Cоздание металлобетонных контейнеров для ОЯТ ядерных энергетических установок

В.Д.Гуськов, ОАО «КБСМ»

Прошло немногим более 10 лет со дня выхода Приказа министра Атомной промышленности России Михайлова В.Н. (Приказ №142 от 24.04.1995 г.) «О создании металлобетонных контейнеров для длительного хранения и транспортирования ОЯТ».

Этим приказом ОАО "КБСМ", г. Санкт-Петербург была поручена разработка МБК для ОЯТ реакторов РБМК-1000 ЛАЭС, а РФЯЦ-ВНИИЭФ, г.Саров – научное сопровождение работ и обоснование ядерной и радиационной безопасности МБК.

В начале работы над проектом ОАО «КБСМ» была создана кооперация российских предприятий в составе:

• ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", г. Санкт-Петербург (материаловедческое сопровождение работ по созданию МБК);

• 26 ЦНИИ МО, г. Балашиха, Московская обл. (создание особопрочного сверхтяжелого бетона и технологии бетонирования МБК);

• ФГУП «ГИ «ВНИПИЭТ», г. Санкт-Петербург (обоснование тепловых режимов МБК, экспертиза проекта, подготовка сертификатов на конструкцию МБК к утверждению);

• НПО "Радиевый институт", г. Гатчина, Ленинградская обл. (обоснование радиационно-химической безопасности МБК);

• ЗАО "Фирма Союз-01", г. Москва и АО НИИЭМИ, г. Москва (создание уплотнительных элементов для МБК).

Изготовление первого экспериментального образца ТУК было поручено ОАО "Ижорские заводы", г. Колпино, Ленинградская обл.

Выпуск Приказа Минатома России был продиктован критической ситуацией, которая сложилась на объектах эксплуатации ядерного топлива, связанной с проблемой утилизации и захоронения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

Не подлежащее переработке ОЯТ реакторов РБМК-1000 хранится на территориях атомных электростанций в "мокрых" хранилищах – бассейнах выдержки, которые практически заполнены отработавшими тепловыделяющими сборками (ОТВС). Во избежание остановки АЭС бассейны выдержки должны быть разгружены от ОЯТ.

Аналогичная ситуация сложилась с хранением ОЯТ ядерных энергетических установок надводных кораблей и подводных лодок ВМФ, а также судов ледокольного флота.

Массовый вывод из эксплуатации АПЛ в условиях отсутствия материальных и финансовых ресурсов вызвал появление нерегламентированной стадии жизненного цикла кораблей ВМФ с ЯЭУ, связанной с длительным хранением их на плаву с невыгруженным ядерным топливом.

Недостаточная пропускная способность транспортной системы доставки ОЯТ на завод переработки привела к избыточному накоплению топлива в местах базирования флотов и спровоцировала хранение топлива во временных «мокрых» хранилищах, не отвечающих правилам и нормам радиационной безопасности. При этом существующий парк контейнеров, в которых перевозилось отработавшее ядерное топливо, значительно устарел, не отвечал современным требованиям по безопасности и по количественному составу не обеспечивал потребности отрасли.

Анализ ситуации, сложившейся в отечественной атомной энергетике, выполненный ОАО «КБСМ» совместно с ФГУП «ГИ «ВНИПИЭТ», показал, что наиболее реальным и экономически целесообразным решением проблемы является использование сухого контейнерного способа хранения и транспортирования ОЯТ. Преимущество этого способа – возможность постепенного, по мере изготовления контейнеров или возникновения потребности в них, ввода контейнеров в эксплуатацию на АЭС и объектах ВМФ и АЛФ.

