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1964 begannen die Erstgeborenen aus zwei Richtungen friedlicher Kernenergie in der UdSSR zu arbeiten. Im September wurde im KKW Novovoronezh der erste Druckwasserreaktor VVER-210 in Betrieb genommen. Ein halbes Jahr zuvor, im April 1964, wurde der Wasser-Graphit-Reaktor AMB-100 im KKW Belojarsk in Betrieb genommen. So wurde das KKW Belojarsk mit einem AMB-100-Reaktor (Atom Peaceful Large) mit einer Leistung von 100 MW das erste friedliche Kernkraftwerk in der UdSSR. Dieser Reaktor produzierte kein Plutonium mehr für Waffen, und die Station selbst befand sich nicht auf dem Gebiet des Waffenwerks. Trotzdem ähnelte das Design des Reaktors seinen friedlichen (AM) und halbmilitärischen (EI und ADE) Vorgängern - es handelt sich um einen Wasser-Graphit-Kanalreaktor mit röhrenförmigen Brennelementen. Die zweite, doppelt so leistungsstarke Einheit mit dem AMB-200-Reaktor wurde im Dezember 1967 in Betrieb genommen.Sie arbeiteten 17 und 21 Jahre und wurden 1984 bzw. 1989 eingestellt.
Über den Bau und die Anordnung des KKW Belojarsk in den 1960er Jahren können Sie diesen Dokumentarfilm ansehen - KKW Belojarsk, benannt nach I. In Kurchatova, 1965
In vielerlei Hinsicht war die Arbeit dieser Reaktoren forschender Natur. Die über ihren Betrieb gewonnenen Daten dienten als Grundlage für die Schaffung von Dutzenden mal leistungsstärkeren RBMK-Reaktoren, die in den 1970er und 1980er Jahren die Grundlage der sowjetischen Atomkraft bildeten.
In den AMB-Reaktoren wurde erstmals im industriellen Maßstab das Schema der nuklearen Überhitzung von Dampf getestet, um den Wirkungsgrad zu erhöhen (ein Wert von 37% wurde erreicht). Der Betrieb von AMB-Aggregaten war jedoch mit einer erheblichen Anzahl von Abweichungen und Fehlfunktionen verbunden. Es gab auch Unfälle.
Am 25. Mai 1976 wurden bei der zweiten Einheit bei Erreichen der Stromversorgung nach Auslösung des Notschutzes mehrere zehn Brennelemente (FA) beschädigt. Dieser Unfall war einer der schwerwiegendsten in Bezug auf die Folgen und die Restaurierungsarbeiten dauerten etwa 9 Monate.
Das KKW Belojarsk ist bis heute besonders, innovativ und experimentell - es verwendet Lösungen, die für die Branche neu sind. Jetzt arbeiten hier die weltweit einzigen Industriekraftwerke mit schnellen Reaktoren BN-600 und BN-800.
Der leistungsstärkste industrielle Schnellreaktor der Welt ist BN-800. Foto vom Autor.
Die erste Stufe des KKW mit AMB-Einheiten befindet sich im Langzeiterhaltungsmodus. Die Aggregate sind seit mehr als 30 Jahren vollständig stillgelegt, können aber nach internationalen Standards nicht außer Betrieb genommen werden, solange sie Brennstoff verbraucht haben. Der verbleibende SNF von ihnen wurde in die Pools für abgebrannte Brennelemente entladen, die technologischen Löcher in den Reaktoren selbst wurden mit einem speziellen Harzkonservierungsmittel verschlossen.
Blocksteuerkarte des AMB-200-Reaktors. Das Bedienfeld wird teilweise noch verwendet, um die Wärmeversorgung von der Station zur Stadt Zarechny zu steuern und die eigenen Bedürfnisse des BNPP sicherzustellen. Foto vom Autor.
Für die vollständige Stilllegung dieser Einheiten ist es zunächst erforderlich, das Problem der abgebrannten Brennelemente (SNF) zu lösen, die etwas weniger als 300 Tonnen angesammelt haben und sich größtenteils in einem unbefriedigenden Zustand auf der Station befinden.
Der akkumulierte SNF von AMB-Reaktoren gehört zum sogenannten nuklearen Erbe der UdSSR, um die Probleme zu lösen, bei denen in den letzten Jahren erhebliche Anstrengungen unternommen wurden.
