Отказ от использования ампул при «сухом» хранении ОЯТ снизит расходы на миллиарды

Этот вопрос кратко рассматривался в статье [1].

Судя по утверждению разработчика ТУК-109 ОАО «КБСМ», ампулы появились из-за «отсутствия достоверных сведений о сохранении конструктивной целостности ОТВС после длительного «мокрого» и «сухого» хранения». Исходя из приведенной информации о конструкции ампул [1], [2], для изготовления 425000 штук ампул потребуется около 12000т нержавеющей стали, стоимость которой, по нашим оценкам, может составить ≈4,25 млрд. руб. Такая огромная стоимость металла, к которой следует прибавить затраты на изготовление ампул, представляется непомерной, а использование ампул из аустенитной нержавеющей стали не только для перевозок ПТ с последующим возвратом ампул на АЭС, но и для «сухого» хранения ПТ РБМК-1000 на ГХК, необоснованной. 

Если приведенное выше число ампул, равное числу ПТ, подлежащих перевозке и хранению, завышено даже в 2 раза (скорее реальное количество ПТ занижено из-за возможного продления сроков эксплуатации блоков РБМК-1000), то ситуация требует проведения тщательного анализа, чтобы исключить возможность её повторения в новых разработках. Не исключено, что изготовлены ещё не все ампулы, и тогда, в случае отказа от ампул, расходы могут быть существенно уменьшены.

В аспекте эффективности затрат на оборудование по изготовлению контейнеров было бы правильным оснащение ЗАО «Петрозаводскмаш» сверлильным агрегатом, стоимость которого в 15÷20 раз ниже затрат на изготовление ампул. Наличие такого агрегата позволит организовать в России изготовление из отечественных материалов самых массивных контейнеров с корпусами из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ). Технология отливки таких корпусов была освоена и успешно осуществлена на ЗАО «Петрозаводскмаш» при изготовлении защитных контейнеров ЗК КЭ и ЗК ПН для хранения РАО, возникающих на Кольской АЭС при работе ВВЭР-440, а также массивной части корпуса ТУК-146 для ОТВС ВВЭР-1000 (масса чугунной части корпуса ТУК-146 - 61,25т. Технический проект «Транспортный упаковочный комплект для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива реактора ВВЭР-1000 ТУК-146», разработанный ОАО «КБСМ»).

В статье [1] упоминалось о специальном сверлильном станке (вернее, агрегате), созданном в Германии и используемом на заводах концерна Siempelkamp для глубокого продольного сверления двух рядов шахматно расположенных глухих отверстий Ø60÷80мм в корпусах контейнеров «CASTOR» (см. [1] рис.1 и рис.2). Установленные в отверстия стержни из высокомолекулярного или ультравысокомолекулярного полиэтилена (HMW-PE or UHMW-PE) снижают энергию свободных нейтронов, обеспечивают их захват и радиационную безопасность контейнеров.

Рис. 1

Рис. 2

Для отливки на ЗАО «Петрозаводскмаш» корпусов контейнеров высокой вместимости потребуется также приобретение недостающего стандартного литейного технологического оборудования, изготавливаемого в России. Так как речь, очевидно, не будет идти о дорогих печах для плавки чугуна, то возможные дополнительные затраты будут незначительными.

Предлагаемые меры позволят обеспечить импортозамещение в такой важной сфере, как создание большегрузных отечественных контейнеров для упаковок типа B(U), используемых за рубежом при транспортировании и хранении ОЯТ АЭС [3].

Далее подробно рассматриваются российские комплексные исследования, обеспечившие возможность отливки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) корпусов контейнеров на ЗАО «Петрозаводскмаш», что также связано с появлением в отечественных периодических изданиях публикаций (рассмотрены в этой статье), искажающих, по моему мнению, действительное состояние дел на ЗАО и дезориентирующих возможных разработчиков контейнеров с корпусами из ВЧШГ. Такие ТУК могут обеспечить бесперебойное функционирование блоков АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000 в России и за рубежом.

Исследования чугуна с шаровидным графитом, выполненные в России

В статье [1] была приведена информация о том, что в Германии из чугуна с шаровидным графитом GGG40 изготовлено большое количество контейнеров «CASTOR», причём «CASTOR Ic DIORIT» загружен ОЯТ ещё в 1989г.

Работы, подтвердившие соответствие чугунов ВЧШГ и GGG40, были начаты в 1999г. после посещения сотрудниками ОАО «НПО ЦКТИ» генерального директора «Петрозаводскбуммаша» В.З. Сомина и его информировании об успешном использовании чугуна с шаровидным графитом германской фирмой GNS и её дочерней фирмой GNB для отливки корпусов контейнеров «CASTOR».

Комплексные исследования технологии изготовления отливок корпусов контейнеров в габаритах, позволяющих изготавливать контейнеры для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов АПЛ (рис.1), структуры чугуна, его химического состава и формы графитовых включений (рис.2), а также физических и механических свойств, были выполнены АО «Петрозаводскмашем» при активном участии ГНЦ ЦНИИТМАШ. Развёрнутая информация о проведенных исследованиях дана в их заключительном отчёте о научно-исследовательской работе «Экспериментально-промышленные работы по технологии отливки и аттестационным испытаниям корпуса контейнера из чугуна с шаровидным графитом».

