RU212286U1

RU212286U1 - Transport packaging container for transportation and temporary storage of substandard spent nuclear fuel

Info

Publication number: RU212286U1
Application number: RU2021135931U
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Гурский; Тимофей Борисович Маликов; Иван Михайлович Яснев
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2022-07-13

Abstract

Полезная модель относится к области атомной энергетики (атомных электростанций) и может быть использована для предотвращения пожара или взрыва от возгорания водорода как продукта радиолиза воды при транспортировке и временном хранении некондиционного ОЯТ реакторов большой мощности канальных (РБМК) в транспортных упаковочных контейнерах (ТУК) в места их переработки. Транспортный упаковочный контейнер включает корпус, внутренняя полость которого перекрыта защитной герметизирующей крышкой. В полости корпуса размещен пенал с дистанционирующими решетками для установки защитных ампул с ОЯТ. Вместо ОЯТ в одной из защитных ампул размещен элемент для каталитического сжигания водорода. Указанный элемент представляет собой пассивный рекомбинатор водорода, выполненный в виде сборки из, по меньшей мере, двух дисков сотовой керамики. Диски отделены друг от друга и удерживаются от перемещения в полости ампулы при помощи дистанционирующих элементов, а на боковой поверхности защитной ампулы выполнены отверстия для обеспечения контакта герметичного газового объема контейнера с внутренним объемом защитной ампулы с рекомбинатором. Полезная модель повышает безопасность транспортировки ОЯТ к местам их переработки за счет каталитического удаления гремучей смеси, образующейся в контейнере в результате радиолиза паров воды. 3 ил.

The utility model relates to the field of nuclear energy (nuclear power plants) and can be used to prevent a fire or explosion from the ignition of hydrogen as a product of water radiolysis during transportation and temporary storage of substandard spent fuel from high-power channel reactors (RBMK) in transport packaging containers (TUK) to places their processing. The transport packaging container includes a body, the inner cavity of which is covered with a protective sealing lid. In the body cavity there is a canister with spacer grids for installing protective ampoules with spent nuclear fuel. Instead of SNF, one of the protective ampoules contains an element for catalytic combustion of hydrogen. The specified element is a passive hydrogen recombiner, made in the form of an assembly of at least two disks of honeycomb ceramics. The discs are separated from each other and kept from moving in the cavity of the ampoule by means of spacers, and holes are made on the side surface of the protective ampoule to ensure contact of the sealed gas volume of the container with the internal volume of the protective ampoule with the recombinator. The utility model improves the safety of SNF transportation to the places of their processing due to the catalytic removal of the explosive mixture formed in the container as a result of water vapor radiolysis. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области атомной энергетики (атомных электростанций) и может быть использована для предотвращения пожара или взрыва от возгорания водорода как продукта радиолиза воды при транспортировке и временном хранении некондиционного отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) реакторов большой мощности канальных (РБМК) в транспортных упаковочных контейнерах (ТУК) в места их переработки.The utility model relates to the field of nuclear energy (nuclear power plants) and can be used to prevent a fire or explosion from the ignition of hydrogen as a product of water radiolysis during transportation and temporary storage of substandard spent nuclear fuel (SNF) of high-power channel reactors (RBMK) in transport packaging containers (TUK) to the places of their processing.

В настоящее время для временного хранения и транспортировки кондиционных ОЯТ реакторов РБМК к местам их переработки разработаны, испытаны и сертифицированы крупногабаритные транспортные упаковочные контейнеры нового поколения ТУК 109Т, налажено их производство в промышленных масштабах, обеспечивающих плановую перевозку ОЯТ. Конструкция ТУК 109Т приведена, например, в патенте RU 2510721 (опубл. 10.04.2014) и описана в статье «Крупногабаритный контейнер ТУК-109Т для перевозки ОЯТ. Обоснование безопасности транспортировки» (Вопросы атомной науки и техники. Серия: материаловедение и новые материалы. №3 (90), 2017, стр. 55-72) и ряде других источников.At present, for temporary storage and transportation of conditioned SNF from RBMK reactors to the places of their processing, large-sized transport packaging containers of the new generation TUK 109T have been developed, tested and certified, their production has been launched on an industrial scale, ensuring the planned transportation of SNF. The design of the TUK 109T is given, for example, in patent RU 2510721 (published on April 10, 2014) and described in the article “Large-sized container TUK-109T for SNF transportation. Substantiation of transportation safety” (Questions of atomic science and technology. Series: materials science and new materials. No. 3 (90), 2017, pp. 55-72) and a number of other sources.

