ТУК в помощь

Росатом создает востребованную рынком линейку систем для транспортировки и хранения ОЯТ

АО «Техснабэкспорт» (дивизион «Сбыт и трейдинг» госкорпорации «Росатом») развивает бизнес в сегменте упаковок для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Росатом предлагает своим клиентам транспортно-упаковочные комплекты (ТУКи, их также называют контейнерами) для вывоза ОЯТ на переработку. Похожая схема уже отработана в России. Первый ТУК для АЭС «Аккую» был отправлен в феврале, а в апреле доставлен на площадку строительства АЭС.

Вхождение на рынок

Любой радиоактивный материал, облученный или нет, должен перемещаться в упаковке, которая обеспечивает безопасность окружающей среды и обращающихся с этим материалом людей. Рекомендации относительно качественных характеристик упаковок разработало МАГАТЭ. Также есть национальные требования регуляторов.

ТУКи для ОЯТ — самые технически сложные изделия в ряду специализированных упаковок, поскольку они должны выдерживать высокие радиационные и тепловые нагрузки и при этом быть транспортабельными и использоваться многократно.

ТУКи и в целом системы транспортировки и хранения ОЯТ — развитый сегмент мирового атомного машиностроительного рынка. Так, на рынке систем сухого хранения ОЯТ легководных реакторов долю свыше 70% сейчас занимают две американские компании (Holtec занимает около 40%, NAC — около 7,5%) и одна французская (Orano TN с долей около 25%). Также на рынке представлены европейские, корейские и японские решения, свои решения разрабатывает Китай. Россия последние 20 лет вела разработки только в узкоспециализированных сегментах ТУК для ОЯТ АПЛ, РБМК, БН-350. Но сейчас ситуация исправляется: появляются разработки для коммерческих реакторов типа ВВЭР.

АО «Техснабэкспорт», который уже более полувека поставляет на мировой рынок продукцию советской, а теперь российской атомной отрасли, с 2019 года реализует инвестиционный проект — создает востребованную рынком линейку ТУКов для ОЯТ АЭС, чтобы занять в сегменте транспортных упаковочных систем и систем длительного хранения долю, соответствующую амбициям Росатома на мировом атомном рынке.

«АО «Техснабэкспорт» провел маркетинговые исследования, определил потребности потенциальных покупателей, сформировал в соответствии с ними внутренний заказ, разработал и согласовал с проектантами АЭС, Топливной компанией «ТВЭЛ», разработчиками реакторных установок и прочими заинтересованными сторонами техническое задание для создания востребованных продуктов. В соответствии с техническим заданием разработана конструкторская документация. Теперь АО «Техснабэкспорт» последовательно ведет работу по обоснованию безопасности применения отечественных ТУКов для их применения на площадках зарубежных АЭС, строящихся Росатомом», — говорит директор по ОЯТ и сбалансированному ЯТЦ АО «Техснабэкспорта» Игорь Гусаков-Станюкович.

В настоящее время уже изготовлены и испытаны головные экземпляры моделей ТУК-137Т.Р и ТУК-137Т.А1. Первая модель предназначена для российских АЭС с реакторами ВВЭР-1200 и Белорусской АЭС. Вторая — для АЭС «Аккую».

Ребра различий

Предшественником ТУКов 137-й серии был ТУК-109Т. Его в конце 2000-х годов разработали для транспортировки топлива для реакторов РБМК. Всего было изготовлено девять таких ТУКов — небольшая, но серия. У ТУК-109Т и 137-й серии единая техническая концепция — это сэндвич с двумя корпусами, между которыми расположены блоки биологической защиты (от гамма-излучения) и блоки нейтронной защиты (от потока нейтронов). Кроме того, конструкторы учитывали данные натурных испытаний головного ТУК-109Т. Но ТУКи 137-й серии рассчитаны на более высокие тепловые и радиационные нагрузки, чем их предшественник.

В отличие от ТУК-13, используемых для транспортировки ОЯТ АЭС с РУ ВВЭР-1000, в конструкции ТУКов 137-й серии жидкая нейтронная защита заменена на твердую. Вместо одной крышки предусмотрено две. И если с внешней что-то случится, радиоактивные частицы все равно не выйдут наружу. Кроме того, контейнеры более вместительные: в них входит не 12 ОТВС, как в ТУК-13, а 18 ОТВС. Притом что и сами ОТВС реакторов типа ВВЭР-1200/1300 имеют большую исходную массу урана.