Отчёт включает:

1.     Краткие сведения о свойствах высокопрочного чугуна с шаровидным графитом - 20 стр.

2.     Программа аттестационных испытаний (утверждена Госатомнадзором России) – 8 стр.

3.     Отливка опытного корпуса контейнера для аттестационных исследований материала–5стр.

4.     Исследования свойств чугуна опытного корпуса контейнера – 14 стр.

5.     Основные рекомендации по технологии отливки корпусов контейнера из чугуна с шаровидным графитом – 7 стр.

6.     Технические условия на отливку корпуса контейнера для транспортирования и хранения отработавшего топлива АПЛ и АЭС – 8 стр.

Заключение – 2 стр.

Список использованных источников (24 шт.) – 2 стр.

Рассматриваемые работы, которые продолжались около двух лет, завершились выпуском Технических условий ТУ 11306-004-00212179-2001 «Чугун высокопрочный с шаровидным графитом для отливок упаковочных комплектов хранения  и транспортирования радиоактивных материалов». Технические условия были согласованы, а чугун ВЧШГ, выпускаемый в Петрозаводске, был включён в перечень материалов, разрешённых для изготовления (отливки) корпусов контейнеров для размещения отработавшего ядерного топлива и высокоактивных РАО.

Все исследования чугуна ВЧШГ, о которых выше шла речь, были выполнены на АО «Петрозаводскмаш» под руководством его генерального директора В.З. Сомина и зам. генерального директора по литейному производству А.Н. Капилевича при активном участии сотрудников отдела чугунов ГНЦ ЦНИИТМАШа, руководимых начальником отдела д.т.н. Н.Н. Александровым и зав. лаб., к.т.н. Е.В. Ковалевичем. Полная информация об этих исследованиях дана в упомянутом выше совместном отчёте АО «Петрозаводскмаш» и ГНЦ ЦНИИТМАШ о научно-исследовательской работе «Экспериментально-промышленные работы …».

Большую поддержку стремлению применить в России ВЧШГ для отливки корпусов контейнеров оказал тогдашний директор института Металлургии и Материаловедения имени А.А. Байкова РАН академик Н.П. Лякишев, который участвовал в бросковых испытаниях ТУК (падение натурной модели ТУК-128 для ОТВС исследовательских реакторов) и их обсуждении (см. рис.3).

Рис. 3

В настоящей статье уделено повышенное внимание комплексным исследованиям ВЧШГ, проведенным АО «Петрозаводскмашем» и ГНЦ «ЦНИИТМАШем», которые обеспечили использование российского чугуна для отливки корпусов контейнеров для ОЯТ и РАО.

Эти исследования были осуществлены без участия Организаций Минатома и им не финансировались. АО «Петрозаводскмаш» вошёл в состав Госкорпорации РОСАТОМ под именем ЗАО «Петрозаводскмаш» значительно позднее, в феврале 2010г., когда на АО «Петрозаводскмаше» уже была освоена технология производства чугуна с шаровидным графитом для отливки корпусов контейнеров под ОЯТ и РАО. Выше было отмечено, что АО «Петрозаводскмашем» совместно с ГНЦ «ЦНИИТМАШ» были выпущены ТУ 11306-004-00212179-2001, а затем были изготовлены:

- две составные направляющие защитные шахты для Игналинской АЭС (рис. 4),

Рис. 4

- ТУК-128 и ТУК-128/1 для ОЯТ исследовательских реакторов (рис.5),

Рис. 5

- ТУК-135 для транспортирования и технологического хранения облучённых урановых блоков,

- защитные контейнеры ЗК КЭ (рис. 6) и ЗК ПН для Кольской АЭС.

Рис. 6

Защитные контейнеры для высокоактивных РАО Кольской АЭС

Защитные контейнеры с корпусами из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) были изготовлены в 2007г. на ЗАО «Петрозаводскмаш». Контейнеры предназначены для хранения на территории Кольской АЭС элементов с высокой наведенной активностью (кассеты экраны КЭ, защищающие корпус ВВЭР-440 от воздействия нейтронов, и поглощающие надставки ПН системы регулирования). Активность возникает в деталях КЭ и ПН, изготовленных из нержавеющей аустенитной стали, при эксплуатации реакторов ВВЭР-440. Технические проекты контейнеров ЗК КЭ и ЗК ПН были выполнены ОАО «ЦКТИ» (инициатор разработки) и РФЯЦ ВНИИЭФ. Массы корпусов контейнеров составляли соответственно 44,9 и 40,0т. Контейнеры ЗК КЭ и ЗК ПН были переданы на Кольскую АЭС, загружены и поставлены на хранение. В статье главного инженера Кольской АЭС Н.А. Ионова «На АЭС мелочей не бывает» (журнал РЭА №2 за 2012г.) отмечается:

«За годы эксплуатации Кольской АЭС в хранилищах центрального зала накопилось значительное количество использованных кассет-экранов и поглощающих надставок. Часть из них хранилась в бассейнах выдержки. … Горжусь своей причастностью к проекту по хранению отработавших высокоактивных элементов активных зон реакторов первого и второго энергоблоков, реализованному нашими специалистами совместно с ЦКТИ и Санкт-Петербургским институтом «Атомпроект».

Обращаю внимание на массу контейнеров и приведенную выше информацию о скрупулезных исследованиях АО «Петрозаводскмаш» и ГНЦ «ЦНИИТМАШ», предшествующих появлению в 2001г. Технических условий ТУ 11306-004-00212179-2001.