Перед помещением в ТУК отработавшие тепловыделяющие сборки (ТВС) ОЯТ разрезают на две части. Каждую из частей помещают в защитную ампулу, которая представляет собой тонкостенный стакан из нержавеющей стали внутренним диаметром 98 мм и высотой около 4 м с негерметичной крышкой. Ампулы устанавливаются в пенал, который представляет собой каркас с решетками. В пенал может быть установлено до 144 ампул. При помощи дистанционно управляемого захвата пенал с ампулами устанавливается в контейнер. Затем контейнер закрывается крышками и герметизируется.Before being placed in the TUK, the spent fuel assemblies (FA) of SNF are cut into two parts. Each of the parts is placed in a protective ampoule, which is a thin-walled stainless steel glass with an internal diameter of 98 mm and a height of about 4 m with a leaky lid. Ampoules are installed in a case, which is a frame with gratings. Up to 144 ampoules can be installed in the case. With the help of a remotely controlled gripper, the case with ampoules is installed into the container. The container is then closed with lids and sealed.

Одной из проблем транспортировки контейнеров с ОЯТ к местам их переработки и захоронения является обеспечение их водородной безопасности. Радиолиз находящихся в свободном объеме контейнера паров воды приводит к образованию взрывоопасной смеси водорода и кислорода. Основным подходом обеспечения водородной безопасной транспортировки и хранения кондиционного ОЯТ является создание в полости контейнера специальной среды, в которой минимизируется количество воды, не более 0,1 кг на контейнер.One of the problems of transporting containers with spent nuclear fuel to the places of their processing and disposal is to ensure their hydrogen safety. Radiolysis of water vapor in the free volume of the container leads to the formation of an explosive mixture of hydrogen and oxygen. The main approach to ensure safe hydrogen transportation and storage of conditioned SNF is to create a special environment in the cavity of the container, in which the amount of water is minimized, not more than 0.1 kg per container.

Требуемый состав среды обеспечивается операцией вакуумирования контейнера (так называемая вакуумная сушка внутреннего объема контейнера), содержащего ампулы с ОЯТ, с последующим заполнением пространства контейнера газом хранения (азот или аргон).The required composition of the medium is provided by the operation of evacuating the container (the so-called vacuum drying of the inner volume of the container) containing ampoules with SNF, followed by filling the container space with storage gas (nitrogen or argon).

Недостатком описанного ТУК является невозможность его использования для транспортировки некондиционного ОЯТ. Это связано с тем, что в некондиционном ОЯТ содержится большое количество воды. При загрузке такого ОЯТ в ампулы большая часть воды сливается. Тем не менее, после загрузки всех ампул в контейнере остается до 40 кг воды. Удаление такого количества воды методом вакуумирования контейнера занимает длительное время (несколько суток) и сопровождается выходом с парами воды за пределы пространства контейнера продуктов деления в виде аэрозолей и образованию большого количества жидких радиоактивных отходов.The disadvantage of the described TUK is the impossibility of its use for the transportation of substandard SNF. This is due to the fact that the off-grade SNF contains a large amount of water. When loading such SNF into ampoules, most of the water is drained. However, after loading all the ampoules, up to 40 kg of water remains in the container. Removal of such an amount of water by container vacuuming takes a long time (several days) and is accompanied by the release of fission products in the form of aerosols with water vapor outside the container space and the formation of a large amount of liquid radioactive waste.

