ТРАНСПОРТНЫЙ УПАКОВОЧНЫЙ КОМПЛЕКТ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
TRANSPORTATION PACKAGING SET FOR TRANSPORTING RADIOACTIVE MATERIALS

Изобретение относится к атомной промышленности, в частности к транспортированию высокоактивных радиоактивных материалов, в том числе ядерных, и может быть использовано для транспортирования облученного ядерного топлива (ОЯТ) с использованием воздушного транспорта.
Для перевозок отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) энергетических реакторов используются транспортные упаковочные комплекты (ТУК) типа B (классификация по международному нормативному документу: «Правила безопасной перевозки радиоактивных материалов», МАГАТЭ, TS-R-1; по российским федеральным нормам и правилам в области использования атомной энергии: «Правила безопасности при транспортировании радиоактивных материалов», НП-053-04). Основное требование к ТУК типа B - выдерживать аварийное падение с высоты не менее 9 м. Основные составные части ТУК для перевозки высокоактивных материалов: защитный контейнер, обеспечивающий радиационную защиту (поглощение испускаемого радиоактивным содержимым проникающего излучения и предотвращение поступления радиоактивных материалов в окружающую среду), и демпферы, обеспечивающие динамическую защиту (поглощение кинетической энергии при транспортных авариях).
Для перевозки высокоактивных материалов воздушным транспортом без ограничения по активности должны использоваться ТУК типа C (по классификации вышеперечисленных нормативных документов). Основное требование к ТУК типа C - выдерживать аварийное падение со скоростью не менее 90 м/с, что соответствует высоте более 400 м. Поскольку требования к ТУК для перевозки высокоактивных материалов по воздуху в части способности выдерживать аварии существенно более жесткие, демпферы упаковки типа C, обеспечивающие динамическую защиту, значительно больше по размерам и сложнее, чем демпферы упаковки типа B. Причем чем больше активность и масса радиоактивного содержимого, тем больше масса защитного контейнера и тем сложнее сделать демпфер, поглощающий кинетическую энергию как радиоактивного содержимого, так и защитного контейнера. До настоящего времени не было известно упаковок типа С для перевозки ОТВС энергетических реакторов.
Известен ТУК для транспортирования и хранения радиоактивных материалов типа B(U) (RU 72352, G21F 5/005, опубл. 10.04.2008), включающий цилиндрический защитный контейнер из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, обеспечивающий радиационную защиту (поглощение испускаемого радиоактивным содержимым проникающего излучения и предотвращение поступления радиоактивных материалов в окружающую среду), внутреннюю и наружную крышки, два одеваемых на концы защитного контейнера демпфера, обеспечивающие динамическую защиту (поглощение кинетической энергии при транспортных авариях).
Известное устройство обеспечивает выполнение требований к ТУК типа B(U).
Однако известное устройство не способно обеспечить выполнение требований к ТУК типа C (т.е. не обеспечивает безопасной перевозки радиоактивных материалов воздушным транспортом), поскольку конструкция отдельно выполненных демпферов не способна поглотить энергию, существенно (примерно в 45 раз) большую, чем необходимо для ТУК типа B.
Известен ТУК типа B(U) для транспортировки и хранения ОТВС (RU 2313144, G21F 5/00, опубл. 20.12.2007), включающий цилиндрический металлобетонный защитный контейнер, обеспечивающий радиационную защиту (поглощение испускаемого радиоактивным содержимым проникающего излучения и предотвращение поступления радиоактивных материалов в окружающую среду) с демпфирующим кожухом, обеспечивающим динамическую защиту (поглощение кинетической энергии при транспортных авариях). Демпфирующий кожух выполнен в виде съемного барабана с торцевым перекрытием и основания. Барабан накрывает контейнер и соединяется с основанием. Барабан состоит из двух обечаек, скрепленных с удародемпфирующими элементами в форме труб, которые размещены между обечайками.
Известное устройство обеспечивает выполнение требований к ТУК типа B(U).
Однако известное устройство не способно обеспечить выполнение требований к ТУК типа C (т.е. не обеспечивает безопасной перевозки радиоактивных материалов воздушным транспортом), поскольку конструкция отдельного защитного кожуха не способна поглотить энергию, существенно (примерно в 45 раз) большую, чем для упаковки типа B.
