Автор Н.В. Ерёмин (начальник отдела ОАО "РАОПРОЕКТ")
1. Суть проблемы
Хранение и утилизация отработавшего ядерного топлива является важнейшей народнохозяйственной задачей. Это обусловлено тем, что в настоящее время атомная энергетика занимает заметное место в сфере производства электроэнергии и внимание к ней со стороны государств, испытывающих дефицит природных энергоносителей, таких как нефть, газ, уголь, возрастает.
В настоящее время задача сухого хранения отработавшего ядерного топлива (далее - ОЯТ) заинтересованными зарубежными странами решена полностью: в мире разработано и нашли промышленное применение несколько систем сухого хранения, разработаны (в США, Германии, Канаде, Франции, Великобритании, Японии и др. странах) технология и оборудование для сухого хранения ОЯТ всех типов энергетических и исследовательских реакторов. На динамично развивающемся международном рынке представлены семейства металлических и металлобетонных контейнеров и бетонных модулей разных фирм (TN, CASTOR, CONSTOR, NUHAUS и т. д.). Контейнерное хранение вошло в практику более 20 лет тому назад.
В нашей стране данную задачу можно считать частично решенной. Ряд фирм, таких как, например, ОАО «Конструкторское бюро специального машиностроения» и ОАО «Инженерный центр ядерных контейнеров», занимаются разработкой контейнеров для транспортировки и хранения ОЯТ.
Таким образом, разработчиками создано семейство металлобетонных и металлических контейнеров, предназначенных для осуществления этой задачи. С другой стороны, ряд моментов, связанных с эксплуатацией МБК нуждается в серьезной дополнительной проработке. В первую очередь это связано с обеспечением должного уровня безопасности при обращении с ОЯТ, что в значительной степени является следствием его сохранности в течение длительного времени. Под сохранностью ОЯТ мы понимаем отсутствие разрушения твэлов и выхода из них топливных частиц и продуктов деления.
Повышенная температура ОЯТ при сухом хранении может привести к ряду негативных последствий, особенно при наличии в нем твэлов с дефектными оболочками, а именно:
- испарению воды, проникшей в зазоры между элементами ОТВС и оставшейся на поверхности внутренней полости контейнера перед его загрузкой;
- выделению из твэлов воды, попавшей в топливо через трещины в оболочках твэлов при их эксплуатации в реакторе и последующего хранения их в бассейне выдержки и мокром хранилище;
- диффузии через дефекты оболочек твэлов радиоактивных и коррозионно-опасных летучих продуктов деления (Т, 14C, 129J, 137Cs и др.);
- коррозии оболочек твэлов и металлоконструкций, находящихся во внутренней полости контейнера;
- повышению газового давления внутри контейнера, что может увеличить утечку радионуклидов в атмосферу до величины выше нормативной.
Для предотвращения этого обычно проводят осушку ОЯТ перед установкой в контейнер путем длительной тепловой обработки в потоке газа или вакууме. Однако, эта операция не гарантирует полного удаления влаги, поэтому в процессе хранения ОЯТ в контейнере необходимо периодически или постоянно удалять из газовой фазы водяные пары. Эта задача может быть эффективно решена путем установки внутрь контейнера с загруженным ОЯТ специального поглотителя водяных паров и коррозионно-опасных газов (Геттера – прим. автора).
Необходимо заметить, что применение геттера не исключает необходимость осушки сборок, но позволяет осуществлять поглощение по мере естественного выделения вышеуказанных продуктов непосредственно в процессе хранения ОЯТ и, таким образом, повышает безопасность обслуживания контейнера с ОЯТ и эффективность очистки его внутренней среды, давая существенный экономический эффект.
Следует отметить, что данная статья основывается на исследованиях, проводимых в НПО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина» под руководством ныне покойного к.т.н. В.Б. Гевирца. Его памяти посвящается данная работа. Автор приносит благодарность сотрудникам ОАО «КБСМ» к.т.н. К.Б. Ходасевичу и к.т.н. В.В. Воронцову за творческое сотрудничество, а так же благодарит специалистов НПО «Радиевый институт им. В. Г. Хлопина» за ценные замечания, сделанные ими при подготовке данной статьи.
2. Краткая справка
Газовый состав внутренней полости МБК в загруженном состоянии имеет сложную химическую природу. Наряду с парами воды (Н2О, НТО, Т2О), активно выделяющейся из трещин оболочек твэлов и зазоров между элементами ОТВС, в газовой атмосфере контейнера могут присутствовать летучие радионуклиды 129J в форме HJ и J2. Кроме того, в газовой атмосфере могут присутствовать соединения, которые образуются при радиолизе азота (оксиды азота) и другие вещества.
В качестве поглотителей летучих веществ в промышленности используются различные сорбенты, например: цеолиты, силикагель, окись алюминия. С повышением температуры емкость этих сорбентов по парам воды резко падает. Силикагель и алюмогель при 200°С практически не адсорбируют паров воды. Кроме того, все эти сорбенты плохо поглощают, или совсем не поглощают многие из корозионно-опасных газов, которые могут накапливаться во внутренней полости контейнеров с ОЯТ.
