Упаковки для перевозки сборок смешанного топлива

Процесс MIMAS

Процесс MIMAS, изображенный на рис. 4.11.1, состоит из двух жестко не связанных друг с другом частей:

- подготовка первоначальной смеси, содержащей 20-30 % PuO₂;

- изготовление смешанного оксидного топлива.

Цель первой части – получить порошок оксидов с заданными свойствами, т.е. кондиционирование порошка оксида плутония. Для подготовки первоначальной смеси в смеситель одновременно поступают: свежий порошок PuO₂, свежий порошок UO₂ и зеленый и/или спеченный скрап. Пропорции исходных компонентов могут быть различными, но конечная смесь должна содержать 20-30 % PuO₂. Регулируя подачу PuO₂, UO₂ и скрапа, можно добиться необходимого изотопного состава смеси. Смешивание исходных компонентов происходит одновременно с размолом и измельчением в шаровой мельнице. При этом главными требованиями являются получение твердого раствора PuO₂ в UO₂ с хорошей растворимостью материала после спекания.

Вторая часть MIMAS-процесса охватывает все остальные операции, указанные на рис. 4.11.1, начиная от вторичного смешивания до изготовления сборок. На операции вторичного смешивания первичная смесь гомогенизируется со свежей порцией порошка UO₂. Соотношение объемов порошка UO₂ и смеси (U+Pu)O₂ зависит от необходимого содержания Pu в конечном MOX-топливе и поэтому может изменяться.

Операция формования таблеток MOX-топлива включает прессование порошка, спекание и шлифовку таблеток. Эта операция выполняется в перчаточном боксе и близка к операции изготовления таблеток из UO₂. Атмосфера в печи спекания таблеток состоит из Аг и H₂, а шлифованиe таблеток производят в сухой атмосфере, чтобы исключить присутствие воды (водного замедлителя). Затем из таблеток формируют колонки и ими заполняют трубки, являющиеся оболочками ТВЭЛов. К концам трубок приваривают пробки. Заполнение гелием осуществляется через небольшое отверстие в концевой пробке, которое затем заваривается. Особое внимание уделяют процессам очистки и контролю загрязнений поверхности ТВЭЛов. Это необходимо для того, чтобы иметь возможность направлять ТВЭЛы из перчаточных боксов в зал на сборку.

На станции контроля ТВЭЛы проходят все необходимые испытания.ТВЭЛы, полностью удовлетворяющие стандартам, направляются в хранилище и по мере необходимости используются для изготовления сборок. В случае каких-либо отклонений ТВЭЛы вскрывают, таблетки высыпают и ими заполняют новые трубки или таблетки, а скрап (смесь оксидов) возвращают на операцию получения исходной смеси.

Ряд производственных ограничений, вызванных работой с плутониевым материалом, и требования к готовому продукту определяют особенности процесса mimas и его проблемы.

1. Как уже упоминалось, требование растворимости может быть выполнено, если смешанное топливо будет представлять собой твердый раствор PuO₂ в UO₂. Это достигается тщательным механическим смешиванием и измельчением, позволяющим получить достаточно мелкое зерно порошка и гомогенную смесь.

2. Воспроизводимость состава готового смешанного топлива является трудной задачей, особенно в части изотопного состава плутония. Это связано с тем, что состав плутония, поступающего на завод в Десселе, чрезвычайно разнообразен. Он зависит от типа реактора, из топлива которого выделяли плутоний, от характеристик этого реактора, от выгорания топлива, от периода времени между выгрузкой из реактора и переработкой, а также от переработки до поступления на завод в Десселе.

В воспроизводимости характеристик и состава готового продукта можно быть уверенным только при постоянстве состава исходного материала. Как показывает практика завода, однородный продукт может быть получен примерно в количестве 3000 кг или 1500 ТВЭЛов. Его получают из следующих партий исходных материалов: порошок UO₂ – 2000-3000 кг, скрап – 40-60 кг, PuO₂ – 10-70 кг. Далее непрерывная подача прерывается и исходным материалом становятся новые партии PuO₂, скрапа и UO₂.

