Создание инфраструктуры и начало регулярных вывозов на переработку дефектного ОЯТ РБМК

Гусев П.Б., Колупаев Д.Н. (ФГУП «ПО «Маяк»), Канашов Б.А. (ООО НПФ «Сосны»)

VIII Международная конференция "АтомЭко-2015", Москва, 9-11 ноября 2015 г.

PDF версия

Введение

Энергетические реакторы РБМК-1000 эксплуатируются на Ленинградской, Курской и Смоленской АЭС в европейской части России. К настоящему моменту (ноябрь 2015 года) на энергоблоки РБМК-1000 было поставлено более 100 тыс. ТВС различной модификации. Ожи-дается, что к 2035 году, когда будет остановлен последний энергоблок РБМК-1000 (3-й энергоблок Смоленской АЭС), будет произведено более 160 тыс. ТВС. Ежегодно из реакторов РБМК-1000 выгружают около 3500 ОТВС, которые размещают в приреакторных бассейнах выдержки и в отдельно стоящих пристанционных мокрых хранилищах.

Номенклатура и состояние этих ОТВС различны, и с точки зрения дальнейшего обраще-ния с ними могут быть описаны следующим образом.

Большая часть ОТВС перевезена с БВК энергоблоков в пристанционные ХОЯТ и при-годна для длительного сухого хранения в централизованном хранилище на Горно-химическом комбинате по технологии, разработанной ВНИПИЭТ. В соответствии с этой технологией переводу на сухое хранение в пристанционных комплексах и отправке в централизованное хранилище подлежат герметичные ОТВС без существенных дефектов каркаса (т.н. кондиционные ОТВС). Эта программа успешно реализуется, начиная с 2012 года.

Однако значительная часть ОТВС (в том числе, герметичных) по разным причинам не может быть вывезена на ГХК, поскольку они, в соответствии с вышеуказанной технологией, являются некондиционными. Доля таких ОТВС достигает 25%, их насчитывается до десятка тысяч на каждой АЭС, и они также в основном перевезены (или будут перевезены) в пристанционные ХОЯТ. Существует технологическая возможность не менее половины этих некондиционных ОТВС привести к кондиционному виду и отправить на ГХК на длительное сухое хранение по штатной технологии. Остальные ОТВС, имеющие повреждения, препятствующие разделке и ампулированию пучков твэлов (ПТ) в защитных камерах пристанционных ХОЯТ, непригодны для вывоза на ГХК, даже если они являются герметичными.

Негерметичные ОТВС, количество которых, по оценке, составляет около 3500, размеще-ны в основном в БВК энергоблоков, и лишь на Ленинградской АЭС часть негерметичных ОТВС удалось перевезти по специальной технологии в пристанционное ХОЯТ.

И, наконец, в БВК энергоблоков имеются в наличии дефектные ОТВС (искривленные, деформированные, частично разрушенные, а также опытные ОТВС специальной конструкции, исключающие возможность их размещения в штатных ампулах), которые представляют собой наиболее сложную технологическую и экономическую проблему, несмотря на то, что суммарное количество таких ОТВС не превышает нескольких сотен. Наличие таких ОТВС в БВК может значительно осложнить вывод из эксплуатации энергоблоков.

Таким образом, значительная доля ОТВС (некондиционные герметичные, не подлежа-щие ремонту, негерметичные и дефектные) непригодны для длительного сухого хранения по штатной технологии и не могут быть вывезены на ГХК. Поэтому в 2010 году ГК «Росатом» в рамках ФЦП ОЯРБ инициировал серию госконтрактов, направленных в конечном счете на организацию регулярных перевозок таких ОТВС на переработку на ПО «Маяк» с целью выделения полезных продуктов и кондиционирования ВАО.

С целью отработки и проверки технических решений в 2011 году со 2-го энергоблока Ленинградской АЭС была вывезена и переработана опытная партия негерметичного ОЯТ с применением хорошо зарекомендовавших себя и простых в эксплуатации контейнеров ТУК-11. Разделка ОТВС на пучки и ампулирование производились в защитной камере 2-го энергоблока.

