Контейнер для транспортування та зберігання радіоактивного матеріалу та спосіб його виготовлення

1 Контейнер для транспортування і зберігання радюаісгивного матеріалу, який відрізняється тим, що він складається із зовнішньої металевої труби (10) і розташованої в ній внутрішньої металевої труби (12) з утворенням між ними кільцевого проміжку (22) постійної ширини, при цьому кільцевий проміжок (22) між внутрішньою і зовнішньою трубами (12, 10) заповнений важким бетоном, який складається із заповнювача або суміші заповнювачів (28) з позірною густиною понад 4,2г/см3 і цементу, що заповнює пустоти між зернами заповнювача, причому позірна густина важкого бетону становить понад 4,1г/см3, а його межа МІЦНОСТІ на стиснення, що визначається ВІДПОВІДНО ДО стандарту DIN 1048, частина 2, через 28 днів становить понад 45Н/мм2, і зовнішня труба (10) і внутрішня труба (12) закриті з КІНЦІВ металевим дном (38) і металевою кришкою (14), причому принаймні металева кришка (14) виконана знімною 2 Контейнер за п 1, який відрізняється тим, що внутрішня труба (12) не доходить до нижнього кінця зовнішньої труби (10) і закрита з цього кінця, а між закритим нижнім кінцем внутрішньої труби (12) та нижнім кінцем зовнішньої труби (10) розташована плита з важкого бетону, яка утворює одне ціле з важким бетоном, який знаходиться в кільцевому проміжку 3 Контейнер за п 1 або 2, який відрізняється тим, що важкий бетон армовано 4 Контейнер за п 3, який відрізняється тим, що арматура утворена арматурним каркасом (26) 5 Спосіб виготовлення контейнера для транспор тування і зберігання радіоактивного матеріалу, який відрізняється тим, що у металеву зовнішню трубу вставляють металеву внутрішню трубу з утворенням між внутрішньою і зовнішньою трубами кільцевого проміжку постійної ширини, після цього кільцевий проміжок заповнюють заповнювачем або сумішшю заповнювачів з мінімальним розміром зерен 2мм і максимальним розміром зерен 20мм, при цьому принаймні 95мас % заповнювача мають позірну густину понад 4,2г/см3, і потім в кільцевий проміжок принаймні через один отвір, розташований біля нижнього кінця внутрішньої і/або зовнішньої труби, під високим тиском нагнітають суспензію з цементу, води і пластифікатора доти, поки ця суспензія, яка повністю заповнює пустоти, що є в заповнювачі, не досягне верхнього кінця зовнішньої труби, причому склад вказаної суспензії підбирають таким чином, щоб бетон, який утворюється разом із заповнювачами, мав позірну густину понад 4,1г/см3, а його межа МІЦНОСТІ на стиснення, що визначається ВІДПОВІДНО ДО стандарту DIN 1048, частина 2, через 28 днів ста2 новила понад 45Н/мм 6 Спосіб за п 5, який відрізняється тим, що як цемент використовують портландцемент марки СЕМ І 42,5 або більш високосортної марки 7 Спосіб за п 5, який відрізняється тим, що як заповнювач використовують барит, ферофосфор, магнетит, залізо, свинець, гематит, гранульований вибілений чавун, а також ІНШІ метали або суміші вищеназваних заповнювачів 8 Спосіб за п 7, який відрізняється тим, що як заповнювач використовують суміш бариту, ферофосфору, магнетиту, гематиту або їх суміші в поєднанні із сталевими кульками 9 Спосіб за п 8, який відрізняється тим, що як заповнювач використовують суміш бариту, ферофосфору, магнетиту, гематиту або їх суміші з гранулометричною фракцією від 4 до 8мм і від 8 до 16мм у поєднанні із сталевими кульками діаметром від 4 до 10мм 10 Спосіб за п 8, який відрізняється тим, що як заповнювач використовують суміш з бариту, ферофосфору, магнетиту, гематиту або їх суміші з вмістом гранулометричної фракції від 4 до 8мм 15 - 25мас %, гранулометричної фракції від 8 до 16мм 25 - 35мас % у поєднанні з 45 - 55мас % ста О ю ю 54529 левими кульками діаметром від 4 до 8мм 11 Спосіб за п 5, який відрізняється тим, що використовують закриту з верхнього кінця внутрішню трубу, довжина якої менша за довжину зовнішньої труби, при цьому порожнина між верхнім закритим кінцем внутрішньої труби і верхнім кінцем зовнішньої труби заповнюють заповнювачем, а пустоти між частинками заповнювача заповнюють суспензією 12 Спосіб за п 5, який відрізняється тим, що внутрішню трубу і зовнішню трубу перед заповненням заповнювачем закривають