Калин Материаловедческие проблемы екологии в области ядерной енергетики 2010

Воздействие на упаковку при испытании на падение должна соответствовать тем нагрузкам, которым подвергается упаковка при столкновении транспортного средства с опорами моста или бетонной стеной при скорости 100 км/ч. Обоснованность этого испытания была подтверждена несколькими авариями, например, падение контейнеров с обогащенным UF6 из вагона на железнодорожный путь при скорости 100 км/ч (Германия, 1972 г., и США, 1977 г.), падение контейнера с отработавшим топливом с моста при перевозке по автомагистрали (США, 1970 г.) и с крана (Бельгия, 1973 г.). Лаборатория в Альбукерке (штат Нью-Мексико, США) в 1977 г. провела полномасштабные аварийные испытания на столкновение грузовика, перевозящего контейнеры с отработавшим топливом, и локомотивом на скорости более 100 км/ч.

В Великобритании в 1984 г. в подобных полномасштабных испытаниях участвовал поезд, который на скорости 160 км/ч врезался в контейнер с отработавшими топливными сборками. Испытания показали, что контейнер выдерживает такие воздействия. В 1998 г. Чикагским институтом ядерных исследований была разработана конструкция внешней многослойной пластичной подушки, абсорбирующей кинетическую энергию падающего с высоты 12 м ТУК с ОЯТ массой 110 кг. Подушка была сделана из жесткого (320 кг/м2) полиуретана толщиной 120 мм. Испытания прошли успешно.

8.2. Конструкции упаковочных комплектов и контейнеров для перевозки ОЯТ

В России самым популярным ТУК является контейнер для ОЯТ реакторов типа ВВЭР-440. Он представляет собой (рис. 28) однослойный вертикальный контейнер 1, в который вставлен чехол 2, вмещающий до 30 ОTBC с пеналами 3 или без них оных. Контейнером служит однослойный вертикальный стальной цилиндр с внешним диаметром около 2 м и высотой примерно 4 м. Внешняя поверхность имеет стальные ребра 4, служащие для интенсификации теплоотвода и амортизации в случае аварии. Теплоносителем могут быть как вода, так и газ (азот, аргон, гелий). Контейнер выполнен из стали 20, а внутренняя поверхность облицована коррозионно-

142

стойкой сталью. Крышка 5 контейнера крепится к корпусу двадцатью четырьмя болтами.

Рис. 28. ТУК для ОЯТ реакторов типа ВВЭР-440

Чехол ТУК (рис. 29) представляет собой сварную конструкцию, состоящую из днища 1, обечайки 2, центральной трубы 3 и двух дистанционирующих решеток 4 с соосно расположенными отверстиями, обеспечивающими заданное расположение ОТВС в чехле. Под каждым отверстием в дистанционирующих решетках имеется три опорных ребра, на которые устанавливаются ОТВС. В днище чехла – три отверстия для штырей, с помощью которых обеспечивается фиксированное положение чехла при его установке в контейнере. Пеналы предназначены для размещения твэлов (главным образом – дефектных) и представляют собой герметичную емкость, которая может заполняться водой или газом.

Конструкция ТУК для перевозки ОТВС реактора ВВЭР-1000 имеет иную конструкцию. Так как длина перевозимых сборок не позволяет создать контейнер вертикального типа, этот контейнер перевозится в горизонтальном положении. Контейнер представляет собой толстостенный цилиндр длиной около 6 и диаметром около

143

2 м. На наружной стороне цилиндра по всей его длине наварены ребра.

Рис. 29. Чехол ТУК:

1 – днище; 2 – обечайка; 3 – центральная труба; 4 – дистанционирующие решетки

В качестве теплоносителя можно применять газ или воду. Если используется вода, то контейнер снабжают устройством для удаления гремучей смеси. В контейнере можно перевозить одновременно шесть ОТВС реактора ВВЭР-1000.

Таким образом, в России преимущественно применяют толстостенные однослойные контейнеры с наружным оребрением и плакировкой внутренней поверхности коррозионно-стойкой сталью. Их основные характеристики представлены в табл. 39.

Существуют также металлобетонные контейнеры (МБК) вместимостью до 6,5 т U, представляющие собой ТУК типа В. Они предназначены для перевозки ОЯТ реакторов РБМК. Масса такого контейнера до 85 т в загруженном состоянии, наружный диаметр 2,3 м, общая длина 4,8 м, внутренний диаметр 1,5 м.

