До счетчика Гейгера.
ВОПРОСЫ ТЕПЛОВОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ПОДЗЕМНОГО ОБЪЕКТА ДОЛГОВРЕМЕННОГО ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
В.Г.Николаев, декан физико-энергетического факультета, зав. кафедрой ФГБОУ ВПО КФ ПетрГУ (г. Апатиты Мурманской обл.)
И.П.Карначев, ст. научный сотрудник НИЛ ФБУН СЗНЦ гигиены и общественного здоровья, доцент ФГБОУ ВПО КФ ПетрГУ, к. т. н., (гг. Кировск и Апатиты)
Амосов, доцент ФГБОУ ВПО КФ ПетрГУ, ст. научный сотрудник ФГБУН Горный
институт КНЦ РАН, к. т. н. (г. Апатиты Мурманской области)
Введение. Вопрос обращения с радиационно опасными материалами предполагает оценку различных категорий и методов их хранения, а также различные требования в отношении защиты как для окружающей внешней среды – природной, так и для среды внутренней – на рабочих местах. Согласно российскому «Закону об использовании атомной энергии» (от 21.11.1995 г. № 170-ФЗ [1] — радиоактивными отходами (РАО), являются такие ядерные материалы и радиоактивные вещества, дальнейшее использование которых не предусматривается. Часто считают синонимами понятия РАО и отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Следует различать эти понятия, поскольку РАО, как мы отметили выше - это материалы, использование которых не предусматривается, а ОЯТ представляет собой тепловыделяющие элементы, содержащие остатки ядерного топлива и множество продуктов деления, в основном 137Cs и 90Sr, широко применяемые в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и научной деятельности. Поэтому ОЯТ является ценным ресурсом, в результате переработки которого получают свежее ядерное топливо и изотопные источники. Сегодня существует множество вариантов как реально практических, так и «чисто теоретических» проектов, относительно способов захоронения ОЯТ. Отметим сразу, что некоторые из предложений находятся в стадии научных разработок, другие были запрещены международными соглашениями по критериям безопасности. К наиболее распространенным вариантам хранения ОЯТ, относятся следующие: 1) долговременное наземное хранилище, 2) сверхглубокие скважины, 3) плавление горной породы, 4) закачивание, 5) удаление в море, 7) удаление в зоны подвижек земной коры и ледниковые щиты, 8) удаление в космос [2]. Большинство ученых, исследующих данную проблему, признают наиболее рациональной возможность захоронения ОЯТ в геологическую среду. Отметим, что аспекты хранения и захоронения ядерных материалов на современном этапе, а также различные варианты подходов по этой проблеме с учетом геополитических и экономических потребностей некоторых стран мира подробно рассмотрены в [3].
И если Россия не в состоянии тратить такие же, как например, в США, средства на ликвидацию проблем негативного ядерного наследия, то эффективность расходования выделяемых в России средств должна быть максимальной. Для этого в условиях нашей страны существуют следующие три механизма [4]:
-
Наиболее объективная и обоснованная оценка степени потенциальной опасности различных видов деятельности и объектов обращения с РАО;
-
Дифференцированный подход к обеспечению безопасности при обращении с РАО;
-
И, наконец, создание методик и технологий, реализующих эти механизмы.
Поэтому, учитывая всё вышеизложенное, и несмотря на объективные и субъективные трудности оценки риска ущерба и отсутствие в настоящее время действенных методик оценки, это направление представляется наиболее перспективным именно для внедрения дифференциального подхода, состоящим в разработке наиболее эффективных мер по обеспечению безопасности и управлению рисками, повышению готовности к реагированию на аварии на объектах с ОЯТ.
В работе представлены результаты анализа численных экспериментов, выполненных авторами на базе объемных компьютерных моделей, которые были созданы для исследования теплового режима подземного объекта долговременного хранения неперерабатываемых типов ОЯТ. Работа является естественным продолжением ранее проведенных исследований, кратко изложенных в [5,6]. Согласно критериям тепловой безопасности отвод тепловыделений должен быть организован таким образом, чтобы исключить возможность перегрева в диапазонах: поверхности источника тепловыделений 358 К и вмещающей породы 373 К [7, 8]. Последующим важным аспектом обеспечения тепловой безопасности выступает комплексный анализ температурных режимов воздушной среды. В процессе эксплуатации объекта возможны ситуации, когда потребуется нахождение персонала в модулях хранения, а значит, должны быть неукоснительно соблюдены соответствующие требования норм промышленной безопасности и охраны труда. В качестве базовой информации были использованы разработки специалистов Горного института КНЦ РАН по долговременному хранению неперерабатываемых типов ОЯТ в следующих двух вариантах размещения модулей [8]:
1) металобетонные контейнеры,
2) отдельные чехлы внутри встроенной конструкции (бетонный массив).
