28 февраля 2013

НПО ЦКТИ: Актуальность создания новых контейнеров для ОЯТ ВВЭР-1000

Atomic-Energy.ru
Падение натурной модели ТУК-128 (ТУК-128/1) крышкой на стальной штырь (требование Правил МАГАТЭ)

Планируемое увеличение доли электрической энергии, вырабатываемой на отечественных АЭС с реакторами ВВЭР-1000, строительство блоков с этими реакторами в Китае, Иране и Индии, а также переход на топливо с повышенным начальным обогащением и большой глубиной выгорания требуют безотлагательной разработки и организации производства новых контейнеров для транспортирования ОЯТ ВВЭР-1000.

Работы по созданию контейнеров, отвечающих нормам безопасности МАГАТЭ при перевозках радиоактивных веществ, велись в СССР с начала 70-х годов.

Так, до 1987 года Научно-производственным объединением по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова были выполнены: тепловые и прочностные расчеты транспортного упаковочного комплекта ТУК-6 для 30 ОТВС ВВЭР-440 и ТУК-10 для шести ОТВС ВВЭР-1000 с корпусом контейнера из углеродистой стали, ТУК-13В для 12 ОТВС ВВЭР-1000 с корпусом из низколегированной стали 06Н2М, а также ТУК-13/1В для 12 ОТВС ВВЭР-1000 с корпусом контейнера из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Первые три типа ТУК серийно выпускались заводом «Ждановтяжмаш», ТУК-13/1В – Ижорским заводом. Они эксплуатируются и по настоящее время.

В период разработки характеристики отечественных контейнеров в основном соответствовали мировому уровню. Однако со второй половины 80-х годов подобные контейнеры в России не разрабатывались, и к настоящему моменту технические параметры отечественных контейнеров для ОЯТ ВВЭР существенно  уступают зарубежным ТУК для ОЯТ реакторов PWR и BWR.

Недостатки отечественных ТУК

Даже наиболее совершенные контейнеры типа ТУК-13 имеют существенные недостатки.

Малая вместимость (12 ОТВС) приводит к увеличению числа рейсов от АЭС на ГХК, росту затрат на перевозки, проведение транспортно-технологических операций, ремонт ТУК и транспортных средств; зарубежные контейнеры вмещают 18-19 ОТВС.
Жидкая нейтронная защита (водный раствор этиленгликоля) может быть утрачена при авариях и, особенно, в очаге пожара.

Используется одна крышка и герметизирующие прокладки из синтетической резины, которая недостаточно теплостойка и принципиально не может предотвращать диффузию из полости контейнера в окружающую среду радиоактивных изотопов.

Зарубежные контейнеры обычно снабжены двумя крышками, а контейнеры для хранения ОЯТ – и дополнительным герметизирующим стальным листом (приварным или на болтах). Полость между крышками используется для мониторинга герметичности контейнеров. Для герметизации крышек часто используется комбинация упругой металлической и резиновой прокладок.

Применяется несовершенная система демпфирования ударных нагрузок, воздействующих при авариях на корпус и крышку контейнера, а также на размещенные в нем ОТВС. Система выполнена в виде стальных ребер и шпангоутов, приваренных к массивному корпусу контейнера и проходящих через полость нейтронной защиты. Применяются ребра, приваренные к наружной поверхности крышки. Большинство же зарубежных контейнеров имеют эффективные торцевые деревянные демпферы, закрепляемые на контейнерах после установки на транспортеры. При этом коэффициенты перегрузок обычно не превышают К≤120 (в 1,5 раза меньше, чем для ТУК-13).

 

Падение натурной модели ТУК-128 (ТУК-128/1) с демпферами с 9 м на недеформируемое основание (требование Правил МАГАТЭ)

 

В чехлах российских контейнеров отсутствуют элементы, обеспечивающие интенсификацию теплопередачи в полости контейнера – таким образом, мощность суммарного остаточного тепловыделения 12 ОТВС в контейнерах типа ТУК-13 не должна превышать 20 кВт. За рубежом в чехлах широко используется алюминий и борированный алюминий, что позволяет увеличить мощность остаточного тепловыделения ОТВС в контейнерах до 35 кВт и больше.