Известен контейнер, с использованием которого реализован способ освобождения газовой среды внутренней полости контейнера для транспортировки отработавших тепловыделяющих сборок от водяных паров (патент РФ №2238599, опубл. 20.10.2004). Контейнер содержит корпус, внутренняя полость которого перекрыта защитной герметизирующей крышкой. Во внутреннюю полость контейнера вставлена решетка с отверстиями-ячейками для установки ампул с отработавшими сборками ТВЭЛ. В такой решетке предусмотрены места для установки, например, 3-х блоков, каждый из которых содержит две герметичные упаковки с геттерным материалом. В качестве геттерного материала используют, например, оксид кальция, поглощающий пары воды с образованием гидроксида кальция. После установки упаковок с геттерным материалом в контейнер и герметизации контейнера осуществляют разгерметизацию упаковок радиационным и/или тепловым воздействием ОЯТ, помещенных в контейнер. Изобретение обеспечивает возможность оптимального использования геттерного материала благодаря исключению преждевременного контакта последнего с газовой средой, заполняющей внутреннюю полость контейнера, что в конечном итоге обеспечивает повышение водородной безопасности.A container is known, using which a method is implemented for releasing the gaseous medium of the inner cavity of a container for transporting spent fuel assemblies from water vapor (RF patent No. 2238599, publ. 20.10.2004). The container contains a body, the inner cavity of which is covered with a protective sealing lid. A grid with mesh holes is inserted into the inner cavity of the container for installing ampoules with spent fuel assemblies. In such a lattice, places are provided for installing, for example, 3 blocks, each of which contains two sealed packages with getter material. As a getter material, for example, calcium oxide is used, which absorbs water vapor to form calcium hydroxide. After the packages with the getter material are installed in the container and the container is sealed, the packages are depressurized by the radiation and/or thermal effects of the SNF placed in the container. EFFECT: invention provides the possibility of optimal use of the getter material due to the exclusion of premature contact of the latter with the gaseous medium filling the inner cavity of the container, which ultimately ensures an increase in hydrogen safety.

Для транспортировки некондиционного топлива такой способ также неприменим. Прежде всего, это связано с тем, что, согласно патенту, введение в ТУК геттерного материала является дополнительной мерой удаления паров воды после обязательной процедуры его вакуумирования (вакуумной сушки). Без предварительного вакуумирования для удаления из контейнера 40 кг воды (в случае транспортировки некондиционного ОЯТ в крупногабаритном контейнере) требуется устанавливать в транспортный контейнер герметичные упаковки геттерного материала в количестве, по меньшей мере, 150 кг (двукратный избыток геттерного материала). Это приводит к необходимости существенных изменений конструкции контейнера (установка дополнительных элементов внутри контейнера). Кроме того, внесение в объем контейнера большого количества геттерного материала (оксид кальция) приводит к существенному увеличению объема радиоактивных отходов, образующихся при разгрузке контейнера в местах переработки ОЯТ.For the transportation of substandard fuel, this method is also inapplicable. First of all, this is due to the fact that, according to the patent, the introduction of a getter material into the TUK is an additional measure for removing water vapor after the obligatory procedure of its evacuation (vacuum drying). Without preliminary evacuation, to remove 40 kg of water from the container (in the case of transportation of substandard SNF in a large container), it is required to install sealed packages of getter material in the transport container in an amount of at least 150 kg (a twofold excess of getter material). This leads to the need for significant changes in the design of the container (installation of additional elements inside the container). In addition, the introduction of a large amount of getter material (calcium oxide) into the volume of the container leads to a significant increase in the volume of radioactive waste generated during unloading of the container at the sites of SNF processing.

Известен защитный контейнер (патент РФ №1085421, опубл. 20.01.1995), предназначенный для перевозки отработавших тепловыделяющих элементов АЭС, в том числе АЭС с реактором типа РБМК, к местам расположения заводов по переработке облученного ядерного топлива. Защитный контейнер содержит корпус, заполненный водой до уровня, определяемого сливным отверстием. Для предотвращения накопления гремучей смеси в результате радиолиза паров воды, в контейнере установлено многоэлементное устройство для каталитического сжигания водорода (рекомбинатор водорода), представляющее собой металлический каркас с закрепленными на нем каталитическими элементами. Каждый из элементов имеет металлический корпус, в который вмонтирован катализатор в виде керамических трубок, на внутреннюю и наружную поверхность которых нанесена платиновая чернь. Поверхность каждого элемента катализатора гидрофобизирована. Многоэлементное устройство каталитического сжигания водорода закреплено на нижней поверхности крышки контейнера.A protective container is known (RF patent No. 1085421, publ. 01/20/1995), intended for the transportation of spent fuel elements of nuclear power plants, including nuclear power plants with an RBMK type reactor, to the locations of plants for processing irradiated nuclear fuel. The protective container contains a housing filled with water to a level determined by the drain hole. To prevent the accumulation of an explosive mixture as a result of radiolysis of water vapor, a multi-element device for catalytic combustion of hydrogen (hydrogen recombiner) is installed in the container, which is a metal frame with catalytic elements fixed on it. Each of the elements has a metal case, in which a catalyst is mounted in the form of ceramic tubes, on the inner and outer surfaces of which platinum black is applied. The surface of each catalyst element is hydrophobized. The multi-element hydrogen catalytic combustion device is fixed on the lower surface of the container lid.

