Способ изготовления контейнера и сам контейнер

1 Настоящее изобретение относится к способу изготовления контейнера для транспортировки и хранения радиоактивного материала, а также к собственно контейнеру, позволяющему транспортировать и хранить радиоактивный материал. Подобные контейнеры, выполненные в виде контейнеров так называемого типа "Кастор",нашли за последнее время широкое распространение. Такие контейнеры служат для транспортировки радиоактивных материалов, например выгоревших, соответственно отработавших тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) ядерных реакторов, от атомной электростанции к месту их промежуточного хранения или окончательного захоронения. При этом транспортировку иногда приходится осуществлять на большие расстояния. К подобной транспортировке радиоактивных материалов предъявляются исключительно высокие требования в отношении соблюдения мер безопасности. Указанные требования касаются не только транспортных средств (грузовых автомобилей, поездов, судов), но и прежде всего тех контейнеров, в которых осуществляется транспортировка, например, тепловыделяющих элементов. При этом речь идет прежде всего о двух следующих аспектах безопасности:- конструкция контейнера должна надежно защищать от выхода наружу радиоактивного излучения и газов,- конструктивные параметры контейнера должны гарантировать безопасность согласно вышеуказанному пункту даже в случае аварии,например, при падении контейнера с транспортного средства и ударе, возможно сильном, о землю. В этом отношении к радиационной защите контейнера предъявляются столь же высокие требования, что и к прочности и жесткости его конструкции. Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ изготовления соответствующего контейнера, а также сам контейнер,удовлетворяющий вышеназванным требованиям. К радиоактивному излучению относят альфа-, бета-, гамма-лучи и нейтронное излучение, альфа- и бета-лучи имеют в целом настолько малый радиус действия, что для защиты от них достаточно экрана небольшой толщины(порядка нескольких миллиметров). Поэтому при проектировании обеспечивающего радиационную защиту контейнера отправной точкой является ослабление и поглощение нейтронного и гамма-излучения. В этом отношении, как известно, существенную роль играют массивность, а следовательно и кажущаяся плотность соответствующих стенок контейнера. 2 По этой причине ранее использовали стальные контейнеры, такие как упоминавшиеся выше контейнеры типа "Кастор". Наряду с ними известны комбинированные так называемые сталь-железобетонные контейнеры, в конструкции которых использовано сочетание стали и бетона. Изобретение основано на том факте, что у подобных сталь-железобетонных контейнеров экранирующее действие может быть достигнуто за счет заполнения пространства между стальными стенками тяжелым бетоном особого состава. Таким образом, в изобретении в самом общем варианте его осуществления предложен способ изготовления контейнера для транспортировки и хранения радиоактивного материала,заключающийся в том, что- в металлическую наружную трубу вставляют металлическую внутреннюю трубу с образованием между внутренней и наружной трубами кольцевого зазора постоянной ширины,- после этого кольцевой зазор заполняют заполнителем или смесью заполнителей с минимальной крупностью зерна 2 мм и максимальной крупностью зерна 20 мм, при этом, по меньшей мере, 95 мас.% заполнителя имеют кажущуюся плотность более 4,2 г/см 3, и- затем в кольцевой зазор, по меньшей мере, через одно отверстие, расположенное у нижнего конца внутренней и/или наружной трубы,под высоким давлением нагнетают суспензию из цемента, воды и пластификатора до тех пор,пока эта суспензия, полностью заполняющая имеющиеся в заполнителе пустоты, не достигнет верхнего конца наружной трубы, причем состав указанной суспензии из цемента, воды и пластификатора подбирают таким образом, чтобы бетон имел кажущуюся плотность более 4100 г/см 3, а его определяемый в соответствии со стандартом DIN 1048, часть 2, предел прочности на сжатие составлял по истечении 28 дней более 45 Н/мм 2. Существенным аспектом этого способа является особая технология заполнения тяжелым бетоном пространства между указанными металлическими стенками. При заполнении кольцевого