[Из песочницы] О современном методе хранения отработавшего ядерного топлива

В этой статье я попытаюсь ознакомить читателя с лидирующей, на данный момент, технологией хранения отработавшего ядерного топлива – так называемым, «сухим» хранением. Ну и конечно доказать, почему хранение ОЯТ это не «свалка отходов» и не «ядерный могильник».

Пролог

На данный момент в мире ядерной энергетики сложилась ситуация, которую вряд ли ожидали увидеть ещё 30-40 лет тому назад.

Создатели «мирного атома» верили не только в получение большого количества тепла при использовании достаточного малого количества топлива, но также «изюминкой» считалась возможность наработки этого самого топлива в реакторах-бридерах, либо же выделение полезных продуктов деления из отработавшего ядерного топлива для дальнейшего повторного вовлечения их в ядерный топливный цикл. Не зря, первое в мире электричество (не путайте с Первой АЭС, которая была подключена к энергосети) было получено как раз с помощью реактора на быстрых нейтронах, такого, который может не только генерировать электричество, но и топливо для последующих загрузок.

Первое электричество, подходящее по параметрам для использования, было получено 20 декабря 1951 года. Реактор EBR-1 запитал 4 лампочки по 200 Ватт.

Но, к сожалению, на деле не все было так радужно, как в теории. Наш EBR-1 столкнулся с некоторыми проблемами, а развитие атомной промышленности в основном ушло от тематики быстрых реакторов, дав дорогу реакторам на тепловых нейтронах.

Переработку ОЯТ с целью извлечения полезных продуктов деления и снижения остаточной активности также постигла трудная участь.

С экономической точки зрения переработка выгодна только в больших объёмах, а также из-за сложности технологического процесса и вопросов контроля ядерного материала, её смогли в итоге позволить лишь немногие страны.

Всего выходит 2940 т/год, и это при том, что выгружается из всех действующих реакторов около 10000 т/год.

Учитывая постоянно увеличивающиеся объемы накопления отработавшего топлива, во многих (почти во всех) странах, использующих ядерную энергию, быстро возник вопрос о способе обращения и утилизации отработавшего ядерного топлива.

Как видно, количество ОЯТ, которое подлежит временному хранению, постоянно растёт (МАГАТЭ).

На данный момент, все страны, использующие ядерную энергию, условно разделились на три лагеря:

1. Страны, полностью либо частично перерабатывающие ОЯТ с целью использования продуктов деления для изготовления MOX-топлива.
2. Страны, заявившие о желании окончательно захоронить своё ОЯТ, и активно занимающиеся разработкой проектов по окончательному захоронению.
3. Страны, отложившие окончательное решение вопроса по обращению ОЯТ на потом («wait and see» позиция).

И последних стран, конечно же, абсолютное множество. Проблемы, связанные с хранением ОЯТ с каждым годом становятся всё глобальнее. Даже если страна отказывается от дальнейших планов по развитию атомной отрасли, то вопрос по обеспечению безопасного обращения с ОЯТ будет актуален как минимум несколько десятилетий.

Немного истории

Изначально превалирующее большинство хранилищ отработавшего топлива, были так называемого «мокрого» типа. Но учитывая их недостатки, а также прогресс инженерной мысли, постепенно, начиная с 80-х годов прошлого века, начали появляться именно «сухие» хранилища.

Они обладают весомыми преимуществами, которые и послужили толчком к развитию всей технологии:

• возможность строительства очередями и более низкие начальные инвестиции в сооружение;
• пассивная система отвода остаточных тепловыделений от ОТВС;
• незначительное образование РАО при эксплуатации хранилища, почти полное отсутствие образования жидких РАО;
• низкие эксплуатационные затраты (намного ниже, чем затраты при хранении ОТВС в бассейнах).

Что же такое «сухое» хранилище ОЯТ?

Принципиально можно выделить следующие типы технологий сухого хранения ОЯТ: технологию контейнерного хранения и технологию модульного хранения. Остановлюсь я именно на контейнерном хранении.

История контейнерных хранилищ, пожалуй, начинается в 1986 году, когда ядерный регулятор США выдал лицензию на эксплуатацию сухого контейнерного хранилища ОЯТ на площадке АЭС Сарри в штате Вирджиния.

