Ампула и чехол для транспортирования ПТ некондиционных герметичных ОТВС реактора РБМК в ТУК-109 с АЭС на ФГУП «ПО «Маяк»

  

Богатов П.В., Канашов Б.А., Самсонов А.А. (ООО НПФ «Сосны»), Зубков А.А., Листратова Т.В., Родин А.В., Соколов В.Н. (ОАО «ИЦЯК»)

VIII Международный ядерный форум "Безопасность ядерных технологий: культура безопасности на объектах использования атомной энергии",
С.-Петербург, 9-13 сентября 2013 г.

PDF версия

Введение

В настоящее время в бассейнах выдержки (БВ) и пристанционных ХОЯТ АЭС с реакторами РБМК накоплено более 100000 ОТВС. Большая часть из них будет направлена в специальных двухцелевых металлобетонных контейнерах ТУК-109 или металлических транспортных контейнерах ТУК-109Т на длительное сухое хранение в шахтном хранилище ФГУП «ГХК». Однако часть ОТВС по разным причинам (разгерметизация, повреждение конструкционных элементов, неудовлетворительное коррозионное состояние и т.п.) непригодна для перевода на длительное сухое хранение по штатной технологии с использованием ампул ПТ 1621-28-0007-01. Поэтому в ноябре 2012 года ГК «Росатом» приняла решение о перевозке некондиционных ОТВС во ФГУП «ПО «Маяк» с целью дальнейшей переработки и использования продуктов переработки.
В свою очередь, ФГУП «ПО «Маяк» для перевозки пучков твэлов (ПТ) некондиционных ОТВС РБМК предложил разработать выемные компоненты контейнера ТУК-109: чехол и специальные транспортные ампулы, пригодные для переработки вместе с ПТ. Анализ показал, что требования к ампулам, предназначенным для перевозки ПТ, содержащих негерметичные твэлы, существенно отличаются от требований к ампулам для перевозки герметичных ПТ. Кроме того, технологии обращения с герметичными и негерметичными ПТ как на АЭС, так и на ФГУП «ПО «Маяк» принципиально отличаются. С учетом указанных требований было предложено две конструкции ампулы
– ампула герметичная (исполнение 1) для негерметичных ПТ ОТВС РБМК-1000,
– ампула негерметичная (исполнение 2) для герметичных ПТ ОТВС РБМК-1000.
В настоящем докладе описана ампула негерметичная исполнения 2 СТВА.А.31.120, предназначенная для перевозки с АЭС во ФГУП «ПО «Маяк» пучков твэлов некондиционных герметичных и условно герметичных ОТВС РБМК-1000. Основное назначение ампулы заключается в обеспечении безопасного выполнения транспортно-технологических операций с ПТ ОТВС как на этапе подготовки к транспортированию, так и при подготовке к переработке, а также в обеспечении безопасности в процессе транспортирования. Для транспортирования ампул в контейнере ТУК-109 был также разработан новый чехол 02-155, обеспечивающий упорядоченное размещение ампул в контейнере и их безопасное транспортирование с учетом требований правил НП-053-04.