ОАО «КБСМ» совместно с РФЯЦ ВНИИЭФ в инициативном порядке, используя опыт, накопленный при создании высокопрочных металлобетонных фортификационных шахтных сооружений, и проведя анализ эксплуатационных требований к контейнерам двойного назначения для ОЯТ, предложило Ленинградской АЭС создать двуцелевые металлобетонные контейнеры (МБК) для хранения и транспортировки ОЯТ реакторов РБМК с целью снижения их стоимости в несколько раз по сравнению с контейнерами в чисто металлическом исполнении, а также хранения и последующего транспортирования ОЯТ в контейнерах без его перетаривания. При этом предполагалось использование опыта 26 ЦНИИ МО в части создания сверхтяжелого бетона и технологии бетонирования специально для нужд контейнерного производства. Одновременно была поставлена задача обеспечить безопасность эксплуатации МБК при температуре окружающей среды до минус 50оС, свойственной для ряда регионов страны, в которых предполагалась эксплуатация МБК.

Инициатива КБСМ, Ленинградской АЭС и РФЯЦ-ВНИИЭФ, поддержанная Минатомом России (приказ №142), определила, практически, на долгие годы одно из направлений создания технологии сухого хранения и транспортирования ОЯТ в металлобетонных контейнерах.

Принципиально МБК (рисунки 1 и 2) состоит из корпуса с двумя герметизирующими крышками, опирающимися на комингс корпуса. Собственно корпус выполнен из концентричных стальных оболочек с днищами, пространство между которыми заполнено металлическими армокаркасами и залито особопрочным, сверхтяжелым бетоном. Внутрь корпуса устанавливается дистанционирующая решетка (чехол), в ячейках которой размещаются ампулы с пучками твэлов (ПТ) или чехлы с ОТВС. Для транспортирования МБК с ОЯТ АЭС за территорию АЭС на МБК устанавливается защитно-демпфирующий кожух (ЗДК), предохраняющий МБК от разгерметизации или разрушения в случаях возникновения аварий при транспортировке. МБК совместно с ЗДК является транспортным упаковочным комплектом (ТУК МБК). Защита МБК ВМФ и АЛФ от разрушения при авариях обеспечивается демпфирующими элементами, встроенными в корпус МБК.

К настоящему времени ОАО «КБСМ» при научном руководстве РФЯЦ ВНИИЭФ совместно с созданной кооперацией предприятий разработало типовой ряд транспортно-упаковочных комплектов двойного назначения на основе МБК (рисунок 3) - для транспортирования и длительного, до 50 лет, хранения ОЯТ, включающий:

- ТУК-104 - для ОЯТ реакторов РБМК-1000 Ленинградской АЭС;

- ТУК-109 - для Курской АЭС;

- ТУК-108/1 - для ОЯТ атомных подводных лодок и надводных кораблей ВМФ с ядерными энергетическими установками;

- ТУК-120 - для ОЯТ судов атомного ледокольного флота России;

- УКХ-121 - для хранения твердых радиоактивных отходов (ТРО) АЭС.

Все перечисленные контейнеры прошли стадию отработки и предварительных испытаний на заводах-изготовителях, а контейнеры для ОЯТ - испытания на специально созданном в ОАО «КБСМ» уникальном стенде падением с высоты 9 м на жесткую мишень стенда и с 1 м на штырь.

Ведутся работы по созданию транспортно-упаковочного комплекта ТУК-123 для транспортирования и хранения ОЯТ реактора БН-350 (г. Актау, Республика Казахстан).

Минатомом России были выданы сертификаты-разрешения на конструкцию упаковочных комплектов ТУК-104, ТУК-109 и ТУК-120, а УГН ЯРБ МО сертификаты-разрешения на конструкцию и перевозку ТУК-108/1.

Проектная, конструкторская и программно-методическая документация на металлобетонные контейнеры прошла необходимую экспертизу в Ростехнадзоре РФ и Федеральном медико-биологическом агентстве.

Краткая характеристика, состояние по изготовлению и эксплуатации упомянутых выше упаковочных комплектов приведены в таблице.

