Разработка принципиальной технологии вывоза ОЯТ АЭС «Пакш»

Для обоснования безопасности обращения с негерметичным ОЯТ российские специалисты выполнили большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

В апреле 2003 года при работах по очистке кассет ВВЭР-440 в баке отмывки колодца №1 второго блока АЭС «Пакш» (Венгрия) произошел неконтролируемый разогрев моющего раствора, в результате чего было повреждено 30 топливных сборок. В настоящее время более 5 т ОЯТ  загружено в вентилируемые пеналы типов 28 и 29 и размещено на временное хранение в бассейне выдержки АЭС. Такое хранение требует разработки технологий по дальнейшему обращению с ОЯТ.

Оптимальным, с учетом состояния топлива, является решение о переработке ОЯТ с захоронением образующихся отходов. Российские специалисты разработали принципиальную технологию подготовки пеналов с негерметичным ОЯТ к транспортированию на переработку на ФГУП ПО «Маяк».

Подготовительные работы

Укрупненная блок-схема обращения с пеналами при подготовке их к транспортированию, перевозке с АЭС «Пакш» в ПО «Маяк» и дальнейшем обращении (рис. 1) предусматривала три основных этапа работы:

• обращение с пеналами на АЭС «Пакш» (подготовка к вывозу, освобождение бассейна выдержки от пеналов);
• перевозка пеналов с АЭС «Пакш» в ПО «Маяк»;
• переработка ОЯТ в ПО «Маяк».

Рис. 1. Укрупненная блок-схема обращения с пеналами

Проектный срок хранения дефектного ОЯТ в бассейне выдержки АЭС «Пакш» составляет пять лет и определяется гарантией на резиновое уплотнение между крышкой и корпусом пеналов. Временные затраты, необходимые на подготовку разрешительной документации, разработку технологии и изготовление оборудования для подготовки пеналов к вывозу на переработку, могут превышать этот срок. Поэтому была разработана принципиальная технология продления режима хранения пеналов на срок более десяти лет, подразумевающая ревизию и замену резиновых уплотнений. Ее эффективность подтверждена в ходе экспериментальных работ, проведенных на специально разработанных стендах и макетах оборудования. Расчетно-экспериментальные оценки выхода жидких РАО из пеналов при замене резиновых уплотнений использовались для оценки количества ЖРО, которые образуются при подготовке пеналов к транспортированию.

Основной трудностью обеспечения и обоснования безопасности транспортирования влажного дефектного ОЯТ является необходимость длительного (от шести месяцев до года) пребывания пенала в герметичном состоянии. Этот срок складывается из времени нахождения герметичных пеналов на АЭС, времени перевозки и обращения в ПО «Маяк» с момента прихода состава до поступления пенала на разделку.

На стадии подготовки принципиальной технологии был выполнен анализ российской и международной  нормативно-правовых баз, с учетом требований по безопасному обращению с дефектными ОТВС на заводе регенерации, и проведено обоснование принципиальной возможности транспортирования негерметичного ОЯТ с АЭС «Пакш» на ФГУП «ПО «Маяк». Были рассмотрены все основные аспекты безопасности перевозки: ядерная и радиационная безопасность, прочность и герметичность пеналов, тепловые режимы, взрыво- и пожаробезопасность.

Проведенные экспертами РФЯЦ «ВНИИЭФ» предварительные расчеты подтвердили, что транспортирование дефектного ОЯТ может безопасно осуществляться в газонаполненных пеналах типов 28 и 29, при разработке которых учитывались требования ФГУП «ПО «Маяк» к переработке.

Для транспортирования можно использовать транспортный упаковочный комплект ТУК-6 с чехлом 13 (для пеналов типа 28) и чехлом 12 (для пеналов типа 29). Для загрузки пеналов типа 28 в чехол 13 потребуется дополнительная разработка и изготовление транспортных вкладышей. Чтобы перевезти все  пеналы с АЭС «Пакш» в ПО «Маяк», достаточно четырех контейнеров ТУК-6.

Рис. 3. Загрузка фрагментов ОТВС в пеналы тип 28

Выбор метода осушки пеналов

Остаточное количество воды в пеналах не должно превышать 5% от массы топлива; это требование определяется особенностями переработки ОЯТ в ПО «Маяк». Следовательно, перед отправкой в ПО «Маяк» из пеналов должна быть удалена вода.

После удаления воды в пеналах останется какое-то количество влаги; в результате радиолиза возможны рост давления выше предельно допустимых значений и образование гремучей смеси. Для определения величины остаточной влаги в пенале, которая гарантировала бы безопасность на всех этапах обращения, проведены экспериментальные исследования, моделирующие хранение разрушенного ОЯТ в герметичном пенале после различных способов удаления воды. В экспериментах первого уровня определено консервативное по отношению к радиолизу состояние ОЯТ для всех видов загрузки пеналов на АЭС «Пакш». В экспериментах второго уровня получены скорости выхода водорода, кислорода и газообразных продуктов деления в свободный объем пенала в зависимости от количества оставшейся воды и температуры окружающей среды.

