Упаковка типа С: перспективы международной сертификации и дальнейшего использования

M.E. Буду, Д.В. Дерганов, O.A. Савина, С.В. Комаров (ООО НПФ "Сосны"), С.Д. Мозес (ORNL, США)

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

PDF версия

РАЗВИТИЕ ПРАВИЛ ВОЗДУШНОЙ ПЕРЕВОЗКИ РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основную роль в развитии правил воздушной перевозки радиоактивных материалов играла необходимость осуществления перевозок плутония для военных целей и МОКС топлива для гражданских программ. Ранние редакции Правил безопасной транспортировки радиоактивных материалов МАГАТЭ (вплоть до 1996 года) не содержали ограничений для конструкций упаковок, предназначенных для воздушных перевозок радиоактивных материалов, связанных с аварийными условиями. Однако нормативные ограничения для воздушных транспортировок появились намного раньше, поскольку потенциальные последствия воздушных перевозок гораздо серьезнее, чем для сухопутных или морских перевозок.
Например, в Соединенных Штатах Публичный закон 94-79, принятый в августе 1975 года, установил следующее ограничение для Комиссии по ядерному регулированию: «Комиссия по ядерному регулированию не должна сертифицировать какие-либо воздушные перевозки плутония в любой форме, будь то экспорт, импорт, либо внутренние перевозки, однако, под данное ограничение не подпадает любой плутоний в любой форме, содержащийся в медицинских устройствах, предназначенных для частного применения. Данное ограничение должно оставаться в силе, пока Комиссия по ядерному регулированию не сертифицирует Объединенному комитету Конгресса по атомной энергии, что был разработан и испытан безопасный контейнер, эксплуатация которого не приведет к его повреждению при аварии и тестовом взрыве, эквивалентному аварии и взрыву самолета» [1]. Соответственно, Комиссия издала в 1978 году «Квалификационные критерии для сертификации упаковки для воздушной транспортировки плутония» (NUREG-0360). Ниже изложены указанные в критериях требования к упаковке при аварийных испытаниях [2]:
– Столкновение с жесткой преградой: Упаковка посредством ракеты посылается в жесткую устойчивую преграду на скорости как минимум 422 футов/с (129 м/с) или на скорости свободного падения, которая выше, в наиболее опасной ориентации, приводящей к максимальному повреждению.
– Тепловые испытания: Контейнер помещается над бассейном с авиационным топливом JP-4 или JP-5 и подвергается воздействию интенсивного пламени, распространяющегося в горизонтальном направлении приблизительно на 1-3 м (3-10 футов) как минимум в течение 60 минут. Контейнер располагается в наиболее опасной ориентации, приводящей к максимальному повреждению. Затем контейнер охлаждается естественным образом или путем распыления воды, используется вариант, который приводит к наибольшим повреждениям. (Температура пламени составляет 760 - 1 315 C или 1 400-2 400 F.)
– Погружение в воду: Погружение на глубину не менее 3 футов (1м) как минимум на 8 часов.
– Испытание на прокол/разрыв: Если масса упаковки не превышает 250 кг, зонд из мягкой стали весом 250 кг в форме усеченного конуса (длиной 12 дюймов (30 см), диаметром основания 8 дюймов (20 см), диаметром вершины 1 дюйм (2,5 см)) сбрасывается на упаковку с высоты 10 футов (3 м) в наиболее опасной ориентации, приводящей к максимальному повреждению. При испытании упаковок с массой более 250 кг конус помещается на плоскую поверхность, и на него сбрасывается упаковка с высоты 10 футов (3м).
– Испытание на рассечение: Ориентировочно в центр контейнера сбрасывается с высоты не менее 150 футов (46 м) профильный стальной уголок (длиной не менее 6 футов (2 м) с ножками длиной 5 дюймов (13 см) и толщиной 1,5 дюйма (1,3 см)). Затем контейнер поворачивается на 90 градусов, и процедура повторяется.
– Статические испытания на сжатие: На контейнер, находящийся в наиболее опасной ориентации, приводящей к максимальному повреждению, помещается стальная плита, на которую посредством прямой стальной цельной балки производится давление весом в 70000 фунтов (32 т).
В результате компанией Sandia Laboratories была разработана упаковка для воздушной перевозки плутония, модель PAT-1, удовлетворяющая всем требованиям NUREG-0360. В 1978 году PAT-1 была сертифицирована как упаковка, способная сохранять целостность при серьезных авиакатастрофах. Упаковка была сертифицирована для транспортировки до 2 кг PuO2 с максимальным остаточным тепловыделением 25 Вт. Энергопоглощающим элементом являлась внешняя сборка из отборного высушенного в печи красного дерева, материала, имеющего высокую удельную энергию и огнестойкие характеристики [3].
В апреле 1993 МАГАТЭ был издан документ TECDOC-702 «Воздушная транспортировка радиоактивных материалов в больших объемах высокой активности». «Правила безопасной транспортировки радиоактивных материалов» МАГАТЭ редакции 1996 года содержали более строгие требования к упаковкам, предназначенным для воздушной транспортировки. В частности, были представлены новые правила, касающиеся ограничений до 3000A2 на радиоактивность содержимого упаковки типа В для материалов неособого вида при воздушных перевозках, подкритичность отдельной упаковки после серии установленных испытаний, а также впервые было введено понятие «упаковка типа С». Позднее в Правилах МАГАТЭ в редакциях 2005, 2009 и 2012 годов было подтверждено действие данных пунктов [4].

КРАТКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ TУK-145/C (ТИП C)

Идея разработки упаковки для воздушных переводок без ограничений по активности радиоактивного содержимого (упаковки типа С) возникла после выполнения первой сертифицированной по новым правилам (не на специальных условиях) перевозки в Россию ОЯТ ИР в ТУК 19 (типа В) из Румынии в 2009 году, выполненной в рамках Инициативы по снижению глобальной угрозы NNSA и программы RRRFR. К настоящему времени выполнено 6 аналогичных вывозов ОЯТ ИР в Россию в ТУК-19 (из Ливии – 1, из Узбекистана – 2, из Румынии – 3).
В рамках программы RRRFR по заказу Департамента энергетики США в 2009 году начались работы по разработке упаковки типа С на базе контейнера SKODA VPVR/M для воздушных перевозок ОЯТ ИР. Работы были направлены на усиление безопасности воздушных перевозок радиоактивных материалов. Действующие требования российских и международных правил для упаковки типа С не накладывают никаких дополнительных ограничений по активности радиоактивного содержимого, но требуют выполнения сохранения герметичности упаковки после испытаний на столкновение на скорости не менее 90 м/с и при воздействии пожара в течение часа. TУK-145/C, представленный на рисунке 1, состоит из двух основных частей [5]:
– защитно-демпферующий кожух (ЗДК) для поглощения динамического ускорения в случае авиакатастрофы,
– контейнер SKODA VPVR/M внутри ЗДК для обеспечения герметичности и предотвращения утечки радиактивного содержимого при нормальных и аварийных условиях перевозки.
ЗДК представляет собой цилиндр, состоящий из двух частей (верхней и нижней), подобных по конструкции, наполненных энергопоглощающими элементами – полыми титановыми сферами. Контейнер SKODA VPVR/M устанавливается во внутреннюю нишу ЗДК. Основные характеристики TУK-145/C представлены в таблице 1.
ЗДК, выполняющий функцию динамической защиты в случае авиакатастрофы, был разработан для поглощения силы удара с жесткой преградой на скорости не менее 90 м/с до такого уровня нагрузки, который может выдержать корпус контейнера SKODA VPVR/M (в том числе, во время сухопутных перевозок в случае чрезвычайных ситуаций).

