устройство для хранения радиоактивных материалов

Формула изобретения

1. Устройство для хранения радиоактивных материалов в виде корзины, содержащей множество прямых металлических труб (10), расположенных в виде пучка, и монтажные средства (14), группирующие трубы параллельно друг другу по регулярной сетке с образованием множества смежных отделений (16), приспособленных для размещения указанных радиоактивных материалов, при этом каждая из труб (10) образует по существу сплошную стенку соответствующего отделения (16), отличающееся тем, что корзина содержит также множество металлических крестовин (12), каждая из которых включает по меньшей мере три фланца (18), соединенные друг с другом посредством общей кромки, при этом крестовины (12) расположены между трубами (10) с образованием второй по существу сплошной стенки вокруг первой стенки каждого отделения (16) по меньшей мере в частичном контакте с ней.

2. Устройство для хранения по п.1, отличающееся тем, что крестовины (12) находятся в контакте друг с другом посредством наружных кромок их фланцев (18), противоположных указанным общим кромкам.

3. Устройство для хранения по п.2, отличающееся тем, что наружные кромки фланцев (18) крестовин (12) снабжены плоскими поверхностями (20), по существу параллельными плоскостям фланцев (18), при этом крестовины (12) контактируют друг с другом посредством плоских поверхностей (20).

4. Устройство для хранения по п.2, отличающееся тем, что находящиеся в контакте друг с другом наружные кромки фланцев (18) крестовин (12) имеют взаимно дополняющую форму типа шип (22) - паз (24) с возможностью введения их друг в друга.

5. Устройство для хранения по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что трубы (10) имеют квадратное или прямоугольное поперечное сечение, а крестовины (12) содержат четыре фланца (18) вдоль двух ортогональных друг другу направлений.

6. Устройство для хранения по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что трубы (10) имеют шестиугольное поперечное сечение, а крестовины (12) содержат три фланца (18) вдоль трех образующих углы в 120° направлений.

7. Устройство для хранения по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что трубы (10) имеют круглое сечение, а крестовины (12) содержат четыре фланца (18) вдоль двух ортогональных друг другу направлений.

8. Устройство для хранения по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что длина крестовин (12) по существу равна длине труб (10).

9. Устройство для хранения по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что каждая крестовина (12) образована из сегментов (38) крестовин, расположенных концом к концу, так, что общая длина указанных сегментов (38) по существу равна длине трубы (10).

10. Устройство для хранения по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что фланцы (18) крестовин (12) содержат по меньшей мере два контактирующих друг с другом слоя из различных материалов.

11. Устройство для хранения по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что крестовины (12) содержат по меньшей мере один слой материала, выбранного из группы, содержащей алюминий, медь и их сплавы.

12. Устройство для хранения по любому из пп.1-11, отличающееся тем, что по меньшей мере одна из множества труб (10) и множества крестовин (12) содержит материал, включающий поглощающий нейтроны компонент.

13. Устройство для хранения по п.12, отличающееся тем, что поглощающий нейтроны компонент выбран из группы, содержащей бор, гафний и кадмий.

14. Устройство для хранения по п.12, отличающееся тем, что поглощающий нейтроны компонент является бором, обогащенным бором 10 по меньшей мере на 80 мас.%.

15. Устройство для хранения по любому из пп.1-14, отличающееся тем, что трубы (10) и монтажные средства (14) выполнены из материалов, выбранных из группы, содержащей нержавеющие стали, углеродистые стали, алюминий и его сплавы и титан.

16. Устройство для хранения по любому из пп.1-15, отличающееся тем, что монтажные средства (14) содержат по меньшей мере две металлические охватывающие структуры (26), которые охватывают пучки труб (10) на разных уровнях.

17. Устройство для хранения по п.16, отличающееся тем, что охватывающие структуры (26) выполнены из материала с коэффициентом теплового расширения, меньшим или равным коэффициенту теплового расширения материала, из которого выполнены трубы (10).

18. Устройство для хранения по любому из пп.1-15, отличающееся тем, что монтажные средства (14) содержат по меньшей мере две расположенные на разных уровнях корзины пластины (30) и соединительные устройства (32а, 32b), скрепляющие указанные пластины (30) друг с другом, при этом в каждой пластине выполнено множество отверстий (34), образующих сетчатую структуру, имеющую одинаковую форму, соответствующую поперечному сечению труб (10), с возможностью введения труб (10) в эти отверстия (34).

19. Устройство для хранения по п.18, отличающееся тем, что по меньшей мере одна из пластин (30) находится на конце корзины.

20. Устройство для хранения по любому из п.18 или 19, отличающееся тем, что соединительные устройства (32а, 32b) прикреплены к пластинам (30) с помощью винтов (42, 44).

21. Устройство для хранения по любому из пп.18-20, отличающееся тем, что каждое соединительное устройство (32а, 32b) имеет внутреннюю поверхность, ответную наружной огибающей поверхности пучка труб (10) и соответствующих крестовин (2), и наружную поверхность правильной формы, образующую наружную поверхность корзины и придающую ей правильную форму.

