CC BY
57
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2000 р. Вип.№10
УДК 621.039.546.3
ЧепурноЙ А.Д.1, Казачков Е. А.2
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНТЕЙНЕРОВ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
Рассмотрены основные требования к контейнерам для перевозки отработавшего ядерного топлива, гарантирующие безопасность в аварийных ситуациях. Приведены характеристики и технология изготовления контейнеров различных типов в концерне «Азовмаш». Рассмотрены новые перспективные технологии и материалы для изготовления контейнеров, обеспечивающие резкое снижение трудоемкости и стоимости их изготовления.
В настоящее время повышению надежности и безопасности эксплуатации атомных электростанций (АЭС) уделяется особое внимание. Бесперебойная и безопасная эксплуатация АЭС не может быть обеспечена без решения проблемы утилизации и переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), которую невозможно решить без создания и использования специальных транспортных контейнеров (ТК) для перевозки ОЯТ от АЭС до хранилищ и заводов регенерации топлива.
Современные АЭС оборудованы реакторами, работающими на обогащенном уране. ОЯТ подлежит глубокой переработке с целью извлечения из него не расходованного урана-235, образовавшегося в результате ядерных процессов плутония, полезных радиоактивных изотопов и других продуктов реакции. Переработка ОЯТ производится на специализированных предприятиях, достаточно удаленных от АЭС. Транспортирование тепловыделяющих элементов (ТВЭ-Лов) или сборок (TBC) с ОЯТ от АЭС к перерабатывающему предприятию, учитывая опасные свойства груза (высокую радиоактивность, токсичность, пирофорность) имеет свою специфику, что влечет за собой необходимость предъявления повышенных требований к материалу и конструкции ТК.
Актуальность проблемы разработки и изготовления ТК для перевозки ОЯТ для Украины обусловлена двумя причинами:
- острой необходимостью обновления морально и физически устаревшего оборудования для АЭС, срок эксплуатации которого уже истек, либо приближается к нему;
- необходимостью замены конструкции и технологии изготовления ковано-сварных ТК, применявщихея в 80-90е годы на заводах бывшего СССР и не отвечающих сегодня мировому уровню.
Современный ТК для перевозки ОЯТ должен удовлетворять хотя и разноплановым, но совершенно необходимым условиям:
- обладать максимально возможной для данного типа контейнера вместимостью;
- гарантировать биологическую защиту внешней среды, в том числе и в аварийных ситуациях;
- обеспечивать максимальную экономичность перевозки.
Вместимость контейнера - параметр не только технический, но и экономический. Увеличение вместимости контейнера ведет к увеличению количества единовременно перевозимого ОЯТ, а значит, к повышению эффективности перевозок. Однако, рост габаритов контейнеров и их веса ограничен определенными пределами, зависящими от вида транспорта. Так, размер и вес железнодорожных вагонов-контейнеров лимитированы профилем и габаритами колеи же-
1 ОАО «ГСКТИ», д-р, техн. наук, проф.
2 ш ТУ, д-р. техн. наук, проф.
лезных дорог, высотой мостов и путепроводов, высотой подвескв токоведущих линий., Исходя из этих ограничений, габариты вагонов-контейнеров не могут превышать 3,2 м по ширине и 5.3: м по высоте. 1 '
Вне зависимости от конструктивных особенностей, все ТК должны обеспечивать выполнение требований безопасности, регламентированных соответствующими документами МАГАТЭ и ГОСТ 22901-78.
Условия эксплуатации контейнеров для транспортирования ОЯТ крайне ответственны, специфичны и аналогов не имеют.
Рационально спроектированная конструкция, правильно выбранный материал, оптимальная технология сварки и высокая культура производства являются надежной гарантией работоспособности контейнеров и безопасности перевозок ОЯТ в любых условиях, включая и возможные аварийные ситуации.
Ряд конструктивных характеристик и отдельные элементы ТК могут быть определены уже на стадии проектирования за счет проведения различных расчетов: прочностных и тепловых характеристик, расчетами на ядерную и радиационную безопасность.
