14 января 2011 года по инициативе Госкорпорации «Росатом» руководство ОАО «Концерн Росэнергоатом» приняло решение о реализации «пилотного» проекта по вывозу некондиционных ОТВС со второго энергоблока Ленинградской АЭС на ФГУП «ПО «Маяк». Основная цель проекта – решение вопроса о целесообразности переработки ОЯТ РБМК и подтверждение принципиальной возможности его перевозки и переработки.
В течение длительного времени среди специалистов отрасли бытовало устойчивое мнение, что переработка ОЯТ реакторов РБМК нецелесообразна. Этот тезис обосновывался тем, что исходное обогащение топлива РБМК по 235U было небольшим (максимум 2%), а цены на уран – невысокими, при этом текущие потребности в уране покрывали другие источники. Сегодня ситуация изменилась: обогащение топлива по 235U достигает 2,8%, а цены на уран возросли в несколько раз.
Кроме того, существовала еще одна серьезная причина для реализации данного проекта. В отличие от кондиционного ОЯТ РБМК, которое в соответствии с концепцией Госкорпорации «Росатом» должно быть переведено в режим длительного «сухого» хранения, судьба некондиционного ОЯТ до сих пор не определена. И для принятия решения о его перевозке и переработке на регулярной основе требовались веские основания.
Для реализации «пилотного» проекта необходимо было решить несколько технических задач, таких как:
- выбор ОТВС для опытной партии;
- выбор контейнера и разработка компонентов упаковки для перевозки опытной партии некондиционных (в первую очередь, негерметичных) ОТВС;
- разработка технологии и оборудования для разделки ОТВС и загрузки пучков твэлов (ПТ) в контейнер на Ленинградской АЭС;
- разработка технологии и оборудования для обращения с ПТ на ФГУП «ПО «Маяк».
Кроме того, необходимо было решить научные задачи, связанные с обоснованием безопасности обращения с некондиционным ОЯТ, и получить соответствующие разрешительные документы. В течение 2011 года эти задачи были успешно решены, и в ноябре 2011 года были осуществлены перевозка и переработка опытной партии некондиционных ОТВС РБМК.
Выбор ОТВС опытной партии
К некондиционному ОЯТ реакторов РБМК относятся ОТВС, непригодные для длительного «сухого» хранения. В основном это досрочно выгруженные и не достигшие проектного выгорания ОТВС, содержащие достаточно высокий процент 235U. К этому же типу относятся ОТВС, получившие повреждения в процессе транспортно-технологических операций после извлечения из активной зоны. Однако для «пилотного» проекта был выбран тип ОТВС, наиболее сложный в обращении: все ОТВС опытной партии были выгружены из активной зоны вследствие негерметичности. Кроме того, по результатам настойных тестов активность 137Cs в воде пенала превышала 10-4 Ки/л, что свидетельствовало о контакте топливных таблеток с водой и, соответственно, о наличии воды под оболочкой хотя бы одного твэла. Ранее негерметичные ОТВС РБМК только в единичных случаях перевозились на послереакторные исследования.
К перевозке были отобраны восемь ОТВС. Это количество определялось необходимостью обеспечения однократной загрузки аппарата-растворителя на перерабатывающем заводе ФГУП «ПО «Маяк». Конструкция ОТВС – штатная, с закреплением твэлов в концевых решетках на концах сборки. Обогащение топлива по 235U составило 2,4% (наиболее типичное значение для большинства ТВС РБМК-1000). Выгорание топлива находилось в пределах 7,8-20,5 МВт*сут/кгU, то есть меньше, чем проектное (21,8 МВт*сут/кгU) для выбранного исходного обогащения. Время выдержки – 13,8-16,5 лет – определялось, исходя из соображений радиационной безопасности.
Для обоснования безопасности перевозки и анализа целесообразности дальнейшего использования регенерированного урана из ОЯТ РБМК-1000 были выполнены расчеты нуклидного состава и активности источников α-, β-, γ- и нейтронного излучения, включая вклад нейтронов за счет (α,n)- и (γ,n)-реакций. Особое внимание уделялось расчету содержания четных изотопов 232U и 236U, которые оказывают влияние на качество регенерата.
Выбор контейнера и разработка компонентов упаковки
Для «пилотного» проекта был выбран вариант, предусматривающий использование хорошо зарекомендовавшего себя ТУК-11 с чехлом 12. Дополнительным аргументом в пользу данного упаковочного комплекта стало достаточное количество (семь ТУК-11 и 14 чехлов 12) и отлаженная технология обращения с ними на ФГУП «ПО «Маяк».
Однако следует подчеркнуть, что вне зависимости от типа контейнера основной проблемой при транспортировании некондиционных ОТВС, содержащих негерметичное неосушенное топливо, длительное время находившееся в воде, является обеспечение взрыво- и пожаробезопасности упаковки. Если проблема осушения герметичного топлива в настоящее время решена, то удаление воды из негерметичных твэлов по-прежнему является сложной технической задачей.
В связи с этим было принято решение о перевозке пучков твэлов некондиционных ОТВС в герметичных тонкостенных ампулах (рис. 1), конструкция которых позволяла бы также осуществлять временное технологическое хранение в бассейне-хранилище ФГУП «ПО «Маяк» и перерабатывать их на радиохимическом заводе вместе с ПТ. К ним также предъявлялись требования по прочности в нормальных и аварийных условиях при транспортировании и обращении на АЭС и ФГУП «ПО «Маяк». Конструкция ампул разработана в соответствии с требованиями российских правил обеспечения безопасности на предприятиях атомной энергетики.
