способ упаковки отработавшего ядерного топлива

Формула изобретения

1. Способ упаковки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), включающий его загрузку с помощью дистанционирующих элементов в контейнер из коррозионностойкого металла, приварку к контейнеру верхней крышки, разогрев контейнера, заливку ОЯТ расплавленным легкплавким металлом и проведение отверждения расплава, отличающийся тем, что загрузку ОЯТ осуществляют с заполнением большей части свободного пространства в контейнере массивными элементами из легкоплавкого металла, а заливку ОЯТ осуществляют при расплавлении этих элементов непосредственно в контейнере.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легкоплавкого металла для массивных элементов используют свинец или сплав на его основе.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в верхней части контейнера размещен геттер для поглощения радиоактивных и/или химически активных газов.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в нижней части контейнера размещен дополнительный элемент, выполненный из более легкоплавкого металла чем металл массивных элементов, а заливку ОЯТ осуществляют при расплавлении этого дополнительного элемента и заполнении образовавшимся расплавом газовых полостей между отработавшим ядерным топливом и массивными элементами.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что объем дополнительного элемента выбирается равным или большим, чем объем газовых полостей в контейнере в зоне размещения ОЯТ.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что после расплавления дополнительных элементов и заливки полученным расплавом ОЯТ проводят расплавление и массивных элементов и гомогенизацию расплава.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что массивные элементы выполнены из свинца, а дополнительный элемент из сплава на его основе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ядерной технологии и может быть использовано для упаковки отработавшего ядерного топлива с целью его транспортировки и/или длительного хранения.

Известен способ хранения кассет, содержащих отработавшее ядерное топливо (далее - ОЯТ) в приреакторных бассейнах выдержки под слоем воды.

Недостатком способа является высокая вероятность выхода радионуклидов вследствие относительно высокой скорости коррозии элементов конструкции кассет и оболочек твэлов в воде. Поэтому длительность хранения ОЯТ по этому способу не может превышать несколько десятков лет с момента извлечения кассет из ядерного реактора [1].

Известен способ сухого хранения ОЯТ путем размещения его (после выдержки в течении нескольких лет в воде) в толстостенных бетонных или металлических контейнерах, заполненных инертным газом [2].

Недостатком способа является недостаточно эффективный теплоотвод от поверхности конструктивных элементов кассет, высокая температура их разогрева и, вследствие этого, относительно высокая скорость коррозии оболочек твэлов. Поэтому способ не позволяет обеспечить надежное хранение ОЯТ в течение длительного времени (более 100 лет) и не позволяет предотвратить выделение радионуклидов из ОЯТ. Кроме того, реализация способа в большинстве случаев возможна только при осуществлении принудительной вентиляции контейнера, что дополнительно снижает надежность хранения ОЯТ.

Известен способ упаковки содержащих ОЯТ кассет или связок твэлов путем размещения их с помощью дистанционирующих элементов в тонкостенном контейнере из коррозионностойкого металла, приварки к контейнеру верхней крышки с отверстиями для заливки расплавленного металла и вентиляции, разогрева контейнера с ОЯТ, заливки в контейнер через верхнее отверстие расплавленного свинца или легкоплавкого сплава на основе свинца, проведение отверждения расплава в контейнере, заварка отверстий в верхней крышке и проведение операции текущего и окончательного контроля герметичности контейнера с ОЯТ [3, 4]. Этот способ является наиболее близким к изобретению по достигаемому результату и по технической сущности.

Достоинством способа является повышение надежности длительного хранения ОЯТ за счет создания дополнительного высокоэффективного коррозионного барьера между ОЯТ и окружающей средой, обеспечения удержания радиоактивных продуктов внутри контейнера, ослабление излучения от ОЯТ, повышения эффективности охлаждения ОЯТ, а также возможности использования способа не только для долговременного хранения, но и для транспортировки ОЯТ.

Недостатками способа являются высокая вероятность разгерметизации оболочек твэлов при нагреве их в процессе заливки расплавом или в процессе подготовки к заливке и выхода значительного количества радиоактивных газов в систему газоочистки или в окружающую среду, а также многостадийность и сложность проведения процесса заливки контейнера.

Целью изобретения является снижение вероятности разгерметизации оболочек твэлов и снижение выхода радиоактивных веществ из ОЯТ при осуществлении его упаковки.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе упаковки ОЯТ (включающем загрузку содержащих ОЯТ топливных кассет и/или связок твэлов с помощью дистанционирующих приспособлений в контейнере из коррозионностойкого металла, приварки к контейнеру верхней крышки, разогрева контейнера с ОЯТ, заливку ОЯТ расплавленным металлом, проведение отверждения расплава в контейнере и герметизацию контейнера с ОЯТ) при загрузке контейнера в него дополнительно помещают массивные элементы из легкоплавкого металла, а заливку ОЯТ расплавленным металлом осуществляют путем расплавления этих массивных элементов при их нагреве в контейнере.

