Для России сложившаяся к началу двухтысячных годов ситуация с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ) из-за переполненных «мокрых» бассейнов атомных электростанций и выведенных из эксплуатации атомных подводных лодок с невыгруженным ОЯТ превратилась в техническую, социально-экономическую и организационную проблему государственного масштаба и создала потенциально опасную экологическую обстановку. Предложение ГП «Конструкторское бюро специального машиностроения» (КБСМ) о переводе ОЯТ из «мокрых» бассейнов на «сухое» хранение в металлобетонных контейнерах (МБК ОЯТ) вызвало большой интерес Ленинградской, Курской и Смоленской атомных станций, которые были заинтересованы в безотлагательном решении проблемы хранения собственного ОЯТ.
Предложение было рассмотрено в министерстве атомной промышленности и получило полную поддержку, что позволило сразу же приступить к реализации предложения по МБК ОЯТ на Ленинградской атомной станции. Одновременно была поставлена задача по созданию МБК для ОЯТ атомных подводных лодок, надводных кораблей ВМФ и судов ледокольного флота с ядерными энергетическими установками.
В процессе работ по созданию МБК ОЯТ была создана устойчивая кооперация предприятий-разработчиков и заводов-изготовителей в составе «КБСМ», «ВНИИЭФ», «Прометей», «ЦКБМ», «26 ЦНИИ МО», «Ижорские заводы», «Севмаш», «Фирма «Союз-01». Задача, которая была поставлена перед «Фирмой «Союз-01» ― создание уплотнения для защитной крышки МБК и организация его промышленного производства.
Особенностью работы уплотнения подобных защитных крышек является высокий уровень радиационного и температурного воздействия в течение всего срока эксплуатации контейнера, а также высокие требования к герметичности в нормальных и аварийных условиях эксплуатации. Возможность аварийных ситуаций должна была учитываться в соответствии с требованиями, предъявляемыми к контейнерам указанного назначения нормативными документами РФ и рекомендациями МАГАТЭ. К числу факторов, характерных для аварийных ситуаций, относятся падение контейнера с моста и высокий уровень нагрева при попадании контейнера в зону пожара.
По результатам экспериментальных исследований и испытаний по методике ускоренной оценки сохраняемости свойств материалов уплотнений, проведенных специалистами Радиевого института им. В. Г. Хлопина и «ЦНИИ материалов», ЗАО «Фирма «Союз-01» была разработана конструкция узла уплотнения со спирально-навитой прокладкой (СНП), обеспечивающая герметичность крышки контейнера, заполненного средой с высокой проникающей способностью, при нормальных и аварийных условиях эксплуатации в течение 50 лет.
В дополнение к основному требованию о сохранении герметичности, техническим заданием было определено также обязательное закрепление уплотнительного элемента на крышке контейнера. Данное требование обуславливалось тем, что установка крышки на загруженный отработанным топливом контейнер должна производиться посредством манипулятора без присутствия в зоне монтажа обслуживающего персонала. Узел уплотнения со СНП для МБК ОЯТ защищен патентами РФ № 2179675 и № 2184895. Конструкция узла уплотнения защитной крышки содержит установленную в кольцевой проточке, выполненной на торцевой поверхности фланца защитной крышки, СНП с внутренним металлическим г-образным кольцом (рис. 1) и закрепленного на нижнем торце защитной крышки стопорного фланца. При этом внутреннее г-образное кольцо с СНП установлено с возможностью ограниченного перемещения вдоль своей оси, при деформировании СНП в процессе стягивания уплотняемого соединения.
Благодаря креплению СНП на защитной крышке она может быть установлена и при необходимости удалена из контейнера в сборе с защитной крышкой, что упрощает обслуживание МБК при эксплуатации (например, при замене СНП) и обеспечивает повышение радиационной безопасности при обращении с МБК, так как при обслуживании СНП обеспечивается возможность работы персонала в радиационно безопасной зоне.
Конструкция СНП включает в себя чередующиеся витки профилированной металлической ленты и графитовой фольги, а также внутреннюю и внешнюю обмотки из профилированной металлической ленты, витки которых соединены с помощью контактной точечной сварки. Первый виток внутренней обмотки закреплен с помощью сварки на г-образном кольце.