ТУК-137Т.Р предназначен для транспортировки ОЯТ с российских АЭС на ПО «Маяк» или Горно-химический комбинат на переработку и хранение, так как в России действует централизованная система обращения с отработавшим топливом. ТУК-137Т.А1 предназначен не только для транспортировки, но и для хранения ОТВС.

ТУК-137Т.Р отличается от ТУК-137Т.А1 геометрией оребрения внешнего корпуса. Дело в том, что ТУК-137Т.Р создавали уже после начала строительства новых блоков с реакторами ВВЭР-1200 на Ленинградской и Нововоронежской АЭС. На блоках ВВЭР в бассейнах выдержки, где хранятся ОТВС после выгрузки из реактора, расположены специальные колодцы. Туда устанавливается ТУК, затем в него под водой подводятся и размещаются сборки, затем ТУК извлекается, вода сливается, а ТУК отправляется дальше на транспортировку. В колодцах российских и белорусской АЭС по проекту были сделаны антисейсмические ребра, которые защитили бы облицовку ТУКа от колебаний при гипотетическом землетрясении или внешнем воздействии. Такое решение подходит для контейнера ТУК-13, имеющего гладкую (без оребрения) внешнюю поверхность. На «Аккую» и других зарубежных станциях пошли другим путем: ребра в колодцы устанавливать не стали. Для семейства ТУК-137 при гипотетическом контакте ТУКа с облицовкой поверхности колодца защитную функцию выполнит внешнее оребрение корпуса самого ТУКа. Ребра будут защищать и колодец, и комплект от повреждений, если возникнут колебания.

Такое решения позволило увеличить площадь ребер, что важно для АЭС, расположенных в странах с жарким климатом. «Отвод тепла — одна из ключевых функций контейнера. Температура ТВС не должна быть выше 350 °C на поверхности тепловыделяющей сборки, загруженной в контейнер, и не выше 85 °C на поверхности контейнера. Эффективность системы теплоотвода обеспечивается развитым оребрением корпуса контейнера, где каждое ребро отводит тепло во внешнюю среду. Отвод тепла существенно проще организовать в прохладных условиях России или Беларуси, но значительно сложнее в условиях жаркого климата Турции, Бангладеш или Китая, где температура в некоторые периоды может превышать +50 °C», — объясняет Игорь Гусаков-Станюкович.

ТУК для АЭС «Аккую» изготовили на заводе «Русполимет». ТУКи для российских АЭС делали два российских предприятия в кооперации: «Энерготекс» изготовил корпус, а «Русполимет» выемную часть (чехол).

Чтобы улучшить экономические характеристики контейнеров и оборудования для обращения с ними, инженеры провели большую работу по типизации и унификации ключевых конструкторских решений. Это не красивые слова: реакторные здания АЭС с реакторами ВВЭР-1200, спроектированные двумя проектными институтами Росатома, отличаются в способах подачи ТУКа: на одних блоках они перемещаются в гермообъем горизонтально, на других — вертикально, поэтому пришлось с точностью буквально до миллиметра выверять геометрические параметры контейнера. Наличие унифицированных контейнеров существенно облегчит их эксплуатацию в будущем при массовом вывозе ОЯТ с АЭС с реакторами ВВЭР-1200/1300 на ПО «Маяк» и Горно-химический комбинат.

Перспективы

Для перевозки контейнеров нужны специальные транспортеры — железнодорожные платформы с устройствами для безопасного размещения ТУКов. Для мультимодальных перевозок нужны специализированные суда. Чтобы снизить затраты на транспортировку, специальный эшелон надо составлять из восьми ТУКов. Чтобы накопить такое количество, требуется несколько лет. На блоках с реакторами ВВЭР-1200 с 18-месячным топливным циклом за одну перегрузку заполняется четыре контейнера. Поскольку за рубежом Росатом строит АЭС, состоящие из двух или четырех блоков, которые будут останавливаться на планово-предупредительный ремонт и перегрузку топлива в разное время (потому что надо обеспечивать непрерывность энергообеспечения), требуется около трех лет для того, чтобы накопить восемь контейнеров, и еще год — на доставку ОЯТ с площадки АЭС на место хранения или переработки. Поэтому ТУК-137Т.А1 должен, по расчетам АО «Техснабэкспорта», обеспечивать безопасное хранение и транспортировку ОТВС в течение трех-пяти лет. Такой период называют транзитным хранением. «Для АЭС, расположенных за рубежом, мы в настоящее время обосновываем возможность транзитного хранения, чтобы можно было формировать транспортно-судовые партии. В этой связи для двухблочной АЭС потребуется парк минимум из 16 контейнеров, для четырехблочной — из 24. К эксплуатации контейнеров с учетом транзитного хранения предъявляются более высокие требования по внутренней газовой среде, остаточному содержанию влаги, радиационной и термической стойкости прокладок, обеспечивающих герметичность контейнера», — говорит Игорь Гусаков-Станюкович.

