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Em 1964, os primogênitos das duas direções da energia nuclear pacífica começaram a trabalhar na URSS. Em setembro, o primeiro reator de água pressurizada VVER-210 foi lançado na NPP de Novovoronezh. Mas meio ano antes, em abril de 1964, o reator de água-grafite AMB-100 foi colocado em operação na central nuclear de Beloyarsk. Assim, a primeira usina nuclear pacífica na URSS foi a NPP Beloyarsk com o reator AMB-100 (Atom Peaceful Large) com capacidade de 100 MW. Esse reator não produzia mais plutônio para armas, e a própria estação não estava localizada no território da fábrica de armas. No entanto, o projeto do reator era semelhante ao de seus predecessores pacíficos (AM) e semimilitares (EI e ADE) - é um reator de canal de água-grafite com elementos combustíveis tubulares. A segunda unidade, duas vezes mais potente, com o reator AMB-200, foi colocada em operação em dezembro de 1967.Eles trabalharam por 17 e 21 anos e foram parados em 1984 e 1989, respectivamente.
Sobre a construção e arranjo do NPP Beloyarsk na década de 1960, você pode assistir a este documentário - NPP Beloyarsk nomeado após I. In Kurchatova, 1965
Em muitos aspectos, o trabalho desses reatores era de natureza de pesquisa, os dados obtidos em seu trabalho serviram de base para a criação de reatores RBMK dez vezes mais potentes, que formaram a base da indústria de energia nuclear soviética nas décadas de 1970-1980.
Nos reatores AMB, pela primeira vez em escala industrial, o esquema de superaquecimento nuclear a vapor foi testado para aumentar a eficiência (foi alcançado um valor de 37%). No entanto, a operação das unidades de energia AMB foi acompanhada por um número significativo de desvios e avarias. Também ocorreram acidentes.
Assim, em 25 de maio de 1976, na segunda unidade, ao atingir a alimentação, após o acionamento da proteção de emergência, várias dezenas de conjuntos de combustível (FA) foram danificados. Este acidente foi um dos mais graves em termos de consequências e as obras de restauro duraram cerca de 9 meses.
Beloyarsk NPP hoje permanece especial, inovador e experimental - usa soluções que são novas para a indústria. Agora, as únicas unidades de energia industrial do mundo com reatores rápidos BN-600 e BN-800 operam aqui.
O reator industrial rápido mais poderoso em operação no mundo é o BN-800. Foto do autor.
O primeiro estágio do NPP com unidades AMB está no modo de conservação de longo prazo. As unidades de força estão totalmente desligadas há mais de 30 anos, mas, de acordo com os padrões internacionais, não podem ser descomissionadas enquanto tiverem combustível gasto. O SNF restante deles foi descarregado nas piscinas de combustível irradiado, os buracos tecnológicos nos próprios reatores foram fechados usando um conservante de resina especial.
Bloco de painel de controle do reator AMB-200. O painel de controle ainda é parcialmente utilizado para controlar o fornecimento de calor da estação para a cidade de Zarechny e para garantir as próprias necessidades do BNPP. Foto do autor.
Para o descomissionamento completo dessas unidades, é necessário, antes de tudo, resolver a questão do combustível nuclear irradiado (SNF), que acumula pouco menos de 300 toneladas, a maior parte das quais se encontra na estação em condições insatisfatórias.
O SNF acumulado dos reatores AMB pertence ao chamado legado nuclear da URSS, para solucionar os problemas dos quais esforços consideráveis têm sido feitos nos últimos anos.
Características do combustível AMB
Um dos principais problemas associados ao motivo pelo qual o reprocessamento ou armazenamento seguro do combustível nuclear irradiado AMB não foi organizado anteriormente é uma grande variedade de tipos desse combustível e suas dimensões não padronizadas. Por quase 38 anos de operação do reator AMB, mais de 40 tipos de conjuntos de combustível (FAs) foram testados para evaporação e superaquecimento dos canais de reatores.
Os conjuntos de combustível têm dimensões não padronizadas - 14 m de comprimento, o que é 4 m a mais do que os conjuntos de combustível do maior reator doméstico RBMK. Ao mesmo tempo, o combustível foi colocado apenas nos 6 metros centrais, correspondentes à altura do núcleo, e os interruptores de limite de 4 metros foram preenchidos com pirografita. O próprio combustível granulado também era atípico - estava no material de enchimento (cobre, magnésio ou cálcio), cuja massa chegava a 16%. O urânio combustível com enriquecimento de 2 a 20% U-235 foi dividido em vários grupos na composição - óxido (próximo ao dióxido de urânio moderno), liga metálica com adição de 3-9% de magnésio, carboneto (UC).