СНП выполнена таким образом, что в исходном состоянии графитовая фольга со стороны каждой из торцевых поверхностей СНП выступает за пределы каркаса, а профилированная металлическая лента СНП на участке спирали, расположенном между слоями графитовой фольги, имеет несколько перфорационных отверстий в центральной части V-образного профиля с возможностью заполнения отверстий графитом в рабочем состоянии. При закрывании защитной крышки осуществляется равномерная затяжка гаек на шпильках, установленных в корпусе. При затяжке гаек вначале происходит пластическое деформирование участков из графитовой фольги, выступающих по высоте СНП за пределы металлического каркаса СНП. При этом со стороны каждого из торцов СНП образуется сплошная графитовая прослойка, заполняющая как торцевые зазоры металлического каркаса СНП, так и микронеровности уплотняемых поверхностей. При дальнейшем сближении крышки и корпуса контейнера происходит дополнительный изгиб профиля поперечного сечения СНП. При этом изгибе происходит сжатие графита, который заполняет перфорационные отверстия с необходимым уровнем плотности. Таким образом, графит прерывает (перекрывает) спиральные тракты, по которым возможно протекание среды.
Наличие торцевой прослойки из графита и заполненных графитом перфорационных отверстий в каркасе СНП исключает возможность протекания среды по торцам и по каркасу, в результате чего достигается повышение уплотняющей способности СНП, позволяющее применять СНП этой конструкции для сред с высокой проникающей способностью. Ключевым моментом обоснования безопасности МБК явились испытания на герметичность СНП в составе МБК при имитации аварийных ситуаций.
Специально разработанные стенды позволили произвести испытания контейнеров массой до 140 тонн сбрасыванием с высоты 9 метров на жесткое основание (рис. 2) и тепловые испытания на воздействие пожара (рис. 3 а, б).
До начала испытаний на «удар» и «пожар» и после них производился контроль герметичности СНП с применением гелия в качестве контрольного газа (см. таблицу 1).
Процедура контроля до и после имитации аварийных режимов осуществлялась следующим образом. Гелиевый течеискатель и вспомогательный форвакуумный насос размещались в непосредственной близости от контейнера. Используемые вакуумные линии выполнены сильфонными из нержавеющей стали. Вывод на режим гелиевого течеискателя ПТИ-10 производился в соответствии с инструкцией по его эксплуатации, а в его азотную ловушку был залит жидкий азот.
Откачка воздуха из канавки между СНП и прокладкой для сбора протечек производилась до 7 Па. Далее при полностью открытом входном вентиле течеискателя определялся исходный фон в замкнутом объеме между СНП и прокладкой сбора протечек, а с помощью внешней калиброванной течи устанавливалась чувствительность течеискателя.
Для определения потока гелия через СНП во внутреннюю полость МБК через клапан и присоединительное устройство из баллона подавался сжатый гелий. Избыточное давление гелия в воздушно-гелиевой смеси внутри контейнера перед испытаниями на герметичность СНП устанавливалось равным 0,3 кгс/см2. Измерения натекания гелия через СНП проводились в течение 35 минут (контрольное время) и в течение 8 часов (сверхнормативный контроль). При оценке результатов испытаний считалось, что СНП не имеет сквозных дефектов, если замеренная величина потока контрольного газа гелия не превысит 10-6 м3 Па/с.
К 2015 г. ЗАО «Фирма «Союз-01» для заводов-изготовителей и предприятий, эксплуатирующих МБК, изготовило и поставило более 200 СНП диаметром 1600 мм для «МБК ― РБМК» на «Севмаш», «ГХК», Ленинградскую, Курскую и Смоленскую АЭС и 300 СНП и диаметром 800 мм для «МБК ― ВМФ» на ДВЗ «Звезда» и «Атомфлот», которые в настоящее время загружены ОЯТ и установлены на временное хранение.
Представленная выше конструкция СНП может эффективно применяться и в арматуростроении, например, во фланцевых соединениях сильфонных вентилей для АЭС.
Опубликовано в "Вестнике арматурщика" № 5 (25) 2015
Размещено в номере: "Вестник арматурщика" № 5 (25) 2015
