the upper and lower spacer grids 8 and 9, respectively. Thanks to the tubular elements 12, it is possible to ensure nuclear safety of the TUK in normal operating conditions and in emergency situations when the inner cavity of the container is flooded with water in accordance with the regulatory requirements of NP-061-05 and NP-053-04. In such situations, nuclear safety is ensured, in particular, by:

- заполнения межтрубного пространства чехла 1 заливочным борсодержащим материалом (заливочной композицией), способным поглощать нейтроны;- filling the annular space of the cover 1 with a boron-containing filling material (casting composition) capable of absorbing neutrons;

- установки между гранями смежных шестигранных труб 10 продольных трубчатых элементов 12 с возможностью заполнения их водой при затоплении внутренней полости «а» контейнера 2.- installation between the faces of adjacent hexagonal pipes 10 of the longitudinal tubular elements 12 with the possibility of filling them with water when flooding the inner cavity "a" of the container 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 соотношениюMoreover, the ratio of the cross-sectional area F _{sz of the} boron-containing layer (casting composition) between adjacent hexagonal pipes and the total area F _{te of the} corresponding tubular elements is determined by the ratio

F_тэ/F_зк=0,2…0,4.F _te / F _sk = 0.2 ... 0.4.

Величина этого соотношения зависит от материала, составляющего основу заливочной композиции, и содержания в нем поглощающего нейтроны вещества.The value of this ratio depends on the material that forms the basis of the casting composition, and the content of the substance absorbing neutrons in it.

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.The presence of open longitudinal channels (tubular elements 12) in a heat-conducting boron-containing material upon flooding of the internal cavity of a container with spent nuclear fuel leads to an increase in the number of delayed neutrons and, as a result, to an increase in the number of neutrons absorbed by boron (the neutron absorption cross section by boron increases with decreasing neutron energy). Essentially, water slows down neutrons and then slowed-down neutrons are more effectively absorbed by boron contained in the casting composition. Thus, the number of neutrons acting on neighboring fuel assemblies loaded into the hexagonal tubes 10 is reduced, and thereby the possibility of increasing the nuclear safety of the TUK is provided.

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.At the same time, thanks to a sufficiently large array of boron-containing material, the cover of the proposed design contributes to increasing the efficiency of neutron protection and, therefore, to improving the safety of SNF handling. The case also makes an additional contribution to providing radiation protection against γ-radiation and neutron radiation from spent nuclear fuel. This is achieved due to the presence of an external cylindrical casing (cladding), the thickness of which can be taken somewhat greater than required for its strength, the presence of longitudinal tubular elements in the case, which together have a significant mass, the presence of neutron absorbing materials in the case.

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.To the spacer grids 8 and 9, pipes 14 are also hermetically sealed during welding and are arranged uniformly around the circumference around the longitudinal axis 13 of the cover. Through the pipe 14 passed fastened with a cover, for example, using threaded connections, rods 15, performing the function of the lifting elements of the cover.

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.The cover 1 in the cavity "a" of the container 2 is installed with a predetermined radial clearance Δ _well with the possibility of forming a heat-conducting contact between the outer cylindrical surface of the cover and the reciprocal inner surface of the container body in the loaded state of the latter when the heat is applied to the spent fuel assemblies.

Величина радиального зазора Δ_ну определяется по соотношениюThe value of the radial clearance Δ _well, is determined by the ratio

Δ_ну<Δ_чт-Δ_кт,Δ _well <Δ _th -Δ _kt ,

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).where Δ _well is the radial clearance between the outer cylindrical surface of the cover and the inner cylindrical surface of the housing under normal conditions, Δ _Th is the radial thermal expansion of the cover, depending on the heating temperature of the cover (for example, ~ 300 ° C), linear expansion coefficients and elastic moduli of the cover materials (stainless steel and the pouring of the composition) at a given temperature heating mantle, Δ _kT - radial thermal expansion of the container body, depending on the temperature difference at the wall of the pole housing ynera, linear expansion coefficient and the elastic moduli of the container body material (i.e. a structural steel or cast iron).

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.For a container with an inner diameter of, e.g., 1600 mm radial clearance Δ _well as 5 ... 6 mm can be adopted. In the loaded state of the container during heat exposure from the spent fuel assemblies, this gap is “selected”, thereby ensuring that the outer cylindrical surface of the cover adheres to the inner cylindrical surface of the body, which contributes to good heat removal from the cover to the wall of the container body and through it to the environment . This is achieved due to the higher temperature of the cover compared to the temperature of the container body and the implementation of the stainless steel cover having a higher coefficient of thermal expansion compared to the container body material (structural steel or cast iron). The specified value of the radial clearance Δ _{well is} provided by machining the outer cylindrical surface of the cover.

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).To move and tilt the container, lifting pins 16 are provided in the upper and lower parts of the container body 16. For valve discharge, drying and filling the container’s internal cavity “a” with inert gas, corresponding valve devices (not shown) are provided in the upper and lower parts of the container body.