В 2014 году вывезена из центрального ХОЯТ Ленинградской АЭС на переработку партия герметичного некондиционного ОЯТ в металлобетонных контейнерах ТУК-109. Разделка ОТВС на пучки и ампулирование производились в защитной камере пристанционного ХОЯТ. Таким образом, в зависимости от состояния ОТВС и возможностей предприятий было реализовано несколько логистических сценариев вывоза ОЯТ РБМК. Этот опыт в значительной степени облегчил принятие решений относительно дальнейшей судьбы некондиционного ОЯТ РБМК.

1. Вывоз и переработка опытной партии негерметичного ОЯТ

Из-за низкого содержания урана-235 переработка ОЯТ РБМК-1000 и использование полученного регенерированного урана считались нецелесообразными. Однако большинство негерметичных ОТВС были выгружены из реактора досрочно, и имели малое выгорание топлива. Технических проблем при радиохимической переработке негерметичного ОЯТ РБМК-1000 не ожидалось, поскольку топливо и конструкционные материалы ТВС РБМК-1000 и ТВС ВВЭР-440, которые штатно перерабатываются на заводе РТ-1, аналогичны. Поэтому основной задачей стала разработка безопасной технологии обращения с негерметичным ОЯТ, приемлемой для АЭС и завода РТ-1.

В 2010-2011 гг. на заводе РТ-1 отсутствовало оборудование для обращения с ТУК-109, а комплексы для перевода ОЯТ на сухое хранение на АЭС не были введены в эксплуатацию и не были приспособлены для разделки негерметичных ОТВС. Поэтому перевозку ОЯТ осуществляли с использованием контейнера ТУК-11 с модифицированным чехлом тип 12 (рис. 1), а разделку ОТВС опытной партии выполняли в защитной камере 2-го блока Ленинградской АЭС. Концепция обращения с негерметичным ОЯТ заключалась в использовании герметичных ампул, предназначенных для размещения ПТ в ТУК, выполнения транспортных операций, временного хранения на АЭС и заводе РТ-1. Конструкция герметичной ампулы показана на рис. 1 д.

Использование герметичной ампулы обусловлено требованиями нормативной документации по ограничению выхода активности и топлива в воду БВ при временном хранении негерметичного ОЯТ на ПО «Маяк». Однако помещение негерметичных ПТ после мокрого хранения в герметичные ампулы приводит к накоплению радиолитического водорода, что ограничивает допустимый срок хранения этих ампул. Консервативный расчет показал, что концентрация радиолитического водорода в герметичных ампулах с негерметичным ОЯТ при хранении в течение 6 месяцев не достигнет взрывоопасного уровня. Экспериментальное изучение накопления водорода в герметичной ампуле с негерметичным ОЯТ РБМК-1000 показало значительно меньшую скорость накопления водорода, чем расчетные оценки. Поэтому было принято решение герметизировать ампулы с ОЯТ без осушки и без продувки инертным газом.

Основной результат пилотного проекта по вывозу опытной партии негерметичного ОЯТ заключался в подтверждении принципиальной и технологической возможности ампулирования ПТ в защитной камере энергоблока, загрузки ампул на территории реакторного зала в контейнеры по схеме, исключающей облучение персонала, приемку контейнеров и чехлов с ампулами в бассейн-хранилище завода РТ-1 и переработку ампул с ПТ. В рамках данного проекта было решено множество проблем, связанных с обоснованием взрывобезопасности временного технологического хранения негерметичного ОЯТ РБМК в герметичных ампулах в течение заданного времени. Анализ результатов переработки показал, что содержание урана-235 достаточно для того, чтобы использовать его для получения конечных продуктов завода РТ-1.

2. Вывоз и переработка партии некондиционного герметичного ОЯТ

Концепция перевозки ПТ некондиционных герметичных ОТВС заключалась в использовании негерметичных ампул увеличенного диаметра и контейнера ТУК-109, используемого для вывоза кондиционного ОЯТ РБМК. Использование контейнера ТУК-109 позволило выполнять загрузку ОЯТ в защитной камере ХОЯТ Ленинградской АЭС по стандартной схеме, тем не менее, было разработано дополнительное оборудование для обращения с ампулами увеличенного диаметра.