Общий принцип контейнерного хранения ОЯТ заключается в том, что наше отработавшее топливо хранится в герметичных металлических корзинах, заполненных инертным газом, обычно гелием, а сами корзины располагаются в корпусе защитного контейнера. Прочная конструкция корпуса контейнера служит в качестве радиационной защиты, а также предотвращает повреждение металлической корзины. Контейнер может быть как бетонный, так и металлический. Теплоотвод осуществляется за счет естественной конвекции окружающего воздуха.

Операции сначала производятся на площадке АЭС, а после контейнер с топливом (количество ТВС зависит от типа реактора и конструкции контейнера) отправляется на площадку хранения.

Транспортирование осуществляется либо вертикальным транспортером (если хранилище пристанционное), либо автотранспортом или специальным поездом, путешествуя по железным дорогам общего пользования.

Производится загрузка корзины отработавшими тепловыделяющими сборками, далее осуществляется заварка, осушка и заполнение корзины гелием и её перегрузка в бетонный контейнер.

В настоящее время принято различать контейнеры одноцелевого назначения (single-purpose system), двухцелевые контейнеры (dual-purpose system) и контейнеры многоцелевого назначения (multi-purpose system). Разница состоит в количестве операции, для которых может быть использован данный контейнер: хранение, транспортировка, долгосрочное захоронение.

Общий вид металлического контейнера для хранения ОЯТ представлю на примере контейнера для ОТВС ВВЭР 1000.

1. Та самая корзина, предназначенная для загрузки в нее ОТВС (видно шестигранные чехлы, в которые помещаются ОТВС).
2. Каналы для установки нейтронного поглотителя (стальные или алюминиевые стержни легированные бором). Устанавливаются для того, чтобы система была подкритична, то есть отсутствовала возможность возникновения цепной реакции деления.
3. Цапфы для транспортных операций с контейнером.
4. Толстостенная металлическая оболочка. Обеспечивает физическую и радиационную безопасность.
5. Крышки, закрывающие канистру (1 крышка) и внешний металлический контейнер (2 крышки), для обеспечения как можно лучшей радиационной обстановки вблизи контейнера. Так же комплектуются отверствиями для установки гелиевых клапанов, для заполнения корзины гелием, который обеспечивает теплоотвод и инертность среды в корзине.

На контейнеры с ОЯТ, устанавливаются датчики температурного контроля, а сами контейнеры устанавливаются на штатное место на площадке хранения.

Как видите, даже шаг между контейнерами установлен специально. Делается это для обеспечения ядерной и радиационной безопасности персонала.

Площадки бывают пристанционные, и находящиеся отдельно от площадок АЭС. Топливо туда доставляется в специальных транспортных контейнерах.

Так и стоит наше топливо, в течении нескольких десятков лет (от 50 до 100), ожидая своей участи (будет ли это переработка или захоронение – каждая страна решит сама для себя).

Обеспечение безопасности

Хранилище ОЯТ, согласно стандартам МАГАТЭ, является ядерной установкой. Соответственно, требования к безопасности почти такие же, как и к безопасности АЭС.

При проектировании контейнеров выполняются расчеты на прочность для аварийных ситуаций (падение транспортного контейнера с высоты 9 м.), расчеты тепловых режимов для нормальной эксплуатации и аварий. Конечно же, большое внимание уделяется нейтронно-физическим расчетам для обеспечения подкритичности и расчетам биологической защиты.

Падение контейнера с высоты 9 метров (всего лишь тест).

С развитием инженерных расчётных программ объёмы всевозможных анализов безопасности постоянно увеличиваются. Отдельным пунктом выступают лабораторные испытания и натурные тесты.

Моделирование падения Boeing 767 на группу контейнеров.

На данном этапе ведутся исследования по определению характеристик топлива при долгосрочном хранении для обоснования ресурса контейнеров более чем на 100 лет. Проектируются контейнеры с использованием материалов и геометрии для возможности выгружать ОТВС с меньшем временем выдержки в приреакторном бассейне либо для MOX-топлива. Транспортные контейнеры проектируются для железной дороги, автотранспорта и даже самолётов.

В итоге, можно заметить, что контейнерное хранилище ОЯТ, это сложный с инженерной точки зрения проект, а сами контейнеры, являются плодом долгих лет работы инженеров. Обеспечение безопасности является основной задачей при обращении с отработавшим топливом. Следовательно, современные системы хранения и обращения с ОЯТ никак не могут быть сравнимы с обычными бочками.