Durante o período de operação, 7196 canais de combustível foram removidos dos reatores(cerca de 285 toneladas de combustível nuclear usado), das quais 2.227 (cerca de 95 toneladas de combustível nuclear usado) foram enviadas para a usina RT-1 em PA Mayak, Ozersk, e o restante permaneceu nas instalações de armazenamento perto do reator na NPP Beloyarsk até 2016. Nas décadas de 1970 e 1980. a possibilidade de reprocessamento de combustível na PA Mayak foi investigada. Mostrou-se a possibilidade fundamental de organizar as etapas iniciais do processo. Mas os principais problemas estavam associados ao corte das montagens e à sua preparação para a dissolução. A questão não se tratava do reprocessamento prático do combustível nuclear usado, de modo que o problema do manuseio do combustível AMB aguardava sua solução adiada.
SNF da AMB foi armazenado no Beloyarsk NPP em dois pools de armazenamento em cassetes de 17 e 35 compartimentos (cassetes) e em caixas individuais. As capas para 35 lugares eram feitas de aço inoxidável, as capas para 17 lugares eram feitas de aço carbono e eram revestidas com chumbo vermelho por dentro e por fora antes de serem instaladas na piscina. Inicialmente, foi planejado armazenar os canisters por um curto período de tempo em dois tanques de armazenamento e, em seguida, enviá-los para processamento radioquímico na PA Mayak. Mas, em conexão com o colapso da URSS, o processo se arrastou por duas décadas.
Já no início dos anos 2000. o maior problema era o combustível em cassetes de 17 lugares. A maioria dessas cassetes já estava nos tanques de retenção por mais de 20 anos, o que excede sua vida útil projetada de 15 anos. Portanto, presumiu-se que todos eles perderam sua estanqueidade e foram preenchidos com água das piscinas de armazenamento. Ao mesmo tempo, eles foram carregados com conjuntos de combustível irradiado de designs anteriores e imperfeitos com uma queima significativamente maior, bem como quase todo o combustível danificado. No total, os cassetes contêm cerca de 20% dos conjuntos de combustível danificados durante a operação. O estado provável dos produtos de corrosão do combustível é uma mistura na forma de uma pasta dos produtos de corrosão dos componentes da composição do combustível com fragmentos de buchas de grafite. Uma quantidade significativa do combustível tinha uma matriz de magnésio,que, se a estanqueidade do revestimento do elemento combustível for danificada, está sujeita à corrosão pela água. O combustível também pode acabar no fundo da piscina.
Na planta RT-1 de PA Mayak, 131 cassetes K-17 (cerca de 95 toneladas de combustível nuclear usado) são armazenados, que foram fornecidos lá durante 10 anos, começando em 1972. Os cassetes são colocados na parte de águas profundas do reservatório de combustível irradiado. Cassetes de aço resistente à corrosão, 103 unid. e 28 cassetes em aço estrutural preto são armazenados suspensos nos consoles da piscina. Para evitar corrosão, são colocados em caixas de aço inoxidável. O método aplicado garante o armazenamento seguro do combustível nuclear usado e evita a contaminação das águas da piscina com produtos de fissão dos conjuntos de combustível irradiado, mas não garante que não surjam problemas no futuro que levem à destruição do combustível nas cassetes, bem como à necessidade de recusar armazenar as cassetes em estado suspenso.
Escolha de opções de manuseio de combustível
Tendo em conta a complexidade da situação com o combustível AMB, foram consideradas várias opções para o seu manuseamento: envio para armazenamento temporário com posterior resolução do problema de processamento; envio para armazenamento de longo prazo com posterior enterro; corte e colocação em vasilhames na própria NPP, e então envio para processamento no PA Mayak; entrega de conjuntos de combustível irradiado para PA Mayak, corte e processamento.
No entanto, devido à grande quantidade de combustível de emergência, sua degradação contínua e o alto custo de construção de uma instalação de armazenamento moderna para tal quantidade de combustível não padrão, decidiu-se reprocessar o combustível nuclear usado AMB em PA Mayak. Para isso, foi necessário tomar uma série de medidas urgentes para eliminar as ameaças ao armazenamento seguro do combustível nuclear irradiado na central nuclear de Beloyarsk (por exemplo, desde 2001, foi organizado um sistema de purificação de água para o reservatório de combustível irradiado) e, ao mesmo tempo, preparar uma solução para dois problemas - transporte de combustível e seu posterior processamento na usina RT-1.