Для безопасного обращения с ТУК МБК и УКХ на всех объектах эксплуатации (ЛАЭС. КуАЭС, ГХК в г. Красноярске, ПО «Маяк», хранилище ММП, ФГУП «ДВЗ «Звезда» и др.) в ОАО «КБСМ» разработано более 100 единиц транспортно-технологического оборудования (траверсы-кантователи ТУК и УКХ, тележки для внутриобъектовой перевозки ТУК и УКХ, кантователи крышек, системы контроля герметичности, системы осушки и др.).

Транспортно-упаковочные комплекты на основе металлобетонных контейнеров разработки ОАО «КБСМ»

В процессе создания технологии хранения и транспортирования ОЯТ в металлобетонных контейнерах был получен ряд важных научно-технических результатов.

1. Была доказана правомерность и экономическая эффективность замены дорогостоящих марок нержавеющих сталей, из которых изготавливались контейнеры, находящиеся в эксплуатации, на металлобетонную композицию, включающую высокопрочный радиационно-защитный бетон, а также поковки и листовую сталь из углеродистых марок.

В качестве основных марок стали для несущих (силовых) элементов конструкции МБК (комингса, силового стакана) применена низкоуглеродистая сталь марки 09Г2СА-А, которая является улучшенной модификацией стали марки 09Г2С.

Указанная сталь обладает хорошей свариваемостью, имеет относительно низкую стоимость и достаточно высокую ударную вязкость при минимальной температуре эксплуатации (минус 50оС). Установлен минимальный уровень ударной вязкости деталей и узлов МБК (KCV-50>29 Дж/см2), который должен быть обеспечен на всех этапах эксплуатации ТУК и который был подтвержден в процессе изготовления и испытаний на образцах-свидетелях и производственных сварных соединениях (ПКСС).

ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» были разработаны и согласованы с Ростехнадзором РФ новые технические условия ТУ 05764417-064-97 и ТУ 5.961-11829-2003 на «Поковки из стали 09Г2СА-А» и ТУ 0900-004-5764417-99 на «Листы из стали 09Г2СА-А».

2. В металлобетонных контейнерах применен высокопрочный радиационно-защитный бетон, не имеющий аналогов в мире (разработчик 26 ЦНИИ МО).

Жесткое трехосное армирование бетона с использованием внешней обоймы (эффект косвенного армирования и обоймы) обеспечили повышенную стойкость к образованию трещин и прочность бетона, приближающуюся к прочности стали. В качестве заполнителя бетона использованы отходы металлургического производства (окалина и стальная дробь), что позволило довести плотность бетона до 3800…4100 кг/м3 и тем самым обеспечить повышенные радиационно-защитные свойства бетона. В результате совместных исследований ОАО «КБСМ», 26 ЦНИИ МО и Радиевого института были определены оптимальные физико-механические характеристики бетона с учетом его длительной работы в условиях радиационного воздействия при повышенных температурах. Для приготовления бетона с требуемыми физико-механическими характеристиками разработаны специальные технические условия ТУ 5870-003-07805066-98, согласованные с надзорными органами.

3. При создании МБК был разработан и внедрен радиометрический метод контроля сплошности бетонного заполнителя и эффективности радиационной защиты МБК, который используется в процессе изготовления каждого МБК.

4. Созданы новые типы эффективных герметизирующих уплотнений разъемных соединений МБК и технические условия на них:

- прокладки спирально-навитые (СНП), ТУ 38.314-25-8-91;

- кольца армированные графитовые уплотнительные (КАГУ), ТУ 38.314-25-6-91;

- уплотнители на основе эластомеров, ТУ 2531-024-00152081-99.

Исследования, проведенные ЗАО «Фирма Союз-01» и АО НИИЭМИ, позволили установить общий срок сохранения работоспособности указанных уплотнений в составе МБК с ОЯТ 50 лет.

Фактические уровни утечек контрольного газа гелия при контроле герметичности указанных уплотнений МБК в условиях нормальной эксплуатации не превышают 10-7 м3.Па/с, что ниже проектных значений утечек, равных 10-6 м3.Па/с.