Герметичные ампулы заполнялись воздухом при атмосферном давлении без продувки инертными газами. Расчеты и проведенные в ОАО «ГНЦ НИИАР» эксперименты показали, что при этом в их объеме взрыво- и пожароопасная концентрация водорода не образуется в течение как минимум девяти месяцев, если в ампуле размещен один негерметичный твэл, заполненный водой, и пять месяцев – если два. В объеме ТУК-11 взрыво- и пожароопасная концентрация кислорода и водорода не образуется при любом времени нахождения ОЯТ.
Модернизированный чехол 12, в котором транспортировались ампулы с ПТ, содержал специальные вкладыши, которые обеспечивали дополнительную прочность конструкции упаковки и снижали вероятность повреждения ампул в процессе перевозки. Для обеспечения радиационной безопасности при установке крышки на контейнер на территории АЭС и снятия ее на ФГУП «ПО «Маяк» использовалась внутренняя перегрузочная плита, которая являлась частью упаковки. При разработке упаковки наибольшие проблемы создавало ограниченное пространство внутри контейнера. Поэтому грибок внутренней перегрузочной плиты при установке крышки контейнера утапливался в корпус плиты, а при снятии крышки – выдвигался. Конструкция упаковки ТУК-11Р-2 представлена на рисунке 2.
Результаты расчетов по определению напряженно деформированного состояния и оценке прочности транспортного упаковочного комплекта ТУК-11Р-2, загруженного 16 ампулами с ПТ некондиционных ОТВС РБМК-1000, при воздействии механических нагрузок, моделирующих нормальные и аварийные условия перевозки, показали, что упаковка удовлетворяет всем требованиям российских (и, следовательно, международных) правил безопасных перевозок.
Рис. 2. Упаковка ТУК-11Р-2 для перевозки негерметичных ОТВС реактора РБМКРазделка ОТВС и загрузка ампул в ТУК-11Р-2 на АЭС
Разделка ОТВС на пучки твэлов производилась с помощью фрезерного станка в защитной камере второго энергоблока Ленинградской АЭС. Там же осуществлялась загрузка ПТ в ампулы и их герметизация специальной крышкой. Для обеспечения радиационной безопасности в процессе перемещения и загрузки ампулы с ПТ в контейнер на ее крышку устанавливались защитная пробка и грибок, верхняя часть которого совместима с захватными механизмами, используемыми в реакторном зале энергоблока.
Из всех возможных способов загрузки ОЯТ в ТУК-11 была выбрана технология с использованием перегрузочного контейнера. В этом качестве использовалось транспортное устройство (ТрУ), которое применяется для перемещения ОТВС в пределах реакторного зала энергоблока. В процессе подготовки к загрузке ампул с ПТ в ТУК-11 были разработаны:
- перецепочный узел для стыковки ТрУ с пробкой защитной камеры и выгрузки ампулы с ПТ из защитной камеры в ТрУ;
- переходный узел и наружная перегрузочная плита для стыковки ТрУ с ТУК-11Р-2 и перегрузки ампулы с ПТ из ТрУ в контейнер.
Данные компоненты упаковки и вспомогательное оборудование удовлетворяли требованиям российских правил обеспечения безопасности на предприятиях атомной энергетики.
Обращение с ампулами с ПТ на ФГУП «ПО «Маяк»
Приемка контейнера ТУК-11Р-2 на ФГУП «ПО «Маяк» осуществлялась по штатной схеме. Вагон-контейнер ТК-11 по железнодорожным путям доставлялся в здание приемки ОЯТ, где подключался к системам энергоснабжения. После раскрытия створок крыши ТК-11 и снятия крышки контейнера ТУК-11Р-2 извлекалась внутренняя перегрузочная плита и чехол с ампулами перемещался в бассейн-хранилище.
Поскольку ампулы были герметичными, утечка продуктов деления из негерметичных твэлов в воду бассейна-хранилища исключалась. Ампулы могли быть и негерметичными, так как суммарные темпы выхода данных продуктов из всех дефектных твэлов в наихудшем случае потребовали бы задействовать не более 25% производительности системы очистки воды бассейна-хранилища. Но поскольку правила перевозки для нормальных условий и аварийных ситуаций однозначно требуют наличия в процессе транспортирования двух барьеров безопасности, выбрали ампулы герметичной конструкции.
Для передачи чехла с ампулами в защитную камеру и извлечения ампул из чехла были разработаны специальные инструменты (переходники, захваты и т.д.), адаптированные к штатному оборудованию защитной камеры. После выполнения указанных операций ампула с ПТ помещалась на ложемент агрегата резки, который разделывал ампулы на фрагменты, пригодные для дальнейшей переработки ОЯТ по технологии, аналогичной технологии переработки ОЯТ реакторов ВВЭР.
Реализация «пилотного» проекта показала техническую осуществимость разделки негерметичных ОТВС РБМК в защитных сооружениях Ленинградской АЭС, вывоза их в модернизированных ТУК-11Р-2 и переработки по существующей технологической схеме ФГУП «ПО «Маяк» с получением конечного товарного продукта требуемого качества.
Авторы
Б.А. Канашов, А.Н. Дорофеев, к.т.н., В.П. Смирнов, д.т.н. (ООО НПФ «Сосны»),
А.В. Хаперская, к.х.н. (Госкорпорация «Росатом»),
Е.Г. Кудрявцев, к.х.н. (Ростехнадзор),
Н.Н. Калязин, И.Н. Ложников (Ленинградская АЭС)