Необходимость появления этой информации связана также с тем, что в материалах ФЦЯРБ (рассмотрены далее) неточно излагается состояние дел с испытанием ТУК-141О и, что более важно, с производством чугуна с шаровидным графитом на «Петрозаводскмаше».

Испытания контейнеров типа ТУК-13

Примером подлинных испытаний могут служить испытания ТУК-13В и ТУК-13/1В, которые под руководством ГИ ВНИПИЭТ были проведены в 1987 году на втором блоке Южно-Украинской АЭС при полной загрузке (12 ОТВС) с суммарной мощностью остаточного тепловыделения ≈ 20,7кВт. Так как автор настоящей статьи участвовал в подготовке испытаний, а затем и в их проведении совместно с персоналом АЭС при вертикальном положении ТУК в реакторном зале АЭС и при горизонтальном положении ТУК в вагоне транспортёре, то далее приведены краткие сведения об испытаниях, которые, очевидно, не известны ФЦЯРБ, некоторым разработчикам ТУК, а, возможно, и многим теперешним ведущим специалистам Концерна Росэнергоатом.

При этом:

Подготовка испытаний, включая разработку методик замера температуры твэлов и её экспериментальную проверку на модели, заняла около 1 года.

·       Термоэлектроды термопар, головки которых крепились на гранях чехловых труб в центральном поперечном сечении корпуса, а также на гранях чехловой трубы II с шагом 900мм по высоте корпуса (всего 40 термопар), соединялись с герметичными разъёмами, закреплёнными на внутренней поверхности защитной технологической крышки (см. рис.7).

Рис. 7

·       Для возможности замеров температуры внутри ОТВС использовались стальные тонкостенные термозонды (6 шт.) с размещёнными внутри термопарами (6·5=30шт.). Термозонды вставлялись в каналы под пэлы (поглощающие элементы системы регулирования и защиты реактора, расположенные между твэлами) после  установки ОТВС в контейнер. Вывод термозондов наружу осуществлялся через отверстия в специально изготовленной защитной технологической крышке контейнера, разработанной ГИ ВНИПИЭТ, которая устанавливалась только на время проведения испытаний, а затем заменялась на штатную.

·       Замерялись мощности доз на наружной поверхности ТУК и нормируемых от ТУК удалениях.

Рассмотрение статей о ТУК-141 (141О), подготовленных в ФЦЯРБ

Далее рассматривается содержание статей, записанных со слов ответственных сотрудников ФЦЯРБ (гендиректора ФЦЯРБ, управляющей компании дивизиона «ЗСЖЦ»
А. Голинея; заместителя гендиректора по коммерческой деятельности М. Кушнарёва; начальника производственного управления ФЦЯРБ К. Твиленёва).

Статья «Комплекс полноценности» опубликована в газете «Страна РОСАТОМ» | №17 (241) | май,2016, а статья «Полувековой сТУК» в журнале «Вестник АТОМПРОМа», №5, 2016, что свидетельствует, очевидно, о желании руководства Госкорпорации «РОСАТОМ» ознакомить специалистов, занимающихся контейнерами для ОЯТ и РАО, с вопросами, обсуждаемыми в статьях.

Замечания, которые располагаются в соответствии с появлением в статье критикуемых положений, относятся в первую очередь к статье «Комплекс полноценности», в которой искажено состояние дел с разработкой ТУК-141, а также с технологией изготовления чугуна с шаровидным графитом на ЗАО «Петрозаводскмаш».

(а). «В конце апреля ФЦЯРБ завершил испытания транспортно-упаковочных комплексов нового поколения для облучённого отработавшего топлива»

Фактически:

Проведено не испытание ТУК, а показано, что он может быть использован при проведении транспортно-технологических операций на первом блоке Калининской АЭС, реакторное отделение которого не имеет герметизирующей оболочки.

(б). «За четверть века оборудование (старые модификации ТУК для ОЯТ ВВЭР-1000 – пояснение наше) морально устарело, износилось, его технические характеристики не соответствуют параметрам топлива и требованиям безопасности МАГАТЭ.

Фактически:

Если относиться ответственно к утверждению о несоответствии ТУК Правилам МАГАТЭ и НП-053-04, то следует незамедлительно прекратить транспортирование ОЯТ ВВЭР-1000 в ТУК-10 (для серийных сборок) и в двух типах ТУК-13, что сделать невозможно.

Утверждение о несоответствии ТУКов требованиям безопасности необходимо дезавуировать.

(в). «ТУК-141 – металлическая конструкция из высокопрочного чугуна массой 112т».

Фактически:

ТУК-141 - металлическая конструкция с корпусом из высокопрочного чугуна, масса которого гораздо меньше 112т.

(г). «Разработка под началом ФЦЯРБ стартовала в середине 2014г.».

Фактически:

Из документов ОАО «ИЦЯК» (см. http://nuclearcask.ru/tuk141.html и http://nuclearcask.ru/tuk1412.html), подготовленных 09.11.2010г., следует, что к этому времени уже были разработаны: ТУК-141 и его узлы, Программа обеспечения качества при конструировании 02-019Д2 и Руководство по эксплуатации (проект) 02-019РЭ.

