Описание конструкции упаковки типа С ТУК-145/С и сертификация в России

   

С.В. Комаров, А.И. Ивашкин, Д.В. Дерганов, О.А. Савина (ООО НПФ "Сосны", РФ), А.К. Чернышев, В.И.Шаповалов, А.И.Моренко, О.Г. Алексеев, Л.В. Барабенкова, О.Л. Амеличева (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", РФ), С.Д. Мозес (ORNL, США)

PATRAM-2013, Сан-Франциско, 18-23 августа 2013 г.

PDF версия

ВВЕДЕНИЕ

Достаточно длительное время специалисты атомной отрасли различных стран задаются вопросом: «Использование авиации для перевозки отработавшего ядерного топлива – это способ повышения безопасности или дополнительный риск? Авиаперевозки – это хорошо или плохо, безопасно или нет?». Всегда существовали и будут существовать противники и люди лояльные к воздушным перевозкам ОЯТ. Условно всех специалистов можно разделить на два лагеря: «За» и «Против».
Идея реализации перевозки ОЯТ с использованием воздушного транспорта, бродившая в умах специалистов из лагеря «За», получила активное развитие в 2009 году, когда компании «Сосны» (Россия) и ее партнерам было предложено изучить возможность создания ТУК на основе SKODA VPVR/M для перевозки воздушным транспортом, т.е. создать упаковку типа «С» по классификации международных правил TS-R-1. К контейнерам этого класса предъявляются достаточно жесткие требования безопасности. Подтверждение безопасности упаковки обеспечивается рядом испытаний, к числу которых относятся соударение с мишенью со скоростью не менее 90 м/с, тепловое испытание, падение на штырь и др.
Предварительные исследования подтвердили возможность создания упаковки типа С на основе ТУК SKODA VPVR/M. При этом можно было пойти двумя путями: первый - повышение защитных свойств ISO-контейнера, используемого для перевозки SKODA VPVR/M, путем наполнения внутренней полости демпфирующим материалом; второй - создание новой системы защиты. При заполнении ISO-контейнера демпфирующим материалом в силу его конструкции остается большое количество слабозащищенных зон ТУК SKODA VPVR/M (верхняя и нижняя части, зоны боковых сторон ISO-контейнера). Таким образом, было принято решение о создании абсолютно новой системы защиты. Поскольку самым серьезным испытанием для будущего ТУК было соударение с мишенью со скоростью 90 м/с, то основное внимание было направлено на гашение удара.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Перед началом проектирования специалистами были проанализированы требования нормативной документации, рассмотрены возможные транспортно-технологические схемы перевозки, выполнен обзор существующих материалов и способов их применения. Все это позволило определить основные требования к конструкции нового ТУК, отраженные в техническом задании:
- соответствие требованиям, предъявляемым TS-R-1 к упаковкам типа С;
- возможность перевозки всеми видами транспорта, включая воздушный;
- состав ТУК – контейнер SKODA VPVR/M и защитно-демпфирующий кожух (ЗДК);
- масса не более 35 тонн;
- ЗДК – вертикальный цилиндр высотой не более 3,9 м и диаметром не более 3,8 м.
В качестве материалов для демпфера рассматривались различные варианты: древесина, пеноматериалы, сотовые конструкции. Для каждой из указанных групп выполнены исследования прочностных свойств в условиях динамического нагружения. Полученные результаты показали отсутствие возможности применения рассматриваемых материалов в конструкции проектируемого ТУК. Следовательно, было необходимо разработать уникальную систему демпфирования. В качестве основного материала для демпфирующих элементов ЗДК был принят титановый сплав ОТ4, как наиболее прочный и достаточно легкий по сравнению с другими металлами. При предварительной проработке были выделены три наиболее перспективных варианта конструкции ЗДК (рис. 1):
а) вариант «Косынки» - сварная конструкция из косынок;
б) вариант «Профили» - сварная конструкция из гнутых профилей;
в) вариант «Сферы» - наборная конструкция из полых сфер.
По массогабаритным характеристикам варианты «Косынки» и «Профили» при аналогичных размерах имели преимущество перед «Сферами» (см. табл. 1), но при этом основной операцией при их сборке является сварка «по месту», что зачастую требует дополнительной релаксации или снятия внутренних напряжений сварных соединений. Поэтому для исследований демпфирующей способности с применением программных комплексов конечно-элементного анализа были приняты два из трех вариантов: на основе гнутых профилей и сфер.
Расчетный анализ прочности на этапе эскизного проекта показал недостаточность демпирующей способности предложенного варианта «Профили», что повлекло за собой модернизацию конструкции. Вследствие этого масса ЗДК выросла до 22500 кг, а габаритные размеры стали следующими: высота 3843 мм, диаметр 3000 мм. Таким образом, как наиболее технологичный, менее трудоемкий и более легкий для дальнейшей проработки был выбран вариант «Сферы».
На данном этапе ТУК на основе контейнера SKODA VPVR/M и ЗДК был зарегистрирован в реестре транспортных упаковочных комплектов РФ и получил обозначение ТУК-145/С.
На этапе технического проекта были выполнены необходимые расчетные исследования запасов прочности и поведения ТУК-145/С в условиях пожара. Конструкция ТУК-145/С на данном этапе представляла следующее. ЗДК, внутри которого размещен контейнер SKODA VPVR/M, состоит из двух частей, скрепленных между собой 60 болтовыми соединениями (рис. 2). Основным материалом как корпусной части, так и демпфирующих элементов ЗДК является титановый сплав ОТ4. Полая сфера диаметром 180 мм и толщиной стенки 12 мм является основным элементом системы демпфирования, которую условно можно разделить на осевой демпфер и боковой демпфер. Осевой демпфер состоит из 4 слоев упорядоченно расположенных сфер, а боковой демпфер – из 4 кольцевых рядов упорядоченно установленных кассет из сфер.
В полученном конструктивном решении основная функция ЗДК (гашение энергии удара) достигается переходом кинетической энергии ТУК-145/С в энергию пластического деформирования сфер, а также перемещением сфер при ударе в наиболее энергоемкое положение. Описанные процессы достаточно ярко наблюдались при анализе результатов моделирования соударения ТУК-145/С с мишенью со скоростью 90 м/с с использованием программных комплексов конечно-элементного анализа. Указанное моделирование столкновения, являющиеся обязательными при сертификации, было выполнено для различных ориентаций ТУК-145/С по отношению к мишени (осевое, боковое, угловое).