Требуется вид поглотителя, который прочно связывает воду и кислые газы и удерживает их при нагревании.
Эксперты МАГАТЭ рекомендуют использовать поглотитель, который работает по принципу хемосорбции, т.е. поглощает вышеуказанные вещества, образуя с ними химические соединения. Такие поглотители и называют геттерами.
3. Геттерный материал
Исходя из опыта проектирования и эксплуатации контейнеров хранения ОЯТ, мы можем сформулировать основные требования к геттерному материалу:
3.1. В упаковке должен использоваться геттерный материал, обеспечивающий поглощение паров воды, кислых и радиоактивных газов, включая 14С (в форме СО2), 129J (в форме J2 и HJ) и тритий (в форме HTO и Т2О).
3.2. Поглощение вышеуказанных газов должно сопровождаться образованием химических соединений, устойчивых к температурному и радиационному воздействию в зоне его размещения во внутренней полости МБК с ОЯТ в течение всего срока хранения ОЯТ (50 лет):
- max t° 300°C
- радиационное воздействие:
max мощность дозы 30 мЗв/с
интегральная доза за 50 лет хранения 3•107 Зв.
3.3. Геттерный материал не должен оказывать коррозионного воздействия на конструкционные материалы, используемые в контейнере.
3.4. После использования в контейнере с ОЯТ геттерный материал относится к категории радиоактивных отходов и подлежит утилизации.
3.5. Геттерный материал не должен содержать дефицитных компонентов. Его приготовление должно быть доступно в условиях завода-изготовителя и поставщика контейнера.
В данной работе предлагается использовать в качестве основного реагента для геттера оксид кальция (CaO).
Он активно реагирует с водой по реакции:
СаО + Н2О = Са(ОН)2.
Кроме того, он реагирует с такими кислыми газами, как оксиды азота и серы, йодом и йодистым водородом, диоксидом углерода и др. Эти реакции, как правило, более активно происходят при частичном увлажнении оксида кальция. При этом образуются термически и радиационно устойчивые химические соединения:
2CaO +4NO2 = Ca(NO3)2 + Ca(NO2)2
CaO + SO2 = CaSO3
6CaO + 6J2 = 5CaJ2 + Ca(JO3)2
CaO + 2HJ = CaJ2 +H2O
CaO + CO2 = CaCO3 .
4. Геттерная упаковка (ГУ)
Важным вопросом при использовании геттера является выбор схемы размещения геттерной упаковки в контейнере ОЯТ, а так же способа ее вскрытия. При решении данной задачи необходимо учесть следующие моменты:
4.1. ГУ должна размещаться в свободном объеме дистанционирующей решетки или внутренней полости контейнера.
4.2. ГУ должна предусматривать возможность размещения в ней геттерного материала в гранулированном или блочном виде.
4.3. ГУ в период ее хранения до загрузки ОЯТ в контейнер должна обеспечивать герметичность полости размещения геттерного материала, обеспечивая его защиту от газо-водонасыщения (контакта с окружающей атмосферой).
4.4. Конструкция ГУ должна обеспечивать возможность контроля состояния геттерного материала по его водопоглощению (например путем взвешивания) и возможность замены геттерного материала.
4.5. ГУ, включая геттерный материал, должна обладать достаточной прочностью и не подвергаться разрушению при действии эксплуатационных нагрузок, включая транспортные, при этом ГУ должна сохранять герметичность.
4.6. ГУ, после ее разгерметизации внутри МБК, должна надежно обеспечивать доступ газовой среды к геттерному материалу.
Дополнительно, можно сформулировать требования к корпусу геттерной упаковки:
4.7. Для изготовления ГУ необходимо использование материала с антикоррозионными свойствами, обеспечивающими сохранение ее герметических свойств в период ее хранения до момента загрузки ОЯТ в МБК.
4.8. Материал упаковки должен обеспечивать сохранение необходимых свойств в условиях температурно-радиационного воздействия, достаточных для сохранения конструкционной целостности упаковки в нормальных условиях эксплуатации и транспортировки с учетом операций по ее выгрузке из контейнера на заключительном этапе прохождения ОЯТ.
В качестве вариантов мест размещения геттерной упаковки внутри существующих моделей контейнеров ТУК-104, ТУК-109 (разработка ОАО "КБСМ" для ОЯТ Ленинградской и Курской АЭС соответственно) можно предложить внутреннюю полость несущей трубы дистанционирующей решетки, либо зазор между нижней опорной диафрагмой дистанционирующей решетки и днищем контейнера.
При новом проектировании место расположения геттерной упаковки может быть определено, исходя из выбранного способа ее вскрытия.
***
Рассмотрим вариант использования геттера на примере контейнера СASTOR BARRE. Контейнер CASTOR BARRE был изготовлен немецкой фирмой GNB Gessllschaft fur Nüklear Bahälher mbH для французского оператора NERSA, эксплуатировавшего реактор на быстрых нейтронах Super-Phenix. Контейнер был предназначен для хранения поглощающих стержней этого реактора, а применяемый геттер – для связывания водорода.
В данном случае в качестве геттерного материала использовалась композиция, состоящая из смеси диоксида марганца (MnO2) и оксида кальция.