Transporte de combustível
Para transportar com segurança o combustível do BNPP ao FSUE PA Mayak, foi necessário desenvolver um kit especial de transporte e embalagem (TUK) para conjuntos de combustível longos com um comprimento de cerca de 14 me um vagão de contêiner especial, para justificar a segurança de transporte e armazenamento de combustível danificado, bem como desenvolver o manuseio de TVS.
Como resultado, RFNC-VNIITF, juntamente com OJSC Uralkhimmash, em 2006 desenvolvido e patenteadoduas versões do contêiner de transporte e embalagem TUK-84 para carregar cassetes de 17 e 35 lugares com SNF AMB. O contêiner TUK-84 tem um comprimento de mais de 15 metros e um diâmetro de até 1,4 m. Os cassetes com combustível são carregados em um contêiner de metal lacrado e já está colocado em um contêiner forte com mais de 20 cm de espessura. O TUK está equipado com sistemas de controle de temperatura e pressão dentro do contêiner com combustível.
Uma das opções de design para transportar cassetes de 35 lugares com conjuntos de combustível. O peso do contêiner é 8.6600 kg, a caixa é 3.820 kg e o cassete de 35 lugares é 9.650 kg.
O corpo do TUK-84 é feito usando uma técnica especial roll-to-roll de “recipiente torcido”, quando tiras de aço de 5 mm de espessura e 1,4 m de largura são enroladas e soldadas em um cilindro de espessura variável. Uma tecnologia semelhante é usada para criar vasos de pressão na indústria química. Combinado com a seção transversal variável, ele cria uma caixa particularmente robusta com peso mínimo. Como resultado, o TUK para transporte de combustíveis longos AMB tem uma massa inferior a 90 toneladas, o que permite que seja transportado por ferrovia em vagões especiais sem restrições.
Testes mecânicos de queda do TUK-84.
Em 2014, OJSC Uralkhimmash em Yekaterinburg produziu 6 TUK-84s unificados, que permitem o transporte de toda a gama de carcaças com combustível AMB armazenado no BNPP. O TUK foi testado para todos os tipos de impacto de emergência, incluindo uma queda de uma altura de 9 m para um avião e de 1 m para um pino.
Os contêineres são adequados para transporte tanto de carro quanto de trem. Em 2008, seis vagões-contêineres para transporte de TUKs foram produzidos na fábrica de carruagens da cidade de Tver.
Visão externa de vagões de contêiner para transporte do TUK-84. Seu comprimento é superior a 28 m. Fonte .
Como resultado, em novembro de 2016, o primeiro vagão de contêiner experimental chegou ao Mayak PA, entregando à planta radioquímica um cassete com SNF dos reatores AMB, que foi removido do conjunto de transporte e embalagem e colocado no pool de armazenamento da planta RT-1. Desde 30 de outubro de 2017, essas entregas são realizadas de forma regular e regular. No final de 2019, a primeira etapa da remoção do SNF foi concluída - 124 cassetes com conjuntos de combustível AMB foram removidos .
Você pode ver como o combustível é entregue e descarregado neste vídeo do centro de informações do Mayak PA.
Reprocessamento SNF em PA Mayak
Desde 1977, a única usina de reprocessamento SNF russa RT-1 está operando em PA Mayak . Ele processa uma ampla gama de combustível para reatores de energia e pesquisa, quebra-gelo e frota nuclear de submarinos. Porém, devido à sua especificidade e pequeno lote, o RT-1 nunca teve linha para reprocessar combustível AMB. No entanto, uma série de estudos realizados anteriormente, mostrou a possibilidade fundamental de reprocessar o combustível nuclear irradiado da AMB usando a tecnologia do processo clássico PUREKS com a dissolução do combustível em ácidos e a separação de componentes valiosos (urânio e plutônio), mas sem "amarrar" esse trabalho à tecnologia da usina RT-1. Estudos posteriores mostraram que esse reprocessamento é possível na segunda linha subutilizada para reprocessamento de combustível de reatores rápidos do RT-1. Portanto, não há dificuldades fundamentais com o processamento em si. Porém, é necessária a criação de infraestrutura e oficinas para recebimento e corte de SNF AMB. Para essas tarefas, PA Mayak está projetando um prédio especial para o departamento de corte e penalização (ORD) para preparar o combustível de reprocessamento, ambos já colocados em Mayak, e combustível em cassetes para sua entrega posterior da NPP de Beloyarsk.