По одному из частных вариантов способа поставленная цель достигается также тем, что расплавление массивных элементов в контейнере осуществляют после приварки крышки и полной герметизации контейнера.

По другому частному варианту способа в контейнере размещают дополнительный материал, выполненный из металла более легкоплавкого, чем металл массивных элементов, а заливку ОЯТ осуществляют при расплавлении этого дополнительного материала. В этом варианте выполнения способа дополнительный материал может быть размещен в нижней части контейнера, а расплавление дополнительного элемента и поступление расплава в газовые полости в зоне размещения ОЯТ в контейнере сопровождается перемещением массивных элементов и ОЯТ сверху вниз. В этом варианте выполнения способа объем дополнительного элемента выбирается равным или большим, чем суммарный объем газовых полостей в зоне размещения ОЯТ в контейнере. По этому же варианту способа после расплавления дополнительного элемента и заливки ОЯТ проводят расплавление массивных элементов и гомогенизацию расплава.

По другому частному варианту способа после отверждения расплава проводят разгерметизацию газовой полости в верхней части контейнера и заполнение ее расплавленным свинцом или сплавом на его основе.

По другому частному варианту способа в верхней части контейнера размещают геттер для поглощения радиоактивных и/или химически активных газов.

Сущность изобретения состоит в том, что заливку ОЯТ расплавленным металлом осуществляют путем расплавления предварительно помещенных в контейнер массивных элементов из легкоплавкого металла, например из свинца или сплава на его основе. При этом возникает возможность провести заливку при минимальном выходе радиоактивных элементов из ОЯТ и при привареной крышке контейнера, т.е. без выброса радиоактивных веществ в окружающую среду. Для обеспечения полной заливки ОЯТ объем массивных элементов, загружаемых в контейнер, выбирают с учетом полной заливки ОЯТ и заполнения всех зазоров и полостей в зоне размещения ОЯТ внутри контейнера. При использовании дополнительного элемента, размещенного в нижней части контейнера и выполненного из более легкоплавкого, чем основные блоки материала, возникает возможность существенно снизить температуру заливки ОЯТ и за счет этого еще более уменьшить раскрытие поврежденных оболочек и выход радиоактивных веществ за пределы ОЯТ и в объем контейнера.

На фиг. 1 приведен продольный разрез снаряженного контейнера с заваренной крышкой перед его нагревом для расплавления блоков из свинца или сплава на его основе; на фиг. 2 - продольный разрез контейнера после расплавления блоков и заливки ОЯТ; на фиг. 3 - продольный разрез снаряженного контейнера с заваренной крышкой перед его нагревом для расплавления дополнительного элемента, размещенного в нижней части контейнера; на фиг. 4 - продольный разрез контейнера после расплавления дополнительного элемента и заливки ОЯТ.

Пример 1. В контейнер, состоящий (см. фиг. 1) из цилиндрической обечайки 1 и приваренной к ней донной части 2, загружают ОЯТ 3 в виде связок твэлов и массивные элементы 4 и 5, выполненные, соответственно, в виде слитка цилиндрической формы 4 с полостями для размещения ОЯТ и крепежно- цинтрирующих элементов 7 и донной плиты 5. Контейнер 1 и 2 выполнен из коррозионностойкого сплава 06X18H10T, а массивные элементы 4 и 5 выполнены из свинца марки C2, который содержит не менее 99,9% Pb и имеет температуру плавления 327,4^oC. Загрузку и размещение ОЯТ 3 и элементов 4 и 5 в контейнере 1 и 2 проводят с помощью конструктивных элементов, выполненных, соответственно, в виде опорной плиты 6 и центрирующе-крепежных элементов 7. После загрузки ОЯТ и массивных элементов в контейнер, его герметизируют путем приварки к нему крышки 8, выполненной из коррозионностойкого сплава. Контейнер помещают в нагревательную печь и проводят разогрев его поверхности до температуры 350^oC. В процессе нагрева массивных элементов 4 и 5 происходит их плавление и заполнение расплавом металла газовых полостей и зазоров 9, а также заливка расплавом зазоров между элементами ОЯТ. Элементы ОЯТ удерживаются от всплытия с помощью фиксаторов (не показаны). После окончания плавления и заливки расплавом ОЯТ, контейнер охлаждают и проводят кристаллизацию расплава с формированием в верхней части контейнера газовой полости (см. фиг. 1). В газовой полости может быть размещен геттер для поглощения агрессивных и радиоактивных газов (не показан).