(д). «Поскольку разработка ТУКов началась до введения санкций, в действующую конструкцию заложены импортные материалы, например чугун с шаровидным графитом».

Фактически:

Отливка корпуса ТУК-141 (точнее ТУК-141О) из чугуна с шаровидным графитом осуществлена в Германии на заводах Siempelkamp, а затем там же выполнены:

·       Обработка отливки до нужных размеров;

·       Нанесение электролитическим способом на внутренние поверхности цилиндрической части корпуса и его днища, а также торцевые поверхности корпуса под крышки антикоррозионного слоя из «мягкого» никеля;

·       Глубокое сверление двух рядов шахматно расположенных отверстий для установки в них стержней из высокотемпературного высокомолекулярного полиэтилена, обеспечивающего радиационную безопасность ТУК.

Только после этого практически готовый чугунный корпус ТУК-141 был передан в АО «Энерготекс» (г. Курчатов), где были изготовлены недостающие элементы и собран ТУК-141.

(е). «Однако в России пока технология производства чугуна с шаровидным графитом не освоена, заняться этим предстоит, скорее всего «Петрозаводскмашу»».

Фактически:

Несоответствие реальному состоянию дел в отношении технологии производства чугуна с шаровидным графитом в России, о котором идёт речь в пункте (е), доказана в настоящей статье в разделе «Исследование чугуна с шаровидным графитом, выполненные в России», где даётся информация об отчёте «Экспериментально-промышленные работы по технологии отливки и аттестационным испытаниям корпуса контейнера из чугуна с шаровидным графитом», подготовленном АО «Петрозаводскмаш» и ГНЦ ЦНИИТМАШ.

Сведения о контейнерах с корпусами из чугуна с шаровидным графитом, изготовленных на АО «Петрозаводскмаш» даны в разделе «Защитные контейнеры для высокоактивных РАО Кольской АЭС», а также в конце раздела «Исследование чугуна с шаровидным графитом, выполненные в России».

В материалах, опубликованных ФЦЯРБ, используются приёмы, неприменимые в серьёзных научных публикациях, а именно:

·       Осуществлена подмена понятий – замечания пункта (а);

·       Даётся неверная информация о роли ФЦЯРБ в процессе выполнения работ и сроках их проведения – пункт (г);

·       Искажается содержание выполненных работ и отсутствуют сведения о том, кем они фактически выполнялись – пункт (д);

·       Приводятся утверждения, дающие неверную информацию о состоянии дел с ВЧШГ в России – пункт (е).

Если упомянутые выше статьи ФЦЯРБ подготовлены с целью информировать читателей газеты «Страна РОСАТОМ» и журнала «Вестник Атомпрома» о состоянии дел с ТУК для ОЯТ реакторов ВВЭР-1000, то почему в них ничего не говорится о ТУК-153.

ТУК-153, как и ТУК-141, был разработан ОАО «ИЦЯК», и их конструкции аналогичны. Корпуса ТУК-153, как и ТУК-141 отлиты из чугуна с шаровидным графитом на заводах Siempelkamp и там же обрабатывались. Перечень операций одинаков (см. замечание (д) после заголовка «Фактически»). Различие заключается в том, что в ТУК-141 слой никеля на внутреннюю поверхность корпуса был нанесён электролитически, а в ТУК-153 – с помощью газодинамического напыления, осуществлённого «Энерготексом». Несколько ТУК-153 (по нашим данным 3 штуки) переданы АО «Энерготексом» на Тяньваньскую АЭС.

Температуры и температурные распределения, полученные на моделях и при натурных испытаниях контейнеров

Далее кратко излагаются результаты экспериментов, проведенных в «НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова» с целью предоставления информации о механизмах переноса тепла в контейнерах, а также о температурном состоянии отработавших сборок твэлов энергетических реакторов при их размещении в ТУК для транспортирования и хранения отработавшего ядерного топлива  Кроме того будут даны сведения о температурах корпусов контейнеров типа ТУК-13, элементов чехлов 37, использованных в этих контейнерах, и размещённых в чехлах натурных отработавших сборок твэлов ВВЭР-1000. Указанные температуры были замерены при упомянутых выше испытаниях ТУК-13В и ТУК-13/1В на Южно-Украинской АЭС. Данные подраздела могут и должны использоваться при разработках отечественных ТУК, а также для верификации Программ их тепловых расчётов, что давно осуществляется за рубежом [4], [5], [6], [7].

Эксперименты на электрообогреваемых моделях (пучки тепловыделяющих стержней) при их горизонтальном и вертикальном положениях были начаты в «НПО ЦКТИ им И.И. Ползунова» в 1972г. по указанию Начальника 4-ого Главного Управления Министерства Среднего Машиностроения А.Д. Зверева. Институту поручалось выполнение тепловых расчётов ТУК-6 для ОЯТ ВВЭР-440, а также ТУК-10В, ТУК-10В1, ТУК-13 для ОЯТ ВВЭР-1000 с учётом требований Правил МАГАТЭ (издание 1985г.).