При расчетах контейнера на прочность в качестве максимально опасной ситуации выбирается падение контейнера с высоты 9 метров на жесткое основание. Предполагается также, что после падения с 9Аги метровой высоты контейнер дополнительно падает на штырь с высоты 1 метра, д затем последовательно попадает в очаг пожара с температурой 800 °С, продолжающегося в течение 0,5 часа. Эти требования оговорены Международными правилами безопасности, разработанными МАГАТЭ. При расчетах контейнера на прочность также учитывается воздействие на него 15 метрового столба воды (имитация падения на дно водоема), минусовой температуры (-40 °С) и теплового удара (при падении в холодную воду).
Производство специальных вагонов-Контейнеров ТК для перевозки ОЯТ от АЭС на заводы регенерации топлива было начато в концерне "Азовмаш" в 1977 г. Для разных типов реакторов были разработаны и изготовлены вагон - контейнеры ТК-6, ТК-10, ТК-11 и ТК-13. Техническая характеристика вагонов-контейнеров различных типов приведена в таблице.
Таблица - Техническая характеристика вагонов-контейнеров для транспортирования ОЯТ.
Техническая характеристика Тип контейнера
ТК-6 ТК-10 ТК-11 ТК-13
Вес вагона - контейнера, кг 172000 193000 146600 188000
Диаметр, мм:
наружный 2195 1980 2135 2295
внутренний 1475 1000 1485 1320
Толщина, мм:
стенки корпуса 360 360 355 340
днища 235 270 250 280
крышки 320 300 320 295
Масса, т., не более:
В порожнем состоянии 76,5 81 76,9 100
В груженом состоянии 95 93 100 116
Вагон-контейнер ТК-6 предназначен для перевозки ОЯТ от АЭС с реакторами ВВЭР-440. Число отработанных сборок, перевозимых в ТК от реакторов ВВЭР-440 - 30 шт.
Вагон-контейнер ТК-10 предназначен для транспортирования отработавших тепловыделяющих сборок реакторов ВВЭР-1000; Число отработавших сборок, перевозимых в ТК от реакторов ВВЭР-1000 и АСТ-500 - 6 шт. Учитывая увеличенную длину сборок, впервые при создании подобных транспортных средств, контейнер в вагоне был расположен горизонтально, что потребовало решения проблемы его кантования как на АЭС, так и на заводах регенерации топлива. Для этой цели был разработан и внедрен способ кантовки ТК в вагоне с помощью подвагонной лебедки, что исключило необходимость создания специального кантователя.
Вагон-контейнер ТК-11 предназначен для транспортирования отработавших тепловыделяющих сборок реакторов РБМК-1000, РБМК-1500 и ВВЭР-440. Число отработавших сборок, перевозимых в ТК от разных реакторов, составляет: для РБМК-1000 (1500) - 102 шт. для ВВЭР - 440 - 30 шт.
От вагона-контейнера ТК-6 он отличается повышенной вместимостью перевозимого гру-за(ТК-б-3585 кг, ТК-11 - 5850 кг).
Вагон-контейнер ТК-13 предназначен для транспортирования отработавших тепловыделяющих сборок реакторов ВВЭР-1000 и АСТ-500. Основное отличие вагона-контейнера ТК-13 от базовой модели ТК-10 состоите использовании транспортного комплекса увеличенной вместимости, чем достигается увеличение эффективности перевозок в 2 раза! Число отработавших сборок, перевозимых в ТК от реакторов ВВЭР-1000, АСТ-500 - 11 шт.
Общий выпуск за период с 1978 г. по 1992 г. в концерне "Азовмаш" составил 43 единицы вагон - контейнеров различных типов.
Командной деталью контейнера является его корпус с толщиной стенки 360-400 мм, внутренним диаметром 700-2000 мм, высотой 3000-5000мм и массой от 50 до 150 т. Толщина корпуса назначается из условий обеспечения радиационной защиты.
По обычной технологии корпуса ТК изготовляются из сварно-кованых стальных заготовок. Так, технология производства цилиндрических корпусов ТК, освоенная в концерне "Азовмаш", предусматривала отливку четырех 39-тонных кузнечных слитков с последующей их ковкой (в том, числе биллетировкой, осадкой, прошивкой и раскаткой на оправке), механической обработкой полученных обечаек и сваркой их между собой на последнем этапе.