5. Подтверждено и обосновано предложенное ОАО «КБСМ» и согласованное с ЛАЭС и РФЯЦ-ВНИИЭФ на начальном этапе проектирования концептуальное решение об использовании специальных ампул, в которые должно помещаться ОЯТ после длительного хранения в «мокрых» бассейнах АЭС перед его загрузкой в МБК. Последующими исследованиями ряда организаций Росатома РФ: ГНЦ НИИАР, ФГУП НИИНР и др. установлена заметная коррозия материала оболочек ТВЭЛов под дистанционирующими решетками ТВС, охрупчивание материала ТВЭЛов вследствие воздействия воды в пеналах бассейнов выдержки, качество которой после длительного хранения не соответствует ГОСТ 26280-84 и рекомендациям МАГАТЭ для хранения ОЯТ с оболочками ТВЭЛов из циркониевых сплавов. Поэтому применение ампул явилось необходимым и обязательным условием обеспечения безопасности при всех технологических операциях с ОЯТ в процессе обращения с МБК. Использование ампул исключает возможность россыпи ОЯТ при его разрушении внутри контейнера.

6. Все разработанные металобетонные контейнеры обладают повышенной вместимостью ОЯТ, что обеспечено созданием специального чехла (дистанционирующей решетки), в котором для обеспечения ядерной безопасности были введены конструктивные элементы, обеспечивающие снижение Кэфф до требуемого уровня (Кэфф<0,95), а также необходимое дистанционирование ампул и топливных чехлов в нормальных условиях эксплуатации и аварийных ситуациях.

7. Для снижения динамических (ударных) нагрузок на МБК при аварийных ситуациях, в конструкцию ТУК были введены специальные демпфирующие элементы, работающие в упруго-пластической области. Для ТУК типа ТУК-104, ТУК-109 демпфирующие элементы выполнены в виде защитно-демпфирующего кожуха (ЗДК), включающего энергопоглощающие стальные трубы пластически деформируемые при падениях ТУК.

ЗДК выполнен разъемным и используется только при перевозке МБК с ОЯТ. Одновременно ЗДК является контуром дополнительной защиты МБК от внешних воздействий при его транспортировании, что позволяет перевозку ТУК МБК производить на открытых ж/д платформах.

Габариты ТУК-108/1 и ТУК-120 ограничены условиями вписывания их в габарит транспортных средств, используемых для транспортировки металлических контейнеров ТК-18, что потребовало встроить демпфирующие элементы непосредственно в конструкцию ТУК.

8. Все основные элементы ТУК МБК, в том числе упругопластические для системы демпфирования были отработаны. На лабораторных базах ОАО «КБСМ», РФЯЦ ВНИИЭФ, Радиевого института им. В.Г.Хлопина, испытательного центра НИЦ БТС МО РФ (г. Санкт-Петербург) были проведены испытания по определению теплофизических характеристик бетонного наполнителя МБК, его радиационной, химической и тепловой стойкости, а также пожаробезопасности МБК.

9. Соответствие ТУК МБК всех типов требованиям Ростехнадзора РФ и рекомендациям МАГАТЭ подтверждено испытаниями на экспериментальном стенде ОАО «КБСМ» бросками с высоты 9 м и 1 м соответственно на мишень стенда и на штырь, а также испытаниями на пожар ТУК-104.

10. Для защиты МБК от коррозии ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» по заданию ОАО «КБСМ» было создано специальное газотермическое комбинированное покрытие, состоящее из металлизационного слоя на основе алюминия и нанесенного на него лакокрасочного покрытия (ЛКП). В ходе создания указанного покрытия, и с учетом опыта эксплуатации первых МБК ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с ОАО «КБСМ» был выполнен комплекс научно-исследовательских и опытно-технологических работ по обоснованию покрытия и экспериментальному подтверждению его работоспособности в заданных для контейнера условиях эксплуатации. На основании проведенных работ ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» дал рекомендации по расширению номенклатуры лакокрасочных покрытий, с учетом возможностей изготовления и поставки ЛКП требуемого качества отечественными и зарубежными производителями.