Эксперименты проводились на моделях, имевших круглые и шестигранные кожуха, с установленными в них модельными пучками тепловыделяющих стержней при разных диаметрах стержней, их числе и относительных шагах. Кожуха заполнялись воздухом и углекислым газом с давлением от 1,6МПа до слабого разрежения. [4]. Понимая, что опыты на большом числе моделей потребуют значительных финансовых затрат и времени, они были начаты только после того, как специалисты «НПО ЦКТИ» убедились, что в отечественной и доступной тогда зарубежной литературе отсутствуют рекомендации, позволяющие выполнить с необходимой точностью порученные «НПО ЦКТИ» тепловые расчёты контейнеров для транспортирования и хранения отработавших сборок твэлов.

Задачей этих экспериментов было выяснение вкладов различных механизмов переноса тепла в результирующий перенос (в газозаполненных моделях это теплопроводность газа или его естественная конвекция, а также тепловое излучение между твёрдыми телами, т.е. излучение стержень – стержень или стержни – кожух). Затем экспериментальные данные, полученные на 20ти горизонтально и вертикально расположенных моделях, были представлены в форме, позволяющей выполнить тепловые расчёты одиночной сборки твэлов в кожухе или чехловой трубе, а также «пучка» сборок твэлов в корпусах контейнеров.

Учитывая, что в 70-х и начале 80-х годов, когда в России отсутствовали не только программы тепловых расчётов ТУК, но и аналитические расчётные методики, в «НПО ЦКТИ» была изготовлена и испытана горизонтально расположенная модель в шестигранном кожухе, имеющая 331 электрообогреваемый стержень с относительным шагом, равным его величине в сборке ВВЭР-1000 (имеет 318 твэлов и 12 каналов с поглощающими элементами системы защиты и регулирования ВВЭР-1000).

Особое место среди испытанных в «ЦКТИ» вертикально расположенных моделей занимает модель, имеющая 127 электрообогреваемых гексагонально расположенных стержней в шестигранном кожухе. Модель испытывалась при слабом разрежении заполняющего кожух воздуха в условиях, когда естественная конвекция не возникает (или очень мала). Теплоотдача осуществляется за счёт теплопроводности воздуха в «зазорах» между стержнями в соседних рядах и теплового излучения между стержнями, а также стержнями и кожухом. Основные положения методики теплового расчёта тепловыделяющих стержней, размещённых в кожухе, при отсутствии конвекции, были рассмотрены нашим коллегой М.А. Готовским.

В завершающей части нашей статьи приводятся:

·         Данные, позволившие выяснить влияние на теплопередачу поперечных размеров пучков стержней сборок твэлов при их горизонтальном положении или поперечных размеров и высоты пучков (сборок твэлов) при их вертикальном положении. Одновременно исследовалось влияние на теплопередачу вида газа и его давления, а также диаметров стержней и их относительных шагов. В действительности исследовались не сплошные стержни, а трубки, имеющие такие толщины стенок, которые позволяли не принимать во внимание перепад температур поперёк трубок.

·         Температуры электрообогреваемых стержней в 127-стержневой модели, которые были получены для варианта (а), когда исследовалось температурное состояние одиночной сборки (тепло, выделяемое в стержнях, отводится через все 6 граней кожуха модели), а также варианта (б), когда исследовалось температурное состояние сборки в полости многоместного контейнера (тепло выделяется не только в каждом стержне, но подводится также через две грани рассматриваемого кожуха от сборок ряда, расположенного ближе к оси контейнера, две грани кожуха адиабатические (сборки, расположенные в одном ряду), а через две оставшиеся грани кожуха отводится всё тепло, выделяемое в стержнях, и тепло, подводимое через две грани). Эта фраза сложна для восприятия, особенно для специалистов, которые не выполняли тепловые расчёты ТУК. Текст наверняка станет более ясным при рассмотрении двух приведенных далее схем поперечных сечений моделей (а) – для симметричных условий по отводу тепла (одиночная или центральная сборка, а также (б) – для условий несимметричных по отводу тепла, имеющих место в многоместном контейнере, когда в контейнере сборки размещены в двух или более рядах (рис.8).

Рис. 8

·         Температурные распределения, полученные при уникальных натурных испытаниях ТУК-13В и ТУК-13/1В, т.к. другие подобные эксперименты в нашей стране не проводились, причём не исключено, что такие эксперименты не проводились за рубежом.

В статье приводятся основные результаты модельных экспериментов, выполненных в «НПО ЦКТИ», и экспериментов на Южно-Украинской АЭС, т.к. они могут быть полезны при разработке проектов и программ тепловых расчётов ТУК, а также при верификации уже созданных программ.

По имеющейся информации эксперименты, близкие по своему характеру к опытам, выполненным на модели, имеющей 127 тепловыделяющих стержней, в нашей стране и за рубежом не проводились.

Не являясь программистом, рискну высказать своё мнение о некоторых Программах, используемых для тепловых расчётов ТУК или его элементов.

Утверждения об универсальности Программ, которые зачастую делаются их разработчиками, далеко не всегда отражают их реальное содержание. Действительно, универсальные Программы очень сложны, не предназначены для персональных компьютеров, а обеспечиваемая ими точность при расчёте температурного состояния ТУК для ОЯТ будет фактически невысокая. Последнее утверждение объясняется тем, что необходимые для расчётов ТУК величины остаточных тепловыделений сборок, зависящие от истории пребывания ТВС в активной зоне реактора, а ОТВС – в бассейне выдержки, в настоящее время на большинстве АЭС не могут быть заданы точно.