1. Радиоактивное содержимое упаковки

Как сказано ранее, ампула негерметичная и чехол предназначены для перевозки с АЭС во ФГУП «ПО «Маяк» ПТ некондиционных герметичных и условно герметичных ОТВС РБМК-1000. В соответствии с методикой контроля состояния ОТВС [1], к некондиционным относят ОТВС, имеющие следующие повреждения:
– отсутствие двух и более дистанционирующих решеток (ДР) подряд;
– отсутствие/разрушение ДР10 нижнего ПТ или ДР11 верхнего ПТ;
– локальное увеличение диаметра более 87 мм;
– зазор между твэлами верхнего и нижнего ПТ менее 9 мм.
К некондиционным относят также ОТВС с центральным закреплением твэлов, опытные ОТВС с твэлами длиной 7 м и сильно поврежденные (искривленные, деформированные, разрушенные и др.) ОТВС. Некондиционные ОТВС допускаются к сухому хранению только после подготовки по специальной технологии, которая в настоящее время отсутствует. Дефекты конструкционных элементов препятствуют разделке ОТВС и загрузке ПТ в ампулы 1621-28-0007-01. Все обнаруженные при работе отделения разделки некондиционные ОТВС в настоящее время возвращаются на хранение в ХОЯТ.
Таким образом, была поставлена задача разработать ампулу для перевозки ПТ герметичных ОТВС, в которых оболочки внешнего ряда твэлов сохранили свою целостность, но элементы ОТВС имеют дефекты типа:
– механические повреждения ДР (вмятины, задиры, сколы, разрывы, трещины), которые могут привести к увеличению внешнего диаметра ПТ свыше проектного, но не более 96 мм;
– частичное разрушение, выкрашивание или отсутствие ДР на проектных позициях (не более двух подряд нижних или верхних ДР или не более трёх подряд центральных ДР).
Кроме того, в ампуле негерметичной требовалось перевозить ПТ условно герметичных ОТВС, имеющие в своём составе твэлы со сквозными микродефектами оболочек, проницаемыми для газообразных продуктов деления, но исключающими контакт топливной композиции с внешней средой (теплоносителем, водой пенала при мокром хранении, атмосферой ампулы при сухом хранении и т.п.). Герметичность ОТВС устанавливается по результатам реакторного КГО и по результатам измерения содержания Cs-137 в пробах воды пенала, изолированной от воды БВ, после настоя ОТВС в пеналах.

2. Требования к ампулам

Ампула негерметичная предназначена для использования:
– в защитных камерах ОР КК ХОЯТ АЭС с реакторами РБМК – при подготовке ОЯТ к отправке;
– в составе контейнера ТУК-109 совместно со специальным чехлом – при транспортировании;
– в бассейне-хранилище (БХ) и отделении подготовки изделий к резке (ОПИР) при переработке на ФГУП «ПО «Маяк».
Следовательно, ампула должна удовлетворять требованиям НП-001-97 (ОПБ-88/97) [2], НП-016-05 (ОПБ ОЯТЦ) [3], НП-061-05 [4] и НП-053-04 [5]. Кроме того, к ампуле негерметичной предъявляются специальные требования:
– ампула должна быть по возможности совместима с существующим оборудованием отделения разделки ОТВС КК ХОЯТ АЭС и оборудованием ФГУП «ПО «Маяк»;
– ампула должна иметь возможность беспрепятственной осушки и/или заполнения ее инертным газом в составе контейнера ТУК-109;
– ампула должна исключать выход твердых частиц топлива или фрагментов конструкционных элементов ПТ за ее пределы;
– конструкция должна предусматривать возможность дистанционного выполнения операций по установке крышки и перемещению ампулы; – ампула является изделием разового использования и перерабатывается на ФГУП «ПО «Маяк» вместе с находящимся внутри нее ПТ ОТВС РБМК-1000. Поэтому ампула не должна содержать массивных элементов, препятствующих измельчению ее в агрегате резки. Общая длина ампулы с ПТ, передаваемой на ложе агрегата резки, не должна превышать 3765 мм;
– ампула должна иметь низкую себестоимость.

3. Требования к чехлу для размещения ампул ПТ

Поскольку чехол предназначен для обращения с ампулами ПТ как на АЭС, так и на ФГУП «ПО «Маяк», его конструкция должна удовлетворять требованиям НП-001-97 (ОПБ-88/97) [2], НП-016-05 (ОПБ ОЯТЦ) [3], НП-061-05 [4]. Требования безопасности транспортирования должны обеспечиваться по НП-053-04 [5]. Кроме того, к чехлу были предъявлены специальные требования:
– его габаритные размеры должны обеспечивать совместимость с контейнером ТУК-109, а также возможность подачи в защитную камеру ОР КК ХОЯТ и возможность загрузки ампул с ПТ в чехол с помощью существующего и вновь смонтированного оборудования защитной камеры;
– масса чехла с ампулами с ОЯТ – не более 22 тонн, что необходимо для выполнения загрузки и выгрузки чехла из контейнера – масса чехла с ампулами без ОЯТ – не более 8 т;
– конструкция чехла должна обеспечивать загрузку в него 102 ампул с ПТ некондиционных ОТВС РБМК-1000 на АЭС в соответствии с технологическими схемами по обращению с ОЯТ в отделении разделки ОТВС КК ХОЯТ;
– конструкция чехла должна обеспечивать выгрузку ампул с ПТ ОТВС на ФГУП «ПО «Маяк»;
– конструкция чехла должна предусматривать возможность дистанционного выполнения (с помощью захватов) операций по перемещению чехла;
– конструкция чехла должна соответствовать требованиям безопасного обращения с ОЯТ на всех стадиях выполнения работ (при обращении с чехлом на АЭС, при перевозке чехла с ампулами в контейнере ТУК-109 в составе упаковки, при обращении с чехлом на ФГУП «ПО «Маяк»;
– чехол должен быть совместим с существующим и вновь создаваемым оборудованием КК ХОЯТ АЭС и ФГУП «ПО «Маяк»;
– конструкция чехла должна обеспечивать возможность многократной дезактивации;
– в нормальных условиях эксплуатации не допускается повреждений захватного устройства чехла;
– в аварийных ситуациях должна сохраняться возможность извлечения чехла из контейнера ТУК-109.