К недостаткам описанного в аналоге контейнера следует отнести необходимость его заполнения водой, что влечет за собой появление больших объемов жидких радиоактивных отходов, требующих дальнейшей переработки. При этом радиолиз паров воды происходит в верхней части контейнера, где размещен рекомбинатор водорода. В случае «сухого» размещения ОЯТ радиолиз паров воды происходит по всей высоте объема контейнера и эффективность работы рекомбинатора, при его установке в верхней части контейнера, снижается. Кроме того, в контейнере ТУК 109Т не предусмотрено место для размещения каталитического рекомбинатора водорода. Введение подобного рекомбинатора в состав ТУК 109Т приводит к необходимости доработки его конструкции (крепление элементов рекомбинаторов в крышке контейнера), и, как следствие, требует последующего проведения трудозатратных полномасштабных испытаний ТУК с целью его сертификации в соответствии с требованиями российских правил обеспечения безопасности на предприятиях атомной энергетики. С учетом того, что количество некондиционных ОЯТ составляет не более 0,5% от общего количества подлежащих переработке ОЯТ, такая доработка ТУК экономически невыгодна.The disadvantages of the container described in the analogue should include the need to fill it with water, which entails the appearance of large volumes of liquid radioactive waste requiring further processing. In this case, the radiolysis of water vapor occurs in the upper part of the container, where the hydrogen recombiner is located. In the case of "dry" placement of SNF, the radiolysis of water vapor occurs over the entire height of the container volume and the efficiency of the recombiner, when installed in the upper part of the container, decreases. In addition, the TUK 109T container does not provide space for a catalytic hydrogen recombiner. The introduction of such a recombiner into the composition of the TUK 109T leads to the need to refine its design (fastening the elements of the recombiners in the lid of the container), and, as a result, requires subsequent labor-intensive full-scale tests of the TUK in order to certify it in accordance with the requirements of Russian safety regulations at nuclear power plants . Taking into account the fact that the amount of substandard SNF is no more than 0.5% of the total amount of SNF to be reprocessed, such a refinement of the TUK is not economically profitable.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при использовании заявляемой полезной модели, заключается в расширении арсенала транспортных упаковочных контейнеров для транспортирования и временного хранения некондиционного ОЯТ, в том числе ОЯТ, содержащих большое количество воды и создании устройства, которое позволит без внесения изменений в конструкцию ТУК значительно повысить безопасность их транспортировки к местам переработки за счет каталитического удаления гремучей смеси, образующейся в контейнере в результате радиолиза паров воды.The technical problem, the solution of which is provided by using the claimed utility model, is to expand the arsenal of transport packaging containers for transportation and temporary storage of substandard SNF, including SNF containing a large amount of water and to create a device that will allow, without making changes to the design of the TUK, to significantly increase safety of their transportation to processing sites due to the catalytic removal of the explosive mixture formed in the container as a result of water vapor radiolysis.