Об этом свидетельствует тот факт, что при подготовке экспериментов на Южно-Украинской АЭС, сотрудники АЭС из сотен отработавших сборок, хранившихся в бассейнах выдержки, не смогли выбрать двенадцать сборок с близким (в идеале равным) остаточным тепловыделением, что желательно для испытания ТУКов. В действительности незначительная разница в тепловыделении этих сборок и использование в расчётах их среднего тепловыделения не препятствовали определению нормируемых НП-053-04 максимальной температуры оболочек твэлов и максимальной температуры наружной поверхности корпуса контейнера, которые должны оставаться ниже допустимых.

В упрощённых аналитических тепловых расчётах ТУК или в Программах его теплового расчёта реальная сложная конструкция твэла может быть заменена сплошным твёрдым стержнем с эффективной теплопроводностью λ_эф.=∞, когда поперечный перепад температур в стержне Δt_ст =0. В этом случае Программа теплового расчёта ТУК многократно упрощается, а для её верификации могут быть использованы экспериментальные данные, полученные в «НПО ЦКТИ» на пучках трубок с принятыми толщинами их стенок.

Если же для примера рассматривается сборка твэлов в активной зоне реактора ВВЭР-1000, работающего при электрической мощности 1·10⁶ кВт, такое упрощение недопустимо, т.к. поперечный перепад температур в твэле такой сборки увеличивается в тысячи раз по сравнению с этой величиной в ТУК для транспортирования ОЯТ ВВЭР-1000.

В настоящее время для теплового расчёта ТУК можно иметь Программу, не учитывающую поперечный перепад температур в твэлах, что позволит, очевидно, использовать персональные компьютеры.

Результаты экспериментов

Эксперименты были выполнены в «НПО ЦКТИ» на 13ти электрообогреваемых горизонтально расположенных пучках стержней в шестигранных, круглых и прямоугольных стальных кожухах, заключённых в цилиндрические обечайки, через которые прокачивалась вода. Результаты этих опытов были необходимы для получения зависимостей вида Nu=f (Ra), позволяющих надёжно рассчитывать температуры твэлов сборок в чехловых трубах, а также самих чехловых труб со сборками в полостях контейнеров. В связи с этим опыты были проведены на моделях в широком диапазоне изменения геометрии пучков и параметров их разбивки. Это позволило выявить влияние на среднюю и максимальную температуры стержней в пучке:

- диаметров стержней, d_ст мм                  3; 6; 8; 10; 12;

- относительных шагов, s/d_ст                   1,16 ÷ 2,31;

- числа стержней, «n» шт              7; 17; 19; 37; 75; 331, определяющих поперечные размеры кожухов, через стенки которых всё тепло, выделяемое в стержнях, передавалось к охлаждающей воде;

- степени черноты стержней, ε                0,2; 0,65.

Эксперименты были проведены при заполнении кожухов моделей воздухом и углекислым газом с давлением от Р=1,3МПа до слабого разрежения, а также водой и маслом МС-20. Это позволило максимально увеличить диапазон исследованных значений критерия Ra.
В результате были получены зависимости, позволившие «НПО ЦКТИ» и другим Организациям выполнять тепловые расчёты горизонтально расположенных контейнеров (режим транспортирования) для ОТВС энергетических реакторов типа ВВЭР-1000.

Близкие по характеру эксперименты были выполнены на 7-ми вертикально расположенных моделях, но при этом приходилось изменять высоту пучков стержней (высоту полостей моделей). Опыты на вертикально расположенных моделях проводились только при заполнении их полостей воздухом с давлением от слабого разрежения, исключающего развитие естественной конвекции, до давления Р = 1,6МПа.

Для того, чтобы размеры статьи сохранялись в необходимых пределах, далее кратко рассматриваются:

·                 Влияние на развитие естественной конвекции в пучках числа стержней «n» и давления воздуха, которые оказывают основное влияние на развитие конвекции в моделях и температуры стержней;

·                 Экспериментальные данные, полученные на 127ми стержневой вертикально расположенной модели. Данные использовались для проверки точности аналитической методики теплового расчёта ОТВС в ТУК-13 (режим промежуточного хранения ТУК), разработанной в «НПО ЦКТИ», а также Программы теплового расчёта, созданной в Физико-Энергетическом Институте
(г. Обнинск);

·                 Экспериментальные данные, полученные при натурных испытаниях ТУК-13В и ТУК-13/В1 на Южно-Украинской АЭС, где осуществлялись замеры температур твэлов, граней чехловых труб (чехлы 37), температур крышки и корпуса контейнера).

Влияние на конвекцию числа стержней (см. рис.9).

Рис. 9

В малом пучке изотермы близки к центрально расположенным концентрическим окружностям. Это указывает на то, что движение воздуха (его конвекция) в полости пучка отсутствует. Перенос тепла, выделяемого в стержнях, к кожуху и далее через его стенку к воде, прокачиваемой через обечайку, окружающую кожух (на рис. 9 не показана), осуществляется за счёт теплопроводности воздуха в «зазорах» между стержнями и тепловой радиации между стержнями и кожухом.

В среднем пучке изотермы по форме близки к эллипсам, но они сдвинуты вверх от центра пучка. Это свидетельствует о подъёмном движении воздуха в части сечения 75ти стержневого пучка. Опускное движение воздуха, обеспечивающего возникновение контура естественной циркуляции в поперечном сечении пучка, должно осуществляться сверху вниз вдоль кожуха.