з їх нижнього кінця металевою кришкою 13 Спосіб за п 5 або 11, який відрізняється тим, що перед заповненням заповнювачем в кільцевий проміжок і/або в порожнину між верхнім закритим кінцем внутрішньої труби і відкритим кінцем зовнішньої труби закладають арматуру 14 Спосіб за п 13, який відрізняється тим, що як арматуру використовують арматурний каркас, який розміщується практично по всьому об'єму кільцевого проміжку і/або порожнини 15 Спосіб за п 5, який відрізняється тим, що верхній, нижній або верхній і нижній КІНЦІ ЗОВНІШНЬОЇ труби після тужавлення суспензії герметично закривають металевою кришкою або металевим ковпаком, при цьому на зовнішню трубу надівають принаймні одну знімну металеву кришку або один знімний металевий ковпак Даний винахід стосується способу виготовлення контейнера для транспортування і зберігання радіоактивного матеріалу, а також власне контейнера, який дозволяє транспортувати та зберігати радіоактивний матеріал Подібні контейнери, виконані у вигляді контейнерів так званого типу "Кастор", знайшли за останній час широкого поширення Такі контейнери служать для транспортування радіоактивних матеріалів, наприклад, вигорілих, ВІДПОВІДНО відпрацьованих тепловидільних елементів (ТВЕЛ) ядерних реакторів, від атомної електростанції до місця їх проміжного зберігання або остаточного захоронения При цьому транспортування деколи доводиться здійснювати на великі відстані До подібного транспортування радіоактивних матеріалів пред'являються виключно високі вимоги щодо дотримання заходів безпеки Вказані вимоги стосуються не лише транспортних засобів (вантажних автомобілів, поїздів, суден), але й насамперед тих контейнерів, у яких здійснюється транспортування, наприклад, тепловидільних елементів При цьому йдеться насамперед про два такі аспекти безпеки У цьому зв'язку, як відомо, істотну роль відіграють масивність, а, отже, й позірна густина ВІД 1 конструкція контейнера повинна надійно захищати від виходу назовні радіоактивного випромінювання і газів, 2 конструктивні параметри контейнера повинні гарантувати безпеку за вищевказаному п 1 навіть у випадку аварії, наприклад, при падінні контейнеру з транспортного засобу і ударі, можливо сильному, об землю 3 цієї точки зору до радіаційного захисту контейнера пред'являють такі ж високі вимоги, як і до МІЦНОСТІ та жорсткості його конструкції Виходячи з вищевикладеного, в основу даного винаходу було поставлено задачу розробити спосіб виготовлення ВІДПОВІДНОГО контейнера, а також сам контейнер, що задовольняє вищевказаним вимогам До радіоактивного випромінювання належать альфа-, бета-, гамма-промені та нейтронні промені Альфа- і бета-промені мають загалом настільки малий радіус дії, що для захисту від них достатньо екрана невеликої товщини (порядку декількох міліметрів) Тому при проектуванні контейнера, який забезпечує радіаційний захист, вихідною точкою є послаблення та поглинання нейтронного та гаммавипромінювання ПОВІДНИХ СТІНОК контейнера З цієї причини раніше використовували сталеві контейнери, такі як згадані вище контейнери типу "Кастор" Поряд із ними ВІДОМІ комбіновані так звані сталь-залізобетонні контейнери, в конструкції яких використано поєднання сталі й бетону Винахід ґрунтується на тому факті, що у подібних сталь-залізобетонних контейнерів екранувальна дія може бути досягнута за рахунок заповнення простору між сталевими стінками важким бетоном особливого складу Таким чином, у винаході в найзагальнішому варіанті його здійснення запропоновано спосіб виготовлення контейнера для транспортування і зберігання радіоактивного матеріалу, який полягає втому, що у металеву зовнішню трубу вставляють металеву внутрішню трубу з утворенням між внутрішньою і зовнішньою трубами кільцевого проміжку постійної ширини, після цього кільцевий проміжок заповнюють заповнювачем або сумішшю заповнювачів з мінімальним розміром зерен 2мм і максимальним розміром зерен 20мм, причому принаймні 95мас % заповнювача мають позірну густину понад 4,2г/см3, і потім в кільцевий проміжок принаймні через один отвір, розташований біля нижнього кінця внутрішньої і/або зовнішньої труби, під високим тиском нагнітають суспензію з цементу, води і пластифікатора