Анализ обеспечения безопасности использования контейнера для радиоактивного графита реакторов РБМК‑1000

На сегодняшний день, после остановки первого и второго энергоблоков с реактором РБМК-1000 Ленинградской атомной станции, перед специалистами и инженерами встала важная задача, связанная с перевозкой и хранением облученных блоков графитового замедлителя [1–4]. Этот реактор, обладающий высокой электрической мощностью в 1000 МВт, имеет общую массу графита 1700 т, который используется в активной зоне (АЗ) и отражателе нейтронов. АЗ выполнена в форме цилиндра высотой 7 м и диаметром 12 м, состоит из графитовых блоков массой 1400 т, выполняющих роль замедлителя. АЗ окружена боковым отражателем нейтронов толщиной 1 м, верхним и нижним отражателями по 0,5 м, собранными из графитовых блоков массой 300 т.

В настоящий момент облученные блоки находятся на территории станции, и для их безопасного вывоза требуется разработка специализированных контейнеров – транспортно-упаковочных комплектов (ТУК), которые должны не только обеспечить защиту, но и соответствовать строгим требованиям безопасности для хранения и транспортировки радиоактивных материалов. В качестве решения этой проблемы предлагается реализовать проект конструкции ТУК-Графит с литым корпусом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) [5, 6]. В данной статье приведены результаты исследования, которые ранее были апробированы и опубликованы в материалах международной научно-практической конференции «Современные технологии и экономика в энергетике» [7]. В работе выполнен анализ по обоснованию радиационной без-– 505 – опасности и экологической приемлемости этого контейнера, рассматривается соответствие проектируемого контейнера требованиям безопасности в условиях потенциальных аварийных сценариев.

Методы и материалы

На основе опыта проектирования контейнеров [8–15] и удобства их перевозки предлагаемая конструкция имеет прямоугольную форму с крышкой на шпильках. Внутренние размеры контейнера 1250х1250х864 мм, в нём можно разместить 35 графитовых блоков общей массой около 1,8 т. Схема размещения блоков и размеры контейнера представлены на рис. 1. Габаритные размеры и дополнительные сведения для ТУК-Графит приведены в табл. 1.

Способность выдерживать проектные аварийные условия является важной особенностью контейнеров, предназначенных для транспортировки радиоактивных материалов. Поэтому разрабатываемый ТУК-Графит должен успешно справляться с двумя основными сценариями возможных аварий, оговоренных в федеральных нормах и правилах в области использования

Рис. 1. Схема загрузки контейнера 35 графитовыми блоками, размеры в мм

Fig. 1. Loading scheme of the container with 35 graphite blocks, dimensions in mm

Таблица 1. Размеры и сведения транспортного упаковочного контейнера

Table 1. Dimensions and details of the transport packaging container

Характеристика Размер, мм Размер корпуса контейнера в поперечном сечении 1410х1410 Высота контейнера 1024 Толщина стенок корпуса (материал – ВЧШГ) 80 Воздушный зазор между корпусом и графитом 1–5 Размер корпуса графитового блока в поперечном сечении 250х250 Диаметр полости (отверстия) в центре блока 114 Толщина воздушных щелей между блоками 2 атомной энергии1. Таким образом, требуется провести испытания, имитирующие свободное падение объекта с высоты 9 м на жесткое основание и с высоты 1 м на сплошной стержень, установленный вертикально на жестком основании. Такой стержень должен быть изготовлен из мягкой стали в форме цилиндра, иметь высоту 200 мм и диаметр сечения 150 мм.

Анализ обеспечения безопасности использования контейнера ТУК-Графит выполнен с помощью численного моделирования различных сценариев падения контейнера в программной среде SIMULIA Abaqus, реализующей метод конечно-элементного анализа.

Конечно-элементная модель ТУК-Графит и стержня имеет 29 484 элемента и 39 368 узлов, она представлена на рис. 2. Моделирование выполнено с помощью восьмиузловых линейных элементов, имеющих 3 степени свободы в каждом узле.