МЕЖДУНАРОДНАЯ СЕРТИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ И ПЕРЕВОЗКИ TУK-145/C И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ДАЛЬНЕЙШЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Международная сертификация конструкции любой упаковки для перевозки радиоактивных материалов начинается с утверждения сертификата-разрешения на конструкцию упаковки, выданного компетентной организацией в стране изготовителя данной упаковки. Первый российский сертификат-разрешение № RUS/3166/СF-96 на конструкцию упаковки TУK-145/C был выдан ГК «Росатом» в 2012 году. В него были включены несколько типов ОТВС ИР (ИРТ-2М, ИРТ-3М, ИРТ-4М, ВВР-М, ВВР-М2, ВВР-М5, ВВР-М7, ВВР-(С)М, С-36, ЭК-10, ТВР-С), но также в упаковке ТУК-145/С можно переводить другие виды радиоактивных материалов при наличии дополнительного анализа безопасности.
Организация воздушной транспортировки TУK-145/C самолетами Aн-124-100 (Ил-76) зависит от транспортной и погрузочной инфраструктуры на объекте грузоотправителя, и, таким образом, возможны несколько вариантов сертификата на перевозку. Ниже описаны два варианта транспортировки упаковки TУK-145/C бортами Aн-124-100 и один возможный вариант бортом Ил-76.

Вариант 1: Комбинированная воздушная и автодорожная транспортировка ТУК-145/С с ОТВС (Aн-124-100)
Для безопасной транспортировки упаковки ТУК-145/С, содержащей контейнер SKODA VPVR/M с ОТВС, при первом варианте предполагается наличие хорошей дорожной инфраструктуры между грузоотправителем и аэропортом отправления. Как можно видеть из таблицы 1, вес загруженного ТУК-145/С составляет 29,65 т, к которому добавляется вес автотранспорта.
В данном случае контейнер SKODA VPVR/M с ОТВС загружают в ЗДК на объекте грузоотправителя, формируя ТУК-145/С, и затем транспортируются в аэропорт посредством специального полуприцепа и тягача. ТУК-145/С, уже закрепленный на полуприцепе, фронтально загружается тягачом в Aн-124-100 (рис. 2).Упрощенная транспортная схема, применяемая в данном случае, представлена на рис. 3.
Следует отметить, что для комбинированной транспортировки ТУК-145/С (автотранспортом и воздушным транспортом) требуется один сертификат. Для данного варианта транспортировки ТУК-145/С в 2013 году ГК «Росатом» выпустила единый сертификат №RUS/3166/СF-96T (Rev.1), который недавно был утвержден Венгерским Агентством по ядерной энергии для дальнейших перевозок.

Вариант 2: Автотранспортировка контейнера SKODA VPVR/M и воздушная перевозка TУK-145/C (Aн-124-100)
Данный вариант может быть безопасно применен в случае неразвитой дорожной инфраструктуры между объектом грузоотправителя и аэропортом отправления. В этом случае контейнер SKODA VPVR/M с ОТВС (сертифицированная упаковка типа В) перевозится в аэропорт автотранспортом в специальном 20-футовом ISO-контейнере посредством соответствующего стандартного полуприцепа и грузовика. Вес SKODA VPVR/M с ОТВС с установленными демпферами составляет менее 13 т, а вместе с ISO-контейнером весит до 20 т. Затем в аэропорту SKODA VPVR/M загружают в заранее доставленный ЗДК, формируя TУK 145/C, который грузят на борт самолета Aн-124-100 посредством специальной роликовой системы (рис. 4).Упрощенная транспортная схема, применяемая в данном случае, представлена на рис.5.
Следует заметить, что в данном случае требуется два сертификата – на наземную транспортировку SKODA VPVR/M и воздушную транспортировку ТУК-145/С. Для данного варианта наземной транспортировки SKODA VPVR/M и воздушной транспортировки ТУК-145/С в 2012 году ГК «Росатом» выпустила сертификаты №RUS/3065/B(U)F-96T (Rev.7) и №RUS/3166/СF-96T (Rev.1), которые были утверждены Вьетнамским министерством наук и технологий. Первая воздушная транспортировка ОЯТ ИР в упаковке типа С из Вьетнама в Россию была выполнена в 2013 году.

