Перспективные направления создания экологически безопасных транспортно-упаковочных комплектов для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива

Перспективные направления создания экологически безопасных транспортноупаковочных комплектов для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива

А. С. Васильев, А. В. Романов, П. О. Щукин

Петрозаводский государственный университет, г. Петрозаводск

При производстве атомной энергии неизбежно возникает побочный продукт -отработавшее ядерное топливо, которое фундаментально отличается от радиоактивных отходов, образующихся в ядерно-оружейной и гражданских сферах применения энергии атома тем, что содержит делящиеся нуклиды урана и плутония, из-за чего требует особого обращения, исключающего риск самопроизвольной цепной ядерной реакции [1].

Поскольку согласно указа президента Российской Федерации от 7 июля 2011 года № 899 одним из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации является развитие ядерной энергетики, которое будет способствовать увеличению такого побочного продукта работы атомных станций как отработавшее ядерное топливо, проблемы, связанные с переработкой и экологически безопасными хранением и доставкой отработавшего ядерного топлива, содержащего делящиеся нуклиды урана и плутония, и все еще излучающего достаточно высокий уровень радиации, к месту захоронения или переработки, становятся все более острыми.

Анализ состояния энергетического комплекса показывает, что подготовка и реализация конкурентоспособных проектов в области ядерной энергетики характерна колоссальными инвестициями для их реализации, влиянием реализуемых проектов не только на конкурентоспособность бизнес-структур, но и государств, на обеспечение их национальной экономической и экологической безопасности. Конкуренция в этой сфере и сами проекты находятся под пристальным вниманием, а порой и жесточайшим сопротивлением противодействующих хозяйствующих бизнес-структур, государств и природоохранных организаций. Указанные проблемы осознаются экспертным сообществом, политической и экономической элитой многих стран, что предопределяет активизацию работы по долгосрочным программам и проектам в этом секторе энергетики. Все это обуславливает необходимость принимать все решения в этой сфере на основе глубокого изучения проблемы, сопоставления выверенных оценок прогнозируемых конкурентных преимуществ и возможных угроз экологического, социального и иного характера [2], [3].

Перспективные направления в этой сфере исследуются Петрозаводским государственным университетом (ПетрГУ) и ОАО «ПетрозаводскМаш», входящим в состав «Атомэнергомаш» -машиностроительного дивизиона Г осударственной корпорации по атомной энергии «Росатом», в рамках создания высокотехнологичного ресурсосберегающего производства экологически безопасного транспортно-упаковочного комплекта для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива повышенной вместимости, удовлетворяющего всем современным требованиям безопасности, предъявляемым к конструкции упаковки для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива типа В(Ц), не только нормативными документами, действующими на территории Российской Федерации, но и правилами МАГАТЭ [4], [5].

Транспортно-упаковочный комплект (рис. 1), это весьма сложное высокотехнологичное устройство, которое должно обладать высокими технико-экономическими показателями, обеспечивать радиационно-защитные свойства, отвечающие современным экологическим и санитарным требованиям, и при этом иметь высокую прочность для обеспечения безопасной эксплуатации, в том числе, и при аварийных ситуациях, возможных в процессе транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива.

Рис. 1. Структурная схема транспортно-упаковочного комплекта для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива

Транспортно-упаковочный комплект (рис. 1) является наукоемкой продукцией и включает контейнер внутри которого размещаются тепловыделяющие сборки с отработавшим ядерным топливом, разделенные дистанционирующими элементами, корпус герметично закрываемый крышкой, теплоотводящие элементы для исключения перегрева содержимого контейнера, а также нейтронную защиту для обеспечения защиты окружающей среды и обслуживающего персонала от радиоактивного излучения. На крышку и днище контейнера устанавливают демпфирующие устройства для снижения вредных последствий воздействия внешней силы и предотвращения повреждения корпуса контейнера и его содержимого в результате неаккуратного обращения с ним или наступления внештатной ситуации, например, падении при погрузочно-разгрузочных операциях [5], [6].