Пример 2. В контейнер, состоящий (см. фиг. 2) из цилиндрической обечайки 1 и приваренной к ней донной части 2, загружают ОЯТ 3 в виде связок твэлов и массивные элементы 4 и 5. Массивный элемент 4 выполнен в виде слитка цилиндрической формы 4 с полостями для размещения ОЯТ 3 и крепежно- центрирующих элементов 7. Элемент 5 выполнен в виде донной плитки 5, над которой размещается дополнительный элемент 6, выполненный из более легкоплавкого, чем массивные элементы металла. Объем дополнительного элемента выбирается таким, чтобы при его расплавлении можно было заполнить все газовые полости в зоне размещения ОЯТ в контейнере. Контейнер 1 и 2 выполнен из коррозионностойкого сплава 06X18H10T, массивные элементы 4 и 5 выполнены из свинца марки C2 (содержит не менее 99,9% Pb и имеет температуру плавления 327,4^oC), а дополнительный элемент 6 выполнен из сплава легкоплавкой эвтектики 44,5%Pb - 55,5%Bi с температурой плавления 123,5^oC. Загрузку и размещение ОЯТ 3, элементов 4, 5 и 6 в контейнер 1 и 2 проводят с помощью конструктивных элементов, выполненных, соответственно, в виде опорной плиты 7 и центрирующе-крепежных элементов 8. После загрузки ОЯТ и массивных элементов 4, 5 и дополнительного элемента в контейнер, его герметизируют путем приварки к нему крышки 9, выполненной из коррозионностойкого сплава. Контейнер помещают в нагревательную печь и проводят разогрев его поверхности до температуры приблизительно 130^oC. В процессе нагрева дополнительного элемента 6 происходит его плавление и заполнение расплавом металла газовых полостей и зазоров 10 и 11, а также заливка расплавом зазоров между элементами ОЯТ. В процессе расплавления дополнительного элемента и перетекания образовавшегося расплава в газовые полости 10 и 11 происходит перемещение ОЯТ 3 и массивных элементов 4 сверху-вниз. Элементы ОЯТ удерживаются от всплытия специальными фиксаторами, которые не показаны на фиг. 2, 3, 4. После окончания плавления и заливки расплавом ОЯТ, контейнер охлаждают и проводят кристаллизацию расплава с формированием в верхней части контейнера газовой полости (см. фиг. 4). В газовой полости может быть размещен геттер для поглощения агрессивных и радиоактивных газов (не показан).

Пример 3. Проводят загрузку ОЯТ 3 и массивных элементов 4 и 5 в контейнер как в примере 1 (см. фиг. 1). Приваривают к контейнеру крышку, снабженную герметизированным патрубком. Проводят заливку расплавом ОЯТ как в примере 1 и кристаллизацию расплава. После окончания кристаллизации расплава патрубок подключают к системе газоочистки и проводят его разгерметизацию, а затем через этот патрубок проводят заливку расплавленным свинцом газовой полости 10 (см. фиг. 2). После полного или частичного заполнения полости 10 расплавом проводят его кристаллизацию и герметизацию патрубка.

Использование предложенного способа позволяет повысить надежность длительного хранения ОЯТ за счет создания дополнительного высокоэффективного коррозионного барьера между ОЯТ и окружающей средой, обеспечить удержание радиоактивных продуктов внутри контейнера, ослабить излучение от ОЯТ, повысить эффективность охлаждение ОЯТ, а также позволяет использовать способ не только для долговременного хранения, но и для транспортировки ОЯТ. Кроме того, способ позволяет существенно снизить вероятность разгерметизации оболочек твэлов при нагреве их в процессе заливки расплавом или в процессе подготовки к заливке и выхода значительного количества радиоактивных газов в систему газоочистки или в окружающую среду. Способ позволяет также существенно упростить технологический процесс заливки ОЯТ расплавом.

Источники информации

1. Тихонов Н. С. и др. О состоянии работ по хранению отработавшего топлива. Вторая межотраслевая конференция по проблеме хранения и транспортировки обработавшего ядерного топлива. Ленинград, октябрь 1990 г., с. 23-26.

2. Nuclear Europe Worldscan, N 3,4 - 1990, p.36.

3. Second interim assessment of the Canad. conceptfor Nucl.fuel waste disposal, AECL-8373-2, 1984.

4. International Symposium on Sptnt Fuel Storage Safety Engineering and Environmental Aspects. Velyukhanov V.P., Ioltukhovsky A.G., Polykov A.C. and others. Concept of long-term safe storage of RBMK Leaky Spent Fuel in Metal Matrix. Vienna, 10-14 October, 1994.