Механическая обработка толстостенных обечаек, а также всего корпуса ТК после сварки осуществляется в концерне "Азовмаш" с применением уникального станочного оборудования: токарного станка, позволяющего обрабатывать изделия весом до 180 т., а также обрабатывающих центров с максимальным весом обрабатываемых деталей 120 т. и 250 т.
Для сварки обечаек корпуса ТК между собой и с днищами создан специализированный сварочный стенд 1СПР -1029 для электрошлаковой сварки с помощью дубль-аппарата, позволяющего выполнять непрерывный, долговременный (до нескольких суток) процесс сварки изделий толщиной до 350 мм. Максимальный вес свариваемых изделий - 140 т., максимальные их габариты: диаметр - 3500 мм, длина - 14000 мм. После сварки корпуса ТК выполняется его термическая обработка с использованием крупногабаритной термической печи для нагрева тяжеловесных изделий.
После механосборки с крышкой и выполнения комплекса испытаний ТК устанавливается в специально оборудованный вагон. Все сборочно-сварочные операции, механообработка и механосборка сосредоточены в одном цехе, оснащенном уникальным оборудованием для производства изделий подобного типа, что позволяет сократить межцеховые перевозки и цикл изготовления изделий.
Технология изготовления сварно-кованых стальных заготовок для производства ТК очень трудоемка. При этом стоимость контейнера ТК-13 массой около 100 т. превышает 7 млн. грн., а производственный цикл их изготовления занимает более года. Поэтому для организации крупносерийного производства ТК возникла настоятельная необходимость изыскания принципиально новых способов их изготовления, обеспечивающих резкое снижение трудоемкости и стоимости изготовления ТК при сокращении цикла производства.
Одним из вариантов решения проблемы снижения трудоемкости и стоимости Изготовления ТК при существенном сокращении цикла его производства является получение цельнолитого корпуса ТК из армированной квазимонолитной (АКМ) стали. Известно [1,21, что литая сталь АКМ имеет свойства, приближающиеся к свойствам кованого металла. Метода получеА ния стали АКМ основаны на двух основных принципах: 1) активное изменение структурообраг зования слитка с помощью внутренних холодильников; 2) применение "чистой стали", получаемой внепечной обработкой жидкой сталив ковше. Результаты исследований [3-5] говорят о том, что в ряде случаев сталь АКМ может служить альтернативой электрошлаковому литью.
Для получения полого слитка АКМ как цельнолитой заготовки для корпуса ТК, в концерне "Азовмаш" была использована оригинальная технология. Полый слиток массой 100 т. с внутренними кристаллизаторами отливали сифонным способом в кузнечную изложницу с формообразующей трубой, которая образовывала внутреннюю полость слитка [6,7,9}. Исследование крупнотоннажных полых слитков, отлитых с внутренними кристаллизаторами, показало существенное улучшение химической и физической однородности, а также приближение свойств литого металла к соответствующим характеристикам деформированного металла. Это позволило использовать полый слиток АКМ непосредственно дня получения крупногабаритного изделия корпуса ТК - минуя операцию ковки [6-9]. Отливка 100 т. полых слитков из стали 20 подтвердила технологичность разработанной оснастки. Исследование макроструктуры, химической однородности и механических свойств литого металла полых слитков АКМ показало, что разработанная технология их получения обеспечивает повышение химической однородности литого металла, его структурную однородность и высокий уровень механических свойств. Так, механические испытания металла опытного слитка показали полное соответствие свойств литой стали полого 100 т. слитка , отлитого с внутренними кристаллизаторами, требованиям, предъявляемым к кованым заготовкам корпусов ТК (согласно ГОСТ 8479-70). Заготовка корпуса ТК типа ТК-10, изготовленная из полого 100 т. слитка АКМ, прошла все стадии контроля качества металла и была передана в производство для получения готового изделия. Общий вид готового изделия транспортного контейнера ТК-10, корпус которого изготовлен из литого металла полого 100 т. слитка АКМ, показан на рис. Применение цельнолитых полых 100 т слитков АКМ взамен ковано-сварных, позволило значительно сократить число технологических операций по переделам при изготовлении корпуса ТК. Разработанная технология не потребовала создания специализированного оборудования и позволяет отливать полые крупнотоннажные слитки в действующих цехах. '
Использование литых полых заготовок высокого качества вместо ковано-сварных позволило сократить такие технологические; операции при изготовлении ТК, как биллетировку сплошного слитка, обрубку, осадку, прошивку, раскатку четырех полых заготовок и их сварку между собой, включая промежуточную и окончательную термическую обработку сварных швов.