зазора предварительно приготовленной бетонной смесью обеспечить требуемые кажущуюся плотность и предел прочности бетона при сжатии было бы настолько же мало реально, как и обеспечить необходимую защиту от радиоактивного излучения. Решить эту задачу становится возможным лишь за счет использования особых заполнителей, которыми на первой стадии заполняют кольцевой зазор, и за счет последующего нагнетания под давлением в этот кольцевой зазор цементного клея (так называемого цементного теста), при этом решающим фактором, позволяющим достичь оптимальной степени запол 3 нения цементным тестом пустот в заполнителе,является то, что цементное тесто нагнетают в кольцевой зазор снизу вверх. Таким путем можно обеспечить не только высококачественное и практически оптимальное заполнение пустот между зернами заполнителя, но и образование в кольцевом зазоре в результате плотного, высокопрочного бетона. Термин "цемент" в контексте настоящего изобретения является собирательным понятием для всех типов гидравлических вяжущих. Однако предпочтительно использовать портландцементы, а именно, портландцементы марки СЕМI 42,5 или более высокосортных марок (например, марки СЕМ I 52,5). В качестве примеров заполнителей, обладающих требуемой кажущейся плотностью,можно назвать барит, феррофосфор, магнетит,железо (сталь), свинец, гематит и гранулированный отбеленный чугун, а также другие металлы, прежде всего тяжелые металлы, причем такие заполнители можно использовать индивидуально либо в виде смесей. Смесь из барита, феррофосфора, магнетита, гематита или их смеси в сочетании со стальной дробью обеспечивают достижение очень высоких показателей плотности и предела прочности при сжатии несхватившегося бетона,соответственно затвердевшего бетона. При проведении предварительных испытаний были протестированы смеси заполнителей различных составов. По результатам этих испытаний было установлено, что наиболее высокие показатели имеют заполнители в виде смеси из барита, феррофосфора, магнетита, гематита или их смесей в гранулометрических фракциях 4-8 мм, а также 8-16 мм в сочетании со стальной дробью диаметром от 4 до 10 мм. Стальная дробь может иметь и сферическую форму и быть полностью или частично заменена на свинцовую дробь или гранулированный отбеленный чугун. Относительные количества отдельных компонентов, входящих в состав заполнителя,могут быть при этом, например, следующими:- заполнитель с гранулометрической фракцией 4-8: 15-25 мас.%,- заполнитель с гранулометрической фракцией 8-16: 15-25 мас.%,- стальная дробь диаметром 4-10 мм: 45-55 мас.%. Под "металлическими трубами", упоминавшимися выше, в контексте настоящего изобретения понимают прежде всего стальные трубы, а среди них в свою очередь - прежде всего стальные трубы круглого сечения, хотя в принципе допустимо использование труб, имеющих сечение и другой формы, например многоугольной. В одном из вариантов осуществления способа в качестве внутренней трубы предлагается использовать трубу, которая закрыта с верхнего 4 конца и длина которой меньше длины наружной трубы. В этом случае наружную трубу и внутреннюю трубу устанавливают, например, на основание (плиту), а затем заполняют заполнителем не только пространство в кольцевом зазоре между внутренней и наружной трубами, но и полость между верхним закрытым концом внутренней трубы и верхним краем наружной трубы. После этого наряду с кольцевым зазором суспензией из цемента, воды и пластификатора заполняют также полость между верхним закрытым концом внутренней трубы и верхним краем наружной трубы. В результате получают своего рода "бетонную крышку", которая при последующем использовании (после переворота контейнера на 180 в вертикальной плоскости) образует дно контейнера. Дополнительно на верхнем конце наружной трубы можно закрепить, например, привинтить или приварить металлическую/стальную плиту. Способ изготовления можно упростить,если перед заполнением заполнителем закрыть внутреннюю и наружную трубы с их нижнего конца металлической/стальной крышкой. При этом предпочтительно использовать резьбовую крышку, навинчиваемую на соответствующие концы труб. Благодаря этому упрощается позиционирование осей наружной и внутренней труб на одной прямой, а именно, при заполнении соответствующей