Известно устройство для транспортировки и/или хранения взрыво-, радиационно- и токсикологического опасного груза (RU 2251165, G21F 5/00, опубл. 27.04.2005), содержащее контейнер и амортизаторы. Крышки и стенки контейнера выполнены в виде защитной оболочки, содержащей, по меньшей мере, два чередующихся защитных слоя из металла и жаропрочной резины с отверстиями, расположенную между защитными слоями полость, сообщающуюся с внутренней полостью контейнера через невозвратные клапаны, на крышке контейнера установлен редукционный клапан с фильтром для выравнивания избыточного давления внутри контейнера с давлением окружающей среды без загрязнения окружающей среды, а во внутреннюю полость контейнера введена защитная сетка, предотвращающая повреждение защитной оболочки осколками.
Известное устройство позволяет повысить защищенность транспортируемого груза от повреждений как в условиях нормальной эксплуатации, так и в аварийных ситуациях.
Однако известное устройство не способно обеспечить выполнение требований к ТУК типа C, т.е. не обеспечивает безопасной перевозки радиоактивных материалов, в частности ОЯТ, воздушным транспортом, поскольку не предназначено для этого, прежде всего потому, что конструкция отдельно выполненных амортизаторов не способна поглотить энергию, характерную для авиакатастроф. Слои защитной оболочки, выполненные из металла и жаропрочной резины с отверстиями, обеспечивают защиту от мгновенного выхода газа и от воздействия пулями, осколками или кумулятивными струями. Такие слои не обеспечат защиту от проникающего излучения ОЯТ и поглощения кинетической энергии самого контейнера при их пластической деформации. Более того, расположенная между некоторыми слоями резина ухудшает демпфирующие способности контейнера (утяжеляет ТУК, но почти не поглощает кинетическую энергию), при этом обладает низкой радиационной стойкостью и сильно ограничивает ресурс ТУК.
Наиболее близким к заявляемому решению по конструктивному исполнению является известный ТУК-84 (О.В. Анфалова, А.И. Воробьев, B.C. Краев, М.А. Чемеркин, Л.И. Осокин «Конструкция транспортного упаковочного комплекта ТУК-84», Атомная энергия, 2006, ISSN0004-7163, том 100, номер 6, стр.419-422), включающий цилиндрический защитный контейнер, обеспечивающий радиационную защиту (поглощение испускаемого радиоактивным содержимым проникающего излучения и предотвращение поступления радиоактивных материалов в окружающую среду) с двумя одеваемыми на концы защитного контейнера демпферами, обеспечивающими динамическую защиту (поглощение кинетической энергии при транспортных авариях). Защитный контейнер, входящий в состав ТУК-84 (RU 2213382, G21F 5/008, опубл. 27.09.2003) выполнен в виде коаксиально расположенных наружной и внутренней обечаек, соединенных с днищем. Пространство между обечайками заполнено рулоном из гибкого листового материала. Герметизации контейнера обеспечивается системой герметизации в виде крышки с уплотнением.
Известное устройство обеспечивает выполнение требований к ТУК типа B(U). Использование вставки из гибкого листового материала предотвращает сквозное разрушение боковых стенок контейнера.
Однако известное устройство не способно обеспечить выполнение требований к ТУК типа C (т.е. не обеспечивает безопасной перевозки радиоактивных материалов воздушным транспортом), так как конструкция отдельно выполненных демпферов не способна поглотить энергию, существенно (примерно в 45 раз) большую, чем для упаковки типа B.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по назначению и достигаемому эффекту является ТУК145/C для транспортирования ОТВС исследовательских реакторов по воздуху (С. В. Комаров, О.А. Савинова, Д.В. Дерганов, А.И. Ивашкин «Надежность перевозов обеспечиваем вместе», «Атомная стратегия-XXI», 2011, номер 55, стр.27), включающий защитный контейнер и демпфер в виде защитно-демпфирующего кожуха из титановых сфер.
Демпфер ТУК145/C использует самые последние наработки в области динамической защиты при больших энергиях столкновения, что позволило обеспечить требуемый уровень безопасности при перевозке воздушными видами транспорта небольших ОТВС исследовательских реакторов, что ранее считалось невозможным. В настоящее время конструкция ТУК145/C сертифицирована, изготовлен промышленный образец.
