НИИЭМИ: радиационностойкие уплотнители для оборудования АЭС

Радиационно стойкие резинотехнические изделия (РТИ) используются в качестве комплектующих оборудования атомной энергетики, ядерного оружейного комплекса, исследовательских реакторов и установок, а также в контейнерах для транспортирования ядерных материалов, радиоактивных веществ и отходов.

Применение резины в качестве конструкционного материала обусловлено, прежде всего, ее исключительной способностью деформироваться на сотни процентов без разрушения под действием небольших механических нагрузок, изменять форму при механических нагрузках, сохраняя постоянный объем, и восстанавливать ее после удаления нагрузки, поглощать, в процессе деформирования, и рассеивать при последующем восстановлении механическую энергию.

Благодаря своим уникальным свойствам, РТИ эффективно решают проблемы герметизации различного оборудования, приборов и других технических средств. В атомной отрасли они используются:

• в оборудовании по добыче и переработке радиоактивного топлива;
• в системах транспортирования и хранения ОЯТ;
• в оборудовании по переработке и обогащению гексафторида урана и плутония;
• в оборудовании спецсудостроения;
• для защиты персонала АЭС и МЧС.

При эксплуатации на предприятиях «Росатома» РТИ наряду с воздействием обычных для других отраслей техники эксплуатационных факторов одновременно испытывают влияние ионизирующих излучений различной природы и мощности; этот фактор резко ускоряет протекающие в резинах процессы старения и приводит к сокращению срока службы изделий. Неверный выбор, низкое качество и неправильная эксплуатация уплотнения могут привести к снижению их надежности, отклонениям в работе оборудования, большим экономическим потерям. После аварии на японской АЭС «Фукусима-1» нормы МАГАТЭ по безопасности атомных объектов ужесточены, особенно в отношении АЭС и хранения  отработавшего топлива. Ужесточение требований к безопасности АЭС и другим атомным объектам непосредственно относится и к РТИ, комплектующим различные виды оборудования АЭС и других атомных объектов.

Создание уплотнителей, отвечающих определенным и часто взаимоисключающим требованиям – по тепло- и морозостойкости, стойкости к маслам и агрессивным средам, атмосферному воздействию (свету, озону) и т.д. – является достаточно сложной задачей, так как нет полимеров, отвечающих одновременно всем предъявляемым требованиям. Поэтому рецептуры резин содержат в своем составе различные полимеры и более десятков ингредиентов.

Лаборатория радиационного материаловедения

Уплотнение гидрозатвора шахт ревизии АЭС «Тяньвань», «Бушер», «Куданкулам»

В связи с развитием атомной техники, по требованию Минсредмаша в 1961 году в НИИЭМИ (ранее НИИРП) была создана единственная в стране специализированная лаборатория радиационного материаловедения, основными задачами которой стали разработка защитных материалов для обеспечения безопасного функционирования предприятий атомной отрасли, защиты персонала, населения и территорий от возможных аварий и чрезвычайных ситуаций. Лаборатория занимается разработкой и усовершенствованием перспективных рецептур резин для изготовления радиационно стойких РТИ и технологий их производства (лицензии на конструирование и изготовление РТИ для атомных станций).

Благодаря многолетнему опыту работы с предприятиями атомной отрасли и высокому научно-техническому потенциалу, в лаборатории созданы принципы построения рецептур радиационностойких резин и изделий из них повышенной радиационной стойкости, не уступающих зарубежным аналогам, а также широкий ассортимент уникальных по конструкции РТИ, которые успешно эксплуатируются на отечественных и зарубежных АЭС.

Работы по созданию радиационно стойких резиновых уплотнителей проводятся по техническим требованиям многочисленных организаций атомной отрасли («НИКИЭТ», «ННКЦ», «Атоммашэкспорт», «Малахит», «ЦКБМ», «ЦКБА», «КБСМ», «Ижорские заводы», «ЭХЗ», «Севмаш», ФГУП «ПО «Маяк» и т.д.) и совместно с ними. Радиационно стойкими изделиями (более 50 тыс. видов) укомплектованы оборудование и приборы АЭС нашей страны и других стран (Финляндия, Болгария, Чехословакия, Индия, Китай, Иран и др.), обеспечивающих соблюдение требований МАГАТЭ по технике безопасности и санитарных норм, уровень которых выше, чем за рубежом.

Защитные экраны в составе радиационно-защитной одежды для боевых расчётов пожарной охраны

Особое значение для атомной отрасли имеют рентгенозащитные материалы и покрытия для рабочего персонала и оборудования АЭС и других ядерных установок, систем транспортирования и хранения ОЯТ, а также сложнопрофильные длинномерные уплотнители для систем захоронения ТРО и ЖРО.

