Контейнеры будущего

В последнее время появляется много публикаций о проводимых испытаниях, разработках, инновациях в области развития контейнерного парка для обращения с отработанным ядерным топливом (ОЯТ) в России. Но далеко не все знают, почему на сегодняшний день так остро стоит вопрос о необходимости его модернизации и почему без этого невозможно развитие современной атомной промышленности.

Контейнерный парк для транспортировки ОЯТ состоит из группы транспортно-упаковочных комплектов (ТУК).

Актуальной задачей, поставленной в Основах государственной политики в области обеспечения ядерной и радиационной безопасности Российской Федерации на период до 2025 года (утверждены президентом РФ 01.03.2012 № Пр-539), является обеспечение оптимального темпа вывоза с площадок эксплуатирующих организаций, переработки или размещения на длительное хранение отработавшего ядерного топлива.

Для транспортировки отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) с атомных станций Балаковская, Калининская, Нововоронежская и Ростовская с типами реакторных установок ВВЭР-1000 используются контейнеры и транспортеры 13-й серии. ОТВС вывозятся в хранилище горно-химического комбината ФГУП «ГХК», а с 2016 года – на переработку на ФГУП «ПО «Маяк».

ТУКи 13-й серии (ТУК-13В) выпускались Азовмашем (Украина), а в последующем, до 1990 года, Ижорским заводом (ТУК-13/1В). Они эксплуатируются и в настоящее время, но больше не производятся заводами-изготовителями.

В советское время технические характеристики наших контейнеров соответствовали, а во многом и превосходили зарубежные аналоги. Однако прогресс в разработке и применении топливных сборок шагнул далеко вперед, а контейнеры остались теми же.

Перевозка контейнеров с ОЯТ к месту хранения или переработки осуществляется на специальных железнодорожных транспортерах. На сегодняшний день из 20 транспортеров, предназначенных для контейнеров 13-й серии, 11 с нынешнего года и по 2019 год включительно будут выводиться из эксплуатации. Останутся только 9, которые смогут уверенно «ходить» до 2030 года. Но такое количество транспортеров не сможет обеспечить равномерный вывоз ОЯТ.

ТУК-13 разработан для перевозки ОТВС с обогащением топлива по урану 235 до 4,4%, глубиной выгорания топлива до 50 ГВт-сут/кгU и остаточным энерговыделением 1,67 кВт.

В связи с переходом на 18-месячный топливный цикл с использованием топливных сборок второго поколения ТВС-2М и ТВСА-PLUS изменилась структура ОЯТ. Его первичное обогащение увеличилось до 4,95%, а глубина выгорания – от 55 до 60 ГВт-сут/кгU.

Соответственно из-за выросшей нейтронной активности и тепловой нагрузки перед транспортированием в ТУК-13 значительно увеличилось время выдержки ОТВС в приреакторных бассейнах.

С 2019 года эксперты прогнозируют риск заполнения бассейнов выдержки в связи с ограничением использования ТУК-13 при транспортировке ОЯТ ВВЭР-1000 новых модификаций.

-« ТУКи 13-й серии - разработка 80-х годов. Они успешно используются для транспортировки ОТВС ВВЭР-1000 российских и зарубежных АЭС уже более 30 лет. С ним хорошо знакомы проектировщики АЭС, сами атомные станции и ФГУП «ГХК». Техническое состояние ТУК удовлетворительное – они не изношены, работоспособны и могут продолжать эксплуатироваться. Срок службы первых партий ТУК может быть продлен в установленном порядке по результатам технического диагностирования. Однако за прошедшие годы, топливные сборки совершенствовались (увеличивались начальное обогащение топлива и длина топливного столба), менялись режимы эксплуатации реакторов (возросло среднее выгорание топлива). Поэтому начали проявляться ограничения ТУКов данной модели. Пока они не сдерживает вывоз в такой мере, чтобы АЭС стали испытывать существенные затруднения с хранением сборок, но в перспективе, начиная с 2019 года, такие осложнения начнут появляться. Также к недостатком ТУКов этой серии следует отнести наличие только одной защитной крышки, применение жидкой нейтронной защиты и относительно невысокую вместимость ТУК. Данные конструктивные решения были вполне приемлемы 30 лет назад, но не соответствуют современным подходам к обеспечению безопасности и экономической эффективности транспортирования ОЯТ. Нужны иные технические подходы, соответствующие современным требованиям»

Жидкая нейтронная защита (водный раствор этиленгликоля) – еще одна ахиллесова пята контейнеров ТУК-13. При аварии и в очаге пожара она может быть утрачена.

Малая вместимость (12 ОТВС) приводит к увеличению времени ППР (планово-предупредительного ремонта), а каждый день ППР стоит для одного энергоблока 24 млн руб. в сутки.