144

Таблица 39

Характеристики отечественных транспортных контейнеров

Внутренние оболочки из коррозионно-стойкой стали. Наполнитель корпуса контейнера – особопрочный сверхтяжелый бетон прочностью 120 МПа и плотностью 4,1 т/м3. При перевозке и хранении ОЯТ уровень радиации на поверхности этого контейнера не превышает 50 мбэр/ч, а на расстоянии 2 м – не выше 10 мбэр/ч. Температура топлива при хранении менее 200 °С. Срок эксплуатации контейнера > 50 лет.

Зарубежные контейнеры отличаются от наших в применении дополнительных биологических защитных оболочек из стали и использовании урана для защиты от γ-излучения.

Для транспортирования ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах разработана конструкция ТУК, приведенная на рис. 30. Свинцовый цилиндр, служащий для биологической защиты, установлен в стальной корпус 4, который в свою очередь окружен наружным кожухом 5. Между наружным кожухом и стальным корпусом помещается смесь свинцовой стружки с гипсом 6 для тепловой защиты при пожаре.

145

Рис. 30. ТУК для РБН: 1 – свинцовый цилиндр; 2 – ячейки для ОТВС;

3 – облицовка коррозионно- и радиационно-стойкой сталью; 4 – стальной корпус;

5 – наружным кожух;

6 – смесь свинцовой стружки с гипсом; 7 – внешняя крышка;

8 – внутренняя крышка;

9 – свинцовая пробка

Сам контейнер представляет собой свинцовый цилиндр 1 диаметром 0,9 м с тремя ячейками 2, облицованными коррозионностойкой сталью 3 и предназначенными для установки ОТВС. В каждую ячейку помещается цилиндрический герметичный пенал, содержащий до 150 твэлов. Пеналы дистанционируются сваркой. После установки пеналов каждая ячейка закрывается свинцовой пробкой 9 в оболочке из коррозионно-стойкой стали. Все три пробки фиксируются с помощью привинчивающейся крышки 8 толщиной 2 см. Необходимость в нейтронной защите и оребрении для увеличения теплосъема отпадают из-за большого времени выдержки ОЯТ.

Для временного хранения ОЯТ в процессе его транспортирования применяются большие бетонные контейнеры (рис. 31). Бетонный контейнер имеет металлическую емкость (канистру), в которую заключают ОЯТ и бетонный бак, экранирующий излучение.

146

Рис. 31. Большое бетонное временное хранилище для ОЯТ

Такие хранилища обычно имеют несколько десятков баков для хранения при десятилетнем периоде охлаждения топливных сборок

смаксимальным уровнем выгорания 55 ГВт∙сут/т и средним уровнем выгорания 50 ГВт/т.

ВСША, например, такие бетонные контейнеры хранят на открытом воздухе, а в Японии (в связи с ограниченностью территории и с целью экранирования излучения) – в закрытых помещениях. При размещении промежуточного хранилища на побережье канистры охлаждаются непосредственно воздухом, содержащим соли. В связи

сэтим существует опасность коррозионного растрескивания под напряжением, которое могут вызвать соли.

Вмире ТУК могут перевозиться железнодорожным, автомобильным, авиационным или морским транспортом. Каждая страна решает этот вопрос в зависимости от своих возможностей и географического положения. В России перевозка ТУК осуществляется, главным образом, по железным дорогам. На рис. 32 представлен ва- гон-контейнер ТК-6, предназначенный для перевозки с отработавшими тепловыделяющими сборками твэлов реактора ВВЭР-440.

147

Рис. 32. Вагон-контейнер для перевозки ТУК с ОТВС ВВЭР-440: 1 – двенадцатиосный железнодорожный транспортер с кузовом; 2 – грузовой отсек; 3 – вспомогательные отсеки; 4 – ОТВС;

5 – крыша грузового отсека

Вагон-контейнер ТК-6 представляет собой специальный грузовой вагон, являющийся двенадцатиосным железнодорожным транспортером 1 с кузовом, разделенным на три отсека: грузовой 2 и два вспомогательных 3. Грузовой отсек имеет теплоизоляцию и обшит изнутри коррозионно-стойкой сталью. Крыша грузового отсека имеет раскрывающиеся створки 5 для установки и извлечения ТУК 4. Во вспомогательных отсеках размещены оборудование системы отопления и вентиляции грузового отсека, электрический щит управления, щит контроля параметров контейнеров и т.д. Аналогичные вагоны-контейнеры сконструированы и для перевозки ОТВС других типов реакторов с учетом конструктивных особенностей твэлов и сборок. Например, для перевозки отработавших сборок реактора ВВЭР-1000 упаковочный контейнер размещается горизонтально, а не вертикально, из-за больших геометрических размеров.