11. ОАО «КБСМ» разработана подробная технология подготовки ТУК МБК к длительному хранению, основными операциями которой являются осушка внутренней полости контейнера (удаление воды) и контроль герметичности всех разъемных соединений. Разработана и обоснована методика осушки контейнера, заполнения его внутренней полости инертным газом и проведения контроля герметичности, а также разработаны системы осушки и контроля герметичности МБК практических для всех объектов эксплуатации. Системы осушки и контроля герметичности ТУК-120 испытаны при «холодных» и «горячих» испытаниях соответственно порожнего и загруженного ОЯТ МБК при вводе в строй хранилища ОЯТ в ФГУП «Атомфлот».

12. Технология изготовления ТУК для ОЯТ АЭС, ВМФ и ледокольного флота, а также технология изготовления транспортно-технологического оборудования, необходимого для обращения с ТУК МБК на объектах эксплуатации, отработана и реализована на ряде заводов РФ (ОАО «Ижорские заводы», ЗАО «Энерготекс», ФГУП «Севмаш», ЗАО «Балтийско-Российский судосервис», ОАО «Атолл») и может быть освоена на других машиностроительных заводах страны.

Подводя итоги проведенной за десятилетие работы, можно сделать главный вывод.

В настоящее время технология перевода ОЯТ на сухое долговременное хранение в металлобетонных контейнерах, обеспечивающая надежную и безопасную изоляцию ОЯТ от окружающей среды, находится в стадии практической реализации. Технология обращения с МБК опробована пробно-опытной эксплуатацией ТУК-108/1 на объектах действующей транспортно-технологической схемы обращения с ОЯТ, а также эксплуатацией ТУК-108/1 в транспортном режиме и режиме хранения ОЯТ до двух лет на объектах эксплуатации.

Технология обращения с ТУК-120 опробована на «холодных» и «горячих» испытаниях первого опытного образца на территории ФГУП «Атомфлот».

Основные технические решения ТУК МБК защищены патентами РФ.

По материалам Международной конференции «Стратегия безопасности использования атомной энергии»

назад

Материалы из архива

11.2007 Психология веры и международная политика

Проблема веры в политической психологии нуждается в осмыслении политиками, принимающими стратегические решения, судьбоносные для народов всего мира. Статья, посвящённая этой теме, подготовлена по материалам книги В.В.Можаровского и вступительной статьи к ней  проф. А.И.Юрьева. Человечество стоит перед фактом: изменилась расстановка сил на планете. И произошла она по причинам, о которых науку просили помолчать.

3.2008 Нужна ли России морская стратегия

Развитие военно-морской стратегии (ВМС) с древнейших времён и до наших дней шло параллельно с практикой  применения сухопутных и  военно-морских сил. В России основы ВМС заложили Пётр I , Г.А.Спиридов, Ф.Ф.Ушаков, Д.Н.Сенявин. Период первой и второй мировых войн внёс свой вклад в военно-морское искусство и способствовал развитию военно-морской стратегии. Как создавалось военно-стратегическое направление в нашей стране , рассказывает Владимир Георгиевич  Лебедько, к.в.н., проф., контр-адмирал в отставке,  в течение ряда лет руководивший ведущими управлениями оперативно-стратегических штабов флота и сухопутных сил.

5.2007 Новости РНЦ «Курчатовский институт»

18 апреля 2007 г. Президент РФ В.В.Путин посетил Российский научный центр «Курчатовский институт». Это первое посещение Главой государства Курчатовского института за всю его историю. Генеральная схема размещения АЭС Правительство РФ 19 апреля приняло за основу генеральную схему размещения объектов электроэнергетики до 2020 г. Генеральная схема предполагает максимальное увеличение доли атомной генерации, гидрогенерации и угольной энергетики в общем объеме выработки электроэнергии в стране и сокращение доли газовой генерации.