Одна крышка и герметизирующие прокладки из синтетической резины, используемые в конструкции контейнеров, могут недостаточно предотвращать диффузию радиоактивных изотопов из полости контейнера в окружающую среду.

Помимо вышесказанного, ТУК-13 не может являться частью проекта новых АЭС, так как не предназначен для перевозки ТВС реакторов ВВЭР-1200.

Внедрение нового контейнерного парка для реакторов ВВЭР-1000 – необходимость, которую никто не отрицает.

В госкорпорации «Росатом» многие компании начали разработку проектов современных контейнеров:

– ТУК-151 (разработчик и изготовитель «ПАО «Ижорские заводы») до настоящего времени не сертифицирован;

– ТУК-146 (разработчик АО «КБСМ», изготовитель АО «Петрозаводскмаш») – неудовлетворительные результаты бросковых испытаний;

– ТУК-137Д (разработчик ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») не вписывается в действующую на АЭС ВВЭР-1000 транспортно-технологическую схему (ТТС) обращения с ОЯТ.

На сегодняшний день только ТУК-141О, представленный Федеральным центром ядерной и радиационной безопасности (АО ФЦЯРБ), имеет наивысшую степень готовности. Произведен головной образец. Получен сертификат-разрешение на конструкцию и сертификат-разрешение на перевозку ОЯТ.

В марте 2016 года были успешно проведены приемочные испытания ТУК-141О, а уже в апреле – технологические испытания на энергоблоке № 1 Калининской АЭС с проверкой работоспособности оборудования и оснастки для обращения с ТУК-141О при проведении штатных транспортно-технологических операций, в том числе при загрузке-выгрузке имитаторов ОТВС ВВЭР-1000.

26–28 декабря 2016 года успешно проведены технологические испытания ТУК-141О и ТК-У-141 (транспортера) на ФГУП «ПО «Маяк».

На сентябрь-октябрь 2017 года запланирован опытный вывоз ОЯТ ВВЭР-1000 с Балаковской АЭС на ФГУП «ПО «Маяк» в ТУК-141О, после чего ТУК-141О может быть внедрен на всех действующих энергоблоках АЭС ВВЭР-1000.

В чем же отличия?

ТУК 14-й серии – это металлическая конструкция массой более 100 тонн.

В отличие от своего ближайшего конкурента ТУК-137, корпус ТУК-141O цельнолитой из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Некоторые скептики сразу вспомнят пословицу: «Не бывать вороне соколом, не бывать чугуну сталью», намекая на малую прочность и хрупкость чугуна. Но в наши дни эти утверждения не соответствуют истинным качествам чугуна. Под действием добавки 0,1% магния включения графита приобрели шарообразную форму. Чугун с шаровидным графитом стал прочным и нехрупким, не уступающим самым высоким сортам углеродистой конструкционной стали. В промышленности широко используются свойства улучшенного чугуна. Применять его очень выгодно, ибо чугун намного дешевле стали. При этом используется одно ценное свойство чугуна – он лучше отливается в формы, чем сталь, поэтому процесс получения отливок из него легче и проще.

Вернемся к техническим инновационным характеристикам ТУК-141O.

В отличие от ТУК-13 контейнер ТУК-141O рассчитан на 18 сборок против 12, что позволяет перевозить в 1,5 раза больше ОТВС.

«Преимущество ТУК-141О, конечно же, в возможности его загрузки. Вместимость ТУК-13 составляет до 6 тонн ОЯТ, а в ТУК-141О возможно загрузить до 9 тонн ОЯТ. Это существенный плюс, так как при перевозке сокращается количество транспортеров. Это будет выгодно и при выходе на зарубежные рынки бэк-энда. Новым ТУКом можно будет вывозить большее количество ОЯТ с зарубежных АЭС ВВЭР-1000 одним эшелоном.

На 100% о преимуществах ТУК-141О смогу сказать только после испытания с ОЯТ, которое планируется провести в этом году. Пока мы провели холодные испытания нашей транспортно-технологической схемы. ТУК удобен для работы, проблем с ним при испытаниях не было. Конструктивные решения: снятие крышки, системы охлаждения – не вызывают нареканий.

Надеюсь, что наши АЭС и заводы по переработке ОЯТ смогут вскоре работать с ТУК-141О».

Высокую степень безопасности обеспечивают твердая нейтронная защита и две крышки.

Улучшенные параметры ядерной и радиационной безопасности позволяют сократить время выдержки ОТВС в приреакторном бассейне АЭС до двух раз.

ТУК-141О рассчитан на транспортировку ОЯТ с повышенным (до 36 кВт на упаковку) тепловыделением, что дает возможность транспортировать топливо для перспективных АЭС с энергоблоками ВВЭР-1200, ВВЭР-ТОИ.