доти, поки ця суспензія, яка повністю заповнює пустоти, що є в заповнювачі, не досягне верхнього кінця зовнішньої труби, причому склад вказаної суспензії з цементу, води і пластифікатора підбирають таким чином, щоб бетон мав позірну густину понад 4,1г/см3, а його межа МІЦНОСТІ на стиснення, що визначається ВІДПОВІДНО до стандарту DIN 1048, частина 2, через 28 днів становила понад 45Н/мм2 Суттєвим аспектом цього способу є особлива технологія заповнення важким бетоном простору між вказаними металевими стінками При заповненні кільцевого проміжку заздалегідь приготовленою бетонною сумішшю забезпечити необхідні позірну густину і межу МІЦНОСТІ бетону при стисненні було б так само мало реально, 54529 як і забезпечити необхідний захист від радіоактивного випромінювання Вирішити цю задачу стає можливим лише за рахунок використання особливих заповнювачів, якими на першій стадії заповнюють кільцевий проміжок, і за рахунок наступного нагнітання під тиском в цей кільцевий проміжок цементного клею (так званого цементного тіста), при цьому вирішальним фактором, який дозволяє досягти оптимального ступеня заповнення цементним тістом пустот в заповнювачі, є те, що цементне тісто нагнітають в кільцевий проміжок знизу вгору У такий спосіб можна забезпечити не лише високоякісне і практично оптимальне заповнення пустот між зернами заповнювача, але й утворення в кільцевому проміжку в результаті щільного, високоміцного бетону Термін "цемент" в контексті даного винаходу є збірним поняттям для всіх типів гідравлічних в'яжучих Однак переважно використовувати портландцементи, а саме, портландцементи марки СЕМ І 42,5 або більш високосортних марок (наприклад, марки СЕМ І 52,5) Як приклад заповнювачів, які мають необхідну позірну густину, можна назвати барит, ферофосфор, магнетит, залізо (сталь), свинець, гематит і гранульований вибілений чавун, а також ІНШІ метали, насамперед важкі метали, причому такі заповнювачі можна використовувати індивідуально або у вигляді сумішей Суміш з бариту, ферофосфору, магнетиту гематиту або їх суміші в поєднанні із сталевими кульками забезпечують досягнення дуже високих показників густини і меж МІЦНОСТІ при стисненні свіжоукладеного бетону, ВІДПОВІДНО затверділого бетону При проведенні попередніх випробувань були протестовані суміші заповнювачів різноманітних складів За результатами цих випробувань було встановлено, що найбільш високі показники мають заповнювачі у вигляді суміші з бариту, ферофосфору, магнетиту гематиту або їх сумішей у гранулометричних фракціях від 4 до 8мм, а також від 8 до 16мм у поєднанні із сталевими кульками діаметром від 4 до 10мм Сталеві кульки можуть мати також і сферичну форму та бути повністю або часткові замінені на свинцеві кульки або гранульований вибілений чавун ВІДНОСНІ КІЛЬКОСТІ окремих компонентів, що входять до складу заповнювача, можуть бути при цьому, наприклад, такими заповнювач із гранулометричною фракцією від 4 до 8 15-25мас%, заповнювач із гранулометричною фракцією від 8 до 16 15-25мас%, сталеві кульки діаметром 4 - 10мм 45 55мас % Під "металевими трубами", що згадані вище, в контексті даного винаходу розуміють насамперед сталеві труби, а серед них у свою чергу - насамперед сталеві труби з круглим перерізом, хоча в принципі допустимо використовувати труби, що мають переріз й іншої форми, наприклад, багатокутної В одному з варіантів здійснення способу як внутрішню трубу пропонується використовувати трубу, яка закрита з верхнього кінця та довжина якої менше за довжину зовнішньої труби У цьому випадку зовнішню трубу і внутрішню трубу встановлюють, наприклад, на основу (плиту), а потім заповнюють заповнювачем не лише простір у кільцевому проміжку між внутрішньою і зовнішньою трубами, але й порожнину між верхнім закритим кінцем внутрішньої труби і верхнім краєм зовнішньої труби Після ЦЬОГО разом з кільцевим проміжком суспензією з цементу, води і пластифікатора заповнюють також порожнину між верхнім закритим кінцем внутрішньої труби і верхнім краєм зовнішньої труби В результаті отримують свого роду "бетонну кришку", яка при подальшому використанні (після повороту контейнера на 180° у вертикальній площині) утворює дно контейнера Додатково на