Перспективы дальнейшего использования ТУК-145/С
Упаковку ТУК-145/С также можно перевозить меньшим по размеру самолетом Ил-76 в горизонтальном положении, используя специальную позиционирующую раму – Вариант 3 (рис. 6). Сравнение трех вариантов воздушной перевозки приведено в таблице 2.
Как сообщается в данной главе, существуют различные варианты организации транспортировки ТУК-145/С, и лицензирование конструкции и транспортировки в соответствии с Правилами безопасной транспортировки МАГАТЭ может быть эффективно реализовано, при условии, что безопасность транспортировки должным образом обоснована.
ТУК-145/С можно использовать для будущих транспортировок:
– ОЯТ ИР;
– фрагментов ОТВС энергоблоков для исследований;
– высокоактивных радиоактивных отходов для хранения и захоронения;
– инкапсулированных радионуклидных источников;
– активной зоны малогабаритного реактора источника нейтронов (MNSR) для переработки;
– жидкого отработавшего ядерного топлива;
– для экстренных транспортировок (в случае войны, при экстремальных метеорологических условиях и т.д.) Применение воздушных перевозок может помочь в достижении труднодоступных мест, при оптимизации графика поставок в больших программах или при ограниченном количестве транспортных упаковок. Также воздушные перевозки являются более безопасными на длинных маршрутах, позволяют избежать провоза опасных грузов в непосредственной близости от населенных пунктов или природоохранных зон и т.д.

РАЗРАБОТКА СПРАВОЧНОГО РУКОВОДСТВА ДЛЯ TУK-145/C

ТУК-145/С был использован в июле 2013 года для вывоза ВОУ ОЯТ ИР из Вьетнама в Россию, также его применение планируется для подобных транспортировок из Венгрии и Узбекистана. В преддверии дальнейшего применения ТУК-145/С, принимая во внимание преимущества воздушных транспортировок, была рассмотрена возможность подготовки единого документа (Анализ безопасности упаковки ТУК-145/С или «Справочного руководства») [6]. Эта необходимость возникла из-за того, что нормативные требования относительно содержания пакета документации по безопасности и административные процедуры выдачи сертификатов на конструкцию и перевозку упаковки не согласованы на международном уровне, хотя основные технические требования к упаковкам очень схожи, так как основываются на Правилах МАГАТЭ по безопасной перевозке радиоактивных материалов.
Подготовка руководства осуществлялась с учетом следующих документов: Правила безопасной перевозки радиоактивных материалов МАГАТЭ (TS-R-1/SSR-6), Нормативный справочник США 7.9 (Стандартный формат и содержание Части 71 Заявки для утверждения упаковок для радиоактивных материалов) и 7.10 (Создание программ обеспечения качества для упаковки, использующейся при перевозке радиоактивных материалов), Российские Правила безопасности при перевозке радиоактивных материалов НП-053-04 и Административный регламент (утвержденным приказом № 527/2007), и Техническое руководство ЕС – Отчет по безопасности конструкции упаковки для перевозки радиоактивных материалов (PDSR, 2009 и 2012 годов издания).
Сравнение разделов Справочного руководства ТУК-145/С и перечисленных требований приводится в таблице 3. Анализ содержания Справочного руководства ТУК-145/C на соответствие указанным правилам и краткие выводы из этого анализа представлены в таблице 4.
Основываясь на представленной выше информации, можно прийти к следующим выводам:
– Структура Справочного руководства наиболее соответствует требованиям Справочника США 7.9, так как он был выбран в качестве модели при его разработке. Однако из-за наличия дополнительных правил данного документа, полное соответствие не было достигнуто.
– Российский административный регламент предполагает предоставление множества отдельных документов, содержащих требуемую информацию для обоснования безопасности упаковки. Принимая во внимание то, что документация по безопасности ТУК-145/С подготовлена исходя из этого подхода, разработка отчета по безопасности упаковки или справочного руководства (в нашем случае) является сложной и трудоемкой.
– Техническое руководство ЕС - Отчет по безопасности конструкции упаковки, изданное в 2012 году, имеет четкую и эффективную структуру, которая может быть легко применена к любому типу документации по безопасности (либо одному отчету безопасности, как в Справочнике США, либо нескольким документам, как и в российском административном регламенте). Поэтому хороший уровень соответствия Справочного руководства к требованиям технического руководства ЕС был достигнут. Тем не менее, формулировка требований отличается, поскольку требуется отдельная оценка эффективности упаковки, которая в других случаях может быть распространена на все части документации по безопасности (например, эффективность экранирования учтена в оценке радиационной защиты и т.д.). Все же это плюс, так как регулирующим органам проще оценить PDSR, чем другую документацию по безопасности без отдельной оценки эффективности.
– При сравнении с проанализированными национальными правилами и рекомендациями (США, России, ЕС), МАГАТЭ SSR-6 содержит меньший объем рекомендаций и требований для заявок о выдаче сертификата-разрешения на конструкцию упаковки и оставляет большой простор для толкования, которые заявитель должен учесть. По этой причине новая справочная документация МАГАТЭ для заявителей и регулирующих органов относительно разрешительного пакета документов на конструкцию и перевозку упаковки приветствуется.

АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ТУК-145/С ПРИ СОУДАРЕНИИ С МЯГКИМИ ГРУНТАМИ НА СКОРОСТИ 90 м/с

Дополнительно был выполнен анализ динамической деформации ТУК-145/С при соударении с мягкими грунтами на скорости 90 м/с. На основе анализа процессов динамического деформирования грунтов различного типа определены типовые представители грунтов, в качестве которых предложены:
– песок плотностью 1,68 г/см3 – наиболее «мягкая» грунтовая преграда;
– супесь плотностью 2 г/см3 и влажностью14% – «средняя»;
– суглинок плотностью 1,97 г/см3 – наиболее «жесткая» грунтовая преграда.
Были проанализированы случаи осевого, бокового и углового (42 градуса) падения ТУК-145/С со скоростью 90 м/с на вышеперечисленные грунты.
На момент окончания счета осевого, бокового и углового падения ТУК-145/С внедрился в грунт на 1,2; 0,9 и 1,7 м соответственно. Максимальные уровни деформаций не превышают величину относительного удлинения материала деталей конструкции ЗДК, при которой происходит их разрушение (ОТ4, δ=20 %). Более детально анализировались участки соединения, находящиеся вблизи ударной зоны. Болты деформируются упруго. Максимальный уровень напряжений, реализующийся в локальных зонах на болтах соединения, не превышает 58, 30 и 50 кг/мм2 в случае осевого, бокового и углового падения, соответственно, что существенно ниже предела текучести для материала болтов (S0.2=64 кг/мм2) (рис. 7).
На рис. 8 представлены кривые изменения во времени перегрузки на корпусе контейнера SKODA VPVR/M в случае падения ТУК-145/С на жесткую преграду и в случае падения на грунты.
Во всех рассмотренных расчетных случаях столкновения ТУК-145/С с поверхностью грунта демпфирующая система ЗДК обеспечивает снижение ударной нагрузки, приходящейся на контейнер SKODA VPVR/М, до уровня, при котором контейнер сохраняет свою целостность и герметичность.
При падении ЗДК на грунты уровень перегрузок, реализующихся на элементах контейнера SKODA VPVR/М, существенно ниже по сравнению с перегрузками, возникающими на контейнере при падении ЗДК на жесткую преграду. При этом для случаев соударения с песком, супесью и суглинком реализовались, соответственно:
– максимальные значения перегрузок на корпусе контейнера SKODA VPVR/М:
– для осевого - 1000 ед., 1100 ед., 950 ед. (1500 ед. - для жесткой преграды);
– для бокового - 850 ед., 900 ед., 880 ед. (1600 ед. - для жесткой преграды);
– для углового - 400 ед., 420 ед., 360 ед. (1000 ед. - для жесткой преграды);
– максимальный ход демпфера (величина смятия демпферной системы ЗДК в направлении падения):
– для осевого - 110 мм, 140 мм, 136 мм (460 мм - для жесткой преграды);
– для бокового - 190 мм, 220 мм, 180 мм (650 мм - для жесткой преграды);
– для углового - 220 мм, 275 мм, 270 мм (1100 мм - для жесткой преграды).