РТИ для оборудования АЭС и ядерных энергетических установок целевого назначения (ЯЭУЦН)

РТИ для оборудования АЭС и ЯЭУЦН включают формовые и неформовые уплотнительные детали любой конфигурации для насосного оборудования (турбин, турбогенераторов и арматуры АЭС), для стыковочных устройств разгрузочно-погрузочных машин ядерных реакторов канального типа, для приборов и трубопроводов АЭС. Созданные РТИ, комплектующие все виды оборудования АЭС, обеспечивают работоспособность в условиях радиационных воздействий, в широком интервале температур (от - 600С до + 3000С), при высоких давлениях до 44 МПа, в агрессивных средах, в активной воде, перегретом паре, на воздухе, в инертных газах, при многократных воздействиях горячих дезактивирующих растворов, в различных режимах механических нагружений.

Важнейшей задачей в области улучшения экологии и повышения радиационной безопасности являются применение экологически чистых и биологически инертных рентгенозащитных материалов с коэффициентами защиты, заданными с учетом радиационного поражения при различных эксплуатационных воздействиях. Эта проблема особенно актуальна при возникновении аварий и пожаров на объектах атомной энергетики.

Гермодверь систем биологической защиты АЭС «Тайвань», «Бушер», «Куданкулам»

Для уплотнения дверей, люков, шлюзов, оборудования систем биологической защиты, а также для герметизации транспортных ворот и проемов, гидрозатворов используются длинномерные уплотнители (до 20 и более м) – РТИ, характеризующиеся термо- и радиационной стойкостью, тропикоустойчивостью, малой токсичностью, устойчивостью к неблагоприятным погодным факторам и другим воздействиям. Они нашли применение на отечественных атомных станциях и за рубежом – на АЭС «Куданкулам» (Индия), «Бушер» (Иран), Тяньваньской АЭС (Китай).

Для защиты от рентгеновского излучения лиц, работающих в условиях радиоактивных загрязнений и в экстремальных условиях при пожарах на АЭС, разработаны не содержащие свинца рентгенозащитные материалы и изделия на основе эластомеров. Высокая эластичность защитных материалов и их малый вес обеспечивают удобство при эксплуатации изделий из них. Защитные экраны из таких резин вошли в состав радиационно-защитной одежды личного состава боевых расчетов пожарной охраны, используемой при ликвидации пожаров и аварий на АЭС и других радиационноопасных объектах.

Кроме того, в лаборатории разработаны:

• уплотнительные РТИ для вакуумных систем с пониженной газо- и влагопроницаемостью и с улучшенными диэлектрическими свойствами, для неподвижных и полуподвижных соединений и узлов газовых центрифуг разделительного оборудования по переработке ядерного топлива ядерно-химических производств Госкорпорации «Росатом»;
• защитные шумопоглощающие и звукоизолирующие материалы и изделия (рулонные и многослойные формовые пластины) для акустических покрытий атомных и дизельных подводных лодок, виброизоляции приборной техники, монолитные и пористые техпластины для крупногабаритных слоистых резиноармированных экранов акустических станций;
• биологически инертные огнестойкие материалы и изделия для обитаемых модулей военной техники, систем жизнеобеспечения, звукоизоляции приборов.

РТИ выпускаются по ТУ 38 1051325-2008 «Изделия резинотехнические для атомной техники», согласованными с ОАО «Концерн Росэнергоатом», и успешно эксплуатируются в действующем оборудовании атомной отрасли.

Обеспечение радиационной безопасности при обращении с РАО и ОЯТ

Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине XXI века предусматривает реализацию в нашей стране замкнутого ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) на основе реакторов на быстрых нейтронах. В том числе предстоит решить проблемы обращения с накопленным и вновь образующимся ОЯТ тепловых реакторов за счет рецикла плутония в быстрых реакторах с улучшенными параметрами безопасности.

Tранспортно-упаковочный комплект для хранения и транспортирования ОЯТ

Обеспечение безопасности при перевозке и хранении ОЯТ является актуальной задачей на протяжении десятилетий. При этом главным считается обеспечение защиты персонала и населения от ионизирующего излучения, предотвращение выхода радиоактивных веществ в окружающую среду. В конструкции контейнеров для ОЯТ применяются РТИ: профильные, длинномерные, прямоугольного и круглого сечений, а также другие виды РТИ. Разрабатываются новые типы защитных материалов высокой радиационной стойкости, с использованием новых видов наполнителей, защитных добавок и антирадов, для герметизации контейнерного оборудования, предназначенного для транспортирования и хранения ОЯТ со сроком эксплуатации до 50 и более лет.

С помощью эластомерных уплотнителей герметизируются многочисленные элементы конструкции контейнера – крышки, гнезда, проходки, разъемные соединения технологических устройств и т.д. Кроме того, эти изделия могут входить непосредственно в состав арматуры – клапанов, заглушек и иных деталей контейнеров, а также использоваться для уплотнения крышек (пробок) других элементов транспортных упаковочных комплектов, таких как чехлы, пеналы, дополнительные внутренние емкости.

