МАГАТЭ публикует доклад об управлении старением систем сухого хранения отработавшего ядерного топлива

Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) опубликовало результаты десятилетнего исследования по управлению старением систем сухого хранения отработавшего ядерного топлива.

По оценкам МАГАТЭ, на конец 2024 года количество отработавшего топлива, выгруженного с атомных электростанций по всему миру, превысило 400 000 тонн тяжёлого металла (ктТМ). Из них 106 000 тонн тяжёлого металла находятся в сухом хранении, и этот способ долгосрочного хранения становится всё более распространённым по сравнению с мокрым хранением.

Большинству государств-членов МАГАТЭ до создания постоянного хранилища отработавшего топлива остаются десятилетия, что означает, что системы сухого хранения, вероятно, должны будут продолжать безопасную эксплуатацию за пределами проектного срока службы. Мокрое хранение эксплуатируется уже несколько десятилетий, и, по заявлению МАГАТЭ, управление старением таких объектов в целом достаточно хорошо изучено. Энергетические компании выбирают сухое хранение, ценя его пассивные характеристики безопасности, и многие объекты сухого хранения уже получили разрешение на продление срока эксплуатации. МАГАТЭ прогнозирует, что потребность в сухом хранении будет продолжать расти, а сроки использования значительно превысят первоначальные разрешительные периоды в 20–40 лет и могут достигнуть более 120 лет. В связи с этим необходима разработка программ управления старением (ПУС) для подтверждения continued безопасной эксплуатации.

В этом году МАГАТЭ опубликовало «Программы управления старением для систем сухого хранения отработавшего ядерного топлива», являющиеся итоговым отчётом «Скоординированного исследовательского проекта по программам управления старением для систем сухого хранения отработавшего ядерного топлива». В проекте обобщены результаты исследований государств-участников с октября 2016 года по октябрь 2021 года, цель которого — обобщить методологический опыт разработки и внедрения программ управления старением для систем сухого хранения в различных странах, а также поддержать страны в продвижении программ управления старением на основе примеров и справочных материалов из разных государств.

Составляющие элементы программы управления старением. Учитывая, что в настоящее время используется несколько десятков конструкций сухого хранения, МАГАТЭ отмечает, что программа управления старением должна быть специально разработана для той системы хранения, к которой она применяется. Поскольку некоторые конструкции представляют собой универсальные контейнеры (DPC), одновременно разрешённые для хранения и перевозки, Комитет по нормам безопасности перевозок МАГАТЭ (ТРАНССК) также создал рабочую группу для обсуждения вопросов управления старением транспортных упаковок.

В отчёте МАГАТЭ перечислены различные технологии. В докладе отмечается, что прежде всего необходимо различать два типа объектов: контейнеры, которые могут использоваться для перевозки и на которые может быть получено разрешение на упаковку типа B(U), и конструкции хранения, не предназначенные для перевозки.

Что касается контейнеров, в настоящее время они делятся на два типа по основному материалу: металлические контейнеры или бетонные контейнеры с металлической облицовкой. Независимо от типа, отработавшее топливо хранится в герметичных пеналах или в виде корзин с незаключённым в пенал топливом. Критерии различия для хранилищных сооружений заключаются в оборудовании и уровне сложности. Отработавшее топливо может просто размещаться в герметичных пеналах, независимо от наличия вентиляции; пеналы с топливом или незаключённое в пенал топливо также могут размещаться в хранилищном здании (или хранилище) с дополнительным оборудованием, таким как краны. Топливо в хранилищных ячейках может располагаться вертикально (одиночные или множественные ячейки) или горизонтально, над или под землёй.

Первым шагом программы управления старением является определение материалов и условий окружающей среды (таких как влажность, температура, содержание солей) для каждой конструкции, системы и компонента (КСК) в пределах области применения, со ссылкой на оценку безопасности и лицензионное обоснование. В отчёте перечислены среды: наружный воздух, деионизированная вода, гелий, грунтовые воды/почва, укрытая среда, полностью герметичная или футерованная среда, а также среда, встроенная в бетон, металл или нейтронозащитные материалы.

КСК сухого хранения должны обеспечивать критическую безопасность, радиационную защиту, удержание, теплопередачу, структурную целостность и извлекаемость

Программа управления старением должна выявлять достоверные эффекты старения и разрабатывать меры управления, охватывающие: бетонную внешнюю оболочку и опорные плиты, материалы отработавших топливных сборок, а также материалы различных компонентов в системах хранения в сухих контейнерах. Программа, которая лишь полагается на обнаружение отказов КСК, не может считаться эффективной программой управления старением. Необходимо использовать эффективные методы проверки, испытаний и мониторинга для выявления эффектов старения до потери функциональности или отказа конструкции или системы.

Выявление достоверных эффектов старения для различных компонентов систем хранения в сухих контейнерах и разработка мер управления являются первым шагом ПУС

Необходимо чётко определить, когда, где и как собираются данные программы, и обосновать используемые методы или технологии (например, визуальный, объёмный или поверхностный контроль) и их периодичность со ссылкой на соответствующие нормы и стандарты.

В эффективной программе мониторинга характеристик элемент «обнаружение эффектов старения» обсуждает и устанавливает методы, которые будут использоваться для мониторинга характеристик, а также обосновывает периодичность проведения этих мероприятий по мониторингу.