Merkmale von AMB-Brennstoffen
Eines der Hauptprobleme im Zusammenhang mit der Tatsache, dass die Wiederaufbereitung oder sichere Lagerung abgebrannter AMB-Kernbrennstoffe nicht früher organisiert wurde, ist eine Vielzahl von Arten dieses Brennstoffs und seine nicht standardmäßigen Abmessungen. In fast 38 Reaktorjahren des AMB-Betriebs wurden mehr als 40 Arten von Brennelementen (FAs) auf Verdampfungs- und Überhitzungskanäle von Reaktoren getestet.
Die Brennelemente haben nicht standardmäßige Abmessungen - 14 m Länge, 4 m mehr als die Brennelemente des größten inländischen RBMK-Reaktors. Gleichzeitig wurde der Brennstoff nur in den zentralen 6 Metern entsprechend der Höhe des Kerns platziert und die 4-Meter-Endschalter wurden mit Pyrographit gefüllt. Der granulierte Brennstoff selbst war ebenfalls untypisch - er befand sich im Füllmaterial (Kupfer, Magnesium oder Calcium), dessen Masse 16% erreichte. Uranbrennstoff mit einer Anreicherung von 2 bis 20% in U-235 wurde in seiner Zusammensetzung in mehrere Gruppen eingeteilt - Oxid (nahe dem modernen Urandioxid), Metalllegierung unter Zusatz von 3 bis 9% Magnesium, Carbid (UC).
Während des Betriebszeitraums wurden 7196 Brennstoffkanäle aus den Reaktoren entfernt(ca. 285 Tonnen abgebrannter Kernbrennstoff), von denen 2227 (ca. 95 Tonnen abgebrannter Kernbrennstoff) an das RT-1-Werk in PA Mayak, Ozersk, geschickt wurden und der Rest bis 2016 in den reaktornahen Lagern des KKW Beloyarsk verblieb. In den 1970er und 1980er Jahren. Die Möglichkeit einer Kraftstoffaufbereitung bei PA Mayak wurde untersucht. Die grundlegende Möglichkeit, die Anfangsphasen des Prozesses zu organisieren, wurde aufgezeigt. Die Hauptprobleme waren jedoch damit verbunden, die Baugruppen zu schneiden und für die Auflösung vorzubereiten. Es ging nicht um die praktische Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente, so dass das Problem des Umgangs mit AMB-Brennstoffen auf seine verschobene Lösung wartete.
Der abgebrannte Kernbrennstoff wurde im KKW Belojarsk in zwei Lagerpools in Kisten mit 17 und 35 Sitzplätzen (Kassetten) und in Einzelfällen gelagert. 35-Sitzbezüge bestanden aus Edelstahl, 17-Sitzbezüge bestanden aus Kohlenstoffstahl und waren innen und außen mit rotem Blei bedeckt, bevor sie in den Pool eingebaut wurden. Ursprünglich war geplant, die Kanister für kurze Zeit in zwei Lagertanks zu lagern und dann zur radiochemischen Verarbeitung an PA Mayak zu senden. Im Zusammenhang mit dem Zusammenbruch der UdSSR dauerte der Prozess jedoch zwei Jahrzehnte.
Bereits in den frühen 2000er Jahren. Das größte Problem war der Kraftstoff in Kassetten mit 17 Sitzplätzen. Die meisten dieser Kassetten befanden sich zu diesem Zeitpunkt mehr als 20 Jahre in den Vorratsbehältern, was ihre Lebensdauer von 15 Jahren überschreitet. Daher wurde angenommen, dass sie alle ihre Dichtheit verloren und mit Wasser aus den Lagerbecken gefüllt waren. Gleichzeitig wurden sie mit bestrahlten Brennelementen früherer und unvollständiger Bauart mit deutlich höherem Abbrand sowie fast allen beschädigten Brennstoffen beladen. Insgesamt enthalten die Kassetten etwa 20% der während des Betriebs beschädigten Brennelemente. Der wahrscheinliche Zustand der Kraftstoffkorrosionsprodukte ist eine Mischung in Form einer Aufschlämmung aus den Korrosionsprodukten der Komponenten der Kraftstoffzusammensetzung mit Fragmenten von Graphitbuchsen. Eine signifikante Menge des Kraftstoffs hatte eine Magnesiummatrix,die, wenn die Dichtheit der Brennelementverkleidung beschädigt ist, Korrosion im Wasser unterliegt. Kraftstoff kann auch am Boden des Pools landen.