Рис.-Общий вид готового изделия - транспортного контейнера ТК-10, корпус которого изготовлен из литого металла полого 100 т слитка АКМ.
Реализация технологии отливки крупнотоннажных полых слитков АКМ из углеродистой стали для производства корпусов транспортных контейнеров типа ТК-10 обеспечила снижение расходного коэффициента металла с 2,63 до 1,67 при сокращении объемов механической обработки более чем в два раза и сварки - в два раза.
Острая необходимость в обновлении оборудования для АЭС в Украине обусловливает особую актуальность поиска новых материалов для корпусов ТК и использования более выгодных технологий при их изготовлении.
Одним из перспективных материалов для изготовления корпусов ТК является чугун. Серый чугун с пластинчатым графитом является хрупким материалом, хотя его хрупкость отличается от хрупкости переохлажденной стали. Однако возможность образования сквозных трещин в чугунных отливках при аварийных ситуациях с ТК можно предотвратить за счет его армирования. В качестве арматуры можно использовать концентрические кольцевые цилиндры из листовой стали с размещением их в середине толщины стенки ТК с последующей заливкой жидким чугуном. Для большей надежности в форме можно разместить два концентрически расположенных кольцевых цилиндра разного диаметра.
Для изготовления цельнолитых ТК можно использовать серый чугун марок СЧ10 - СЧ15 или доменный передельный чугун. (Предпочтительнее использовать для этих целей высокопрочный чугун с шаровидным или вермикулярным графитом* Следует отметить, что немецкая фирма "NUKEM GmbH" изготовляет цельнолитые корпуса ТК из высокопрочного чугуна. Армирование чугунного корпуса ТК стальными кольцевыми элементами позволяет предотвратить образование сквозных трещин при ударе ТК в аварийной ситуации. Для обеспечения надлежащей защиты от гамма-излучения , толщина стенки ТК, учитывая меньшую плотность чугуна, должна быть увеличена на 10 % по сравнению со сталью и для контейнеров ТК-13 и ТК-7 составлять 400 мм. При этом, за счет высокого содержания, углерода в чугуне, примерно на 30 % уменьшится интенсивность нейтронного потока на наружной поверхности ТК.
Для цельнолитого ТК с толщиной стенки 400 мм , толщина кольцевой арматуры должна составлять 15-20 мм. Чугун незначительно снижает свою вязкость при низких температурах. Для гарантии сохранности без разрушения стальной арматуры при ударных нагрузках в области низких температур, целесообразно использовать для изготовления кольцевой арматуры хладостойкую низколегированную сталь типа 17ГС или 09Г2С.
Были определены механические свойства и проведены служебные испытания моделей ТК в виде цилиндрических полых заготовок массой 80 кг из серого и модифицированного сплавом РЗМ чугуна с армирующими вставками. Для металла заготовок, отлитых из серого чугуна, ударная вязкость при температуре -50 °С заметно ниже, чей для заготовок, отлитых из модифицированного чугуна, которые показывают незначительное снижение пластических свойств по сравнению с результатами, полученными при+20*С.
Суть оценки служебных свойств заключалась в испытании модельных цилиндрических заготовок в условиях, приближающихся к реальным. Для этого заготовку, охлажденную до температуры -40 °С сбрасывали на жесткое основание с высоты Юм (требования МАГАТЭ - 9 м). Охлаждение заготовок проводили в контейнере для замораживания жидким азотом в среде керосина.
Результаты испытаний заготовок показали, что после сбрасывания растрескиванию подверглась заготовка из серого чугуна. Осмотр этой заготовки показал, что армирующий вкладыш не явился барьером, полностью исключающим распространение трещин во внутренний слой заготовки. В некоторых местах трещины прошли через армирующий вкладыш. На заготовке из модифицированного ..чугуна, отлитой с армирующим вкладышем, ни одной трещины обнаружено не было. Таким образом, для обеспечения безаварийной работы цельнолитого чугунного корпуса ТК, при его изготовлении необходимо использовать модифицирование в сочетании с армированием заготовки.