Подготовка пеналов на АЭС «Пакш» к транспортированию на переработку может быть реализована по следующим схемам:

• удаление воды без дополнительного осушения, заполнение инертным газом и герметизация пеналов;
• удаление воды, осушение ОЯТ, заполнение инертным газом и герметизация пеналов;
• осушение ОЯТ без предварительного слива воды, заполнение инертным газом и герметизация пеналов.

Для выбора оптимальной технологии подготовки пеналов разработано и изготовлено экспериментальное оборудование, проведена отработка трех схем удаления воды – на уменьшенных по высоте макетах пеналов типа 29, загруженных облученным топливом ВВЭР-440, и на полномасштабных пеналах типов 28 и 29, загруженных имитаторами ОЯТ. С учетом оценок временных и дозовых затрат, а также количества образующихся РАО  оптимальным способом признана термовакуумная сушка без предварительного слива.
Исследования состояния ОЯТ подтвердили безопасность обращения с пеналами, загерметизированными по этой технологии.

Обосновать безопасность на всех этапах обращения с пеналами, загерметизированных после слива воды, невозможно, поскольку за шесть месяцев объемная концентрация водорода в пенале типа 29 со свободным объемом 20 л составит 8,7%. Если же по окончании термовакуумной осушки остаточное давление в пеналах не превысит 6 мбар, то через два года хранения в герметичном пенале типа 29 со свободным объемом 18 л объемная концентрация водорода будет не более 0,05%, а в пенале типа 28 со свободным объемом 50 л – не более 0,04%. Количество водорода, которое накопится в пенале за двукратное время нахождения в герметичном состоянии, на два порядка меньше предела самовоспламенения для смеси кислорода и водорода.

При IV классе герметичности (допустимая величина утечки – до 6,7*10^-7 Па*м³/с) время падения избыточного давления в пеналах во много раз превышает двукратное время от начала герметизации первого до момента переработки последнего пенала.

Подтверждена также ядерная безопасность процесса накопления ОЯТ на фильтрующих элементах. Выход газообразных продуктов деления при сушке пеналов не требует специальных мер по защите персонала и окружающей среды. Даны технические рекомендации для разработки оборудования установки сушки пеналов на АЭС «Пакш».

Отработана схема разбавления воздухом неконденсируемых газов, откачиваемых из пенала, для исключения образования взрывоопасной смеси.

В результате НИОКР получены экспериментальные результаты и аналитические оценки, необходимые для лицензирования технологии сушки пеналов без предварительного слива раствора борной кислоты.

Принципиальная технология подготовки пеналов

Принципиальная технология выполнения работ по подготовке пеналов с ОЯТ к перевозке на переработку в ПО «Маяк» должна обеспечить:

• непревышение допустимых дозовых нагрузок на ­персонал;
• безопасное временное хранение пеналов с ОЯТ в бассейнах выдержки;
• не нарушение пределов нормальной эксплуатации АЭС «Пакш»;
• минимальный выход из пеналов ядерных материалов и радиоактивных изотопов;
• минимизацию образования РАО.

Технология базируется на следующих положениях:

• для обеспечения безопасных условий транспортирования пеналы с ОЯТ должны быть осушены, заполнены инертным газом и герметизированы;
• к транспортированию готовится сразу группа пеналов, количество пеналов в группе определяется количеством гнезд на охранной обечайке;
• демонтаж компенсаторов пеналов выполняется в бассейне выдержки;
• перед осушкой крышки водонаполненных пеналов должны быть заменены на крышки газонаполненных пеналов, эти работы выполняются в колодце К1;
• при хранении и транспортировании осушенных газонаполненных пеналов не используются катализаторы для окисления водорода;
• осушка пеналов выполняется без предварительного слива воды из них;
• осушка, заполнение инертным газом и герметизация пеналов производятся в защитно-технологическом модуле, установленном в колодце К1;
• до загрузки в ТУК газонаполненные пеналы хранятся в бассейне выдержки;
• все перемещения пеналов с ОЯТ между бассейном выдержки и К1 осуществляются с помощью перегрузочной машины;
• при подготовке пеналов к перевозке нужно максимально использовать оборудование, которое применялось при удалении ОЯТ из бака очистки (оно может быть доработано с учетом новых задач).

Разработанная технология технически осуществима на достаточном и необходимом уровне безопасности.

Заключение

Принципиальных и непреодолимых препятствий технического и юридического характера для осуществления перевозки пеналов на переработку в Россию не существует.

Имитация операций по переработке пеналов типов 28 и 29 в ПО «Маяк» показала, что транспортно-технологические операции с ними возможно проводить по штатной схеме предприятия, аналогично чехлам для перевозки ОТВС ВВЭР-440. Оборудование и технология перерабатывающего завода готовы к приему и переработке ОЯТ АЭС «Пакш».

Авторы