In der RT-1-Anlage von PA Mayak werden 131 K-17-Kassetten (ca. 95 Tonnen abgebrannte Brennelemente) gelagert, die dort ab 1972 über 10 Jahre geliefert wurden. Die Kassetten werden im Tiefwasserteil des Pools abgebrannter Brennelemente abgelegt. Korrosionsbeständige Stahlkassetten, 103 Stk. und 28 Kassetten aus schwarzem Baustahl werden an Poolkonsolen aufgehängt gelagert. Um Korrosion zu vermeiden, werden sie in Edelstahlgehäuse gelegt. Die angewandte Methode gewährleistet die sichere Lagerung abgebrannter Brennelemente und verhindert die Verschmutzung des Poolwassers durch die Spaltprodukte abgebrannter Brennelemente, garantiert jedoch nicht, dass in Zukunft keine Probleme auftreten, die zur Zerstörung des Brennstoffs in den Kassetten führen, sowie die Notwendigkeit, die Lagerung von Kassetten in einem suspendierten Zustand aufzugeben.
Auswahl an Kraftstoffhandhabungsoptionen
Unter Berücksichtigung der Komplexität der Situation mit AMB-Kraftstoff wurden verschiedene Optionen für die Handhabung in Betracht gezogen: Senden zur vorübergehenden Lagerung mit anschließender Lösung des Problems der Verarbeitung; Senden zur Langzeitlagerung mit anschließender Bestattung; Schneiden und Einfüllen von Kanistern im KKW selbst und anschließendes Senden zur Verarbeitung an PA Mayak; Lieferung abgebrannter Brennelemente an PA Mayak, Schneiden und Verarbeiten.
Aufgrund der großen Menge an Notbrennstoff, seiner anhaltenden Verschlechterung und der hohen Kosten für den Bau eines modernen Lagers für eine solche Menge an nicht standardisiertem Brennstoff wurde jedoch beschlossen, abgebrannte AMB-Kernbrennstoffe bei PA Mayak wieder aufzubereiten. Zu diesem Zweck mussten einige dringende Maßnahmen ergriffen werden, um Bedrohungen für die sichere Lagerung abgebrannter Brennelemente im KKW Belojarsk zu beseitigen (beispielsweise wurde seit 2001 ein Wasseraufbereitungssystem für den Pool abgebrannter Brennelemente organisiert), und gleichzeitig eine Lösung für zwei Probleme vorbereitet - den Transport von Brennstoffen und dessen Weiterverarbeitung im Werk RT-1.
Kraftstofftransport
Um Kraftstoff sicher vom BNPP zur FSUE PA Mayak zu transportieren, war es erforderlich, ein spezielles Transport- und Verpackungskit (TUK) für lange Kraftstoffbaugruppen mit einer Länge von etwa 14 m und einen speziellen Containerwagen zu entwickeln, um die Sicherheit des Transports und der Lagerung von beschädigtem Kraftstoff zu rechtfertigen und die Handhabung von langem Kraftstoff zu entwickeln TVS.
Infolgedessen wurde RFNC-VNIITF zusammen mit OJSC Uralkhimmash bis 2006 entwickelt und patentiertzwei Versionen des Transport- und Verpackungsbehälters TUK-84 zum Laden von Kassetten mit 17 und 35 Sitzen mit SNF AMB. Der TUK-84-Behälter hat eine Länge von mehr als 15 Metern, einen Durchmesser von bis zu 1,4 m. Kassetten mit Kraftstoff werden in einen metallversiegelten Behälter geladen und befinden sich bereits in einem starken Behälter mit einer Dicke von mehr als 20 cm. Der TUK ist mit Temperatur- und Druckregelsystemen im Behälter mit Kraftstoff ausgestattet.
Eine der Gestaltungsmöglichkeiten für den Transport von Kassetten mit 35 Sitzen und Brennelementen. Das Gewicht des Behälters beträgt 86600 kg, das Gehäuse 3820 kg und die Kassette mit 35 Sitzplätzen 9650 kg.
Der Körper des TUK-84 wird unter Verwendung einer speziellen Rolle-zu-Rolle-Technik des „verdrehten Gefäßes“ hergestellt, wenn Stahlstreifen mit einer Dicke von 5 mm und einer Breite von 1,4 m zu einem Zylinder variabler Dicke gewickelt und verschweißt werden. Eine ähnliche Technologie wird verwendet, um Druckbehälter in der chemischen Industrie herzustellen. In Kombination mit dem variablen Querschnitt entsteht ein besonders robustes Gehäuse mit minimalem Gewicht. Infolgedessen hat die TUK für den Transport von AMB mit langem Kraftstoff eine Masse von weniger als 90 Tonnen, so dass sie ohne Einschränkungen auf Spezialwaggons auf der Schiene transportiert werden kann.
