Обращение с ОЯТ исследовательских реакторов при вывозе на переработку

Технологии

18 мая 2012

293

В 2004 году после 10-летнего перерыва в РНЦ «Курчатовский институт» был возобновлен вывоз на переработку накопленного отработавшего ядерного топлива исследовательских реакторов. К настоящему времени на ПО «Маяк» отправлено восемь эшелонов ОЯТ; с территории центра удалено 376 отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС). Последние два года удалялось ОЯТ реакторов ВВР-2 и ОР, хранилища которого расположены на территории комплекса «Газовый завод».

Особенности ОЯТ комплекса «Газовый завод»

Комплекс «Газовый завод» является экспериментальной базой Института ядерных реакторов РНЦ «Курчатовский институт». В 1954 году на его территории был пущен первый в Советском Союзе исследовательский реактор ВВР-2 водо-водяного типа на обогащенном уране, до 1983 года здесь эксплуатировались два исследовательских водо-водяных реактора мощностью 3 МВт (ВВР-2) и 300 кВт (ОР), демонтированные в связи с реконструкцией комплекса. ОЯТ, хранящееся в настоящее время на территории комплекса, является результатом перегрузок топлива реакторов, а также выгрузки из них ОЯТ при реконструкции объекта.

В реакторах использовались тепловыделяющие сборки, содержащие 16 и 11 твэлов (рис. 1). В реакторе ВВР-2 применялись также сборки из восьми и четырех твэлов.

Рис. 1. Тепловыделяющая cборка (сечение 68×68 мм, длина 700 мм, масса около 3,5 кг) и отдельные твэлы реактора ВВР-2

В начале 2007 года во временных «мокрых» хранилищах ОЯТ на объекте находилось 300 ОТВС, 70% сборок содержали топливо типа UO₂ MgО с обогащением 10% (ЭК-10), около 30% – топливо типа UAl с обогащением 36% (С-36).

На территории комплекса имеется четыре хранилища ОЯТ, одно в специальном здании хранилищ ОЯТ и ТРО (здании 209) и три в реакторном зале. Они представляют собой заглубленные емкости, заполненные водой (объем воды в каждом хранилище – около 6 м³), закрытые защитными плитами. В нижней части емкостей расположены специальные конструкции, включающие в себя поглотители для обеспечения ядерной безопасности и ячейки для размещения ОТВС.

Предварительная инвентаризация хранилищ показала, что некоторые ОТВС имеют конструктивные нарушения, изменения размеров и формы, а также поверхностные загрязнения органическим теплоносителем (моноизопропилдифинил С₁₅Н₁₆). Результаты спектрометрического анализа показали, что прямого контакта топливной композиции твэлов с водой нет. Это позволяет загружать ОТВС непосредственно в чехлы транспортных упаковочных комплектов (ТУК).

Требования к ОТВС для переработки

Условия поставки ОТВС на переработку, сформулированные в руководящем документе (ОСТ 95 10297-95), включают в себя следующие требования.

Отработавшие сборки должны проверяться на герметичность оболочек твэлов по методике, согласованной научным руководителем или главным конструктором предприятия-разработчика ТУК и заводом по регенерации. Методика должна обеспечивать выявление ОТВС с дефектами, приводящими к контакту топливной композиции с водой хранилища.

ОТВС не должны иметь:

нарушений конструктивной целостности, то есть не должны быть оборванными, обрезанными. оплавленными и т.д.;
существенных отклонений геометрической формы и размеров;
повреждений, затрудняющих их загрузку в чехол для ОТВС и выгрузку из него по штатной технологии;
повреждений захватного устройства, препятствующих нормальной работе соответствующего инструмента;
нарушений герметичности твэлов, приводящих к контакту топливной композиции с водой хранилища ОЯТ и теплоносителем в ТУКе (допускается наличие микродефектов и соответствующей «газовой неплотности» оболочек твэлов);
ила и других загрязнений на поверхности.

Поставка ОТВС, не отвечающих требованиям стандарта, может осуществляться по отдельным техническим условиям.

В 2007 году в хранилище здания 209 были отобраны 50 ОТВС с твэлами с обогащением 36%, которые отвечали условиям поставки их на завод регенерации по ОСТ 95 10297-95.

Транспортно-технологическая схема обращения с ОТВС

При отправке этого ОЯТ особое внимание уделили разработке транспортно-технологической схемы обращения с ОТВС, позволяющей решить проблемы загрузки ОТВС в ТУК непосредственно на площадке «Газового завода» и транспортировки ТУК с ОТВС автотранспортом по городу на основную территорию РНЦ «Курчатовский институт», где производилась установка ТУК в вагон-контейнер.

Были рассмотрены несколько вариантов загрузки ОТВС в ТУК, для чего проведены расчетные и экспериментальные исследования транспортных операций с учетом радиационной обстановки.

В результате для окончательной проработки была выбрана транспортно-технологическая схема, включающая загрузку ТУК-19 под слоем воды, что обеспечивало прямую видимость операций, защиту персонала слоем воды, простоту работы, использование объектового перегрузочного контейнера ПК-2100 и расположенной в здании 209 кран-балки грузоподъемностью 5 т.