22. Устройство для хранения по любому из пп.1-21, отличающееся тем, что указанная корзина содержит жесткое дно (28).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для хранения радиоактивных материалов и более точно касается устройства для хранения в виде корзины, содержащей множество смежных отделений, каждое из которых выполнено с возможностью хранения кондиционированных радиоактивных материалов, например топливных элементов ядерных реакторов.

Корзину для хранения, согласно настоящему изобретению, можно использовать, в частности, для транспортировки или хранения топливных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов или других ядерных материалов во влажных или сухих условиях окружающей среды. При транспортировке и хранении корзину, согласно настоящему изобретению, можно размещать в контейнере для транспортировки или хранения, в бассейне ядерного реактора или внутри здания. Ее можно также помещать в захоронение в геологических слоях.

В соответствии с настоящим изобретением, в частности, можно изготавливать компактные корзины с правильным многоугольным поперечным сечением, например шестиугольным. Корзины такого типа можно использовать для размещения в них оптимально по объему топливных элементов с шестиугольным поперечным сечением, таких как элементы типа VVER, используемые в некоторых ядерных реакторах. Кроме того, корзина, согласно настоящему изобретению, может быть образована из отделений с более простым поперечным сечением, например квадратным или прямоугольным. В такой корзине можно размещать, в частности, топливные элементы, часто применяемые в легководных ядерных реакторах.

В соответствии с уровнем техники подлежащие транспортировке топливные элементы для ядерных реакторов и другие радиоактивные материалы обычно сначала размещают в гнездах или отделениях корзины (называемой также стеллажом или стеллажом для хранения), которую, в свою очередь, размещают во внутренней полости транспортного контейнера или контейнера для хранения или в соответствующей установке для хранения.

Корзины такого типа должны выполнять множество функций.

Эти функции включают, в частности, обеспечение механической прочности и герметичности объема для радиоактивных материалов, а также простоту в обращении.

Кроме того, в зависимости от типа радиоактивных материалов, корзина должна выполнять различные функции, относящиеся к ядерной безопасности во время транспортировки или хранения. Эти функции включают, в основном, необходимость рассеяния тепла, создаваемого материалами, размещенными в корзине, и контроль за критичностью массы ядерных материалов, когда эти материалы являются расщепляющимися радиоактивными материалами, которые могут вызвать цепную реакцию.

Функция механической прочности корзины должна обеспечивать сохранение целостности геометрической формы и герметичности корзины во время операций погрузки-разгрузки и транспортировки, то есть при обращении с корзиной в условиях воздействия ускорений, возникающих при транспортировке, а также в случае случайного столкновения или падения корзины. Также необходимо сохранение контроля над критичностью массы ядерного материала в этих условиях.

Известные из уровня техники корзины обычно содержат прямолинейные отделения, обычно ограниченные комбинированными многослойными перегородками, образованными из последовательных слоев различных материалов в контакте друг с другом, так что каждый из них выполняет по меньшей мере одну из указанных функций.

Для отвода тепла можно использовать слой хорошо проводящего тепло материала, например алюминий, медь и сплавы алюминия и меди, вместе со слоем конструкционного материала для обеспечения механической прочности корзины в случае случайного удара, и слой материала, содержащего поглощающие нейтроны элементы, такие как бор или кадмий. В частности, конструкционный материал может быть нержавеющей сталью или углеродистой сталью, или алюминием, или одним из его сплавов. Материал, содержащий поглощающий нейтроны элемент, обычно является нержавеющей сталью, алюминием или его сплавами или спеченный материал, например, на основе карбида бора В₄С. В случае нержавеющей стали или алюминия поглощающий нейтроны элемент обычно добавляют непосредственно в этот материал, и это не снижает существенно его механическую прочность. В этом случае достаточно использовать один слой материала для обеспечения механической прочности и контроля за критичностью массы.

В одном из типов известных корзин комбинированные перегородки отделений получают посредством размещения плоских или профильных элементов, называемых "полосами", смежно друг с другом и обеспечения их пересечения в продольном направлении. В этом случае каждая полоса состоит из нескольких слоев материалов, указанных выше. Другой известный способ создания равномерной корзины, которая является механически прочной в продольном направлении, заключается в выполнении в полосах вырезов, взаимодействующих друг с другом, так что полосы пересекаются перпендикулярно центральной оси отделений и жестко соединяются друг с другом.

В известной корзине другого типа комбинированные перегородки из полос заменены перегородками из последовательных слоев различных материалов, чередующихся в продольном направлении отделений. То есть изготавливают полосы с одинаковыми геометрическими размерами и формой из разных материалов и размещают попеременно с целью создания последовательности компонентов в продольном направлении, каждый из которых выполняет по меньшей мере одну из указанных функций. Корзина, изготовленная таким образом, описана в ЕР-А-0329581.