Для размещения ампул в контейнере ТУК-109 (рис.2) были разработаны и изготовлены специальные чехлы. Из-за увеличения диаметра ампул вместимость чехла была уменьшена до 102 ампул по сравнению со стандартным чехлом. Также было выполнено расчетное обоснование безопасности и получен сертификат-разрешение на конструкцию упаковки и перевозку.

Технология выгрузки ОЯТ из контейнера и передачи его на измельчение усложнилась по сравнению с принятой на заводе РТ-1 процедурой, что потребовало доработки существующего и приобретения дополнительного оборудования (рис. 3).

В период c 2012 по 2014 год на ПО «Маяк» была выполнена подготовка производства радиохимического завода к приему и переработке некондиционных ОТВС РБМК-1000, доставленных с использованием ТУК-109. Работы были выполнены в три этапа:
• подготовка нормативно-технической документации на перевозку, прием и переработку ПТ ОТВС РБМК;
• техническая подготовка производства радиохимического завода (изготовление и монтаж оборудования);
• испытания транспортно-технологической схемы обращения с ОЯТ РБМК на радиохимическом заводе.

В частности, для приемки некондиционного ОЯТ в ТУК-109 на ПО «Маяк» были разработаны и изготовлены:
• два мостовых крана грузоподъемностью 25 т;
• внутриобъектовый железнодорожный транспортер ТП9-1;
• траверса-кантователь СМ-757 и подвеска МБК СМ-810 для обращения с ТУК-109;
• оборудование для обращения с чехлами и ампулами в ЖДК, отделении хранения и камере ОПИР цеха 5 радиохимического завода: штанги, захваты, подставки, корзина скипового подъемника, грибки для чехлов.

Был выполнен уникальный монтаж мостовых кранов в стесненных условиях действующего производства. Мостовой кран с 29-метровым пролетом несущих балок был установлен на крановый путь через окно размером 4x4 м за счет применения нестандартных технических решений.

Специалисты ПО «Маяк» выполнили подводный дистанционный монтаж подставок под чехлы на месте перегрузки в бассейне-хранилище ОЯТ на глубине 14 м, а также провели сложные технические операции по замене корзины скипового подъемника чехлов с ОЯТ и демонтажу двух железобетонных консолей над отсеком № 3 бассейна-хранилища без его опорожнения от конденсата.

По окончании работ по подготовке производства радиохимического завода были успешно проведены полномасштабные испытания транспортно-технологической схемы: от приема ТУК-109 на железнодорожные пути завода до измельчения порожней ампулы в агрегате резки цеха 5 радиохимического завода.

Была обоснована безопасность обращения с некондиционными ОТВС на Ленинградской АЭС и на заводе РТ-1 с разработкой необходимых документов, проведены комплексные испытания оборудования «горячей» камеры хранилища ОЯТ Ленинградской АЭС и оборудования завода РТ-1, получены лицензии на выполнение работ.

В период с декабря 2014 г. по январь 2015 г. произведена переработка ОЯТ РБМК по действующей на заводе технологии: механическое измельчение и растворение ампул с пучками твэлов. Переработка осуществлялась партиями (операциями) в соответствии с технологическим регламентом. Всего было растворено 20 партий. При осуществлении технологических операций по переработке ОЯТ РБМК отклонений от действующих норм технологических регламентов не выявлено. Проделанная работа показала, что переработка ОЯТ РБМК на заводе РТ-1 не вызывает затруднений. Растворы ОЯТ РБМК характеризуются малым содержанием технеция-99 и урана-232 (~0,8*10^-7 % масс.) по сравнению с поступающим в настоящий момент на переработку ОЯТ ВВЭР-440.

Основные результаты переработки ОЯТ РБМК заключаются в следующем:
• уран от переработки ОЯТ РБМК может быть эффективно использован совместно с растворами от переработки других типов ОЯТ для комплектации продукции и получения товарных партий уранового плава с заданными параметрами по обогащению и содержанию технеция и урана-232;
• высокоактивный рафинат является оптимальным сырьем для получения цезиевых концентратов и выпуска соответствующих источников ионизирующего излучения.