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.For the period of transportation, removable end shockproof dampers are mounted on the container body. As such dampers, for example, removable shockproof dampers according to the patent RU 2400843 (G21F 5/008, 5/08, 2010) can be used. The construction of the known damper is essentially an open convector, which allows to intensify the heat transfer of the container body.

Использование ТУК в промышленности осуществляется следующим образом.The use of TUK in industry is as follows.

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.The cover 1 with a predetermined radial clearance Δ _{well, is} installed in the container 2. When installing, the cover is lowered into the cavity "a" of the container body until it stops in the bottom. The container body 2 with a cover is installed in the loading pool, the pool is filled with water and the spent nuclear fuel (spent fuel assemblies) is loaded under water. After loading the container, its internal protective sealing cover 5 is installed, the loaded container is removed from the water basin and installed on the service platform. The internal cavity “a” of the container is freed of water by means of valve devices (not shown) provided on the container. Then, the bolt connection of the fastening of the internal protective sealing cover 5 is tightened and the tightness of the connection of the cover 5 to the housing 3 is checked. The protective sealing cover 6 is closed in the same way and the tightness of its connection with the housing 1 is checked. The protective sealing covers 5 and 6 form two circuits (barriers) protection. Then, if necessary, an external protective sealing cover 7 is installed, made in the form of a sheet, which is welded to the common base of the covers 5-7. After that, the inner cavity “a” of the container is drained and, if necessary, filled with inert gas using valve devices provided on the container (not shown). After that, the container with SNF is transported to the place of intermediate (preliminary) storage (in the territory of the nuclear power plant or in the storage adjacent to it). In the place of intermediate storage, the loaded container may be for a long time. Then the container with SNF is transported to the place of final storage in the regional storage or for reprocessing. For the period of transportation to the place of final storage (burial) of spent nuclear fuel, in order to protect the container with spent nuclear fuel from destruction in case of possible emergency situations and to increase the radiation protection of personnel during transportation, they are equipped with removable shockproof dampers that practically do not interfere with the heat removal from the container.

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.Transportation and storage of the container with spent nuclear fuel are accompanied by a fairly intense heat release of the active part of the spent fuel. For example, in an embodiment of the invention, when the spent fuel assemblies of a VVER-1000 type reactor are loaded into the container 19, the heat dissipation inside the container is 30-40 kW.

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.In the initial period of storage of the container as a result of heat exposure from the SNF, the cover is heated. The presence of a heat-conducting material (casting composition) densely packed in the inner cavity of the cover and its contact with all the hexagonal tubes inside which the spent fuel assemblies are placed provides a sufficiently intense heat removal to the outer cylindrical surface (lining) of the cover installed with a relatively small radial clearance Δ _well in the cavity "a" of the container body. As a result of the heat effect from the side of the heat-generating assemblies, the cover expands, the gap Δ _{well is} “selected” and a heat-conducting contact is formed between the outer cylindrical surface of the cover and the inner cylindrical surface of the container body (essentially, the outer cylindrical surface of the cover adheres to the inner cylindrical surface of the case) , which significantly increases heat transfer. Thus, intensive heat removal to the wall of the container body and through it to the environment is ensured.

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.Thus, due to the particular design of the transport packaging for spent fuel assemblies of nuclear reactors of the WWER-1000 type, the invention allows the creation of TUKs that increase the efficiency of heat removal from the inside of a loaded SNF container, increase the efficiency of neutron protection and, therefore, increase the safety of handling SNF. The above, ultimately, improves the operational characteristics of TUK.

Claims

1. A transport packaging set for spent fuel assemblies of nuclear reactors, comprising a case and a container including a metal case with a sealed overlap of the container’s internal cavity, characterized in that the container is installed in the container cavity with a predetermined radial clearance with the possibility of formation of heat-conducting contact between the outer surface of the container and the inner surface of the container body in the loaded state of the latter when exposed to heat from the spent fuel assemblies, the case is made of stainless steel and includes the upper and lower spacer grids, to which hexagonal pipes are tightly welded to accommodate the spent fuel assemblies, and along the perimeter of the cover there is a lining with the formation of a hermetic annular space filled with neutron-absorbing heat-conducting casting composition.

2. The transport packaging set according to claim 1, characterized in that as the casting composition contains an alloy comprising aluminum and boron.

3. The transport packaging set according to claim 1, characterized in that as the casting composition contains an alloy comprising lead and boron carbide.

4. The transport packaging set according to claim 1, characterized in that as the casting composition contains an alloy comprising copper and boron carbide.

5. The transport packaging set according to claim 1, characterized in that longitudinal tubular elements are passed through the cover, which are located along the longitudinal axis of the cover between the faces of adjacent hexagonal pipes and are tightly welded to the upper and lower spacer grids, respectively.

6. The transport packaging set according to claim 1, characterized in that the material of the container body contains structural steel.

7. The transport packaging set according to claim 1, characterized in that the material of the container body contains cast iron.

8. The transport packaging set according to claim 1, characterized in that to the upper and lower spacer grids of the cover are hermetically welded pipes connected uniformly around the circumference around the longitudinal axis of the cover, through which are threaded fastened to the cover performing the function of the lifting elements of the latter.