верхньому КІНЦІ ЗОВНІШНЬОЇ труби можна закріпити, наприклад, пригвинтити або приварити металеву/сталеву плиту Спосіб виготовлення можна спростити, якщо перед заповненням заповнювачем закрити внутрішню і зовнішню трубу з їх нижнього кінця металевою/сталевою кришкою При цьому переважно використовувати нарізну кришку, яку нагвинчують на ВІДПОВІДНІ КІНЦІ труб Завдяки цьому спрощується позиціонування осей зовнішньої і внутрішньої труб на одній прямій, а саме, при заповненні відповідної порожнини між ними заповнювачем, ВІДПОВІДНО при нагнітанні в цю порожнину цементної суспензії Цей нижній - при виготовленні - кінець контейнера стає у готовому контейнері (після повороту на 180°) його верхнім кінцем У такий спосіб можна, наприклад, відгвинтивши сталеву кришку, покласти у вільний простір внутрішньої труби відпрацьовані тепловидільні елементи і після цього знову закрити контейнер Жорсткість конструкції контейнера можна істотно підвищити, якщо перед заповненням заповнювача закласти в кільцевий проміжок, ВІДПОВІДНО В порожнину між верхнім закритим кінцем внутрішньої труби і відкритим кінцем зовнішньої труби арматуру За рахунок цього підвищується також відведення тепла при гідратації цементу Подібна арматура може бути виконана, наприклад, у вигляді арматурного каркаса, що розміщується практично по всьому об'єму кільцевого проміжку, ВІДПОВІДНО порожнини Оскільки вище говорилося про нагнітання цементної суспензії під високим тиском, сказане означає, що початковий тиск перевищує 1бар В міру заповнення кільцевого проміжку і ВІДПОВІДНОГО підвищення гідростатичного тиску необхідно збільшувати і тиск нагнітання цементної суспензії, який залежно від висоти контейнера (наприклад, Зм) може потрібно буде збільшити до 15бар При цьому виходячи з того, ширина кільцевого проміжку становить, наприклад, 20 - 30см Описана вище "бетонна донна плита" також може мати відповідну товщину Оскільки густина сталі вища від густини важкого бетону, розташовані на кінцях контейнера кришки можуть мати дещо меншу товщину стінок, наприклад від 5 до 15см Як уже зазначалося на початку опису, винахід стосується також контейнера для транспортування 54529 і зберігання радюаісгивного матеріалу, який відрізняється тим, що він складається із зовнішньої металевої труби і розташованої в ній і віддаленої від неї по всьому периметру на однаковій відстані внутрішньої металевої труби з утвореним між вказаними внутрішньою і зовнішньою трубами кільцевим проміжком постійної ширини, кільцевий проміжок між внутрішньою і зовнішньою трубами заповнений важким бетоном, що складається із заповнювача або суміші заповнювачів з позірною густиною понад 4,2г/см3 і цементу, що заповнює пустоти між зернами заповнювача, причому позірна густина важкого бетону становить понад 4,1г/см3, а його межа МІЦНОСТІ на стиснення, що визначається ВІДПОВІДНО ДО стандарту DIN 1048, частина 2, через 28 днів становить понад 45Н/мм2, і зовнішня труба і внутрішня труба закриті з КІНЦІВ металевим дном і металевою кришкою, причому принаймні металева кришка виконана знімною ВІДПОВІДНО ДО ОДНОГО З переважних варіантів виконання пропонується контейнер, у якого внутрішня труба не доходить до нижнього кінця зовнішньої труби і закрита з цього кінця, а між закритим нижнім кінцем внутрішньої труби та нижнім кінцем зовнішньої труби розташована плита з важкого бетону, яка утворює одне ціле з важким бетоном, що знаходиться в кільцевому проміжку При цьому контейнер у розглянутому варіанті виконання описаний в робочому положенні При виготовленні ж внутрішня і зовнішня труби розташовані в повернутому на 180° положенні, як це описано вище ВІДПОВІДНО ДО запропонованого способу важкий бетон може бути армований, при цьому арматура може бути утворена, наприклад, арматурним каркасом Інші відрізняючі особливості винаходу представлені у залежних пунктах формули винаходу, а також розглянуті в подальшому описі Нижче винахід більш докладно пояснений на прикладах деяких з варіантів його здійснення з посиланням на додані схематичні креслення, на яких показано на фіг 1 - схема розташування зовнішньої і внутрішньої сталевих труб перед заповненням бетонним заповнювачем, на фіг 2 - схема розташування труб