СЕРТИФИКАЦИЯ В РОССИИ

В рамках сертификации в России было выполнено моделирование следующих аварийных условий (согласно TS-R-1):
- падение упаковки на жесткую недеформируемую преграду с высоты 9 м;
- падение на упаковку тела массой 500 кг с высоты 9 м;
- прокол/разрыв при падении упаковки на штырь с высоты 3 м;
- пожар со среднеобъемной температурой 800ºС в течение 60 мин;
- столкновение с мишенью со скоростью 90 м/с.
Расчетная модель ТУК-145/С полностью соответствовала конструкторской документации (геометрические характеристики, свойства материалов и пр.).
Моделирование падения упаковки на преграду с высоты 9 м и падение тела массой 500 кг на упаковку с высоты 9 м не привело к разрушению ЗДК, т.е. все элементы системы защиты находились в области упругой деформации. Моделирование падения на штырь было реализовано в двух вариантах:
- штырь проникал в сферу первого ряда;
- штырь проникал между сферами.
В обоих вариантах происходило разрушение только двух рядов осевого демпфера из четырех (рис. 3).
В условиях воздействия пожара максимальная температура ОТВС находилась ниже допустимой 300 ºС. Была также подтверждена расчетами ядерная и радиационная безопасность.
Моделирование соударения с мишенью со скоростью 90 м/с при различных ориентациях ТУК-145/С относительно ударной поверхности показало сохранение целостности контейнера SKODA VPVR/M и наличие запаса хода демпфера. Анализ полученных данных позволил определить угловую ориентацию ТУК-145/С при соударении, как наиболее опасную, при которой происходит максимальное деформирование ЗДК и возникают максимальные (по сравнению с другими вариантами) напряжения в контейнере SKODA VPVR/M (см. рис. 4). Однако даже в этом случае исключен выход радиоактивного содержимого в окружающую среду.
Даже при предоставлении всех подтверждающих безопасность упаковки документов обязательным требованием регулирующих органов России было проведение натурных испытаний макета ТУК-145/С на ракетном треке. Для этого в апреле 2011 года был изготовлен макет ТУК-145/С в масштабе 1:2,5, в котором были отражены все конструктивные элементы полномасштабной упаковки.
По распоряжению ГК «Росатом» была сформирована комиссия по проведению испытаний, включающая представителей Департамента ядерной и радиационной безопасности ГК «Росатом», ФГУП «РФЯЦ – ВНИИЭФ», НПФ «Сосны», ОАО «НЗКХ», ФГУП «АТЦ СПб», Ростехнадзора, ФМБА России, ОАО «ТВЭЛ». До испытаний был выполнен входной контроль макета с фиксацией параметров макета. Испытания макета ТУК-145/С состоялись 18 мая 2011 года на ракетном треке ФГУП «РФЯЦ – ВНИИЭФ» (см. рис. 5). После проведения испытаний был выполнен осмотр и анализ состояния макета ТУК-145/С (рис. 6).
Результаты испытаний зафиксированы в протоколе дефектации макета ТУК-145/С и акте о результатах проведения испытаний, утвержденным Первым заместителем Генерального директора ГК «Росатом». Члены комиссии по проведению испытаний подтвердили соответствие результатов натурных испытаний и расчетного моделирования соударения макета ТУК-145/С с жесткой преградой и заключили, что ТУК-145/С удовлетворяет требованиям правил безопасной перевозки радиоактивных материалов TS-R-1.