Итак, анализ приведенных конструкций транспортных контейнеров позволяет выделить в них следующие основные узлы:

1)наружная оболочка;

2)биологическая защита;

3)крышка с узлом уплотнения, обеспечивающая герметизацию внутренней полости контейнера;

148

4) устройства, обеспечивающие дистанционирование ТВС в полости контейнера (чехол).

Особенности, существующие при транспортировке остеклованных высокоактивных отходов, связаны, прежде всего, с высокими γ-излучением и тепловыделением. Активность остеклованных высокоактивных отходов составляет до 1700 ТБк на контейнер. Следует сказать и о нейтронном потоке, возникающем в результате α-излучения в стекле. До сих пор перевозка в промышленных масштабах остеклованных высокоактивных отходов не осуществлялась, но предполагается, что при этом есть и плюсы из-за отсутствия ГПД и более низкого содержания делящихся ПД. Предполагается, что использование обычных контейнеров непригодно для остеклованных высокоактивных отходов. Необходимо обеспечивать дополнительную внешнюю защиту от нейтронного излучения и охлаждение защиты. Такие контейнеры сейчас разрабатываются фирмой BNFL.

8.3. Требования к конструкционным материалам ТУК

Требования МАГАТЭ и Российские правила перевозки и хранения ОЯТ не регламентируют ни свойств, ни самих материалов, которые могут быть использованы для изготовления ТУК. Эти требования касаются только всей конструкции в целом. Поэтому при создании ТУК возможно применение широкого круга различных материалов, обеспечивающих заданные безопасные условия перевозки и хранения. Наружная оболочка – из материала, обладающего необходимой прочностью, вязкостью разрушения и коррозионной стойкостью в дезактивационных растворах. Толщина наружной оболочки определяется из условий, исключающих ее разрушение при падении контейнера. Если применяется биологическая защита, выполненная из стали, роль наружной оболочки играет наплавка из коррозионно-стойкой стали, и проблема выбора толщины оболочки отпадает. Биологическая защита от γ-излучения выполняется из стали, свинца и урана. В России в качестве биологической защиты используется сталь. При ее применении исключается проблема различного термического расширения, возникающая в свинцовых контейнерах со стальными оболочками, и снижается стоимость изготовления контейнеров. Основной задачей транспортирования ОЯТ

149

является достижение максимальной экономичности за счет рациональных и дешевых контейнеров (учитывая повышение надежности и безопасности перевозок). Один из путей решения этой задачи – увеличение единовременно перевозимого ОЯТ за счет вместимости транспортных средств. Рост габаритов контейнеров и их массы ограничен определенными пределами, зависящими от вида транспорта. Исходя из этих ограничений, габариты вагонов-контейнеров не могут превышать 3,4 м по ширине и 5,3 м по высоте. Следовательно, увеличение вместимости контейнеров возможно лишь за счет применения новых конструкционных материалов. Эти материалы по отношению к широко используемой углеродистой стали должны при меньшей толщине обеспечивать, прежде всего, ту же биологическую защиту, обладать высокой теплопроводностью и удовлетворительными прочностными свойствами при низких и высоких температурах. В качестве биологической защиты, кроме стали, могут быть выбраны свинец и природный уран. Толщины стенок контейнеров из урана, свинца и стали соизмеряются соотношением 1:2:4. Таким образом, вместимость контейнера может быть увеличена на 50 %. Применение свинца и урана требует наличия сплошных герметичных облицовок. Использовать свинец без оболочки невозможно из-за его низкой температуры плавления (327 С). Кроме того, при расплавлении свинца в условиях пожара возможно образование пустот и нарушение в этих местах защитных свойств из-за более высокой удельной массы свинца в жидком состоянии (11,34∙103 кг/м3), чем в твердом (10,3∙103 кг/м3). Препятствием к использованию урана является его высокая химическая активность при контакте с воздухом или водой. При нагреве в условиях пожара уран и облицовочная сталь в месте контакта могут образовывать легкоплавкую эвтектику (725 С). Поэтому между коррозионно-стойкой сталью и ураном надо создавать диффузионный барьер в виде тонких слоев из меди или вольфрама. Испытания показали, что лучший эффект достигается при использовании вольфрама, наносимого методом плазменного напыления на оболочку из коррозионно-стойкой стали. Целесообразность выбора свинца или урана взамен углеродистой стали должна определяться для каждого типа контейнера по результатам сравнения экономического эффекта от увеличения полезного объема контейнера и величины затрат на его изготовление.

150