Рис. 2. Конечно-элементная модель ТУК-Графит (а) и стержня, на который падает контейнер (б)

Fig. 2. Finite element model of TPS-Graphite (а) and the pin on which the container falls (b)

Результаты проведенного моделирования существенно зависят от выбора пластических свойств материалов, интерпретаций поведения конструкции, что, в свою очередь, влияет на точность прогноза деформаций и возможных повреждений. Для этого были проанализированы и выбраны физико-механические характеристики материалов, из которых предполагается изготовить контейнер и стержень. В качестве материала корпуса приняты свойства ВЧШГ (EN-GJS-400–18-LT EN 1563). Материал стержня выбран в соответствии с международными рекомендациями по перевозке радиоактивных материалов, подробно изложенными в Прави- лах МАГАТЭ, где предлагается использовать мягкую сталь с пределами текучести в диапазоне от 150 МПа до 280 МПа, и отношение предела текучести к пределу прочности не должно превышать 0,62. При соблюдении этих рекомендаций была выбрана широко распространенная сталь - сталь 20, свойства которой приняты согласно ПНАЭ Г-7-002-86 3. Свойства выбранных материалов представлены в табл. 2.

Таблица 2. Свойства материалов контейнера и стержня

Table 2. Properties of container and pin materials

Объект	Контейнер	Стержень
Материал	ВЧШГ	сталь 20
Модуль упругости, ГПа	162	212
Коэффициент Пуассона	0,25	0,3
Плотность, кг/м3	7100	7850
Относительное удлинение, %	12	19
Условный предел текучести, МПа	230	245
Временное сопротивление, МПа	330	470

Оценка целостности конструкции контейнера и его способность сохранять герметичность при различных механических воздействиях выполнена с помощью моделирования 7 сценариев его падения [7]:

• 1)    на дно контейнера с высоты 9 м (рис. 3а);

• 2)    на угол контейнера с высоты 9 м (рис. 3б);

• 3)    на ребро контейнера с высоты 9 м (рис. 3в);

• 4)    днищем контейнера на стержень с высоты 1 м (рис. 3г);

• 5)    углом контейнера на стержень с высоты 1 м (рис. 3д);

• 6)    под углом стенкой контейнера на стержень с высоты 1 м (рис. 3е);

• 7)    ребром контейнера на стержень с высоты 1 м (рис. 3ж).

Жесткое основание моделируется как аналитическая поверхность, а стержень жестко зафиксирован по нижней поверхности. Для расчета нагрузки была задана начальная скорость в зависимости от высоты падения ( h ) и ускорения свободного падения ( g ):

^initial -J^dh.                                                                    (1)

В соответствии с формулой (1) при моделировании падения с высоты 9 м всем узлам конструкции задавалась скорость 13,29 м/с, а для падения с высоты 1 м – 4,43 м/с. Рассчитанные скорости характеризуют момент соударения ТУК-Графит с препятствием.

Рис. 3. Расчётные варианты удара: а) сценарий № 1, б) сценарий № 2, в) сценарий № 3, г) сценарий № 4, д) сценарий № 5, е) сценарий № 6, ж) сценарий № 7

Fig. 3. The calculated impact scenarios include: а) scenario № 1, b) scenario № 2, c) scenario № 3, d) scenario № 4, e) scenario № 5, f) scenario № 6, g) scenario № 7

Для оценки целостности конструкции в упругопластической области используется критерий оценки по остаточным деформациям растяжения ⁴ :

где ψ – относительное сужение поперечного сечения образца после разрыва.

Предельная деформация разрушения для ВЧШГ в соответствии с формулой (2) составляет:

^пред ^ %

В качестве условия обеспечения целостности элементов при значительных деформациях принимается:

£ — ^пред

Результаты и обсуждение

Численное моделирование деформаций контейнера при испытании его на проектные аварийные условия (7 сценариев падения), выполненное в упругопластической области работы конструкционных материалов, позволяет оценить повреждения конструкции.

Результаты расчетов и оценка сохранения герметичности корпуса представлены в табл. 3.

Особое внимание уделим сценариям, где остаточная деформация разрушения превышает предельную. Сценарий падения № 2, по результатам наших расчетов, оказался наиболее критичным для конструкции ТУК-Графит. В данном случае максимальные деформации локализованы в зоне сжатия на внешней границе контейнера и достигают уровня 50 %, что превышает предел разрушения для ВЧШГ, а на внутреннем сечении они не превышают 5 % (см. рис. 4), что свидетельствует о сохранении его целостности и герметичности.