В некоторых областях работы с радиоактивными материалами и при некоторых условиях можно выполнять корзину из одного материала. Например, алюминий является хорошим проводником тепла и в него можно легко добавлять поглощающий нейтроны элемент, такой как бор. Для придания алюминиевым элементам достаточной механической прочности эти элементы выполняют в виде достаточно толстых пластин или балок с упрочненным поперечным сечением типа Н или U.

Однако уменьшение числа используемых материалов, упрощающее изготовление и уменьшающее стоимость может приводить к определенной потере рабочих характеристик корзины. Так в приведенном выше примере корзины, состоящей полностью из пачки алюминиевых элементов, трудно сохранить механическую прочность, в частности, при высоких температурах, которые возможны в корзине, содержащей радиоактивные материалы. Следовательно, необходимо увеличить толщину алюминиевых компонентов или же, как указывалось выше, необходимы особенно упрочненные сечения и формы. В результате корзина становится слишком тяжелой или большой, что является недостатком. Из-за этого приходится уменьшать число отделений и тем самым уменьшать емкость хранения корзины.

Таким образом, если необходимо изготовить корзину с высокими рабочими характеристиками, например, из-за соответствующих свойств радиоактивных материалов или из-за строгих ограничений по массе или размерам, то обычно выполняют корзины с комбинированной структурой. То есть корзины, образованные из нескольких материалов, выполняющих соответственно каждую из необходимых функций, обычно являются более предпочтительными, несмотря на их сложность и более высокую стоимость.

При изготовлении известных корзин может возникать ряд трудностей независимо от числа используемых материалов. Полосы необходимо изготавливать с очень высокой точностью, так чтобы они точно совпадали в соответствующей пачке. Это условие является существенным для получения отделений с постоянным поперечным сечением и с полностью гладкими стенками для устранения риска застревания радиоактивных материалов при их размещении и извлечении. Кроме того, когда в полосах выполняют прорези, то необходимо выполнять очень точную инструментальную обработку при сборке с малым зазором для обеспечения необходимой жесткости без уменьшения выравнивания полос.

Когда отделения имеют квадратное или прямоугольное поперечное сечение, то вышеназванные трудности можно преодолеть с помощью точной инструментальной обработки, хотя ее стоимость является значительной. Как показано на фиг.6 в ЕР-А-0329581, когда корзина содержит отделения такого типа, то обычно используют полосы из одного куска, которые проходят от одной до другой стороны прямой части корзины без какого-либо прерывания материала между перегородками в смежных отделениях. Такая конструкция улучшает сцепление и механическую прочность корзины.

Использование этой технологии значительно затрудняется для корзин с многоугольными отделениями с большим количеством сторон (например, шестиугольными отделениями). Например, при создании шестиугольных отделений необходимо использовать полосы, сложенные в форме ломаных линий, которые затем необходимо сложить вдоль продольных направлений, как это показано на фиг.5 в ЕР-А-0329581. В этом случае невозможно использовать полосы из одного куска в качестве полос, проходящих через прямые части корзины, и поэтому необходимо размещать большое количество элементов в этой прямой части. Прерывистость элементов полосы вследствие такой конструкции приводит к уменьшению поперечной жесткости и, как следствие, к ухудшению общей механической прочности корзины. Другим результатом использования большого числа элементов полосы и их согнутой формы является то, что значительно увеличиваются трудности изготовления и трудности сборки. С учетом того факта, что все эти элементы полос необходимо воспроизводить и штабелировать по всей высоте корзины, единственным способом получения отделений с постоянным поперечным сечением и гладкими стенками является применение специальных технологий изготовления для минимизации допусков на размеры и зазоров для сборки. Это приводит к очень высокой стоимости изготовления корзины.

Другой известный из ЕР-А-0752151 способ состоит в изготовлении корзины, образованной из отделений с правильным многоугольным поперечным сечением с помощью сборки пучка идентичных прямых металлических труб, каждая из которых имеет указанное поперечное сечение. Трубы могут быть изготовлены из одного куска материала требуемой формы и размеров. При этом достигается умеренная стоимость изготовления за счет использования обычной технологии экструдирования. Длина труб предпочтительно выбирается равной высоте корзины, что способствует упрощению процесса сборки и снижению стоимости. Компактность и сцепление пучка труб обеспечивается с помощью окружающих пучок и распределенных по всей высоте пучка монтажных средств, таких как охватывающие структуры.

Основным недостатком описанной в ЕР-А-0752151 конструкции корзины является то, что она ограничена трубами, выполненными из одного материала. В этом случае этот материал должен быть способным выполнять все указанные выше функции. Использование одного материала имеет преимущества в отношении изготовления и снижения стоимости, однако, может приводить к ухудшению рабочих характеристик корзины, в частности ее емкости, для соблюдения ограничений по весу и размерам.