Особенностью создаваемого контейнера является его повышенная вместимость (до 18 отработавших тепловыделяющих сборок), обуславливающая его большие габаритные размеры, толщину стенки, составляющую нескольких десятков сантиметров, и как следствие высокую массу (более 100 тонн), а также интенсивное радиоактивное и тепловое излучения. Кроме того особенности конструкции требуют повышения технологичности контейнеров для снижения трудоемкости работ при их изготовлении, сборке и эксплуатации.

С целью принятия правильных с конструкторской, технологической, экологической и экономической точек зрения решений в отношении организации ресурсосберегающего

производства экологически безопасного транспортно-упаковочного комплекта для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива был проведен ряд научно-исследовательских работ, в том числе патентно-информационный поиск по изучению существующих отечественных и зарубежных конструкций, их составных частей и используемых материалов, в частности, материалов и способов изготовления корпусов контейнеров, радиационной защиты, устройств для отвода тепла, способов обеспечения герметичности соединений, устройств для амортизации механических ударов и других элементов конструкции с глубиной поиска 30 лет. Были изучены не только заявки на изобретения, авторские свидетельства, патенты, полезные модели, касающихся объекта исследования, выданные в нашей стране, но и в зарубежных странах: Германии, Франции, США, Румынии, Китае, Японии, Корее, Тайване, Швеции и Великобритании. Кроме того, были изучены разного рода публикации, статьи в журналах, материалы конференций, проспекты фирм, отчеты НИР и ОКР, научные статьи, труды институтов, научно-техническая литература, Интернет источники и данные онлайн библиотек [7].

Анализ отобранных материалов (сто двадцать два, выданных в Российской Федерации, и двести пять, выданных в иностранных государствах, правоохранных документа) позволил установить технические решения в отношении отдельных элементов конструкций транспортных упаковочных комплектов для транспортировки и хранения отработанного ядерного топлива, таких как контейнер и его крышка, грузозахватные устройства, способы обеспечения герметичности соединений, сварные соединения, дистанцирующие элементы (корзина), демпфирующие устройства, способы реализации биологической защиты от радиоактивного излучения, защищенные авторским правом. Было учтено, что транспортноупаковочные комплекты должны удовлетворять требованиям нормативных документов (ПБЯ-06-00-96, НП-053-04, НРБ-99/2009, ГОСТ 25461-82, ГОСТ 26013-83, ГОСТ Р51964-2002, ГОСТ Р15.201-2000, ОСПОРБ-99/2010, правилам МАГАТЭ TS-R-1 и др.) в отношении их безопасного использования, которое должно обеспечиваться их конструкцией.

Анализ позволил сделать вывод о перспективности использования в качестве материала для изготовления корпусов контейнеров, входящих в состав транспортных упаковочных комплектов, высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Преимущества корпусов, изготовленных из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, заключаются в следующем:

- возможность надежного неразрушающего ультразвукового контроля чугунного корпуса контейнера по всей его толщине;

- контейнеры с чугунными корпусами могут быть использованы для транспортировки и хранения в одном контейнере большого числа отработавших тепловыделяющих сборок с высоким остаточным тепловыделением;

- масса отливки из чугуна, изготавливаемой путем заливки в металлический кокиль, меньше массы отливок, необходимых для изготовления кованых стальных корпусов, а меньшие припуски на толщину стенок корпуса и его днища сокращают объем и время на механическую обработку;

- литой корпус контейнера изготавливается сразу необходимой длины и совместно с днищем, что исключает необходимость проведения трудоемкой сварки корпуса из отдельных обечаек и приварки днища, а также операции по контролю состояния сварных швов;

- высокопрочный чугун с шаровидным графитом обеспечивает хорошую защиту от радиоактивного излучения;

- использование высокопрочного чугуна для изготовления корпусов контейнеров позволяет выполнить современные требования, предъявляемые к транспортно -упаковочным комплектам для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива в течение заданного срока службы, в отношении их радиационной безопасности и прочности.

Результаты патентных исследований интенсифицировали разработку целого ряда объектов новой интеллектуальной собственности ПетрГУ и ОАО «Петрозаводскмаш», включая защищенные патентами Российской Федерации конструкции:

1. Васильев А. С. Демпферное устройство контейнера для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива / А. С. Васильев, А. В., Романов, И. Р., И. Р. Шегельман,

В. Д. Гуськов. Патент России на полезную модель № 114739. Опубл. 10.04.2012.