полости между ними заполнителем, соответственно при нагнетании в эту полость цементной суспензии. Этот нижний - при изготовлении - конец контейнера становится у готового контейнера(после переворота на 180) его верхним концом. Таким образом можно, например, отвинтив стальную крышку, уложить в свободное пространство внутренней трубы отработавшие тепловыделяющие элементы и после этого снова закрыть контейнер. Жесткость конструкции контейнера можно существенно повысить, если перед заполнением заполнителем заложить в кольцевой зазор, соответственно в полость между верхним закрытым концом внутренней трубы и открытым концом наружной трубы арматуру. За счет этого повышается также отвод тепла при гидратации цемента. Подобная арматура может быть выполнена, например, в виде арматурного каркаса, размещаемого практически по всему объему кольцевого зазора, соответственно полости. Поскольку выше говорилось о нагнетании цементной суспензии под высоким давлением,сказанное означает, что начальное давление превышает 1 бар. По мере заполнения кольцевого зазора и соответствующего повышения гидростатического давления необходимо увеличивать и давление нагнетания цементной суспензии, которое в зависимости от высоты контейнера (например, 3 м) может потребоваться увеличить до 15 бар. 5 При этом исходят из того, что ширина кольцевого зазора составляет, например, от 20 до 30 см. Описанная выше "бетонная донная плита" также может иметь соответствующую толщину. Поскольку плотность стали выше плотности тяжелого бетона, расположенные на концах контейнера крышки могут иметь несколько меньшую толщину стенок, например от 5 до 15 см. Как уже говорилось в начале описания,изобретение относится также к контейнеру для транспортировки и хранения радиоактивного материала, отличающемуся тем, что- он состоит из наружной металлической трубы и расположенной в ней и отстоящей от нее по всему периметру на одинаковом расстоянии внутренней металлической трубы с образуемым между указанными внутренней и наружной трубами кольцевым зазором постоянной ширины,- кольцевой зазор между внутренней и наружной трубами заполнен тяжелым бетоном,состоящим из заполнителя или смеси заполнителей с кажущейся плотностью более 4,2 г/см 3 и цемента, заполняющего пустоты между зернами заполнителя, причем кажущаяся плотность тяжелого бетона составляет более 4100 г/см 3, а его определяемый в соответствии со стандартомDIN 1048, часть 2, предел прочности на сжатие по истечении 28 дней составляет более 45 Н/мм 2, и- наружная труба и внутренняя труба закрыты с концов металлическим дном и металлической крышкой, причем, по меньшей мере,металлическая крышка выполнена съемной. Согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения предлагается контейнер, у которого внутренняя труба не доходит до нижнего конца наружной трубы и закрыта с этого конца, а между закрытым нижним концом внутренней трубы и нижним концом наружной трубы расположена плита из тяжелого бетона, которая образует одно целое с находящимся в кольцевом зазоре тяжелым бетоном. При этом контейнер в рассмотренном варианте выполнения описан в рабочем положении. При изготовлении же внутренняя и наружная трубы расположены в перевернутом на 180 положении, как это описано выше. В соответствии с предлагаемым способом тяжелый бетон может быть армирован, при этом арматура может быть образована, например,арматурным каркасом. Другие отличительные особенности изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения, а также рассмотрены в последующем описании. Ниже изобретение более подробно поясняется на примере некоторых из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые схематичные чертежи, на которых показано: 6 на фиг. 1 - схема расположения наружной и внутренней стальных труб перед заполнением бетонным заполнителем,на фиг. 2 - схема расположения труб по фиг. 1 с заполненной заполнителем полостью,образованной между наружной и внутренней трубами,на фиг. 3 - схема расположения труб по фиг. 2, при котором полость между наружной и внутренней трубами дополнительно примерно наполовину заполнена цементной суспензией, и на фиг. 4 - продольный разрез готового контейнера. На фиг. 1 показаны стальная наружная труба 10 и расположенная концентрично внутри нее стальная