Таким образом, ни одна из известных из уровня техники технологий изготовления корзин для хранения радиоактивных материалов не способна обеспечить выполнение всех необходимых требований простым и оптимальным образом, без ухудшения рабочих характеристик корзины, в частности емкости хранения, независимо от формы отделений, например в случае отделений в форме различных многоугольников, в частности шестиугольников.

В основу настоящего изобретения положена задача создать устройство для хранения радиоактивных материалов, таких как топливные элементы из ядерных реакторов, которое выполняло бы оптимальным образом все необходимые функции, такие как контроль за критичностью массы, отвод тепла и механическая прочность, независимо от формы отделений при одновременном сохранении или улучшении показателей емкости хранилища по сравнению с известными корзинами.

Данная задача решена за счет того, что предложено устройство для хранения радиоактивных материалов в виде корзины, которая согласно изобретению содержит множество прямых металлических труб, сложенных в пучок, и монтажных средств, группирующих эти трубы параллельно друг другу вдоль регулярной сетки для образования множества смежных отделений, способных содержать радиоактивные материалы, при этом каждая из труб образует первую по существу сплошную стенку соответствующего отделения, причем корзина также содержит множество металлических крестовин, каждая из которых включает по меньшей мере три фланца, соединенных друг с другом по общей кромке, при этом крестовины расположены между трубами с образованием второй по существу сплошной стенки вокруг первой стенки каждого отделения и введены по меньшей мере в частичный контакт с ней.

Благодаря тому факту, что каждое из отделений ограничено первой стенкой, образованной трубой, которая окружает его, и второй стенкой, образованной фланцами крестовин, расположенными между трубами, то больше не существует особых трудностей при изготовлении корзин, состоящих из отделений с произвольным поперечным сечением. Кроме того, комбинированный характер стенок отделений обеспечивает возможность простого выполнения всех указанных выше функций. Другими словами, корзины, согласно настоящему изобретению, обеспечивают использование наилучших свойств различных материалов для оптимизации рабочих характеристик и емкости хранилища корзины с одновременным обеспечением хорошего разнообразия форм в противоположность корзинам, известным из уровня техники.

В предпочтительном варианте осуществления устройства по настоящему изобретению крестовины находятся в контакте друг с другом по наружным кромкам их фланцев, противоположным указанной общей кромке. Это является средством гарантированного теплового контакта между фланцами крестовин и непрерывности второй стенки.

В зависимости от варианта осуществления наружные кромки фланцев крестовин могут быть снабжены плоскими поверхностями, по существу параллельными плоскостям указанных фланцев, по которым крестовины введены в контакт друг с другом, или взаимно дополняющей формой типа шип-паз, с помощью которой крестовины введены в соединение друг с другом.

Согласно первому варианту осуществления устройства по настоящему изобретению поперечное сечение труб является квадратным или прямоугольным, а крестовины содержат четыре фланца, ориентированных вдоль двух ортогональных друг другу направлений.

Согласно второму варианту осуществления устройства по настоящему изобретению трубы имеют шестиугольное сечение, а крестовины содержат три фланца, ориентированные вдоль трех образующих между собой углы 120° направлений.

Согласно третьему варианту осуществления устройства по настоящему изобретению трубы имеют круглое сечение, а крестовины содержат четыре фланца, ориентированных вдоль двух ортогональных друг другу направлений.

В любом из вариантов осуществления устройства каждая крестовина может быть либо в виде одной детали с длиной, по существу равной длине труб, либо может быть образована из нескольких сегментов крестовин, расположенных концом к концу, и их общая длина в этом случае приблизительно равна длине труб.

Для повышения эффективности переноса тепла крестовины предпочтительно содержат по меньшей мере один слой материала, выбранного из группы, включающей алюминий, медь или их сплавы.

Когда радиоактивные материалы являются ядерным топливом, то по меньшей мере один материал, образующий трубы и/или крестовины, включает поглощающий нейтроны компонент. Этот поглощающий нейтроны материал может быть, в частности, бором, гафнием или кадмием. В частности, он предпочтительно является бором, обогащенным в бор 10 по меньшей мере на 80 мас.%.

В одном варианте осуществления устройства по настоящему изобретению фланцы крестовин содержат по меньшей мере два отдельных слоя материалов в контакте друг с другом.

Для обеспечения выполнения трубами в устройстве по настоящему изобретению одной из их существенных функций, а именно обеспечения механической прочности корзины при всех условиях эксплуатации, указанные трубы предпочтительно выполнены из материала, выбранного из группы, содержащей нержавеющую сталь, углеродистую сталь, алюминий и его сплавы с хорошими механическими свойствами, и титан.

Согласно первому варианту выполнения монтажных средств они содержат по меньшей мере две металлические охватывающие структуры, выполненные с возможностью охватывать пучки труб на разных уровнях.

В этом случае охватывающие структуры предпочтительно выполнены из материала с коэффициентом теплового расширения, меньшим или равным коэффициенту теплового расширения материала, из которого выполнены трубы.