Решение проблемы с достижением технического результата обеспечивается тем, что транспортный упаковочный контейнер для транспортировки и временного хранения ОЯТ, включающий корпус, внутренняя полость которого перекрыта защитной герметизирующей крышкой и в которой размещен пенал с дистанционирующими решетками для установки защитных ампул с ОЯТ, контейнер снабжен элементом для каталитического сжигания водорода, при этом указанный элемент размещен вместо ОЯТ в одной из защитных ампул и представляет собой пассивный рекомбинатор водорода, выполненный в виде сборки из, по меньшей мере, двух дисков сотовой керамики, при этом диски отделены друг от друга и удерживаются от перемещения в полости ампулы при помощи дистанционирующих элементов, а на боковой поверхности защитной ампулы выполнены отверстия для обеспечения контакта герметичного газового объема контейнера с внутренним объемом защитной ампулы с рекомбинатором. Кроме того, на поверхность каждого диска нанесен катализатор дожигания водорода, а поверхность катализатора гидрофобизирована.The solution to the problem with the achievement of the technical result is provided by the fact that the transport packaging container for transportation and temporary storage of SNF, including a body, the inner cavity of which is covered with a protective sealing cover and in which a canister with spacer grids for installing protective ampoules with SNF is placed, the container is equipped with an element for catalytic hydrogen combustion, while the specified element is placed instead of SNF in one of the protective ampoules and is a passive hydrogen recombiner, made in the form of an assembly of at least two disks of honeycomb ceramics, while the disks are separated from each other and are kept from moving in the cavity ampoules with the help of spacer elements, and holes are made on the side surface of the protective ampoule to ensure contact of the sealed gas volume of the container with the internal volume of the protective ampoule with the recombiner. In addition, a catalyst for afterburning hydrogen is applied to the surface of each disk, and the surface of the catalyst is hydrophobized.

Достигаемые преимущества и особенности предлагаемой полезной модели поясняются вариантом ее выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.The achieved advantages and features of the proposed utility model are explained by its implementation with reference to the attached figures.

Транспортный контейнер ТУК 109Т (фиг. 1) выполнен в виде металлической цилиндрической конструкции, состоящей из корпуса 1 и двух крышек - внутренней 2 и наружной 3. Во внутренней полости ТУК размещается чехол 4 для загрузки ампул с ОЯТ.The transport container TUK 109T (Fig. 1) is made in the form of a metal cylindrical structure, consisting of a body 1 and two covers - inner 2 and outer 3. In the inner cavity of the TUK there is a cover 4 for loading ampoules with spent nuclear fuel.

Чехол 4 (фиг. 2) представляет собой сварную металлоконструкцию, выполненную из нержавеющей стали и состоящую из пяти решеток 5, плиты верхней 6 и нижней 7, установленных на трубу 8 и объединенных стойками (на фиг.не показаны). В каждой из решеток 5 равномерно выполнены отверстия 10 для установки ампул с ОЯТ.Case 4 (Fig. 2) is a welded metal structure made of stainless steel and consisting of five gratings 5, upper 6 and lower 7 plates mounted on pipe 8 and united by racks (not shown in Fig.). Holes 10 are evenly made in each of the gratings 5 for installing ampoules with SNF.

Ампула для размещения ОЯТ (фиг. 3а) представляет собой корпус 11 с хвостовиком 12 и съемной крышкой 13. В верхней части корпуса 11 ампулы установлен пружинный демпфер 14, обеспечивающий снижение продольных нагрузок на ОЯТ, размещаемые межу демпфером и дном ампулы.The ampoule for placing SNF (Fig. 3a) is a body 11 with a shank 12 and a removable cover 13. A spring damper 14 is installed in the upper part of the body 11 of the ampoule, which reduces the longitudinal loads on the SNF placed between the damper and the bottom of the ampoule.

В предлагаемой полезной модели пассивный рекомбинатор водорода установлен в одной из описанных выше ампул вместо ОЯТ (фиг. 3б). Внутри корпуса 11 между пружинным демпфером 14 и дном ампулы размещен набор цилиндрических элементов сотовой керамики 15 с нанесенным на их поверхность катализатором рекомбинации водорода. Поверхность катализатора гидрофобизируется. Цилиндрические диски сотовой керамики 15 удерживаются от перемещения в полости ампулы при помощи дистанционирующих элементов 16, которые зафиксированы пружинным демпфером 14. Для обеспечения контакта атмосферы контейнера с катализатором в корпусе ампулы выполнена перфорация 17.In the proposed utility model, a passive hydrogen recombiner is installed in one of the ampoules described above instead of SNF (Fig. 3b). Inside the body 11 between the spring damper 14 and the bottom of the ampoule there is a set of cylindrical elements of honeycomb ceramics 15 with a hydrogen recombination catalyst deposited on their surface. The surface of the catalyst is hydrophobized. Cylindrical disks of honeycomb ceramics 15 are kept from moving in the cavity of the ampoule with the help of spacer elements 16, which are fixed by a spring damper 14. Perforation 17 is made in the ampoule body to ensure contact between the atmosphere of the container and the catalyst.