2. Устройство для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива / И. Р. Шегельман, А. В. Романов, В. Д. Гуськов, А. С. Васильев. Патент РФ на полезную модель № 115119. Опубл. 20.04.2012.

3. Шегельман И. Р. Устройство для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива топлива / И. Р. Шегельман, А. В. Романов, А. С. Васильев. Патент РФ на полезную модель № 118464. Опубл. 20.07.2012.

Найденные в результате проводимой специалистами Петрозаводского государственного университета (ПетрГУ) в рамках реализации Программы стратегического развития ПетрГУ совместно со специалистами ОАО «Петрозаводскмаш» работы по реализации комплексного проекта «Создание ресурсосберегающего производства экологически безопасного транспортно-упаковочного комплекта для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива» перспективные направления создания высокотехнологичного ресурсосберегающего производства современных транспортно-упаковочных комплектов для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива обеспечат создание конкурентоспособных не только на российском, но и мировом рынках экологически безопасных транспортно-упаковочных комплектов, обладающих: современным корпусом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом; увеличенной вместимостью с возможностью вмещения до 18 отработавших тепловыделяющих сборок; надежной двухуровневой защитой от радиоактивного излучения; высокой технологичной конструкцией с использованием инновационных технических решений; соответствием требованиям нормативных документов в отношении их безопасного использования (ПБЯ-06-00-96, НП-053-04, НРБ-99/2009, ГОСТ 25461-82, ГОСТ 26013-83, ГОСТ Р51964-2002, ГОСТ Р15.201-2000, ОСПОРБ-99/2010, правилам МАГАТЭ TS-R-1 и др.). При этом будет повышен уровень экологической безопасности при хранении и транспортировании отработавшего ядерного топлива за счет технологичной инновационной конструкции транспортно-упаковочного комплекта, снижена себестоимость перевозки отработавшего ядерного топлива за счет увеличения вместительности транспортно-упаковочного комплекта и расширятся возможности ядерной энергетики при решении различных задач, связанных с хранением и транспортировкой отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов за счет применения современных конкурентоспособных экологически безопасных транспортноупаковочных комплектов повышенной вместимости.

Работа ведется в рамках реализации Программы стратегического развития ПетрГУ при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской федерации по договору № 13.G25.31.0066 по реализации комплексного проекта «Создание ресурсосберегающего производства экологически безопасного транспортно-упаковочного комплекта для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива».

ЛИТЕРАТУРА:

1. Стратегия обращения с ОЯТ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.atomic-energy. ru/j ournal/new

2. Рудаков М. Н. Особенности конкуренции в области атомной энергетики / М. Н. Рудаков, И. Р. Шегельман // Микроэкономика, 2011, № 3. - С. 35-38.

3. Шегельман И. Р. Развитие атомной энергетики как фактор энергетической безопасности / И. Р. Шегельман, С. Н. Фомичев, С. С. Гладков С. С. // Микроэкономика, 2010, № 5. - С. 82-85.

4. Shegelman I. R, Shchukin P. O. Integration of the university potential and the machine-building enterprise for implementation of the multipurpose project on high technology production development / Kybernetik@. - 2001. № 5. - S. 42-45.

5. Васильев А. С. Создание ресурсосберегающего производства экологически безопасного транспортно-упаковочного комплекта для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива / А. С. Васильев, И. Р. Шегельман, А. В. Романов // Наука и бизнес: пути развития. -2012. - № 1(07). - С. 62-65.

6. Васильев А. С. К выбору конструкции амортизатора транспортного упаковочного комплекта для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива / А. С. Васильев, А. В. Романов, И. Р. Шегельман // Глобальный научный потенциал. - 2011. - № 9. - С. 56-58.

7. Васильев А. С. Особенности патентного поиска в области создания транспортно -упаковочного комплекта для отработавшего ядерного топлива / А. С. Васильев, А. В. Ершов. Ученые записки Петрозаводского государственного университета. - 2011. - № 6(119). - С. 7880.