внутренняя труба 12. Своими нижними концами наружная труба 10 и внутренняя труба 12 установлены на крышке 14, при этом крышка 14 двумя концентричными фланцами 16, 18, имеющими внутреннюю резьбу, навинчена на соответствующую наружную резьбу нижнего конца наружной трубы 10 и внутренней трубы 12. Внутренняя труба 12 выполнена более короткой по сравнению с наружной трубой 10, и ее верхний край соответственно отстоит на некотором расстоянии от верхнего края наружной трубы 10. Верхний конец внутренней трубы 12 закрыт стальной плитой 20. Соответственно между наружной трубой 10 и внутренней трубой 12 образуется кольцевой зазор 22 постоянной ширины (b), а между стальной плитой 20 и верхним концом наружной трубы 10 образуется полость 24. На следующей стадии в пространстве, образованном кольцевым зазором 22 и полостью 24, размещают арматурный каркас 26 из стали(фиг. 2). Арматура может быть также предварительно прикреплена, например приварена, к внутренней стенке наружной трубы и/или к наружной стенке внутренней трубы. Затем образованное кольцевым зазором 22 и полостью 24 пространство со стальным арматурным каркасом 26 заполняют заполнителем тяжелого бетона, представляющим собой в данном случае гомогенную смесь из 20 маc.% барита с гранулометрической фракцией 4-8 мм, 30 маc.% барита с гранулометрической фракцией 8-16 мм и 50 мас.% стальной дроби диаметром от 5 до 8 мм (фиг. 2). После этого в пространство, которое заполнено арматурным каркасом 26 и заполнителем 28, нагнетают смесь цемента, воды и пластификатора (фиг. 3). Для этой цели у наружной трубы 10 имеется два расположенных диаметрально друг против друга (т.е. смещенных по окружности трубы на 180 друг относительно друга) отверстия 30, в каждое из которых ввинчено по переходному патрубку 32. Указанные отверстия расположены у нижнего конца наружной трубы 10. 7 Затем к переходным патрубкам 32 присоединяют подающий напорный трубопровод (схематично показанный стрелкой 34). После этого по этому трубопроводу в кольцевой зазор 22 под давлением нагнетают смесь из цемента, воды и пластификатора, представляющей собой вязкую суспензию. В рассматриваемом случае суспензия состоит из цемента марки СЕМ I 42,5 с содержанием воды 35% в пересчете на количество цемента и с содержанием 3% пластификатора (которым в данном случае служит сульфонат меламина) в пересчете на долю цемента. Сразу же после начала нагнетания цементная суспензия попадает вниз на внутреннюю сторону крышки 14, а затем постепенно начинает заполнять, поднимаясь вверх, кольцевой зазор 22, заполняя при этом промежутки (пустоты) между зернами заполнителя и арматурой. На фиг. 3 линией 36 обозначен уровень заполнения кольцевого зазора 22 примерно на 50%, т.е. наполовину. Затем инжектирование цементной суспензии продолжается при постоянном повышении давления нагнетания (до примерно 15 бар) до полного заполнения этой суспензией кольцевого зазора 22 и расположенной над ним полости 24. После схватывания и затвердевания цемента к верхнему концу наружной трубы 10 приваривают стальную плиту 38 (показанную на фиг. 3 штрих-пунктирной линией). После этого всю конструкцию переворачивают (в вертикальной плоскости) на 180 (фиг. 4). При необходимости крышку 14 можно затем заменить на другую стальную крышку 40. Отверстия 30 у готового контейнера предпочтительно также закрывают, соответственно закупоривают. При испытаниях в соответствии со стандартом DIN 1048, часть 2, предел прочности бетона на сжатие после 7-дневной выдержки составил 26 Н/мм 2, а тот же показатель через 28 дней составил 46 Н/мм 2. Модуль упругости бетона, который определяли в соответствии со стандартом DIN 1048,часть 5, оказался равным 30000 Н/мм 2. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ изготовления контейнера для транспортировки и хранения радиоактивного материала, заключающийся в том, что в металлическую наружную трубу вставляют металлическую внутреннюю трубу с образованием между внутренней и наружной трубами кольцевого зазора постоянной ширины, после этого кольцевой зазор заполняют заполнителем или смесью заполнителей с минимальной крупностью зерна 2 мм и максимальной крупностью зерна 20 мм, при этом, по меньшей мере, 95 мас.