Диоксид марганца, активированный серебром (Ag2O), обладает окислительными свойствами по отношению к водороду при нормальной температуре. Молекулярный водород каталитически диссоциирует на его поверхности и затем окисляется по реакции:
2MnO2 + 2H = Mn2O3 + H2O
Для поглощения воды используется оксид кальция:
CaO + H2O = Ca(OH)2
Для предотвращения увлажнения до его ввода в эксплуатацию сорбент помещается в герметическую трубку, из которой он выдавливается при закрывании крышки контейнера. В контейнер помещается 5 патронов, содержащих по 2 кг геттера в каждом.
Для справки приведем некоторые характеристики контейнера CASTOR BARRE:
Диаметр полости – 965 мм
Длина полости – 5500 мм
Диаметр контейнера – 1840 мм
Длина контейнера – 6230 мм
Масса порожнего контейнера – 86,1 т
Масса загруженного контейнера – 92 т
Допустимая тепловая нагрузка – 10 кВт
Вместимость – 12 стержней
Рисунок 1. Схема вскрытия геттерной упаковки в контейнере CASTOR BARRE.
В качестве других вариантов механизма вскрытия геттерной упаковки можно привести пример из электровакуумной техники:
Известен патент RU 2070532 C1 «Защитная упаковка для геттерного материала» (авторы: Клаудио Боффито, Джулиано Фенати).
Сущность изобретения: защитная упаковка содержит две стенки, расположенную между ними полость и геттерный материал, размещенный в полости, причем первая стенка защитной упаковки, по изобретению, образована из листа термостабильного материала, а вторая – из листа термоусадочного пластикового материала, указанная полость образована выемкой, выполненной в листе термостабильного материала, и листы связаны между собой посредством клея. При нагревании защитного сосуда до температуры ниже, чем 150°С термосжимающаяся органическая пластмасса сжимается, чтобы подвергнуть геттер (BaAl4) воздействию остаточных газов.
В патентах США № 4124659 и № 4938667 описываются варианты применения разрушаемых контейнеров или, соответственно, стеклянных сосудов для предохранения геттерного материала от воздействия водяных паров и атмосферных газов до ввода в эксплуатацию.Следует отметить, что неизбежное в этом случае распыление геттерного материала по внутренней полости контейнера есть явление нежелательное.
К вышесказанному следует добавить, что использование в качестве поглотителя порошкообразного геттера неудобно из-за его «пыления» и «слеживания». Это ставит перед необходимостью применения геттера в гранулированном или блочном виде (путем добавления связующего).
***
Применительно к существующим схемам контейнеров (вышеприведенные ТУК 104, ТУК-109, а так же аналогичные схемы), может быть предложена следующая конструкция геттерной упаковки:
Гранулированный оксид кальция в соединении со связующим помещается в корпус упаковки. Основным элементом корпуса является обечайка, сваренная из листовой нержавеющей стали толщиной 1 мм. К обечайке с двух сторон приварены днища с центральными отверстиями, соединенными сетчатым внутренним каналом геттерной упаковки, причем геттерный материал помещается в объеме между внутренней поверхностью обечайки и внешней поверхностью сетчатого канала, размер ячейки которого предотвращает просыпание гранул. В нерабочем положении отверстия в днищах закрыты мембранами из полиэтиленовой пленки, предназначенными для герметизации упаковки в период хранения, а также для автоматического или принудительного ее вскрытия при запуске в эксплуатацию.
Способами задействования геттерной упаковки являются:
- автоматическое вскрытие упаковки - расплавление пленки под воздействием остаточного тепловыделения ОЯТ или ее разрушение при радиационном облучении.
- принудительное вскрытие упаковки путем сквозного прокалывания мембран стержнем через отверстия.
Открытый таким образом внутренний канал геттерной упаковки образует газоход, по которому в результате естественной конвекции перемещаются газы внутренней полости контейнера, вступая в реакцию с оксидом кальция и связываясь им.
Помещенная в центральную несущую трубу дистанционирующей решетки ТУК-104, данная конструкция геттерной упаковки позволяет разместить до 30 кг геттерного материала, способного сорбировать до 10 литров воды.
5. Заключение
Таким образом, в данной статье были рассмотрены физико-химические свойства среды внутри контейнера в его рабочем состоянии, определены оптимальные пути решения поставленной задачи (осушка, газопоглощение), приведены варианты используемых в настоящее время технических средств решения задачи, анализ их схемных и конструктивных особенностей.
Задачей дальнейших исследований могут быть определение оптимального состава и количества геттерного материала, исходя из реальных условий эксплуатации контейнеров ОЯТ, выбор оптимальной конструктивной схемы геттерной упаковки на основании возможных вариантов ее размещения в контейнерах ОЯТ и способа ее вскрытия.
В качестве критериев оценки возможных вариантов должны быть взяты технические и экономические показатели приведенных решений и возможность их реализации в уже существующих и вновь создаваемых схемах контейнеров ОЯТ.
Как уже отмечалось, применение геттеров может быть особенно эффективно для контейнеров, содержащих дефектные топливные сборки.