4. Конструкция и параметры ампулы

Ампула СТВА.А.31.120 относится к оборудованию, важному для безопасности. Классификационное обозначение – 2Н в соответствии с НП-016-05 [2] и НП-001-97 [3]. Общий вид ампулы негерметичной СТВА.А.31.120 представлен на рисунке 1. Ампула состоит из двух основных частей – корпуса и крышки. Крепление крышки к корпусу ампулы осуществляется за счет замка, разработанного на основе стопорного кольца, установленного в кольцевой канавке на крышке ампулы. При установке крышки стопорное кольцо заскакивает в кольцевую канавку в корпусе и фиксирует крышку на корпусе ампулы.
Корпус ампулы представляет собой сварную конструкцию, состоящую из горловины, обечайки, двух ребер и дна. Обечайка корпуса выполнена из трубы диаметром 102 мм с толщиной стенки 2 мм. К нижней части обечайки корпуса приварено опорное дно, на которое устанавливается ПТ. В дне выполнены специальные дренажные отверстия диаметром 6 и 10 мм. Для предотвращения выхода крупных частиц ОЯТ отверстия перекрыты фильтрующей сеткой с шагом ячейки 1 мм. Дренажные отверстия необходимы для слива воды после извлечения чехла с ампулами из бассейна-хранилища для дальнейшего перемещения в ОПИР ФГУП «ПО «Маяк». Подача ампулы с водой в агрегат резки ПТ не допускается. Дренажные отверстия диаметром 6 и 10 мм и сетка с ячейками 1 мм обеспечивают приемлемое время слива воды из ампулы (~12 мин.) при извлечении чехла с ампулами из бассейна-хранилища зд. 101А ФГУП «ПО «Маяк». Длина ампулы равна 3765 мм, масса – 20,6 кг. Длина загружаемого в ампулу ПТ не более 3743 мм.
Согласно расчету прочности ампула выполняет свои функции как при нормальных условиях эксплуатации при действии эксплуатационных нагрузок, так и при обычных условиях перевозки при ускорении до 10g.
Для расчета прочности ампулы в условиях возможных аварийных ситуаций были выбраны случаи падения ампулы вертикально на жесткое основание с высоты 5 м с последующим опрокидыванием (моделировалось падение на днище защитной камеры); вертикального падения ампулы с высоты 6,5 м на демпфер (моделировалось падение на дно чехла 02-155 и зажимного устройства). При всех вариантах проектного аварийного падения прочность конструкции ампулы сохраняется, извлекаемость ампулы из чехла обеспечивается, выход частиц топлива (просыпей) за пределы ампулы исключается.
Расчёты прочности подтверждают соответствие выбранной конструкции ампулы для транспортирования ПТ некондиционных ОТВС реакторов РБМК-1000 требованиям действующих нормативных документов и показывают, что конструкция ампулы обеспечивает безопасную эксплуатацию.
Для проверки технических решений и подтверждения расчетов были выполнены функциональные и прочностные испытания макета ампулы. В частности, были проведены испытания надежности соединения крышки и корпуса путем проведения 30 циклов установки и снятия крышки. Результаты показали, что узел соединения крышки и корпуса ампулы работает надежно. Также были проведены испытания прочности замка и захватной части крышки ампулы путем нагружения макета грузом 180 кг в течение 10 мин (рис.2). Испытания показали, что конструкция ампулы выдерживает нагрузки без разрушения.
Для определения условий эксплуатации и характеристик ампулы негерметичной в процессе транспортирования в ТУК-109 и временного технологического хранения были проведены расчеты:
– нуклидного состава ОЯТ РБМК для различных типов обогащения топлива по урану-235, различных значений выгорания топлива и различных времен выдержки после эксплуатации;
– остаточного энерговыделения ПТ и мощности дозы излучения транспортного упаковочного комплекта хранения УКХ-109, содержащего 102 ПТ;
– тепловых режимов транспортного упаковочного комплекта хранения УКХ-109, содержащего 102 ПТ;
– образования продуктов радиолиза в полости транспортного упаковочного комплекта хранения УКХ-109, содержащего 102 ПТ;
– прочности компонентов ампулы при статическом нагружении и для различных исходных событий.
Расчеты показали, что при загрузке в контейнер 102 ПТ, содержащих диоксидное топливо с обогащением по урану-235 2,4 %, выгоранием 25 МВт•сут/кгU и выдержкой 10 лет:
1) Остаточное энерговыделение на один ПТ не превысит 43,5 Вт. Максимальное значение остаточного энерговыделения в контейнере при этом составит 4437 Вт, что не превышает предела остаточного энерговыделения, установленного для контейнера ТУК-109 (5800 Вт).
2) Максимальная температура наиболее нагретой оболочки твэла достигает 160ºС, что намного ниже допустимой температуры 300ºС.
3) В процессе временного хранения в течение 11 месяцев и транспортирования в течение 1 месяца в объеме контейнера ТУК-109, заполненного воздухом, не образуется пожаро- и взрывоопасная концентрация водорода.