В большом пучке форма изотерм, которые в нижней части пучка выполаживаются, указывает на то, что в основной части поперечного сечения 331 стержневого пучка реализовано достаточно интенсивное подъёмное течение воздуха, а это интенсифицирует теплообмен в пучке.

Влияние на конвекцию давления воздуха в пучке (см. рис.10).

Рис. 10

Эксперименты, проведенные на 127ми стержневой вертикальной модели.

Опыты проводились при слабом разрежении воздуха в полостях двух вариантов 127ми стержневой модели, когда естественная конвекция не возникала, а передача тепла ко всему кожуху или его части, ограниченной двумя гранями и далее к охлаждающей воде, осуществлялась за счёт теплопроводности воздуха и тепловой радиации.

Далее рассматриваются результаты эксперимента для так называемых симметричных условий (а) (см. рис.11), а также для условий (б), реализуемых в многоместном контейнере для ОТВС (рис.12).

Рис. 11

Рис. 12

Значения замеренных в эксперименте температур для условий (а) и проведенная через эти значения кривая 1 сравниваются с кривой 2, полученной при «порядном» расчёте. При этом аналитическом расчёте последовательно определялись температуры рядов стержней модельной сборки, начиная от ряда 7, ближайшего к шестигранному кожуху, через который отводится всё выделяемое в стержнях тепло (N=782Вт) вплоть до центрального стержня (ряд 1). Отношение максимальной расчётной температуры (530К) и замеренной температуры (510К) равно 1,04 (превышение ≈ 4%).

Значение замеренных в эксперименте температур для условий (б), когда отношение тепла, подводимого через две грани, к тепловыделению 127ми стержней было равно
γ=N_ст /N=0,385, сравниваются с численным решением, выполненным в Физико-Энергетическом Институте (г. Обнинск) (см. рис.12 , где даны три распределения для ряда I, ряда II и ряда III).

Обращаем внимание, что на оси ординат температура дана в °С, а на оси абсцисс приведены номера трубок (стержней) для каждого из рядов, где были установлены термопары.

Максимальная разница замеренной и расчётной температуры имеет место в ряду I для трубки (стержня) №7. Значения этих температур соответственно равны 280°С (замер) и 260°С (численное решение), а их отношение ≈ 1,08. Таким образом, замеренная температура превышает расчётную температуру на 7,5%.

Анализ экспериментальных данных, полученных при натурных испытаниях ТУК-13 на Южно-Украинской АЭС

Картограмма точек замера температур при испытаниях ТУК-13 дана на рис.7 . Краткая информация об элементах в полостях контейнеров ТУК-13В и ТУК-13/1В, температура которых замерялась, дана в приведенном выше разделе этой статьи (Испытания контейнеров типа ТУК-13).

Наглядным подтверждением того, что даже при атмосферном давлении воздуха в полости горизонтально расположенного контейнера (режим транспортирования) существует выраженная естественная конвекция, являются замеры температур граней чехловых труб в поперечном сечении контейнера (см. рис.13). Эти температуры в верхней части сечения существенно выше, чем в нижней части. На наличие естественной конвекции, которая должна учитываться в методиках тепловых расчётов и Программах теплового расчёта горизонтально расположенных ТУК (режимы транспортирования ОТВС), указывает также то, что максимальная температура верхней образующей корпуса равна 85°С, и она 32°С выше максимальной температуры нижней образующей (см. рис.14). Об этом же свидетельствует распределение температур, замеренное центральным зондом в сборке II (кривая 5) и в сборке III (кривая 6), которые не совпадают. В экспериментах кривая 5 расположена выше, чем кривая 6 (рис.14).

Рис. 13

Рис. 14

Что касается температур граней чехловых труб при вертикальном положении ТУК (режим хранения ОТВС), то для чехловых труб, расположенных в одном ряду чехла, они близки между собой (см. рис.15). Однако такой характер температур отнюдь не свидетельствует об отсутствии естественной конвекции. Для вертикально расположенных ТУК воздействие естественной конвекции проявляется в смещении максимумов на температурных распределениях вверх, т. е. в сторону крышки ТУК, а также в отсутствии симметрии температурных распределений по высоте контейнера (см. рис.16).

Рис. 15

Рис. 16

Максимальные температуры твэлов, замеренные при испытаниях на Южно-Украинской АЭС ТУК при их горизонтальном и вертикальном положениях не отличаются и равны 360°С. Так как в современных большегрузных контейнерах суммарная мощность остаточного тепловыделения будет гораздо выше, чем в контейнерах, испытанных на Южно-Украинской АЭС, то в новых проектах необходимо предусмотреть интенсификацию теплопередачи в чехлах ТУК. Это уже сделано в проекте ТУК-141, разработанном ОАО «ИЦЯК» [http://nuclearcask.ru/tuk141.html].

Интенсификация теплопередачи в чехлах давно используется в эксплуатируемых зарубежных контейнерах для транспортирования и хранения ОЯТ энергетических реакторов PWR и BWR.

На рис.17 показано поперечное сечение корзины-чехла контейнера CASTOR V/19. Корзина выполнена с интенсификацией теплопередачи за счёт применения фигурных тепловодов, изготовленных из алюминиевого листа (δ=10мм), а также двух массивных алюминиевых вставок, которые обеспечивают растечки по всей высоте (длине) чехла остаточного тепла, выделяемого в центральной отработавшей сборке.