Для получения сертификата-разрешения на конструкцию упаковки ТУК-145/С была подготовлена заявка, направленная в октябре 2011 года в адреса Заместителя руководителя рабочего органа РФЯЦ ВНИИЭФ и Заместителя директора Департамента ядерной и радиационной безопасности, организации лицензионной и разрешительной деятельности.
В это же время для обоснования ядерной безопасности перевозки была направлена заявка в Отдел ядерной безопасности ГНЦ РФ – ФЭИ. После выполнения обосновывающих расчетов получено «Заключение №11-147 по ядерной безопасности ТУК-145/С для транспортирования ОТВС исследовательских реакторов воздушным транспортом».
Экспертное заключение утверждено в феврале 2012 руководителем РО РФЯЦ–ВНИИЭФ, после чего проект сертификата и экспертное заключение были направлены Заместителю директора Департамента ядерной и радиационной безопасности, организации лицензионной и разрешительной деятельности для дальнейшего согласования сертификата в Департаментах ГК «Росатом», ФМБА России и Ростехнадзора. В процессе сертификации было дополнительно выпущено независимое экспертное заключение по требованию Ростехнадзора. Результатом всех работ стало получение 10 апреля 2012 г. сертификата-разрешения на конструкцию упаковки в России. Таким образом, была подтверждена безопасность воздушной перевозки.

ВОПЛОЩЕНИЕ В МЕТАЛЛЕ

Параллельно с процедурой получения сертификата в январе 2012 года в ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» (г. Верхняя Салда, Россия) было начато изготовление первого экземпляра ЗДК. В работе принимали участие более 300 человек. Было произведено более 22 тонн титанового сплава ОТ4; отштамповано и сварено 2416 сфер.
В мае 2012 года был изготовлен, проверен и испытан ЗДК №1 и сразу же отправлен в аэропорт «Восточный» (г. Ульяновск, Россия) для проведения проверки технологии сборки ТУК-145/С и загрузки в воздушное судно Ан-124-100.
Испытания проводились 26-27 июня 2012 года на глазах представителей многих заинтересованных российских и иностранных организаций и включали процессы:
- доставки ЗДК в разобранном и собранном виде (рис. 7);
- загрузки (выгрузки) ЗДК на различные виды транспорта;
- формирования ТУК-145/С, загрузки контейнера SKODA VPVR/M (рис. 8);
- загрузки ТУК-145/С в самолет на автомобильном полуприцепе и роликовой системе (рис. 9).
Демонстрация подтвердила работоспособность технологии загрузки и готовность ТУК к воздушным перевозкам, ведь до первой из них оставалось не так уж много времени…

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ранним и уже достаточно жарким утром 1 июля 2013 года из облаков показалось воздушное судно Ан-124-100 российской авиакомпании «Волга-Днепр». На бетонном покрытии вьетнамского аэропорта Бьенхоа его уже ожидали несколько десятков человек. Около 6.00 по местному времени шасси самолета коснулись поверхности взлетно-посадочной полосы. ЗДК№1 был доставлен в пункт отправки первого рейса ТУК-145/С.
3 июля сразу после полуночи в свой первый полет отправился загруженный ТУК-145/С – первая в мире упаковка типа С для воздушной перевозки ОЯТ ИР согласно классификации правил МАГАТЭ.

Количество просмотров: 228

Перезвоните мне
Спасибо! Ваша сообщение отправлено, в ближайшее время мы свяжемся с Вами!