5. Конструкция и параметры чехла

Чехол 02-155 относится к оборудованию, важному для безопасности. Классификационное обозначение – 2Н в соответствии с НП-016-05 [3] и НП-001-97 [2].
Все операции при загрузке (выгрузке) ампул с ПТ производятся при вертикальном положении чехла. Чехол имеет следующие технические характеристики:
Расчетная масса загруженного чехла, не более, кг 17500
Расчетная масса незагруженного чехла, не более, кг 4100
Вместимость (количество ампул с ПТ), шт. 102
Максимальная высота не более, мм 4067
Максимальный наружный диаметр, мм 1465
Диаметр ячейки, мм 108
Шаг размещения ампул, мм 123
Расчетный срок службы, не менее, лет 50.
Чехол состоит из корпуса и опорно-демпфирующих элементов. Корпус чехла представляет собой сварную металлоконструкцию и содержит следующие основные элементы:
– верхнюю решетку и расположенные под ней пять решеток, равномерно перфорированных круглыми отверстиями: 102 отверстия в каждой решетке под ампулы и одно центральное отверстие под стойку центральную;
– основание, имеющее центральное отверстие для крепления стойки, и 102 отверстия для установки демпферов;
– стойку центральную, имеющую в верхней части соединение со втулкой, в которую вворачивается грибок для стыковки с грузозахватным устройством;
– 12 каналов (трубы 121×6). Каналы пропущены через отверстия в решетках, приварены к ним и к основанию. Каналы дистанционируют решетки между собой и обеспечивают жесткость всей конструкции. В каналы и остальные отверстия решеток (гнезда чехла) устанавливаются ампулы с ПТ;
– 12 упоров, приваренных к верхней решетке.
Прочность чехла, загруженного ампулами с ПТ была подтверждена расчетами на воздействие нагрузок в следующих условиях:
– в нормальных и аварийных условиях транспортирования в составе упаковки ТУК-109 (падение с высоты 9 м на недеформируемое основание, падение с высоты 0,3 м, а также падение с высоты 1 м при обращении на АЭС). Нагрузки моделировались действием ускорения на чехол 150 g;
– в аварийных условиях при падении во время загрузки чехла с ПТ в контейнер ТУК-109 (вертикальное падение с высоты не более 7 м);
– в аварийных условиях при падении ампулы с ПТ в гнездо чехла с высоты 5 м;
– в аварийной ситуации обращения с чехлом на АЭС при сейсмическом воздействии (чехол висит на захвате крановой подвески);
– в нормальных условиях эксплуатации – подъем чехла рывком;
– в нормальных условиях перевозки на железнодорожном транспортере при воздействии ускорений на ТУК-109 в соответствии с рекомендациями НП-053-04 [5].
Результаты расчетов показали, что все основные конструктивные элементы чехла удовлетворяют условиям прочности, целостность конструкции захватного устройства чехла не нарушается, и обеспечивается возможность извлечения чехла из контейнера ТУК-109 после воздействия нагрузок в аварийных условиях. Подтверждено соответствие выбранной конструкции чехла для транспортирования ампул с ПТ некондиционных ОТВС реакторов РБМК-1000 требованиям действующих нормативных документов.
Анализ ядерной безопасности был выполнен в соответствии с требованиями Правил НП-061-05 [4]. Чехол, загруженный 102-мя ампулами с ПТ некондиционных ОТВС РБМК-1000 и установленный под водой в бассейне-хранилище на ФГУП «ПО «Маяк», обеспечивает ядерную безопасность: эффективный коэффициент размножения нейтронов данной упаковки не превысит значения 0,95 при нормальной эксплуатации и нарушениях нормальной эксплуатации, включая проектные аварии. Результаты оценки запроектной аварии показывают, что СЦР в такой системе не возникает.