Рис. 17

На рис.18 показана корзина-чехол из борированного алюминия, что обеспечивает интенсификацию теплопередачи и решение проблем ядерной безопасности. Такие конструкции широко используются в контейнерах типа «TN».

Рис. 18

Рекомендации

Необходимо разработать проект современного контейнера для транспортирования и хранения ОЯТ ВВЭР-1000 (ВВЭР-1200) с учётом его изготовления полностью на российских предприятиях из отечественных материалов.

Проект должен учитывать существующие возможности отечественного предприятия, где будет изготавливаться новый ТУК (упаковка типа B(U)). Наиболее перспективным представляется ЗАО «Петрозаводскмаш», если корпус контейнера будет отливаться из освоенного заводом отечественного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Параллельно должна рассматриваться возможность использования контейнеров со стальными и металлобетонными корпусами, изготавливаемых на заводах России.

Окончательное решение о материале корпуса ТУК должно быть принято после сравнения возможных технических показателей трёх типов ТУК и затрат на их изготовление. За объективность представляемой информации должны нести ответственность разработчики проектов соответствующих ТУК.

Одновременно с разработкой ТУК Предприятиями России, имеющими подтверждённый, а не объявленный ими самими, опыт успешной разработки и организации изготовления сложных материалов и изделий, должно быть налажено производство:

·         листов и профилей из борированного алюминия;

·         упругих металлических прокладок типа «HELICOFLEX», герметизирующая способность которых на два порядка выше, чем у спирально-навитых прокладок, использованных в металлобетонных контейнерах, разработанных ОАО «КБСМ»;

·         высокомолекулярного и ультравысокомолекулярного полиэтилена (HMW-PE и UHMW-PE), обеспечивающего эффективное снижение энергии свободных нейтронов и радиационную безопасность контейнеров «CASTOR» [см. работы, выполненные QVADRANT Ingineering Plastic Products];

·         синтетических смол, полимелизирующихся при комнатной температуре, которые используются десятки лет для обеспечения радиационной безопасности в большинстве контейнеров типа «TN» (по имеющейся, возможно устаревшей, информации разработкой этих смол занимался химический концерн «Рон-Пулен» по заказу фирмы Transnucleaire).

Контейнер для ОЯТ ВВЭР-1000 (ВВЭР-1200) может быть создан, если проекты ТУК будут рассматриваться и оцениваться специалистами, хорошо знакомыми с контейнерной тематикой, а не существующей в Концерне «Росэнегоатом» Тендерной Комиссией.

Эта Комиссия рассматривает очень большое количество представленных в Концерн «Росэнергоатом» проектов и определяет «победителя конкурсов», начиная с простейших изделий (например, бобышки, привариваемые к трубопроводам АЭС) вплоть до сложнейших разработок (например, сепараторы-пароперегреватели СПП, устанавливаемые в машзале АЭС). Выполнить качественно рассмотрение очень большого количества различных проектов Тендерная Комиссия, естественно, не может, и её деятельность сводится в большинстве случаев к проверке перечней представляемых претендентами документов, свидетельствующих об их возможностях, и назначения «победителем» обычно той Организации, которая готова выполнить работу за самую низкую цену.

Для того чтобы уйти от этой порочной практики, проекты ТУК для ОЯТ энергетических реакторов должны рассматриваться в первую очередь ответственными сотрудниками АЭС, эксплуатирующих реакторы типа ВВЭР-1000, Горно-Химического Комбината, принимающего на «мокрое» и «сухое» хранение отработавшие сборки таких реакторов, и ПО «МАЯК», которое предполагает организовать переработку ОЯТ реакторов ВВЭР-1000.

Список использованных источников

1.     Фромзель В.Н., Шлейфер В.А. Атомку тормознут контейнеры. //Атомная стратегия XXI, №117, 2016г.
2.     Гуськов В.Д., Амелин А.М., Воронцов В.В. и др. Металлобетонные контейнеры для хранения и транспортирования отработавшего топлива. Изд. «Русская коллекция», 2012г.
3.     Правила безопасности при транспортировании радиоактивных материалов, НП-053-04, 2005г.
4.     Вдовец Н.В., Гривнин А.И., Готовский М.А., Первицкая Т.А., Фромзель В.Н., Федорович Е.Д., Шлейфер В.А. Теплообмен при естественной конвекции в горизонтально расположенных пучках тепловыделяющих стержней. ТВТ, т. 24, №4, 1986г.
5.     V.N. Fromzel, M.A. Gotovskiy, V.A.Shleifer, L.V. Fromzel. Experimental investigations of spent nuclear fuel assemblies thermohydraulic regimes under their disposition in the casks and canisters and use the results of these tests for calculation methods verification.
Международная конференция ICON-5, Калифорния, США, май, 1998г.
6.     Gotovskiy M., Fromzel V. Engineering approach for thermal calculations of heat transfer in heat-generated rod bundles cooled by natural convection and radiation. International Journal of Energy for a Clean Environment, 14 (1), p. 41-68, 2013.
7.     M.A. Gotovskiy, V.N. Fromzel. Heat transfer problems during transportation and storage of spent nuclear fuel. Russ. J. Eng. Thermophys., 1995, Vol.5,№3, pp.331-346.