Выводы
1. В концерне "Азовмаш*1 освоено производство ТК различных типов для транспортирования ОЯТ, отвечающих Международным правилам безопасности, разработанным МАГАТЭ.
2. Командной деталью ТК является его корпус с толщиной стенки 360-400 мм, внутренним диаметром 0,7-2,0 м, высотой 3,0-5,0 м и массой от 50 до 150 т. Технология изготовления
66
I
корпуса ТК из сварио-коваиых стальных заготовок очень трудоемка и требует коренного усовершенствования.
3.Одним из вариантов решения проблемы снижения трудоемкости и стоимости изготовления ТК при существенном сокращении цикла его производства является получение цельнолитого корпуса ТК из армированной квазимонолитной (АКМ) стали. Реализация технологии отливки крупнотоннажных полых слитков АКМ из углеродистой стали для производства корпуса ТК типа ТК-10 обеспечила снижение расходного коэффициента металла с 2,63 до 1,67 при сокращении объемов обработки более чем в два раза и сварки - в два раза.
4. Модифицированный РЗМ чугун в сочетании с его армированием является перспективным материалом Для изготовления ТК. Применение его позволит получить необходимый комплекс структурных, механических и служебных свойств литых заготовок для ТК, отвечающих требованиям надежности и безопасности, а также значительно снизить трудоемкость и затраты на их производство.
Перечень ссылок
1. Производство стали АКМ и его экономическая эффективность / Б.Е.Патон, Б.И.Медовар, А.А.Некрепко и др. //Проблемы специальной металлургии,- 1988.-Ы 2. - С.40-45.
2. Саенко В.Я., Медовар Л.Б., Ус ВИ. Новый конструкционный материал - сталь АКМ-Киев, о-во "Знание" УССР. - 1984. - 48с. >
3. Патон Б.Ё., Медовар Б.И. О новом классе металлических материалов // Докл. АН УССР. Сер.А. - 1980. -Ы 9. - С. 100-102.
4. Патон Б.Е., Медовар БИ. Новые конструкционные материалы АКМ (армированные квазимонолитные) //Известия АН СССР. Металлы. - 1981. -N3. - С. 17-24.
5. МедоварБИ., Саенкд В.Я., Ус В.И. Производство армированной квазимонолитной стали// Сталь. - 1986.-М 11. -С.27-29.
6. Медовар Л.Б., Чепурной А.Д., Шукстульский Б.И. Слиток -Киёв: о-во "Знание" УССР. -
1986.-48с.
7. Новая технология изготовления корпусов транспортных контейнеров из армированных квазимонолитных материалов I А.Д.Чепурной, А.В.Литвиненко, Г.П.Клименко и др. // Передовой опыт.-1989.-к 5.-С.29-30.
8. Получение крупнотоннажных полых слитков АКМ для изготовления корпусов транспортных контейнеров / А.Д.Чепурной, Б. И Шукстульский, В.Я. Саенко и др.// Специальная электрометаллургия. - 1992.-№ 70. - С.30-33.
9. Энергосберегающая технология получения крупнотоннажных полых слитков углеродистой и легированной стали / ЕА.Казачков, А.Д.Чепурной, Г.П.Клименко и др. // Вестник При-азов. гос. техн. ун-та: Сб: науч. тр. - Мариуполь. - 1996,- Вып. 2. - С.34-39.
Чепурной Анатолий Данилович. Председатель Правления ОАО «ГСКТИ» - директор,, д-р техн. наук, проф., академик международной инженерной академии, Лауреат Государственных премий УССР и Украины, Заслуженный машиностроитель Украины, окончил Мариупольский металлургический институт в 1972 году. Основные направления научных исследований » повышение качества металла на базе ЭШТ и совершенствование способов получения крупнотоннажных заготовок для всех отраслейАпромышленности.
Казачков Евгений Александрович. Д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки Украины, заведующий кафедрой теории металлургических процессов ¿ПТУ, окончил Московский институт стали и сплавов в 1949 г. Основные направления научных исследований - физико-химическое и тепло-физические основы новых перспективных процессов выплавки, внепеч-ной обработки и непрерывной разливки стали, совершенствование технологии получения крупнотоннажных слитков.