Согласно второму варианту выполнения монтажных средств они содержат по меньшей мере две пластины, расположенные на разных уровнях корзины, и соединительные устройства, жестко соединяющие указанные пластины друг с другом, при этом каждая пластина перфорирована сеткой отверстий одинаковой формы, соответствующей поперечному сечению труб, в которые могут быть введены указанные трубы.

В этом случае по меньшей мере одна из пластин предпочтительно расположена на одном конце корзины.

Кроме того, соединительные устройства предпочтительно прикреплены к пластинам с помощью винтов.

Во втором варианте выполнения монтажных средств каждое соединительное устройство предпочтительно содержит внутреннюю поверхность, дополняющую наружную поверхность пучка труб, и правильную наружную поверхность, образующую наружную поверхность корзины и обеспечивающую ее правильную форму.

Во всех случаях корзина может также содержать жесткое дно. Настоящее изобретение будет лучше понятно специалисту в данной области техники из приведенного ниже описания различных вариантов осуществления устройства согласно настоящему изобретению в качестве не ограничивающих примеров со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, на которых:

фиг.1 изображает в изометрической проекции корзину для хранения радиоактивных материалов, согласно первому варианту выполнения изобретения;

фиг.2 - в разрезе вдоль горизонтальной плоскости в увеличенном масштабе корзину, показанную на фиг.1;

фиг.3А и 3В - в разрезе, аналогичному разрезу на фиг.2, два возможных варианта выполнения концов фланцев крестовин в еще более увеличенном масштабе;

фиг.4 - в изометрической проекции второй вариант выполнения корзины согласно изобретению;

фиг.5 - в разрезе вдоль горизонтальной плоскости в увеличенном масштабе корзину, показанную на фиг.4;

фиг.6 - в разобранном виде в изометрической проекции третий вариант выполнения корзины согласно изобретению; и

фиг.7 - в разрезе вдоль горизонтальной плоскости в увеличенном масштабе корзину, показанную на фиг.6.

На фиг.1 показана корзина для хранения радиоактивных материалов согласно первому предпочтительному варианту выполнения изобретения. Эта корзина для хранения содержит множество труб 10, множество крестовин 12 (смотри также фиг.2), расположенных между трубами 10, и монтажных средств 14, обеспечивающих соединение вместе узла и его компактность.

Как указывалось выше, радиоактивные материалы, которые могут транспортироваться в корзине, могут иметь любой вид. В частности, они могут быть топливными элементами ядерных реакторов с квадратным или шестиугольным поперечным сечением.

Трубы 10 являются прямыми металлическими трубами и все идентичны друг другу. В частности, все трубы имеют одинаковое сечение и одинаковую длину и они выполнены из одинакового материала. Монтажное средство 14 удерживает трубы 10 в пучке параллельно друг другу по правильной сетке.

Пучок труб 10 выполнен для размещения вертикально. В результате образуется множество смежных отделений 16, каждое из которых может содержать кондиционированные радиоактивные материалы, такие как, например, топливные элементы ядерных ректоров, для целей транспортировки и/или хранения.

Каждая из труб 10 образует первую стенку соответствующего отделения. Эта первая стенка окружает отделение по существу без какого-либо разрыва и по всей его периферии.

Крестовины 12 являются металлическими частями, образованными из нескольких обычно не имеющих каких-либо отверстий плоских пластин-фланцев 18. Все фланцы 18 одной крестовины 12 соединены друг с другом прямой общей кромкой и распределены на равных угловых расстояниях вокруг указанной кромки.

В варианте выполнения корзины, показанном на фиг.1, длина крестовин 12 приблизительно равна длине труб 10.

В другом варианте выполнения корзины (не изображен) каждая крестовина 12 образована из нескольких сегментов крестовин, расположенных конец к концу. Общая длина этих сегментов приблизительно равна длине труб 10.

Каждая из крестовин 12 связана с группой смежных труб 10, число и расположение которых зависит от поперечного сечения труб и формы образованной пучком труб сетки. Общая кромка крестовины расположена в центре группы труб 10 и проходит параллельно центральной оси труб. Число фланцев 18 крестовины 12 равно числу труб 10 в указанной группе. Таким образом, фланец 18 крестовины 12 расположен между каждой парой смежных труб в группе труб 10.

Фланцы 18 каждой крестовины 12 установлены между трубами 10, так что наружная кромка каждого фланца 18, противоположная общей кромке, параллельна указанной кромке и находится в контакте с наружной кромкой фланца смежной крестовины 12, расположенной между той же парой труб 10. Таким образом, крестовина 12 образует вторую по существу непрерывную стенку вокруг каждого отделения 16.

В созданном с помощью монтажного средства 14 узле каждый фланец 18 крестовин 12 находится в контакте с каждой из труб 10, расположенной на каждой стороне этого фланца, практически по всей высоте корзины. Вторая стенка образована крестовинами 12 вокруг каждого отделения 16, находящимися для этого в по меньшей мере частичном контакте с первой стенкой, образованной трубами 10.

