Контейнеры будущего

Здание завода «Маяк», построенное еще в прошлом веке. Фото с сайта www.po-mayak.ru

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.

Для справки

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.

Отставший от прогресса

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.

Спецплатформа для перевозки отработанного ядерного топлива. Фото с сайта www.po-mayak.ru

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.

МНЕНИЕ

Иванов Константин Владимирович (руководитель проектного офиса «Формирование системы обращения с ОЯТ «Госкорпорации «Росатом»): 

«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 ТУКов удовлетворительное – они  не изношены, работоспособны и могут продолжать эксплуатироваться. Срок службы первых партий ТУКов 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 сдерживают 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 недостаткам ТУКов этой серии следует отнести наличие только одной защитной крышки, применение  жидкой нейтронной защиты и относительно невысокую вместимость. 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.

Новый ТУК лучше старых двух

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.

МНЕНИЕ

Кириллов Сергей Николаевич, заместитель генерального директора по производству гражданской продукции ФГУП «ПО «МАЯК»:

«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.

МНЕНИЕ

Лобков Юрий Михайлович, главный технолог департамента инженерной поддержки АО «Концерн «Росэнергоатом»:

«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».

Когда наступит завтра

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. 

МНЕНИЕ

Андрей Голиней, генеральный директор АО ФЦЯРБ:

«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».

ТУК. Контракт на миллионы

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.