Что такое «важные для безопасности элементы»? Важные для безопасности КСК (и связанные с ними подкомпоненты) должны обеспечивать следующие функции безопасности: критическая безопасность, радиационная защита, удержание, теплопередача, структурная целостность и извлекаемость. Другой способ определения следующий:

Границы удержания: удержание радиоактивных материалов в нормальных, аномальных и аварийных условиях

Контроль критичности: поддержание подкритичной конфигурации в нормальных, аномальных и аварийных условиях

Радиационная защита: снижение излучения от содержимого в нормальных, нештатных и аварийных условиях

Теплопередача: отвод остаточного тепла в нормальных условиях и защита чувствительных к температуре компонентов, таких как свинцовая защита и уплотнения, в аномальных и аварийных условиях

Структурная опора: обеспечение безопасности содержимого в нормальных, нештатных и аварийных условиях

Извлекаемость топлива: поддержка операций по загрузке, выгрузке, техническому обслуживанию, мониторингу или перевозке; отказ этой функции может привести к невозможности извлечения отдельных или герметизированных топливных сборок из мокрого или сухого хранения, или извлечения герметичных пеналов с загруженными сборками из контейнеров хранения, внешних оболочек или мест хранения.

Опыт эксплуатации. Только в США более 50 объектов сухого хранения получили разрешения общего характера от Комиссии по ядерному регулированию США (NRC). Размеры герметичных пеналов и конструкции бетонных внешних оболочек весьма разнообразны, что усложняет проблемы доступности — зазоры и ширины, пути доступа, технологии сварки, материалы, расположение сварных швов различаются. Тем не менее, 95% мировых запасов находятся в болтовых контейнерных системах с незаключённым в пенал топливом или в бетонных внешних оболочках хранения со сварными герметичными пеналами. Болтовые контейнерные системы более распространены в США, тогда как сварные герметичные пеналы чаще встречаются за пределами США. Болтовые контейнерные системы существуют уже 30–35 лет. В отчёте говорится: «Они являются зрелой промышленной технологией, и никогда не происходило серьёзных инцидентов или аварий; даже контейнеры с загруженным топливом во время аварии на АЭС Фукусима-дайити остались невредимыми».

Регуляторный контроль болтовых контейнерных систем технически менее сложен: все внешние компоненты доступны для визуального осмотра. Если контейнер необходимо поднять для эксплуатационных нужд, можно заодно осмотреть его дно. Внутренние компоненты защищены азотом или гелием, утечки обнаруживаются с помощью мониторинга давления.

Более 50 объектов сухого хранения в США получили разрешение NRC

Плановые проверки проводятся на месте, обычно без использования систем подъёма и перемещения, хотя контейнеры могут перемещаться каждые 10 лет в специально отведённую зону для более детального визуального осмотра. В период нормальной эксплуатации к контейнерам можно получить доступ в любое время, и коррозию на внешних поверхностях можно обнаружить без специальных проверок. Опыт на сегодняшний день показывает лишь следы износа и ограниченную локальную коррозию, вызванную повреждением краски при обращении.

Имели место несколько эксплуатационных событий, связанных с коррозией цапфенных болтов, которые могут повлиять на безопасное обращение с контейнером. Мерами контроля являются проверка коррозии, замена болтов при необходимости и повторная герметизация. Новые контейнеры имеют улучшенную конструкцию: все цапфенные болты защищены герметизированными кольцами из нержавеющей стали, предотвращающими проникновение борированной воды в отверстия под болты при загрузке.

Институт ядерной энергии (NEI) поручил Институту эксплуатации атомных электростанций (INPO) создать информационный центр по старению КСК сухого контейнерного хранения. Центр собирает положительные результаты проверок, подтверждающих целостность хранения, а также извлечённые уроки, которые могут потребовать корректирующих действий в масштабах всей отрасли. После 33 отчётов о проверках отрасль не предприняла значительных ремонтных действий.

В сентябре 2016 года на углеродистой стальной оболочке внешней оболочки Holtec HI-STORM 100 на АЭС Хатч были обнаружены признаки коррозии. Коррозия возникла за отвалившимся знаком радиационной предупреждения и была устранена путём пескоструйной очистки и повторной покраски. В октябре 2020 года на АЭС Саскуэханна стандартизированные NUHOMS HSM и герметичные пеналы из нержавеющей стали подверглись прямому осмотру и видеоконтролю; были обнаружены хлоридные отложения на пенале, и результаты отбора проб показали, что они не представляют угрозы для функций безопасности.

NUHOMS MATRIX компании Orano — одна из многих конструкций сухого хранения в мире

Управление старением болтовых контейнеров на АЭС Норт-Анна представляет собой типичный пример: сухой контейнер хранения Orano TN-32 окрашен в белый цвет для облегчения визуального осмотра и обеспечения общей защиты от коррозии.

Продление срока службы объектов хранения. Некоторые системы сухого хранения достигли ожидаемого срока службы, но обследование состояния систем хранения подтверждает продление разрешённого срока службы.

Программы управления старением во многих странах предоставляют такую информацию, опираясь при этом на опыт управления старением на атомных электростанциях и назначая персонал с опытом работы на АЭС операторами объектов хранения. В отчёте МАГАТЭ отмечается, что за время подготовки отчёта в области проверок был достигнут значительный технический прогресс: от лабораторных масштабов до рутинной эксплуатации, и теперь это включено в процесс продления лицензий на хранение в США. Например, используются данные о температуре в различных местах герметичного пенала для мониторинга. По мере совершенствования сенсорных технологий открываются совершенно новые возможности для мониторинга.

В отчёте делается вывод: «По мере дальнейшего продления сроков хранения программы управления старением останутся важной опорой безопасности для систем сухого хранения».