В соседнем отсеке здания 209 одно из хранилищ РАО было специально переоборудовано в «бассейн загрузки», заполненный водой, для установки в нем ТУК-19. Хранилище было гидроизолировано, сооружена специальная подставка для установки ТУК-19, модернизирована штатная траверса для обеспечения работы с ТУК, оборудована система очистки (осветления) воды и т.д.

Рис. 2. Внешний вид «бассейна загрузки»

Таким образом, транспортно-технологическая схема включала в себя:

доставку автотранспортом ТУК-19 от железнодорожной ветки РНЦ «Курчатовский институт» на территорию объекта «Газовый завод» и установку его в специально сооруженном стапеле;
подачу ТУК-19 в помещение хранилища ОЯТ с помощью автопогрузчика;
подготовку ТУК-19 к установке его в «бассейн загрузки» и загрузке ОТВС (снятие крышки, установку в чехол подставок под ОТВС, зачалку на специальной траверсе для спуска в бассейн);
установку ТУК-19 в «бассейн загрузки»;
выгрузку ОТВС из хранилища ОЯТ и загрузку ее в ТУК-19 по специальной технологии с использованием перегрузочного контейнера ПК-2100 для внутриобъектовых перемещений сборки и кран-балки (рис. 3);
установку крышки ТУК-19, находящегося в «бассейне загрузки» и загруженного ОТВС;
извлечение ТУК-19 из «бассейна загрузки», уплотнение крышки, проверку на герметичность и радиационный контроль загруженного контейнера в соответствии с инструкцией на его эксплуатацию, перевозку ТУК с помощью автопогрузчика на стапель-накопитель;
опломбирование крышек ТУК, погрузку его на спецавтотранспорт, доставку автотранспортом с площадки объекта «Газовый завод» на железнодорожную ветку РНЦ «Курчатовский институт» и погрузку его в вагон-контейнер.

По этой схеме с объекта в 2007 году было отправлено 12 ТУК-19 с 48 ОТВС типа С-36. Отработанная схема загрузки ОЯТ в ТУК-19 была утверждена для последующих отправок ОЯТ в 2008-2009 годах.

Рис. 3. Загрузка ОТВС в ТУК-19

Методы идентификации ОТВС по типам твэлов

Принципиальным вопросом работ 2008 года, который необходимо было решить до загрузки ОТВС в ТУК-19, была необходимость идентификации ОТВС по типам твэлов. ОСТ 95 10297-95 запрещает смешанную загрузку ОТВС с твэлами разного типа в один ТУК, между тем твэлы, содержащие разные типы топлива (UO₂ MgО или UAl), идентичны по внешнему виду и геометрическим размерам.

Для решения проблемы были разработаны методики идентификации ОТВС. Первая предполагает взвешивание сборок и отдельных твэлов под слоем воды в хранилище и сравнение их веса с весом необлученных твэлов с известным типом топлива. Взвешивание проводилось с использованием электронного цифрового безмена типа «Fisherman Champion 25» с точностью 2%. Разница в весе твэлов разных типов в среднем составила 30 г. Были изготовлены приспособления для извлечения твэлов из ОТВС и их взвешивания.

В основе второй методики определения характеристик ОЯТ спектрометрическим способом [2] лежит измерение аппаратурного спектра излучения, как материалов самого ядерного топлива, так и продуктов деления. Для проведения измерений в помещении хранилища ОЯТ (здании 209) была сооружена экспериментальная установка, включающая в себя необходимую спектрометрическую аппаратуру высокого разрешения и свинцовый защитный «домик» для установки в нем ОТВС и твэлов.

Метод взвешивания оказался более простым в осуществлении, обеспечивающим радиационную безопасность персонала, поскольку операции выполняются под защитным слоем воды бассейна.

В результате подготовительных работ были отобраны ОТВС для отправки на ПО «Маяк». Методом взвешивания была обеспечена комплектация загрузки 20 ТУК-19, вывезенных с территории «Газового завода» в 2008-2009 годах. Было отправлено 96 ОТВС, в том числе, с твэлами типа ЭК-10 – 68 штук, с твэлами типа С-36 – 28 штук, всего 1148 твэлов. Спектрометрический способ определения характеристик облученного ядерного топлива служил независимым методом контроля при выполнении этой работы.

Заключение

В процессе многолетних работ по вывозу ОЯТ использовались не только стандартные ТУК-19 (вес – 5 т, вместимость – четыре ОТВС ВВР-2), но и разработанные специально для транспортирования топлива исследовательских реакторов ТУК-128 весом 10 т и вместимостью до 20 ОТВС [2]. За это время восстановлены технологические схемы безопасного выполнения операций по загрузке ОТВС в ТУК-19 и ТУК-128, реконструировано все необходимое оборудование, решены основные организационные и технические вопросы. Сегодня работы по вывозу ОЯТ ведутся совместно специалистами Курчатовского института и компании «Альянс-гамма».

Литература

Потапов В.Н. и др. Спектрометрический способ оценки характеристик отработавшего ядерного топлива / В.Н. Потапов, А.Г. Волкович, Ю.Н. Симирский // – Атомная энергия. – 2009. – Т.106, вып. 5. – С. 273–277.
Волков В.Г. и др. Подготовка и вывоз на переработку отработавшего ядерного топлива ВВР-2 и ОР РНЦ «Курчатовский институт» / В.Г. Волков, А.Г. Волкович, А.С. Данилович и др. // – Атомная энергия. – 2009. – Т. 106, вып. 4. – С. 201–209.