3. Перспективы регулярных перевозок некондиционного и дефектного ОЯТ РБМК на переработку

Доля некондиционных ОТВС в хранилище Ленинградской АЭС оказалась значительно больше, чем предполагалось. Причем большинство некондиционных ОТВС – это герметичные ОТВС с повреждениями конструкции. Как вариант обращения с герметичными некондиционными ОТВС рассматривается ремонт каркаса, который должен позволить выполнить разделку ОТВС, загрузку ПТ в штатные ампулы, перевод на сухое хранение и размещение в централизованном хранилище. В случае сложности или неудачного выполнения ремонта каркаса ОТВС предлагается использовать ампулы увеличенного диаметра для размещения ПТ, последующего перевода на сухое хранение и передачи в централизованное хранилище ГХК или на завод РТ-1 для переработки.

Негерметичные, сильно поврежденные и опытные ОТВС предлагается переработать на заводе РТ-1. Подготовку негерметичных ОТВС, выявляемых в хранилищах на АЭС и доставляемых в хранилища с энергоблоков, к вывозу планируется выполнять в «горячих» камерах пристанционных комплексов. В технологии должны быть предусмотрены использование герметичных ампул и сбор просыпи топлива, образующейся при работе с негерметичными ОТВС. Если технологический цикл от герметизации ОЯТ в ампулах до его измельчения окажется очень длительным, то должна быть предусмотрена также осушка ОЯТ в ампулах, чтобы обеспечить взрывобезопасность перевозки и временного хранения. Для обращения с негерметичными ОТВС потребуется существенная доработка «горячих» камер пристанционных комплексов, которая может быть выполнена после вывоза большинства герметичных ОТВС.

Для подготовки сильно поврежденных, опытных, а также, возможно, и негерметичных ОТВС к вывозу с энергоблоков необходимо разработать специальную технологию обращения с ними, включающую подводную разделку ОТВС в приреакторных БВК. Из-за разнообразия повреждений высокая скорость разделки и подготовки к перевозке сильно поврежденных ОТВС вряд ли может быть обеспечена, поэтому в технологической схеме необходимо предусмотреть также осушку и временное хранение ОЯТ. Работы по обращению с сильно поврежденными и опытными ОТВС предлагается начать сразу после останова энергоблоков для вывода из эксплуатации и удаления других ОТВС из приреакторных БВК. В любом случае, на данный момент альтернативы переработке дефектного ОЯТ РБМК на заводе РТ-1 не существует.

Заключение

Общие выводы по результатам работ по подготовке производства радиохимического завода к приему и переработке некондиционных ОТВС РБМК-1000 заключаются в следующем:
• успешно реализован в 2011 году вывоз негерметичного ОЯТ РБМК Ленинградской АЭС в ТУК-11 на переработку во ФГУП «ПО «Маяк» (разделка ОТВС и загрузка в ТУК выполнена на блоке №2 Ленинградской АЭС);
• успешно реализован в 2014 году вывоз некондиционного ОЯТ РБМК в ТУК-109 на переработку с ХОЯТ Ленинградской АЭС во ФГУП «ПО «Маяк» (разделка ОТВС и загрузка в ТУК выполнена в ХОЯТ Ленинградской АЭС);
• производство радиохимического завода ФГУП «ПО «Маяк» полностью подготовлено к приему и переработке ПТ некондиционных ОТВС РБМК-1000 при транспортировании в ТУК-109 и ТУК-11;
• ФГУП «ПО «Маяк» обладает всеми необходимыми компетенциями, средствами и технологиями по вывозу и переработке нетипового, некондиционного, в том числе, негерметичного ОЯТ РБМК;
• возможный объем вывоза и переработки ОЯТ РБМК-1000 составляет от 50 до 100 тонн ТМ в год.

В перспективе для удаления всего некондиционного ОЯТ как из БВК энергоблоков, так и из пристанционных ХОЯТ АЭС с реакторами РБМК необходимо разработать и внедрить технологии подготовки и вывоза на переработку негерметичных, сильно поврежденных и опытных ОТВС. В противном случае программы вывода из эксплуатации отработавших свой срок энергоблоков РБМК могут быть значительно скорректированы.