В варианте выполнения корзины, детально показанном на фиг.1 и 2, каждая труба имеет квадратное сечение. Правильная сетка, образованная пучком труб 10, является в этом случае сеткой с квадратным шагом, так что каждая группа труб образована из четырех смежных труб 10. Согласно изложенному выше каждая крестовина 12 в этом случае содержит четыре фланца 18 вдоль двух ортогональных друг другу направлений. Такое расположение, как это показано на фиг.1 и 2, обеспечивает полный поверхностный контакт между фланцами 18 крестовин 12 и смежными поверхностями труб 10.

Как указывалось выше, возможны различные варианты расположения для обеспечения надежного контакта между наружными кромками фланцев 18, противоположных общим кромкам крестовин 12.

Согласно первому варианту расположения крестовин 12 и фланцев 18, показанному на фиг.3А, наружные кромки фланцев 18 снабжены плоскими поверхностями 20, приблизительно параллельными плоскостям фланцев. А именно, плоские поверхности 20 расположены в средней плоскости фланцев и ориентированы противоположно друг другу, когда две смежные крестовины 12 находятся в заданном положении. Плоские поверхности 20 находятся в контакте друг с другом почти по всей длине их поверхностей. Такое расположение является средством для увеличения контактных поверхностей между фланцами 18 крестовин 12 и, следовательно, облегчает перенос потока тепла от одной крестовины к другой.

Согласно второму варианту расположения крестовин 12 фланцев 18, показанному на фиг.3В, наружные кромки фланцев 18 крестовин 12, противоположные центральной кромке, имеют взаимодополняющую форму на смежных крестовинах, так что они могут быть введены друг в друга. Этими взаимодополняющими формами могут быть, например, форма шипа 22 и форма паза 24. Это расположение обеспечивает те же преимущества, что и указанное выше. Кроме того, в этом случае происходит гнездовой эффект, который дополнительно увеличивает распространение потока тепла.

В корзине, согласно настоящему изобретению, основной функцией образующих первые стенки отделений труб 10 является обеспечение корзине механической прочности как в нормальных условиях, так и в аварийных условиях (например, когда корзину роняют). За счет этой функции геометрическая форма корзины сохраняется при всех условиях, что помогает сохранять контроль над критичностью ядерного материала.

Для обеспечения эффективного выполнения этой функции трубы 10 предпочтительно выполнены из прочного и стойкого материала, предпочтительно выбранного из группы, содержащей нержавеющую сталь, углеродистую сталь, алюминий и алюминиевые сплавы с хорошими механическими свойствами, и титан. Этот список материалов ни в коем случае не имеет ограничительного характера.

Трубы 10 могут быть выполнены с использованием любой технологии изготовления, например с помощью свертывания или сгибания пластины в требуемую форму и последующего соединения с помощью продольной сварки. В случае алюминиевых труб предпочтительно использовать обычную технологию экструдирования, так чтобы получать бесшовные трубы любой формы и размеров.

В корзине, согласно настоящему изобретению, функция отвода тепла, образуемого радиоактивным материалом, обеспечивается в основном крестовинами 12. Эта функция особенно важна, когда радиоактивные материалы являются облученными в ядерных реакторах расщепляющимися радиоактивными материалами, поскольку эти элементы излучают большую тепловую энергию.

В конструкции корзины, согласно настоящему изобретению, тепловой поток, создаваемый радиоактивными материалами, передается вначале в металл крестовин 12 через металл труб 10, образующих первые стенки. Эта передача облегчается за счет того, что фланцы 18 крестовин 12, образующих вторые стенки отделений, удерживаются в положении, непосредственно смежном со стенками труб 10, образующими первые стенки отделений, с целью улучшения переноса тепла. Эффективность этого переноса тепла предпочтительно повышается за счет выбора материала, используемого для изготовления крестовин. Этот материал выбирают из хорошо проводящих тепло металлов, таких как медь и ее сплавы или алюминий и его сплавы.

Далее тепловой поток проходит в направлении изнутри корзины наружу в материал крестовин 12, которые находятся в контакте друг с другом посредством своих наружных кромок. В частности, посредством контакта между наружными кромками фланцев крестовин, по существу без прерываний, тепловой поток переносится в наружном направлении корзины без преодоления больших тепловых сопротивлений, которые бы вызывали чрезмерное повышение внутренней температуры корзины.

Затем тепловой поток рассеивается в атмосферу или в конструкцию контейнера для транспортировки или хранения, в котором размещена корзина.

Когда корзина заполнена расщепляющимися радиоактивными материалами, которые могут вызвать цепную реакцию, то ее компоненты должны также выполнять третью существенную функцию, которая заключается в контроле критичности ядерной массы.

Этот контроль обеспечивается, во-первых, посредством механической прочности корзины, обеспечиваемой за счет механической прочности труб 10, образующих, как указывалось выше, первую стенку отделений.