Также АО «Техснабэкспорт» прорабатывает с заказчиками варианты технических решений для длительного хранения ОЯТ. Это следствие политики отложенного решения, принятой некоторыми странами в отношение ОЯТ. Сейчас срок длительного хранения оценивается в 60 лет и уже массово обоснован в решениях зарубежных компаний. Если для длительного хранения использовать контейнер вместимостью 18 ОТВС (как ТУК-137Т.А1), то для двухблочной АЭС потребуется порядка 340 контейнеров, для четырехблочной — порядка 680 ТУКов. Чтобы снизить затраты на организацию длительного хранения, АО «Техснабэкспорт» разрабатывает контейнеры повышенной вместимости. Таким же путем идут и иностранные конкуренты. При вместимости, например, в 30 ОТВС на контейнер, требуется около 200 контейнеров для двухблочной АЭС и около 400 — для четырехблочной. Количество ТУКов может меняться при изменении топливных циклов (12-/18-месячные циклы или иные).

Конструкция упаковок контейнерного хранения повышенной вместимости (УКХ ПВ) проще, так как они не будут испытывать механические и химические нагрузки, возникающие при многократных транспортировочных операциях и дезактивации. «Не надо защищать корпус от дезактивирующих растворов, не нужны резиновые прокладки — можно использовать заварку для создания герметичных барьеров, нижний слив тоже может быть исключен из конструкции. Плюс серии ТУКов для хранения больше, поэтому выгоднее становится не сборный корпус, а цельнолитой, который при большой серии делать дешевле», — объясняет Игорь Гусаков-Станюкович. Планируется, что во второй половине 2024 года пройдет сначала экспериментальная, а затем опытная отливка заготовки корпуса УКХ ПВ с массой жидкого металла свыше 120 тонн.

«Генеральная линия формирования продуктового предложения для зарубежных АЭС — сбалансированный ядерный топливный цикл, предусматривающий не только длительное хранение ОЯТ. Основа концепции обращения с ОЯТ как российских, так и зарубежных АЭС — своевременный вывоз и переработка ОЯТ с вовлечением регенерированных ядерных материалов в ядерный топливный цикл. В этом случае решения по обращению с ОЯТ не перекладываются на плечи будущих поколений, а реализуются уже сейчас, с учетом целей устойчивого развития», — говорит Игорь Гусаков-Станюкович. Расчеты показывают, что упаковок потребуется примерно впятеро меньше, если ОЯТ АЭС будет переработано, а применение технологий фракционирования радиоактивных отходов и «дожигание» наиболее токсичных долгоживущих элементов не потребует захоронения отходов от переработки ОЯТ в глубоких геологических формациях.

Сейчас на базе модели ТУК 137Т.А1 разрабатывается документация на ТУК-137Т.Е, который станет унифицированным решением для зарубежных АЭС с реакторами ВВЭР-1200.

«Для каждой АЭС вопрос с обеспечением ТУКами будет решаться, исходя из принятых на государственном уровне решений по заключительной стадии ядерного топливного цикла — перерабатывать или хранить. Главное, что у нас уже сейчас есть современное решение для транспортировки ОЯТ на базе семейства ТУК-137Т. Решения для длительного хранения ОЯТ, с учетом современных вызовов и жесткой конкуренции с иностранными поставщиками, нам еще предстоит создать. Мы над этим активно работаем. Нельзя допустить повторения ситуации, когда практически на всех зарубежных АЭС, построенных Советским Союзом, появились системы западных фирм для хранения ОЯТ. Важно понимать, что контейнерные технологии обращения с ОЯТ — лишь малая часть решений по обращению с ОЯТ, которых ждет рынок. Нужны принципиально новые решения, технически проработанные и экономически обоснованные для эксплуатирующих организаций, а также экологически и социально приемлемые для общества. В этом мы видим свой вклад в развитие и масштабирование ядерных технологий. Впереди у нашего коллектива еще очень много работы», — подытожил Игорь Гусаков-Станюкович.