В случае сценария падения № 5 также зафиксированы деформации, превышающие предельное значение (ε > 39 %, ε _пред. = 6 %), однако на остаточном сечении они не превышают 5 % (см. рис. 5), что указывает на то, что контейнер не подвергнется полному разрушению. В этом случае наблюдается лишь незначительное повреждение на внешнем углу, и контейнер по-прежнему способен предотвратить утечку или выброс радиоактивного содержимого после падения под углом. Аналогичная ситуация наблюдается для сценариев падения № 3 и № 7, где деформации, превышают предельное значение (ε > 20 %, ε пред. = 6 %) на внешней границе, а внутреннее сечение контейнера сохраняется (ε <5 %).

Таблица 3. Оценка герметичности ТУК-Графит при падении

Table 3. Assessment of the tightness of the TPS-Graphite in case of a fall

Вариант падения	Скорость в момент удара V initial , м/с	Остаточная деформация разрушения (ε), Max. eps, %	Герметичность
Сценарий № 1	13,29	ε < 1 %	сохраняется
Сценарий № 2	13,29	на внешней границе: ε > 50 %; на внутреннем сечении: ε < 5 %	сохраняется
Сценарий № 3	13,29	на внешней границе: ε > 20 % на внутреннем сечении: ε < 5 %	сохраняется
Сценарий № 4	4,43	ε < 2 %	сохраняется
Сценарий № 5	4,43	на внешней границе: ε > 39 %; на внутреннем сечении: ε < 5 %	сохраняется
Сценарий № 6	4,43	ε < 1 %	сохраняется
Сценарий № 7	4,43	на внешней границе: ε > 20 % на внутреннем сечении: ε < 5 %	сохраняется
Допустимое значение ε пред, %		6 %	–

Рис. 4. Эквивалентные напряжения [Па] (а) и первые главные пластические деформации (б) для сценария № 2

Fig. 4. Equivalent stresses [Pa] (а) and first principal plastic deformations (b) for scenario № 2

a)

S, Mises (Avg: 75%) +4.495e+08 +4.121e+08 +3.746e+08 +3.372e+08 +2.998e+08 +2.624e+08 +2.250e+08 +1.876e+08 +1.501e+08 +1.127e+08 +7.531e+07 +3.790e+07 +4.808e+05

PE, Max. Principal (Avg: 75%) —r +2.260e-01 — - +5.000e-02 +4.583e-02 --+4.167e-02 --+3.750e-02 --+3.333e-02 --+2.917e-02 --+2.500e-02 --+2.083e-02 --+1.667e-02 --+1.250e-02 +8.333e-03

■ - +4.167e-03

+0.000e+00

Рис. 5. Эквивалентные напряжения [Па] (а) и первые главные пластические деформации (б) для сценария № 5

Fig. 5. Equivalent stresses [Pa] (а) and first principal plastic deformations (b) for scenario № 5

В других рассмотренных сценариях падения также сохранены герметичность и целостность корпуса контейнера. В качестве дополнительной защиты рекомендуется разработка демпфирующего защитного устройства для снижения уровня максимальных перегрузок на поверхности.

Заключение

В ходе проведенного исследования было установлено, что в условиях аварийных ситуаций проектируемый ТУК-Графит, изготовленный из ВЧШГ, обеспечивает радиационную безопасность, сохраняя целостность и герметичность, удерживая радиоактивный материал внутри конструкции.

В моделируемых сценариях падения 1, 4 и 6 максимальные деформации не превышают допустимого значения. Возникшие в случаях 2, 3, 5 и 7 максимальные деформации на поверхности контейнера (ε > 20–50 %) превышают предельный уровень разрушения (ε пред. = 6), однако на остаточном сечении контейнера они не превышают 5 %, что свидетельствует о сохранении его целостности.

Рекомендуется проектирование демпфирующего защитного устройства для снижения уровня максимальных перегрузок.

Следующим этапом исследования планируется моделирование демпфирующего устройства и имитация заполнения контейнера графитовыми блоками.