Однако кинетическую энергию ТУК поглощает преимущественно та часть демпфера, которая расположена между контейнером и соударяемым объектом, при увеличении толщины демпфера масса эффективно работающей части демпфера растет медленнее, чем масса всего демпфера, поэтому существует технологический предел демпфируемой массы груза; при дальнейшем увеличении массы демпфера полезная нагрузка снижается. В прилагаемых графических материалах (фиг.1) представлена расчетная зависимость предельной массы груза (контейнера с радиоактивными материалами) и необходимой массы демпфера от массы ТУК (типа ТУК145/C). Массы контейнера и демпфера ТУК-145/C - 11,5 т каждая, что, как видно из графика, находится вблизи предельных значений, из них масса радиоактивного содержимого (чехла с ОТВС) до 500 кг. Поэтому существующий уровень развития демпфирующих материалов не позволяет по прежней схеме (защитный корпус с отдельными демпферами) изготовить ТУК типа C для существенно больших объектов, таких как ОТВС энергетических реакторов (массы контейнеров для перевозки ОТВС энергетических реакторов составляют десятки тонн, например: масса ТУК-6 для перевозки ОТВС реактора ВВР-440 и ТУК-10 В для перевозки ОТВС реактора ВВР-1000 - около 90 т). Кроме того, расположение крышки (и системы герметизации) с одной стороны ТУК делает его особенно уязвимым при отдельных направлениях столкновения (проблема отскока крышки).
Техническим результатом, достигаемым заявляемым изобретением, является обеспечение выполнения требований безопасного транспортирования больших масс радиоактивных материалов, в том числе ОТВС энергетических реакторов, с использованием воздушного транспорта. Сущность изобретения заключается в том, что транспортный упаковочный комплект для транспортирования радиоактивных материалов содержит защитный контейнер с системой герметизации. Контейнер, по меньшей мере его боковая часть, выполнен из слоев пластически деформируемого радиационно-защитного материала, причем слои дистанционированы друг от друга.
Расстояние между слоями выбрано из условия обеспечения образования поперечных складок в слоях при демпфировании аварийного воздействия на торцы контейнера.
Слои боковой части контейнера могут быть выполнены цилиндрическими и расположены концентрично.
В качестве радиационно-защитного материала может быть выбран металл, преимущественно: стали с высоким содержанием никеля, бронзы, титановые сплавы.
Защитный контейнер может состоять, по меньшей мере, из двух элементов, выполненных в виде стаканов, устанавливаемых один в другой и охватывающих находящиеся в контейнере радиоактивные материалы, при этом днище внешнего стакана закрывает полость внутреннего стакана, а герметизирующие элементы системы герметизации размещены с обоих торцов.
Стаканы могут быть дистанционированы друг от друга и образовывать слои пластически деформируемого радиационно-защитного материала.
Стаканы могут быть выполнены из слоев пластически деформируемого радиационно-защитного материала, дистанционированных друг от друга.
Днища стаканов могут быть выполнены из слоев пластически деформируемого радиационно-защитного материала, дистанционированных друг от друга.
Выполнение контейнера, по меньшей мере, его боковой части из слоев пластически деформируемого радиационно-защитного материала, и дистанционирование слоев друг от друга обеспечивают демпфирование аварийного воздействия на торцы контейнера с образованием поперечных складок.
Благодаря тому, что жесткость деформированного металла растет, нагрузки от места воздействия при столкновении (ударе) будут последовательно распределяться на остальную часть защитного контейнера. Основная часть кинетической энергии при столкновении будет поглощаться конструкцией защитного контейнера, обеспечивающей также и радиационную защиту, что позволит избежать дублирования масс защитного контейнера и демпфера.
Таким образом, радиационно-защитные и демпфирующие функции ТУК будут возложены на одну и ту же конструкцию и предельная масса радиоактивного материала будет равна массе груза (защитного контейнера при прежней компоновке), что существенно больше массы радиоактивного содержимого ранее используемых конструкций. Распределение нагрузки от места удара на остальную часть защитного контейнера создает дополнительный запас прочности, и ТУК не будет фрагментироваться, пока большая часть радиационно-защитного материала не поглотит кинетическую энергию (а не только часть демпфера со стороны столкновения для ранее используемых конструкций).
Выполнение защитного контейнера из двух и более элементов в виде стаканов, устанавливаемых один в другой и охватывающих находящиеся в контейнере радиоактивные материалы, обеспечит надежную защиту содержимого контейнера при транспортировании. Выполнение стаканов из пластически деформируемого радиационно-защитного материала и дистанционирование их друг от друга либо выполнение стаканов из слоев пластически деформируемого радиационно-защитного материала обеспечит совмещение защитных и демпфирующих функций. Кроме того, такая конструкция позволит изменять количество используемых элементов, изменяя, таким образом, общую толщину защитного слоя в зависимости от активности транспортируемого материала, что приведет к снижению общей массы ТУК и повышению экономичности перевозок.