Mechanische Falltests von TUK-84.
Bis 2014 produzierte OJSC Uralkhimmash in Jekaterinburg 6 einheitliche TUK-84, mit denen die gesamte Palette von Gehäusen mit AMB-Kraftstoff transportiert werden kann, der im BNPP gelagert wird. Die TUK wurde auf alle Arten von Notaufprallen getestet, einschließlich eines Sturzes aus einer Höhe von 9 m auf ein Flugzeug und von 1 m auf einen Stift.
Die Container eignen sich sowohl für den Transport mit dem Auto als auch mit der Bahn. Im Jahr 2008 wurden in einem Wagenwerk in Tver sechs Wagencontainer für den Transport von TUKs hergestellt.
Außenansicht von Containerwagen für den Transport von TUK-84. Seine Länge beträgt mehr als 28 m. Quelle .
Infolgedessen kam im November 2016 der erste Prototyp eines Containerwagens in der PA von Mayak an und lieferte eine Kassette mit SNF aus AMB-Reaktoren an die radiochemische Anlage, die aus dem Transport- und Verpackungsset entfernt und in den Lagerpool der RT-1-Anlage gelegt wurde. Seit dem 30. Oktober 2017 werden solche Lieferungen regelmäßig und regelmäßig durchgeführt. Ende 2019 war die erste Phase der SNF-Entfernung abgeschlossen - 124 Kassetten mit AMB-Brennelementen wurden entfernt .
In diesem Video können Sie im Informationszentrum der Mayak PA sehen, wie der Kraftstoff geliefert und entladen wird.
SNF-Wiederaufbereitung bei PA Mayak
Seit 1977 ist die einzige russische SNF-Wiederaufbereitungsanlage RT-1 bei PA Mayak in Betrieb . Es verarbeitet eine breite Palette von Brennstoffen für Strom- und Forschungsreaktoren, Eisbrecher und U-Boot-Atomflotten. Aufgrund seiner Spezifität und kleinen Charge hatte der RT-1 jedoch nie eine Leitung zur Wiederaufbereitung von AMB-Kraftstoff. Es wurden jedoch bereits einige Studien durchgeführtzeigten die grundsätzliche Möglichkeit der Wiederaufbereitung abgebrannter AMB-Kernbrennstoffe unter Verwendung der Technologie des klassischen PUREKS-Verfahrens mit dem Auflösen von Brennstoffen in Säuren und der Trennung wertvoller Komponenten (Uran und Plutonium), ohne diese Arbeit jedoch an die Technologie der RT-1-Anlage zu "binden". Später durchgeführte Studien zeigten, dass diese Wiederaufbereitung auf einer nicht ausgelasteten zweiten Leitung zur Wiederaufbereitung von Brennstoff aus schnellen Reaktoren bei RT-1 möglich ist. Es gibt also keine grundsätzlichen Schwierigkeiten bei der Verarbeitung selbst. Es ist jedoch notwendig, Infrastruktur und Workshops für den Empfang und das Schneiden von SNF AMB zu schaffen. Für diese Aufgaben entwirft PA Mayak ein spezielles Gebäude für die Abteilung Schneiden und Bestrafung (ORD), um die Wiederaufbereitung von Kraftstoff vorzubereiten, die beide bereits bei Mayak platziert wurden, und Kraftstoff in Kassetten für die weitere Lieferung aus dem KKW Beloyarsk.
ODS-Projekt (Cutting and Penalizing Department) bei FSUE PA Mayak. Quelle .
Im Rahmen des FTP NRS-1 (Bundeszielprogramm "Gewährleistung der nuklearen Sicherheit und Strahlenschutz für 2008 und für den Zeitraum bis 2015") wurde 2012 mit dem Bau der ersten Stufe des SNF-SNF-Komplexes begonnen. Im Rahmen desselben Programms wurden Arbeiten zur Schaffung des TUK-84 und der erforderlichen Infrastruktur im KKW Belojarsk selbst finanziert. Im Jahr 2015 wurde die erste Phase des Projekts zur Vorbereitung des SNF-Abschnitts zum Schneiden und Verpacken abgeschlossen, einschließlich des Versuchsstandes zum Schneiden von Brennelementen und der Rekonstruktion des Pools B-4 für abgebrannte Brennelemente, der den Start der Kraftstoffaufnahme bei PA Mayak im Jahr 2016 ermöglichte.