Переход на использование в реакторах ВВЭР-1000 модифицированных сборок с повышенными до 5% мас. начальным обогащением по 235U и глубиной выгорания до 65-68 ГВт*сут/тU приведет к изменению изотопного состава ОЯТ, что существенно увеличит мощность его остаточного тепловыделения и нейтронную активность. В такой ситуации недостатки отечественных ТУК будут оказывать еще большее негативное воздействие на экономику и безопасность перевозок ОЯТ.
За рубежом давно решена проблема создания контейнеров для ОТВС с большой глубиной выгорания. Так, в Германии используются контейнеры CASTOR V/19 и CASTOR V/52 с корпусами из чугуна с шаровидным графитом. Ведется разработка новых контейнеров повышенной вместимости для топлива с еще более критическими параметрами – CASTOR Vа/21 (см. таблицу).

 

Характеристики контейнеров типа CASTOR

Характеристика ОТВС

CASTORV/19

CASTORV/52

CASTORVа/21

Число и тип ОТВС

19 PWR

52BWR

21 PWR(16×16 и 18×18)

Максимальное обогащение, % 235U

4,45

4,65

4,65

Глубина выгорания, ГВт*сут/т U

65

65

75

Минимальное время выдержки, лет

5

5

(данных нет)

Мощность остаточного тепловыделения, кВт

39

40

48

 

Варианты контейнеров для транспортирования и хранения ОЯТ ВВЭР-1000

Для вывоза ОЯТ от АЭС с ВВЭР-1000 должен быть срочно разработан современный ТУК с ориентацией на производственные возможности отечественных предприятий. При этом цены на российские контейнеры должны быть ниже зарубежных. В противном случае экономически целесообразным может оказаться приобретение Россией, а также странами, где построены или строятся АЭС с реакторами ВВЭР-1000, контейнеров, выпущенных зарубежными фирмами. Заметим, что германская фирма GNS (GNB) с 1997 года поставляет в страны Восточной Европы и Литву контейнеры для ОЯТ реакторов ВВЭР-440 и РБМК-1500; французской компанией Transnucleaire разработаны большегрузные контейнеры для ОЯТ реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 и гарантирована их серийная поставка.

Исходя из возможностей российских предприятий и имеющегося у них опыта, целесообразно рассматривать следующие варианты конструкции корпусов контейнеров и используемых для их изготовления материалов:

  • ковано-стальные корпуса из хладностойких углеродистых или низколегированных сталей;
  • корпуса, отливаемые совместно с днищем, из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ);
  • металлобетонные корпуса.

К сожалению, по всем вариантам существуют нерешенные вопросы. В России отсутствует опыт изготовления ковано-сварных корпусов большегрузных контейнеров из относительно дешевой хладностойкой стали и  нанесения на нее антикоррозионного металлического покрытия площадью 20 м2 и более. Могут возникнуть проблемы с заводом-изготовителем, так как возможность производства таких контейнеров на Ижорском заводе, который изготавливал ТУК-13/1В, неочевидна из-за загрузки производства корпусным оборудованием первого контура. На ЗАО «Петрозаводскмаш» нет станка для глубокого продольного сверления чугунного корпуса, позволяющего создать простую и эффективную твердую нейтронную защиту. Существует проблема с нанесением антикоррозионного (никелевого) покрытия на корпуса из чугуна.

В нашей стране нет опыта использования тяжелого бетона типа CONSTORIT, позволившего разработчикам металлобетонных контейнеров фирмы GNS (GNB) отказаться от применения стального армирования в слое бетона. Это упрощает бетонирование корпуса, позволяет использовать технологию, которая обеспечивает постоянство плотности бетона по высоте и радиусам стенки корпуса и снижает затраты на изготовление контейнера.