После доработки выемного чехла контейнер можно использовать для перевозки некондиционных и дефектных ОТВС. Небольшие доработки в конструкции делают его пригодным для вывоза ОЯТ с зарубежных станций железнодорожным транспортом.

«Необходимость создания нового транспортного упаковочного комплекта для отработавших ТВС реакторов ВВЭР-1000 перспективных типов обусловлена их жесткими ядерными, радиационными и тепловыми характеристиками.

Существующие в отрасли ТУК-13 задачу полноценного вывоза указанных выше ОТВС не решают ввиду своих слабых защитных свойств. Для вывоза ОТВС с начальным обогащением свыше 4,4% необходимо применение инструментального контроля выгорания ОЯТ, который может быть обеспечен с помощью дорогостоящих и требующих дополнительного времени на использование установок измерения глубины выгорания. Также для возможности загрузки в ТУК-13 требуются большие сроки выдержки ОТВС новых типов в бассейнах выдержки для снижения остаточных тепловыделений и активности.

Конструкция и материал корпуса – высокопрочный чугун с шаровидным графитом внедряемого контейнера ТУК-141О не является чем-то новым. ТУКи из высокопрочного чугуна имеют широкое применение в мировой атомной энергетике. В РФ ТУКи данного типоряда успешно используются для транспортирования ОЯТ исследовательских реакторов.

ТУК-141О обладает высокими ядерными и радиационными защитными характеристиками, большими термостойкостью и способностью противостоять серьезным динамическим воздействиям, обеспечивающими безопасное состояние находящегося внутри ОЯТ. Количество перевозимых в ТУК-141О ОТВС – 18 штук против 12 в ТУК-13. Кроме этого, по своим массогабаритным характеристикам и конструкции ТУК-141О полностью вписывается в транспортно-технологические схемы как действующих энергоблоков ВВЭР-1000, так и энергоблоков новых поколений ВВЭР-1200/ТОИ, в том числе на зарубежных АЭС российского дизайна.

В настоящее время в отрасли выполняются мероприятия по внедрению ТУК-141О в транспортную инфраструктуру. Кроме уже проведенных технологических («холодных») испытаний на АЭС концерна и ФГУП «ПО «Маяк» ожидается их проведение на ФГУ «ГХК».

Кроме этого, у модернизированного ТУК-141О вероятны перспективы использования в качестве двухцелевого ТУКа – для транспортирования и хранения ОЯТ.

Принятие ТУК-141О как основного средства транспортирования российского ОЯТ ВВЭР-1000 будет способствовать развитию отечественного серийного производства».

Для того чтобы внедрение нового контейнерного парка было плавным и экономически выгодным, можно рассматривать вариант совместного использования ТУК-13 и ТУК-141О в соcтаве одного эшелона. Тогда для этого бы потребовалось:

контейнеров ТУК-13 с транспортерами ТК-13 – 12 комплектов,

контейнеров ТУК-141O с транспортерами ТК-У-141 – 4 комплекта.

Это позволило бы исключить риски долгосрочного заполнения бассейнов выдержки, сохранило бы инвестиционные ресурсы, требуемые для строительства дополнительных транспортеров и ТУК-141О, исключить риски в области ядерной безопасности за счет сокращения в три раза количества операций перемещения ОТВС.

Кроме того, синергетический эффект от синхронизации отраслевых проектов развития инфраструктуры транспортирования ОЯТ ВВЭР-1000 составит более 800 млн руб.

«Комплект ТУК-141О и транспортер железнодорожный ТК-У-141 доказали свою работоспособность, безопасность и надежность. В 2017 году будет осуществлен опытный вывоз ОЯТ ВВЭР-1000 с Балаковской АЭС. После этого мы сможем говорить о начале обновления контейнерного парка по ВВЭР-1000/1200 в России».

В начале 2017 года в маленьком швейцарском городке был подписан многомиллионный контракт между немецкой компанией GNS и АЭС «Гесген» на разработку и изготовление транспортных и двухцелевых контейнеров типа CASTOR.

Два года назад, в 2015 году, госкорпорация «Росатом» в лице компании Nukem Technologies тоже участвовала в этом тендере. Было представлено два вида контейнеров: контейнер на базе ТУК-137 – TUK-S и контейнер на базе ТУК-141О – TUK-PWR.

Корпус ТУК-137 – металлический, сборочно-сварной конструкции.

Корпус ТУК-141О – цельнолитой, выполнен из чугуна с шаровидным графитом.

Наши ТУКи, к сожалению, не победили в финале конкурентной борьбы. Однако то, что контракт был заключен на поставку контейнера CASTOR, который, как и ТУК-141О, изготавливается по технологии литья из чугуна, доказывает востребованность на европейском рынке обращения с ОЯТ, эффективность и безопасность ТУКов с литым корпусом из чугуна.

Источник: http://www.ng.ru/ng_energiya/2017-05-16/15_6988_container.html