3. Прерывание в подаче исходных материалов и различие их характеристик вызывает необходимость проведения тщательного расчета соотношений исходных компонентов, регулирования и контроля за подачей сырья, что приводит к увеличению количества анализов в процессе изготовления порошка и таблеток.

4. Сохранение чистоты поверхности ТВЭЛов является достаточно трудной задачей из-за того, что требования к уровню загрязнений в случае работы со смешанным топливом намного выше, чем в случае работы с урановым топливом, а также из-за необходимости выполнять точные (например сварочные) работы в перчаточном боксе. В условиях перчаточного бокса не слишком удобен доступ к рабочему месту, сложно управлять работой аппаратов, поддерживать необходимый поток газа. Любое нарушение сварного шва заставляет переделывать весь ТВЭЛ, так как замена и приваривание новой пробки к той же самой трубке не допускается из-за невозможности сохранить в этом случае чистоту наружной поверхности ТВЭЛа.

В MIMAS-процессе большая роль отводится возврату в производство бракованных таблеток, некондиционного порошка и всех остатков, содержащих делящиеся материалы. Все эти материалы должны быть как можно скорее использованы как скрап и рециклированы по следующий причинам:

- при хранении скрапа изменяется изотопный состав плутония и может снизиться его ценность;

- скрап при хранении занимает больше места, чем свежий PuO₂ и, следовательно, хранение скрапа удорожает процесс. Желательно скрап рециклировать в пределах той же кампании, что и основной материал, чтобы совместить изотопный состав плутония.

Таким образом, процесс MIMAS, по мнению фирмы Belgonucleaire:

1) позволяет получать продукт с воспроизводимыми характеристиками;

2) может быть адаптирован к исходному материалу любой природы и происхождения;

3) пригоден для заводов различной производительности;

4) дает минимальное количество плутоний-содержащих отходов.

Упаковки для перевозки сборок смешанного топлива

В эксплуатацию было введено несколько разновидностей транспортных контейнеров для перевозки сборок от места их изготовления (завода в Десселе) до АЭС – места назначения.

1. Смешанное топливо для французских pwr мощностью 900 МВт перевозится следующим образом:

- в одну упаковку помещают 2 сборки, содержащие около 38 кг плутония в одной сборке;

- 4 упаковки (т.е. 8 сборок) транспортируют совместно одним грузовиком мощностью 20 т.

Размер упаковки: внешняя длина – 5м, внешняя ширина – 1 м, внешняя высота – 840 мм, масса – 5 т. Упаковка снабжена оболочками, между которыми размещается нейтронный экран, а также эластичными прокладками, предохраняющими сборки MOX-топлива от внешних ударов.

2. В соответствии с международным соглашением и по согласованию Бельгии, с одной стороны, с Францией, Швейцарией и Германией разрешено перевозить по одной упаковке топлива других реакторов. В этой упаковке могут содержаться:

- 2 сборки топлива PWR типа 14×14 (АЭС Beznau 350 МВт);

- 2 сборки топлива pwr типа 15×15 (АЭС sena 310 МВт);

- 2 сборки для bwr.

Разработан проект упаковки для транспортирования сборок PWR (16×16) или 6 сборок BWR. Перевозки MOX-топлива в Европе осуществляются при помощи безопасных грузовиков или на безопасных специально оборудованных платформах, или при помощи трейлеров, удовлетворяющих требованиям безопасности и физической защиты. При транспортировании облученного смешанного топлива следует учитывать, что:

- нейтронная доза на внешней поверхности контейнера с MOX-топливом в два раза выше этой величины для уранового топлива;

- гамма-активность на поверхности контейнера практически одинакова для уранового и смешанного топлива;

- остаточное энергосодержание MOX-топлива на 20 % выше, чем у облученного уранового топлива при идентичных истории и периоде облучения топлива.

Контейнеры для перевозки отработавшего топлива должны удовлетворять всем правилам перевозок, выдвигаемым соответствующими регулирующими органами, в том числе необходимо быть уверенным в том, что не возникает никаких событий, связанных с ядерной безопасностью. Для этой цели с помощью математических программ проводятся расчеты критичности. Фирма Belgonucleaire, например, использует программу KENO IV.