% заполнителя имеет кажущуюся плотность более 4,2 г/см 3, и затем в кольцевой зазор, по 8 меньшей мере, через одно отверстие, расположенное у нижнего конца внутренней и/или наружной трубы, под высоким давлением нагнетают суспензию из цемента, воды и пластификатора до тех пор, пока эта суспензия, полностью заполняющая имеющиеся в заполнителе пустоты, не достигнет верхнего конца наружной трубы, причем состав указанной суспензии подбирают таким образом, чтобы образующийся вместе с заполнителем бетон имел кажущуюся плотность более 4100 г/см 3, а определяемый в соответствии со стандартом DIN 1048, часть 2,предел прочности цемента на сжатие, затвердевшего в кольцевом зазоре вместе с заполнителем, составлял по истечении 28 дней более 45 Н/мм 2. 2. Способ по п.1, в котором в качестве цемента используют портландцемент марки СЕМI 42,5 или более высокосортной марки. 3. Способ по п.1, в котором в качестве заполнителя используют барит, феррофосфор,магнетит, железо, свинец, гематит, гранулированный отбеленный чугун, а также другие металлы или смеси вышеназванных заполнителей. 4. Способ по п.3, в котором в качестве заполнителя используют смесь барита, феррофосфора, магнетита, гематита или их смеси в сочетании со стальной дробью. 5. Способ по п.4, в котором в качестве заполнителя используют смесь барита, феррофосфора, магнетита, гематита или их смеси с гранулометрической фракцией 4-8 и 8-16 мм в сочетании со стальной дробью диаметром от 4 до 10 мм. 6. Способ по п.4, в котором в качестве заполнителя используют смесь из барита, феррофосфора, магнетита, гематита или их смеси с содержанием гранулометрической фракции 4-8 мм 15-25 мас.%, гранулометрической фракции 8-16 мм 25-35 мас.% в сочетании с 45-55 мас.% стальной дроби диаметром от 4 до 8 мм. 7. Способ по п.1, в котором используют закрытую с верхнего конца внутреннюю трубу,длина которой меньше длины наружной трубы,при этом полость между верхним закрытым концом внутренней трубы и верхним концом наружной трубы также заполняют заполнителем, а пустоты между частицами заполнителя заполняют суспензией. 8. Способ по п.1, в котором внутреннюю трубу и наружную трубу перед заполнением заполнителем закрывают с их нижнего конца металлической крышкой. 9. Способ по п.1 или 7, в котором перед заполнением заполнителем в кольцевой зазор и/или в полость между верхним закрытым концом внутренней трубы и открытым концом наружной трубы закладывают арматуру. 10. Способ по п.9, в котором в качестве арматуры используют арматурный каркас, размещаемый практически по всему объему кольцевого зазора и/или полости. 11. Способ по п.1, в котором верхний,нижний либо верхний и нижний концы наружной трубы после схватывания суспензии герметично закрывают металлической крышкой или металлическим колпаком, при этом на наружную трубу надевают, по меньшей мере, одну съемную металлическую крышку или один съемный металлический колпак. 12. Контейнер для транспортировки и хранения радиоактивного материала, характеризующийся тем, что он состоит из наружной металлической трубы (10) и расположенной в ней внутренней металлической трубы (12) с образованием между ними кольцевого зазора (22) постоянной ширины, при этом кольцевой зазор(22) между внутренней и наружной трубами (12,10) заполнен тяжелым бетоном, состоящим из заполнителя или смеси заполнителей (28) с кажущейся плотностью более 4,2 г/см 3 и цемента,заполняющего пустоты между зернами заполнителя, причем кажущаяся плотность тяжелого бетона составляет более 4100 г/см 3, а его опре 10 деляемый в соответствии со стандартом DIN 1048, часть 2 предел прочности на сжатие по истечении 28 дней составляет более 45 Н/мм 2, а наружная труба (10) и внутренняя труба (12) закрыты с концов металлическим дном (38) и металлической крышкой (14), причем, по меньшей мере, металлическая крышка (14) выполнена съемной. 13. Контейнер по п.12, у которого внутренняя труба (12) не доходит до нижнего конца наружной трубы (10) и закрыта с этого конца, а между закрытым нижним концом внутренней трубы (12) и нижним концом наружной трубы(10) расположена плита из тяжелого бетона,которая образует одно целое с находящимся в кольцевом зазоре тяжелым бетоном. 14. Контейнер по п.12 или 13, у которого тяжелый бетон армирован. 15. Контейнер по п.14, у которого арматура образована арматурным каркасом (26).