за фіг 1 із заповненою заповнювачем порожниною, яка утворена між зовнішньою і внутрішньою трубами, на фіг 3 - схема розташування труб за фіг 2, при якому порожнина між зовнішньою і внутрішньою трубами додатково приблизно наполовину заповнено цементною суспензією, і на фіг 4 - поздовжній розріз готового контейнера На фіг 1 показані сталева зовнішня труба 10 і розташована концентрично всередині неї сталева внутрішня труба 12 Своїми нижніми кінцями зовнішня труба 10 і внутрішня труба 12 встановлені на кришці 14, при цьому кришка 14 двома концентричними фланцями 16, 18, що мають внутрішню нарізку, нагвинчена на відповідну зовнішню нарізку нижнього кінця зовнішньої труби 10 і внутрішньої труби 12 8 Внутрішня труба 12 виконана більш короткою в порівнянні з зовнішньою трубою 10, і и верхній край ВІДПОВІДНО знаходиться на деякій відстані від верхнього краю зовнішньої труби 10 Верхній кінець внутрішньої труби 12 закритий сталевою плитою 20 ВІДПОВІДНО МІЖ ЗОВНІШНЬОЮ трубою 10 і внут рішньою трубою 12 утворюється кільцевий проміжок 22 постійної ширини (Ь), а між сталевою плитою 20 та верхнім кінцем зовнішньої труби 10 утворюється порожнина 24 На наступній стадії в просторі, утвореному кільцевим проміжком 22 і порожниною 24, розташовують арматурний каркас 26 із сталі (фіг 2) Арматура може бути також попередньо прикріплена, наприклад приварена, до внутрішньої стінки зовнішньої труби і/або до зовнішньої стінки внутрішньої труби Потім утворений кільцевим проміжком 22 і порожниною 24 простір із сталевим арматурним каркасом 26 заповнюють заповнювачем важкого бетону, що представляє собою у даному випадку гомогенну суміш із 20мас % бариту з гранулометричною фракцією від 4 до 8мм, ЗОмас % бариту з гранулометричною фракцією від 8 до 16мм і 50мас % сталевих кульок діаметру від 5 до 8мм (фіг 2) Після ЦЬОГО В простір, який заповнений арматурним каркасом 26 і заповнювачем 28, нагнітають суміш цементу, води і пластифікатора (фіг 3) З цією метою біля зовнішньої труби 10 є два розташованих діаметрально один проти одного (тобто зміщених по обводу труби на 180° один відносно одного) отвори ЗО, в кожен з яких вгвинчено по перехідному патрубку 32 Вказані отвори розташовані біля нижнього кінця зовнішньої труби 10 Потім ДО перехідних патрубків 32 приєднують подавальний напірний трубопровід (схематично показаний стрілкою 34) Після цього по цьому трубопроводу в кільцевий проміжок 22 нагнітають суміш з цементу, води і пластифікатора, яка представляє собою в'язку суспензію У даному випадку суспензія складається з цементу марки СЕМ І 42,5 з вмістом води 35% в перерахунку на КІЛЬКІСТЬ цементу і з вмістом 3% пластифікатора (яким у даному випадку служить сульфонат меламіну) у перерахунку на долю цементу Одразу ж після початку нагнітання цементна суспензія потрапляє вниз на внутрішній бік кришки 14, а потім поступово починає заповнювати, піднімаючись вгору, кільцевий проміжок 22, заповнюючи при цьому проміжки (пустоти) між зернами заповнювача й арматурою На фіг 3 ЛІНІЄЮ 36 позначений рівень заповнення кільцевого проміжку 22 приблизно на 50%, тобто наполовину Потім інжектування цементної суспензії продовжується при постійному підвищенні тиску нагнітання (до приблизно 15бар) до повного заповнення цією суспензією кільцевого проміжку 22 і розташованої над ним порожнини 24 Після тужавлення і тверднення цементу до верхнього кінця зовнішньої труби 10 приварюють сталеву плиту 38 (показану на фіг 3 штрихпунктирною ЛІНІЄЮ) ПІСЛЯ ЦЬОГО ВСЮ конструкцію повертають (у 54529 10 снення після 7-денного витримування становить 26Н/мм2, а цей же показник через 28 днів становить 46Н/мм Модуль пружності бетону, який визначали ВІДПОВІДНО до стандарту DIN 1048, частина 5, дорівнював ЗООООН/мм2 При дослідженнях ВІДПОВІДНО до стандарту DIN 1048, частина 2, межа МІЦНОСТІ бетону на сти вертикальній площині) на 180° (фіг 4) При необхідності кришку 14 можна потім замінити на іншу сталеву кришку 40 Отвори ЗО в готовому контейнері переважно також закривають, ВІДПОВІДНО закупорюють 20 2U 1В 14 16 ФІГ.1 U МІ Фіг.З Фіг.4 Підписано до друку 03 04 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вуп Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24