Ядерная критичность контролируется также частично за счет добавления в структуру корзины поглотителей нейтронов, таких как бор или кадмий. Эти поглотители могут быть включены в дисперсной форме в металл труб 10 или в металл крестовин 12, или одновременно в оба этих компонента. В качестве альтернативного решения поглотитель может быть нанесен также в виде слоя материала, такого как спеченный материал на основе карбида бора, на фланцы 18 крестовин 12.

Когда поглотителем нейтронов является бор, то его предпочтительно обогащают в бор 10, который является изотопом бора, эффективно поглощающим нейтроны. Это обогащение приводит к незначительному изменению механической и металлургической прочности используемых материалов при одновременном снижении общего содержания бора.

В одном примере выполнения устройства по настоящему изобретению фланцы крестовин 12 являются комбинированными перегородками, обеспечивающими контакт металла, который является хорошим проводником тепла, такого как медь или медный сплав с содержащим бор материалом, таким как спеченный материал на основе карбида бора В₄С.

Как иллюстрирует этот пример выполнения, один и тот же компонент корзины может одновременно выполнять несколько из указанных выше функций с целью оптимизации рабочих характеристик.

В варианте выполнения устройства по настоящему изобретению, показанном на фиг.1, монтажное средство 14 выполнено в виде охватывающих структур, окружающих пучок труб 10 и крестовины 12 на разных уровнях. Количество охватывающих структур 14 равно по меньшей мере двум. На фиг.1 это количество равно трем. Каждая охватывающая структура содержит охватывающую полосу 26, окружающую пучок труб, и систему натяжения (не изображена). Охватывающие полосы 26 предпочтительно выполнены из металла, отличного от металла, используемого для труб 10. Этот металл выбирается для обеспечения коэффициента расширения, меньшего или равного коэффициенту расширения металла труб, так что сцепление и контакт между трубами и крестовинами остается неизменным или улучшается при увеличении температуры. Таким образом, эффективность переноса тепла сохраняется.

Сила натяжения охватывающих структур первоначально регулируется и устанавливается в соответствии с необходимыми величинами с помощью систем натяжения (не изображены).

Как также показано на фиг.1, корзина, согласно изобретению, в дополнение к указанным выше компонентам может содержать жесткую нижнюю плиту или нижнюю пластину 28, обычно металлическую. Трубы 10 и крестовины 12, соединенные с помощью монтажных средств 14, опираются на нижнюю пластину 28. Эта нижняя пластина является особенно полезной для удерживания радиоактивных материалов, например, когда корзину перемещают без контейнера.

Корзина, согласно изобретению, может быть также снабжена верхней пластиной (не изображена). В этом случае верхняя пластина может быть снабжена устройствами для перемещения корзины.

В одном варианте выполнения (не изображен) трубы 10 с квадратным поперечным сечением заменены трубами с прямоугольным сечением. В этом случае крестовины 12 содержат два небольших, расположенных в одной плоскости фланца с шириной, равной половине длине малой стороны прямоугольника, и два больших фланца, ортогональных первым двум фланцам, с шириной, равной половине длины большой стороны прямоугольника.

В другом варианте выполнения устройства по настоящему изобретению (не изображен) трубы 10 имеют круглое сечение. В этом случае фланцы крестовин 12 установлены по касательным к трубам, расположенным на их концах. Место соединения по касательным является местом, в котором тепловой поток передается с труб на крестовины.

Второй вариант выполнения устройства по настоящему изобретению, показанный на фиг.4 и 5, существенно отличается от описанного первого варианта выполнения формой труб 10.

А именно, вместо квадратного поперечного сечения трубы 10 в этом случае имеют шестиугольное сечение. В этом случае пучок труб 10 образует треугольную сетку. Применение изложенных выше принципов осуществления изобретения означает, что каждая крестовина 12 имеет три фланца 18, расположенные под углом 120° друг к другу. Все другие характеристики и свойства, указанные для первого варианта выполнения изобретения и его модификаций, применимы также и в этом случае.

На фиг.6 и 7 показан третий вариант выполнения устройства согласно настоящему изобретению.

В третьем варианте так же как во втором варианте выполнения, показанном на фиг.4 и 5, трубы 10 имеют шестиугольное сечение. Однако, вместо охватывающих структур в данном случае монтажные средства 14 содержат перфорированные металлические пластины 30, жестко соединенные друг с другом соединительными устройствами 32а, 32b, для образования жесткой конструкции для удерживания на месте труб 10 и крестовин 12.

В устройстве согласно третьему варианту осуществления изобретения имеется по меньшей мере две пластины 30 и они равномерно распределены по высоте корзины перпендикулярно осевой линии труб 10. Пластины 30 выполнены тонкими (их ширина - от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров) и содержат сетку из отверстий 34, форма и размеры которых соответствуют форме и размерам труб 10. Таким образом, в показанном примере, в котором трубы 10 являются шестиугольными, отверстия 34 также являются шестиугольными и их размеры слегка превышают размеры труб. Поэтому каждая труба 10 входит в каждое из отверстий 34 в каждой пластине 30 с небольшим зазором. Поскольку пластины 30 соединены друг с другом с помощью соединительных устройств 32а и 32b, то трубы удерживаются на месте между образующими стенки пластин опорами.