Projeto do Departamento de Corte e Penalização (ODS) no FSUE PO Mayak. Fonte .
No âmbito do FTP NRS-1 (Programa Federal Target “Garantir a Segurança Nuclear e Radiológica para 2008 e para o Período até 2015”), em 2012 teve início a construção da primeira fase do complexo de gestão SNF SNF. No âmbito do mesmo programa, o trabalho foi financiado para criar o TUK-84 e a infraestrutura necessária na própria NPP de Beloyarsk. Em 2015, foi concluída a primeira etapa do projeto de preparação da seção de corte e empacotamento SNF, incluindo a estande experimental para corte de conjuntos de combustível e a reconstrução do reservatório de combustível irradiado B-4, que permitiu iniciar a entrada de combustível no PA Mayak em 2016
Estande experimental para corte de conjuntos de combustível na PA Mayak
No final de 2019, procedimentos competitivos foram executados para a conclusão da segunda fase do PIU (“objeto 630”), no valor de cerca de 2 bilhões de rublos . O financiamento das obras é realizado já no âmbito do FTP NRS-2 ( Programa Federal Target "Garantir a Segurança Nuclear e Radiológica para 2016-2020 e para o Período até 2030" ). Em 2024, está previsto o início do reprocessamento do combustível dos reatores AMB-100 e AMB-200. Até aquele momento, o combustível já exportado ficará armazenado no PA Mayak, e o restante do combustível nuclear usado será retirado em 2026-2027 .
É importante notar que resolver o problema do combustível da AMB é apenas um exemplo dos problemas do legado nuclear na forma de combustível acumulado. Além disso, muitas usinas de reatores se acumularam, ainda que em pequena quantidade, mas variadas devido aos trabalhos de pesquisa sobre a qualidade do combustível não processado anteriormente - o combustível de alguns reatores de pesquisa, combustível experimental para reatores nucleares submarinos. Parte desse combustível está com defeito. Além disso, o combustível já se acumulou em grandes quantidades para os poderosos reatores seriais do NPP - RBMK e VVER-1000.
Como parte da eliminação desse legado nuclear, na usina RT-1 da PA Mayak, não apenas a segunda linha tecnológica foi utilizada para o reprocessamento do combustível nuclear irradiado dos reatores AMB, mas em 2016 a reconstrução foi concluída e a terceira linha tecnológica foi colocada em operação. Ele pode processar vários tipos de combustível, incluindo um que nunca foi processado antes. Por exemplo, a primeira operação na linha modernizada foi o reprocessamento de combustível urânio-berílio de submarinos nucleares. Nesta linha, tornou-se possível processar SNF longos, como VVER-1000, dos quais mais de 6 mil toneladas foram acumuladas na Rússia. Como resultado de todas as atualizações planejadas, a planta RT-1 em PA Mayak será capaz de processar quase toda a gama de combustível nuclear doméstico, tanto já acumulado quanto recém-formado.
Entrega de combustível nuclear usado de reatores VVER-1000 da NPP de Rostov em dezembro de 2016. Fonte .
Após o lançamento da seção de corte e processamento de combustível da AMB em Mayak, o primeiro estágio da NPP Beloyarsk pode ser finalmente desativado, desmontado e limpo para novas construções industriais. Assim, o ciclo de vida dos primeiros reatores das usinas nucleares russas de capacidade industrial deve ser concluído com segurança.
Fontes usadas:
- Problemas de legado nuclear e maneiras de resolvê-los (Volume 1), 2012
- “Remoção de combustível nuclear usado dos reatores AMB-100 e AMB-200 do NPP Beloyarsk para FSUE PA Mayak. Anfalova O.V. et al. Questões de segurança de radiação, Edição: 2 (94) ano: 2019
- O design do conjunto de embalagem de transporte TUK-84. Energia atômica (Volume 100, No. 6 (2006)), OV Anfalova e etc.
- Criação de tecnologias de gerenciamento SNF para AMB de Beloyarsk NPP. Kudryavtsev E.G. Segurança ambiental # 1-2010: Gerenciamento SNF.
- Conclusão do combustível nuclear usado dos reatores AMB e VVER-440 para garantir seu reprocessamento radioquímico conjunto no PA Mayak. Kudinov A.S. Resumo da dissertação, 2015
- Oportunidades e perspectivas para reprocessamento SNF na planta RT-1. Apresentação do engenheiro-chefe da FSUE PA Mayak D. Kolupaev no fórum "Atomeko-2017".