Кроме того, в России отсутствует ряд материалов, технологий и изделий, успешно используемых зарубежными фирмами при создании контейнеров. Так, не выпускаются:

  • борированный алюминий, позволяющий решать одновременно проблемы ядерной безопасности и интенсификации теплопередачи в полости контейнера;
  • сертифицированный материал для создания твердой нейтронной защиты, подобный «смоле», заливаемой в специальные полости стенки корпуса контейнера или занимающей часть высоты межреберного пространства контейнера;
  • упругие металлические герметизирующие прокладки типа HELIKOFLEX, широко используемые в зарубежных контейнерах.

Перечисленные выше проблемы должны решаться головной организацией по обращению с ОЯТ – ОАО «ГИ «ВНИПИЭТ». Острый дефицит времени на создание нового контейнера для транспортирования отработавших модифицированных ТВС ВВЭР-1000 требует объединения усилий всех компетентных организаций и имеющегося опыта российских предприятий.

В 1998 году специалистами ОАО «НПО ЦКТИ» совместно с ГНЦ «ЦНИИТМАШ» на ЗАО «Петрозаводск­маш» были начаты работы, направленные на использование отечественного чугуна с шаровидным графитом ВЧШГ для изготовления корпусов контейнеров. Был отлит 40-тонный корпус с габаритами, соответствующими корпусу контейнера для ОЯТ реакторов АПЛ. Полный комплекс исследований образцов отливки показал, что российский ВЧШГ ничем не уступает чугуну GGG40, из которого в Германии изготовлены сотни контейнеров CASTOR для ОЯТ и тысячи контейнеров MOSAIK для высокоактивных РАО.

К настоящему времени на ЗАО «Петрозаводскмаш» изготовлены следующие контейнеры с корпусами, отлитыми из ВЧШГ:

  • ТУК-128 (ТУК-128/1) для транспортирования ОТВС исследовательских реакторов, а также ТУК-135 для транспортирования облученных урановых блоков промышленных реакторов;
  • защитные контейнеры (ЗК-КЭ и ЗК-ПН) для хранения на Кольской АЭС кассет-экранов и поглощающих надставок, высокая наведенная активность которых связана с их длительным пребыванием в активных зонах реакторов ВВЭР-440.

Первый металлобетонный контейнер CONSTOR RBMK-1500, предназначенный для хранения облученного топлива от остановленных блоков Игналинской АЭС, был создан совместно германской фирмой GNS (GNB) и «НПО ЦКТИ».

 

Контейнеры "CONSTOR" для ОЯТ реактора РБМК-1500

 

ОАО «КБСМ» при научном руководстве «РФЯЦ-ВНИИЭФ» разработало целую серию металлобетонных контейнеров: ТУК-108/1 (для ОЯТ реакторов атомных подводных лодок и надводных кораблей ВМФ), ТУК-109 (для ОЯТ реакторов РБМК-1000), ТУК-120 (для ОЯТ реакторов атомных ледоколов), ТУК-123 (для ОЯТ реактора установки БН-350), УКХ-121 (для хранения и внутристанционного транспортирования высокоактивных РАО) – и совместно с Группой компаний ФНК обеспечило их серийное изготовление.

Параллельно с транспортным контейнером для вывоза ОТВС ВВЭР-1000 от АЭС на ФГУП «ГХК» целесообразно, по нашему мнению, создать контейнер для хранения на ГХК ОТВС ВВЭР-1000 с большой выдержкой. Это позволит разгрузить «мокрое» хранилище ХОТ-1, куда ОЯТ поступает с 1985 года, и обеспечить возможность приема в это хранилище отработавших сборок ВВЭР-1000, включая модифицированные, поступающие от АЭС. Для хранения ОТВС ВВЭР-1000 с большой выдержкой целесообразно использовать металлобетонные контейнеры, вместимость которых может быть доведена до 30 ОТВС.

Стоимость металлобетонных контейнеров должна быть ниже, чем контейнеров со стальным или чугунным корпусом, поскольку их изготовление не требует наличия на заводах-изготовителях сложных производств, таких как сталелитейное и ковочное или чугунолитейное.

Авторы

В.Е. Михайлов, д.т.н., А.В. Судаков, д.т.н., В.Н. Фромзель, к.т.н. (ОАО «НПО ЦКТИ»)