Заключение

Разработанные по техническому заданию ФГУП «ПО «Маяк» специальная ампула СТВА.А.31.120 и чехол 02-155 позволяют перевозить ПТ герметичных и условно герметичных ОТВС реакторов РБМК на основе диоксида урана с начальным обогащением по урану-235 1,8; 2,0; 2,4 % и на основе уран-эрбиевого топлива с начальным обогащением по урану-235 2,6; 2,8; 3,2/2,5 % (ТВС с профилированным обогащением), с максимальным выгоранием топлива до 37,3 МВтсут/кгU после выдержки не менее 10 лет. Получен сертификат на конструкцию упаковки ТУК-109 и перевозку 102 ПТ некондиционных ОТВС РБМК с начальным обогащением по урану-235 до 2,4 %, выгоранием топлива до 22,8 МВтсут/кгU и временем выдержки 10 лет.
Конструкция ампулы СТВА.А.31.120 обеспечивает ее безопасную эксплуатацию в нормальных условиях (надежность соединения корпус-крышка, перерабатываемость ампулы с ПТ), а также удовлетворяет требованиям безопасности в аварийных условиях (целостность ампулы при падениях, извлекаемость из чехла, исключение просыпей частиц топлива за пределы ампулы). Конструкция чехла 02-155, в свою очередь, удовлетворяет условиям прочности при нормальной эксплуатации, целостность конструкции захватного устройства чехла не нарушается и обеспечивается возможность извлечения чехла из контейнера ТУК-109 после воздействия нагрузок, характерных для аварийных условий эксплуатации. Чехол обеспечивает ядерную безопасность при нормальной эксплуатации и нарушениях нормальной эксплуатации, включая проектные аварии.
Предложенные технические решения по конструкции ампулы и чехла при наличии восьми ТУК-109 и при условии выполнения одного рейса в год позволяют обеспечить вывоз с АЭС на ФГУП «ПО «Маяк» на переработку 408 некондиционных ОТВС/год, что соответствует ~47 тонн/год.

Литература

1 Методика контроля состояния отработавших тепловыделяющих сборок РБМК-1000 при постановке на сухое хранение МТ 1.2.1.02.999.0002-2010. Утв. ОАО «Концерн Росэнергоатом» 10 февраля 2010 г.
2 Общие положения обеспечения безопасности атомных станций (ОПБ-88/97): НП-001-97 (ПНАЭ Г-01-011-97) : утв. Федеральным надзором России по ядерной и радиационной безопасности 14.11.1997: введ. 01.07.1998.
3 Общие положения обеспечения безопасности объектов ядерного топливного цикла (ОПБ ОЯТЦ): НП-016-05. – Взамен НП-016-2000: утв. Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору 2.12.2005: введ. 01.05.2006. – М., 2006.
4 Правила безопасности при хранении и транспортировании ядерного топлива на объектах использования атомной энергии: НП-061-05. – : утв. Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору 30.12.2005: введ. 01.05.2006.
5 Правила безопасности при транспортировании радиоактивных материалов: НП-053-04. – Взамен ПБТРВ-73 и ОПБЗ-83: утв. Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору 04.10.2004: введ. 01.05.2005 – М., 2005. – 105 с.

Количество просмотров: 214

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