Если в данный контейнер предполагается загрузить некондиционное ОЯТ, то в одно из мест ближе к центру пенала устанавливается ампула с пассивным рекомбинатором водорода. После загрузки ампул с ОЯТ в контейнер и его герметизации нет необходимости полного удаления воды из контейнера. Образующийся при хранении такого контейнера с загруженными ампулами с ОЯТ водород и кислород будут утилизироваться на каталитических элементах пассивного рекомбинатора. Так как в процессе хранения не происходит расходование материала рекомбинатора (как в аналоге 2), это позволяет безопасно хранить ОЯТ в таком контейнере в течение длительного времени, регламентируемым конструкцией ТУК.If it is supposed to load substandard SNF into this container, then an ampoule with a passive hydrogen recombiner is installed in one of the places closer to the center of the canister. After loading the SNF ampoules into the container and sealing it, there is no need to completely remove water from the container. The hydrogen and oxygen formed during storage of such a container with loaded SNF ampoules will be utilized on the catalytic elements of the passive recombiner. Since the storage process does not consume the recombiner material (as in analogue 2), this makes it possible to safely store SNF in such a container for a long time, regulated by the TUK design.

После выгрузки ОЯТ из контейнера в месте хранения или переработки, съемная ампула с рекомбинатором может быть утилизирована, аналогично ампулам с ОЯТ, или дезактивируется и возвращается для повторной загрузки ОЯТ в ТУК.After SNF is unloaded from the container at the place of storage or reprocessing, the removable ampoule with the recombiner can be disposed of, similarly to SNF ampoules, or deactivated and returned for SNF reloading into the TUK.

Предлагаемое техническое решение устраняет проблему образования взрывоопасных концентраций водорода в газовой среде контейнера ТУК 109Т без изменения его конструкции и обеспечивает безопасную транспортировку и хранение некондиционных ОЯТ. Таким образом, осуществляется универсализация контейнера ТУК 109Т - как для перевозки кондиционного ОЯТ, так и некондиционного ОЯТ. Такой подход может быть реализован и для других ТУК (без внесения изменений в их конструкцию), в которых возможно размещение пассивного рекомбинатора водорода в ампуле, предназначенной для загрузки ОЯТ.The proposed technical solution eliminates the problem of the formation of explosive concentrations of hydrogen in the gaseous environment of the TUK 109T container without changing its design and ensures the safe transportation and storage of substandard SNF. Thus, the universalization of the TUK 109T cask is being carried out - both for the transportation of conditioned SNF and substandard SNF. This approach can also be implemented for other TUKs (without making changes to their design), in which it is possible to place a passive hydrogen recombiner in an ampoule intended for SNF loading.

Claims

1. A transport packaging container for transportation and temporary storage of substandard spent nuclear fuel, including a body, the inner cavity of which is covered with a protective sealing cover and in which a canister (case) is placed, which is a welded structure in the form of a frame from installed on a pipe between the upper and lower plates spacer grids having evenly made holes for installing removable protective ampoules with SNF in them, while the tube of the canister is coaxial with the container body, the container is equipped with an element for catalytic hydrogen combustion, which is placed instead of SNF in one of the protective ampoules and is a passive hydrogen recombiner, made in the form of an assembly of at least two disks of honeycomb ceramics, while the disks are separated from each other and kept from moving in the ampoule cavity by means of spacer elements, and holes are made on the side surface of the protective ampoule to ensure contact sealed gas volume of the container with the internal volume of the protective ampoule with the recombiner.

2. A transport packaging container according to claim 1, characterized in that a catalyst for afterburning hydrogen is applied to the surface of each disk, and the surface of the catalyst is hydrophobized.