Как показано, в частности, на фиг.7, толщина стенок 36, образованных между смежными отверстиями 34 в одной и той же пластине, выполнена слегка больше, чем толщина фланцев 18 крестовин 12. Такая конструкция оставляет достаточное пространство между трубами 10 для введения крестовин 12 при одновременном уменьшении монтажного зазора до достаточно малой величины для расположения фланцев крестовин и стенок труб очень близко друг к другу.

В этом случае каждая крестовина образована из нескольких сегментов крестовин 38, при этом каждый сегмент имеет длину, приблизительно равную расстоянию, отделяющему последовательные пластины 30, или расстоянию, отделяющему каждый конец корзины от наиболее близкой пластины. Такое расположение означает, что вокруг каждого отделения может быть расположена вторая, по существу сплошная стенка.

Как показано на фиг.6, пластины 30 предпочтительно включают верхнюю и нижнюю пластины соответственно на верхнем и нижнем концах корзины. В этом случае верхняя пластина предпочтительно снабжена устройствами для перемещения корзины, такими как болты с проушиной. Перфорированная нижняя пластина может быть также заменена или продублирована сплошной пластиной, как указывалось выше применительно к фиг.1.

Как показано, в частности, на фиг.6, соединительные устройства 32а и 32b расположены снаружи пучка труб 10 и проходят параллельно этим трубам по всей высоте корзины.

У пластин 30, кроме верхней и нижней пластины, соединительные устройства 32а и 32b содержат прорези 40а и 40b, соответственно. Эти прорези 40а, 40b входят в часть с комплементарной формой, вырезанную в периферийной кромке соответствующих пластин 30. С помощью одного или нескольких крепежных средств, таких как винты 42, проходящие через соединительные устройства 32а и 32b, закрепляют эти устройства на каждой из пластин 30.

Когда в устройстве согласно изобретению предусмотрены верхняя и нижняя пластины, то они скрепляются с концами соединительных устройств 32а и 32b крепежными средствами, такими как винты 44.

Описанное выше расположение превращает раму, образованную из пластин 30 и соединительных устройств 32а и 32b, в жесткую конструкцию.

В показанном на фиг.6 варианте устройства соединительные устройства 32а и 32b являются различными, в зависимости от места их расположения на периферии корзины. Это вызвано тем, что узел из труб 10 с шестиугольным поперечным сечением образует внутри огибающей с круглым поперечным сечением, во-первых, заглубленные части с полушестиугольным поперечным сечением и, во-вторых, заглубленные части с пилообразным поперечным сечением, попеременно по периферии корзины.

Соединительное устройство 32а имеет внутреннюю поверхность, дополняющую первые заглубленные части, а соединительные части 32b имеют внутреннюю поверхность, дополняющую вторые заглубленные части. Наружные поверхности соединительных устройств 32а и 32b образуют секторы цилиндра, имеющие одинаковый радиус кривизны, который совпадает с радиусом кривизны наружной цилиндрической огибающей корзины. Таким образом, после установки всех соединительных устройств 32а и 32b вокруг пучка труб 10 их наружные поверхности образуют наружную цилиндрическую огибающую корзины.

Описанная последней конструкция устройства по настоящему изобретению является средством сохранения равномерного зазора между корзиной и контейнером, когда корзина помещена внутрь контейнера. Эта характеристика улучшает перенос теплового потока между наружной поверхностью корзины и конструкцией контейнера.

Очевидно, что цилиндрическая форма наружного контура корзины приведена лишь в качестве примера. В рамках настоящего изобретения может быть также получено прямоугольное, квадратное или другое поперечное сечение посредством использования соответствующей формы для соединительных средств.

Материалами, используемыми для выполнения пластин 30 и соединительных устройств 32а и 32b, предпочтительно являются металлы с хорошей механической прочностью, такие как металлы, выбранные из группы, содержащей нержавеющие стали, углеродистые стали и сплавы алюминия с хорошими механическими свойствами.

Специалисту в данной области техники понятно, что корзина, согласно третьему варианту выполнения, описание которого приведено выше, имеет также характеристики и свойства, аналогичные характеристикам и свойствам других вариантов выполнения и их модификаций.

Варианты выполнения устройства по настоящему изобретению и его модификации, указанные выше, отчетливо демонстрируют многие преимущества изобретения. Очевидно, что изобретение одинаково подходит для изготовления корзин с шестиугольными отделениями и для изготовления корзин с отделениями с более стандартными формами, такими как квадратная или прямоугольная.

Кроме того, компактная сборка труб и крестовин, обеспечиваемая с помощью указанных различных монтажных средств, облегчает перенос тепла. Использование крепежных средств, таких как винты или сварка, является минимальным. Поэтому стоимость изготовления является оптимальной.