Взаимное расположение элементов, при котором днище внешнего стакана закрывает полость внутреннего стакана, позволит повысить надежность защиты торцов ТУК и перераспределить нагрузки с систем герметизации на защитный контейнер. Кроме того, днища стаканов могут также быть выполнены из слоев пластически деформируемого радиационно-защитного материала и совмещать защитные и демпфирующие функции.
Размещение герметизирующих элементов системы герметизации с обоих торцов ТУК позволит сохранить герметичность при ударе с любого торца за счет целостности геометрии второго торца (деформация у соударяемого торца может быть существенной, и соответствие сопрягаемых поверхностей системы герметизации не гарантируется).
На фиг.1 представлен график зависимости массы груза и демпфера от массы ТУК (типа ТУК145/C).
На фиг.2 представлена схема транспортного упаковочного комплекта для транспортирования радиоактивных материалов.
ТУК (фиг.2) представляет собой контейнер, состоящий из двух элементов в виде стаканов. Радиоактивный материал (1) размещен в полости внутреннего стакана (2), который в свою очередь установлен во внешний стакан (3). Днище (4) внешнего стакана (3) закрывает полость внутреннего стакана (2). Полость внутреннего стакана (2) может быть дополнительно герметизирована крышкой (на схеме не показано). Боковые части стаканов выполнены из слоев пластически деформируемого радиационно-защитного материала (5) и дистанционированы друг от друга (дистанционирующее расстояние между слоями (6). Днища стаканов также могут быть выполнены из слоев пластически деформируемого радиационно-защитного материала, дистанционированных друг от друга (на схеме не показано). С обоих торцов размещены герметизирующие элементы (7) системы герметизации контейнера в виде прокладок из упругого материала, например резины.
Суммарная толщина слоев определяется расчетным путем исходя из характеристик предполагаемого наиболее радиоактивного содержимого и применяемого материала. В качестве пластически деформируемого радиационно-защитного материала возможно применение сталей с высоким содержанием никеля, бронзы, титановых сплавов. Так, при использовании стали суммарная толщина слоев обычно выбирается в пределах 0,15÷0,35 м.
Расстояние между слоями L может быть примерно оценено (уточняется при численном моделировании конкретной продукции при выполнении проекта) по соотношению:
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi></mrow></msqrt></mrow>
, где
L - расстояние между слоями;
D - диаметр слоя;
t - толщина слоя.
Толщина слоев выбирается в зависимости от свойств материала и от технологических особенностей, диаметр внутреннего слоя определяется габаритами радиоактивного содержимого (например, чехла с ОТВС), последующие слои большего диаметра.
ТУК используется следующим образом. Радиоактивный материал (1) помещают в полости внутреннего стакана (2), который в свою очередь устанавливают во внешний стакан (3). С обоих торцов размещают герметизирующие элементы (7) системы герметизации.
Шесть ОТВС, например, реактора ВВР-1000 (штатный режим облучения со временем выдержки более 5 лет, длина 4,57 м, масса 740 кг) вместе с чехлом общей массой 5 т могут быть помещены в ТУК с диаметром полости 0,8 м. Для радиационной защиты от проникающего излучения и демпфирования аварийного столкновения со скоростью 100 м/с нужен контейнер длиной 5,5 м, диаметром полости 0,8 м, наружным диаметром 2,05 м с суммарной толщиной слоев (толщиной защиты) 0,3 м на каждую сторону при использовании стали в качестве пластически деформируемого радиационно-защитного материала. При толщине слоев 0,05 м достаточно 6 слоев (с наружными диаметрами 0,9; 1,1; 1,32; 1,57; 1,85 и 2,05 м последовательно) из стали 03Х16Н9М2. Расстояние между слоями составит 0,15; 0,17; 0,20; 0,23 и 0,15 м соответственно. Масса ТУК с радиоактивным содержимым составит 70 т. Конструктивно ТУК выполняется в виде двух 3-х слойных стаканов с внешними диаметрами 1,32 м и 2,05 м. Такие параметры конструкции ТУК обеспечат при аварийном падении торцом со скоростью 90 м/с поглощение кинетической энергии за счет деформации (укорочения) боковой части на 1 м с образованием поперечных складок глубиной 0,15÷0,25 м. Максимально допустимая деформация стенок составляет более 2 м, таким образом, обеспечен более чем двукратный запас прочности.
Заявляемое изобретение позволит обеспечить выполнение требований безопасного транспортирования больших масс радиоактивных материалов, в том числе ОТВС энергетических реакторов, с использованием воздушного транспорта.