Versuchsstand zum Schneiden von Brennelementen bei PA Mayak
Ende 2019 wurden Wettbewerbsverfahren für die Fertigstellung der zweiten Stufe der PIU („Objekt 630“) im Wert von etwa 2 Milliarden Rubel durchgeführt . Die Finanzierung der Arbeiten erfolgt bereits im Rahmen des FTP NRS-2 ( Bundeszielprogramm "Gewährleistung der Nuklear- und Strahlenschutzsicherheit für 2016 - 2020 und für den Zeitraum bis 2030" ). Im Jahr 2024 soll mit der Wiederaufbereitung von Brennstoff aus AMB-100- und AMB-200-Reaktoren begonnen werden. Bis zu diesem Zeitpunkt wird der bereits exportierte Brennstoff bei PA Mayak gelagert und der verbleibende abgebrannte Kernbrennstoff wird zwischen 2026 und 2027 entfernt .
Es ist erwähnenswert, dass die Lösung des AMB-Brennstoffproblems nur ein Beispiel für nukleare Legacy-Probleme in Form von angesammeltem Brennstoff ist. Darüber hinaus haben sich viele Reaktoranlagen angesammelt, wenn auch in geringer Menge, aber aufgrund von Forschungsarbeiten zu Qualität, Brennstoff, der zuvor nicht verarbeitet wurde, unterschiedlich - der Brennstoff einiger Forschungsreaktoren, experimenteller Brennstoff für nukleare U-Boot-Reaktoren. Ein Teil dieses Kraftstoffs ist defekt. Darüber hinaus hat sich für die leistungsstarken Serienreaktoren des KKW RBMK und VVER-1000 bereits in großen Mengen Brennstoff angesammelt.
Im Rahmen der Beseitigung dieses nuklearen Erbes wurde im RT-1-Werk in PA Mayak nicht nur die zweite technologische Linie zur Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente aus AMB-Reaktoren verwendet, sondern 2016 wurde der Wiederaufbau abgeschlossen und die dritte technologische Linie in Betrieb genommen. Es kann Kraftstoff verschiedener Arten verarbeiten, einschließlich eines Kraftstoffs, der noch nie zuvor verarbeitet wurde. Zum Beispiel war die erste Operation auf der modernisierten Linie die Wiederaufbereitung von Uran-Beryllium-Brennstoff aus Atom-U-Booten. Auf dieser Linie wurde es möglich, lange SNF wie VVER-1000 zu verarbeiten, von denen mehr als 6.000 Tonnen in Russland angesammelt wurden. Durch alle geplanten Upgrades kann das RT-1-Werk in PA Mayak praktisch die gesamte Palette der bereits angesammelten und neu gebildeten heimischen Kernbrennstoffe verarbeiten.
Lieferung abgebrannter Brennelemente aus VVER-1000-Reaktoren aus dem KKW Rostow im Dezember 2016. Quelle .
Nach dem Start der AMB-Abteilung für das Schneiden und Verarbeiten von Brennstoffen in Mayak kann die erste Stufe des KKW Beloyarsk endgültig stillgelegt, abgebaut und für den Neubau von Industriebauten gereinigt werden. Daher sollte der Lebenszyklus der ersten Reaktoren russischer Kernkraftwerke mit industrieller Kapazität sicher abgeschlossen werden.
Verwendete Quellen:
- Nukleare Legacy-Probleme und Lösungswege (Band 1), 2012
- „Entfernung abgebrannter Brennelemente aus AMB-100- und AMB-200-Reaktoren aus dem Kernkraftwerk Beloyarsk an FSUE PA Mayak. Anfalova O. V. et al. Fragen der Strahlungssicherheit, Ausgabe: 2 (94) Jahr: 2019
- Das Design des Transportverpackungssatzes TUK-84. Atomic Energy (Band 100, Nr. 6 (2006)), OV Anfalova usw.
- Schaffung von SNF-Managementtechnologien für AMB des KKW Beloyarsk. Kudryavtsev E.G. Umweltsicherheit # 1-2010: SNF-Management.
- Fertigstellung abgebrannter Brennelemente aus AMB- und VVER-440-Reaktoren, um deren gemeinsame radiochemische Wiederaufbereitung bei PA Mayak sicherzustellen. Kudinov A.S. Zusammenfassung der Dissertation, 2015
- Chancen und Perspektiven für die Wiederaufbereitung von SNF im RT-1-Werk. Präsentation des Chefingenieurs der FSUE PA Mayak D. Kolupaev im Forum "Atomeko-2017".