ВЫВОДЫ

В настоящее время по сравнению с 1970-ми годами современные международные и национальные нормативно-правовые базы достаточно развиты и эффективно обеспечивают безопасность при воздушных перевозках ОЯТ как при нормальных, так и аварийных условиях транспортировки. В соответствии с данными базами, созданная первая упаковка типа С для воздушной перевозки ОЯТ ИР позволила достичь значительного прогресса в обеспечении повышенной эффективности безопасности, надежности и выполнения графика таких операций. Гибкая технология ТУК-145/C и возможности его международного лицензирования могут соответствовать требованиям для любого будущего использования: для перевозок ОЯТ ИР на исследования, переработку или хранение; для перевозок фрагментов ОТВС энергетических реакторов в целях исследований причин повреждений; высокоактивных радиоактивных отходов или закрытых радиоактивных источников, активной зоны малогабаритного реактора источника нейтронов (MNSR); жидкого отработавшего топлива ИР; а также для экстренных транспортировок при военной или теоретической угрозе или в случаях экстремальных природных явлений. В случае воздушной транспортировки или длительной перевозки радиоактивных материалов с пересечением территории нескольких стран необходима более высокая степень международной гармонизации требований к заявкам на выдачу сертификата-разрешения на конструкцию и перевозку упаковки, и их рассмотрение регулирующими органами в целях повышения эффективности нормативного регулирования перевозок радиоактивных материалов во всем мире. Это возможно достигнуть путем разработки и внедрения новой справочной документации МАГАТЭ для заявителей и регулирующих органов относительно заявочной документации на конструкцию и перевозку упаковки и ее рассмотрения, на основе модели PDSR ЕС, которая успешно начала путь согласования между странами ЕС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Nuclear Engineering International Magazine, “Transporting Plutonium by Air”, 1 January 1998 (http://www.neimagazine.com/features/featuretransporting-plutonium-by-air).
[2] Nuclear Control Institute, “Air Transport Accident Conditions: Comparison of International & U.S. Safety Standards for Plutonium Air Shipments” (http://www.nci.org/a/atactbl.htm).
[3] U. S. Nuclear Regulatory Commission, Office of Nuclear Material Safety and Safeguards, “Plutonium Air Transportable Package Model PAT-1 - Safety Analysis Report”, NUREG-0361, June 1978.
[4] O.P. BARINKOV, S.V. KOMAROV, A.E. BUCHELNIKOV, V.I. SHAPOVALOV, A.I. MORENKO, “Preparation of the First Air Transport of Spent Fuel Certified to New Requirements”, Environmental Safety, No. 1, 2011 (special edition).
[5] S.V. KOMAROV, M.E. BUDU, D.V. DERGANOV, O.A. SAVINA, I.M. BOLSHINSKY, S.D. MOSES, L. BIRO, “Licensing Air and Transboundary Shipments of Spent Nuclear Fuel”, International Conference on the Safe and Secure Transport of Radioactive Materials: The Next Fifty Years - Creating a Safe, Secure and Sustainable Framework, Vienna, Austria, 17-21 October 2011.
[6] S.V. KOMAROV, O.A. SAVINA, A.I. IVASHKIN, D.V. DERGANOV, M.E. BUDU, “Type С Package: Handling and Application Prospects”, RRRFR Lessons Learned Workshop, Sevastopol, Ukraine, June 12-14, 2013.