ТУК 120

При выборе РТИ в контейнерах для транспортирования и хранения ОЯТ необходимо учитывать как нормальные, так и аварийные условия эксплуатации. В нормальных условиях, в зависимости от конкретного типа контейнера, рабочие температуры уплотнителей 90-1200С, при этом давление среды в полости контейнера обычно не превышает 0,2 МПа (согласно действующим нормативным документам, максимальное рабочее давление в контейнере не должно превышать 0,7 МПа).

В аварийных режимах термические воздействия, в силу своей значительной длительности и высокой температуры пламени (более 8000С), могут вызвать необратимые изменения размеров, формы, свойств и структуры материала уплотнителей.

В настоящее время успешно эксплуатируются уплотнители, разработанные по следующим техническим условиям:

• ТУ 2531-020-00152081-99 «Изделия резинотехнические для радиационно-защитных транспортных упаковочных комплектов» – транспортные контейнеры  ТК-6, ТК-10, ТК-11, ТК-18, ТК-19, контейнеры для перевозки и промежуточного хранения ОЯТ ТК-13, чехлы типа ЧТ, контейнеры для жидкого топлива ТК-28, ТК-29 и т.д.;
• ТУ 2531-024-00152081-99 «Изделия резинотехнические (кольца уплотнительные) для металлобетонных контейнеров, предназначенных для долговременного хранения и транспортирования ОЯТ – металлобетонных контейнеров» для ОЯТ ядерных установок ВМФ России.

Использование высококачественных радиационно стойких и термо- и радиационно стойких РТИ для объектов атомной техники позволили обеспечить надежность и долговечность оборудования в условиях воздействия жестких потоков реакторного излучения в широком диапазоне температур, обеспечить требования по радиационной безопасности, снизить экономические затраты за счет сокращения числа дорогостоящих ремонтных работ.

В последние годы, чтобы исключить трудоемкий процесс отмывки химическими составами поверхности загрязненного радиацией оборудования и приборов АЭС, ведутся работы по созданию легкосмываемого радиационно-защитного покрытия.

Защитные акустические экраны пористые

Радиационно стойкие пленкообразующие полимерные покрытия предназначены для предотвращения распространения радионуклидов в окружающую среду при транспортировании и длительном хранении твердых радиоактивных отходов (ТРО). Их использование является альтернативой дезактивации жидкими растворами с их дальнейшей переработкой в ТРО и захоронением. Так, при подготовке к выводу блоков АЭС из эксплуатации возникают проблемы обращения с оборудованием энергоблоков больших размеров – металлическими ТРО, не подлежащими переработке. Их перевод в экологически безопасное состояние возможен за счет покрытия поверхности, в том числе сложной конфигурации, легко наносимыми и снимаемыми радиационно стойкими полимерными материалами. Основным принципом разработки полимерных покрытий является создание непроницаемого для сред барьера, изолирующего элементы контурного оборудования, конструкционные элементы энергоблоков, содержащих радионуклиды в поверхностных продуктах коррозии. Использование защитных радиационностойких полимерных покрытий позволит избежать вторичного загрязнения при хранении и транспортировании крупногабаритных ТРО и снизить дозы облучения персонала АЭС за счет снижения активности радиоактивных веществ в воздухе рабочих помещений.

Разработан комплекс защитных радиационно стойких пленкообразующих материалов для нанесения на металлические ТРО, не подлежащих переработке. Лабораторные испытания образцов резин и натурные испытания в условиях АЭС позволили рекомендовать к применению ряд защитных материалов, в том числе эластомерную резиновую композицию (ЭРК), эластомерную рентгенозащитную композицию (ЭРЗК) и эластомерную клеевую композицию (ЭКК).

Заключение

Для правильного выбора РТИ для герметизации оборудования и приборов для атомной отрасли необходимо руководствоваться требованиями, изложенными в технических условиях ТУ 38 1051325-2008 (объединенные технические условия на радиационно стойкие РТИ для всех видов оборудования АЭС), а также ТУ на конкретный вид изделия.

В настоящее время в стадии оформления находится справочник «Резины и резинотехнические изделия для оборудования атомной техники» взамен ранее разработанных руководящих технических материалов (РТМ 38 40548-79) «Радиационная стойкость резиновых уплотнительных деталей для изделий специального назначения» и каталога-справочника ЦНИИТИ «РТИ для оборудования атомных электростанций» (Нефтехим, 1988 год). В новом справочнике обобщены все новейшие разработки перспективных материалов и РТИ, указаны условия поставок РТИ для атомной отрасли в соответствии с их назначением и специальными условиями эксплуатации.

Авторы

Н.Н. Буканова, И.М. Земзерева, В.А. Панкратова, В.А. Зотов, А.Б. Гиревой, Д.Ф. Арнаут (ООО «НИИЭМИ»)