Особенности математических моделей. В соответствие с концептуальной подходом сотрудников Горного института КНЦ РАН созданы два типа объемных CFD-моделей объекта в среде COMSOL. Математические модели для обоих вариантов хранения ОЯТ основываются на модели несжимаемой жидкости (уравнения Навье-Стокса и неразрывности), а также уравнении переноса тепла с учетом механизмов конвекции и теплопроводности [9]. Созданные модели обеспечены необходимыми теплофизическими параметрами, а под каждый вариант хранения и вид ОЯТ подобрано наиболее корректное аналитическое описание мощности остаточного энерговыделения. Нестационарная тепловая задача решается следующими методами для различных вариантов хранения ОЯТ - GMRES (метод обобщенной минимальной невязки) и SPOOLS (мультифронтальный метод).
Вариант встроенной железобетонной конструкции. Компьютерная модель варианта хранения ОЯТ во встроенной железобетонной конструкции представлена на рис. 1. Здесь же указаны размеры модуля хранения, а также одна из компоновок расположения блоков с ОЯТ. Для рассматриваемого варианта хранения ОЯТ приняты во внимание два параметра: 1) расход воздуха (значения скорости во входном канале равны 1,0 м/с, 0,5 м/с и 0,25 м/с); 2) компоновки трех видов регионального ОЯТ (U-Zr, U-Be и дефектное).
Для всех 18 компьютерных моделей после выполнения численных экспериментов были построены различные графические изображения распределений температурных и скоростных полей, что позволило проанализировать результаты моделирования и сравнить их с критериями тепловой безопасности [7, 8, 9]. Результаты выполненных исследований свидетельствуют (см. таблицу) что, для варианта железобетонной конструкции возможны компоновки и значения расходов, при которых будут иметь место нарушения тепловых критериев (для удобства восприятия они выделены жирным шрифтом). Отметим, что во всех случаях максимальные температуры прогнозируются в зоне размещения U-Zr топлива. Наиболее неблагоприятными являются компоновки, когда U-Zr топливо размещается во 2-м или 3-м отсеках.
Анализ результатов численных экспериментов применительно к температурным распределениям в воздушной среде позволил констатировать следующие «нормативные критерии» безопасности в варианте встроенной железобетонной конструкции: в выходном канале модуля хранения ОЯТ максимальные температуры воздуха зависят от используемого расхода и составляют 290 К, 292 К и 293 К, соответственно, для обозначенных выше значений скорости воздуха во входном канале. Указанные значения температуры воздуха соответствуют времени хранения ОЯТ длительностью в 1 год, а далее происходит небольшое снижение, что позволяет утверждать – дистанционное обращение с ОЯТ посредством манипуляторов и временное пребывание персонала находится в допустимых пределах.
Контейнерный вариант хранения. Для варианта хранения ОЯТ внутри металлобетонных контейнеров (рис. 2) принят во внимание только один параметр вариации – расход воздуха. Такой выбор обусловлен существенным увеличением продолжительности расчетного времени на этапе решения аэродинамической задачи. Рассмотрены указанные выше значения скорости воздуха во входном канале модуля хранения контейнеров с ОЯТ.
Для контейнерного варианта хранения при минимальном значении параметра вариации также прогнозируется превышение критерия по тепловой безопасности. Например, если при наибольшем расходе воздуха максимальное значение температуры самого разогретого контейнера составляет 322 К, то при уменьшенном в четыре раза расходе становится – 365 К, что является «тревожным сигналом» проектировщикам модуля хранения ОЯТ и необходимостью поиска других вариантов компоновок контейнеров или выбора оптимальных способов организации существующей системы охлаждения. В качестве примера на рис. 3 представлена динамика распределение температуры в граните вдоль оси ОХ при минимальном расходе воздуха. Выполненный прогноз позволяет проследить не только изменение температуры в различных сечениях модели, но и определиться с местоположением самого нагружаемого в тепловом отношении контейнера при вариации расхода воздуха.
Анализ результатов численных экспериментов применительно к температурным распределениям в воздушной среде позволил отметить следующее: в выходном канале модуля хранения ОЯТ максимальные температуры воздуха зависят от используемого расхода и составляют 288,1 К, 288,5 К и 290 К, соответственно, для обозначенных выше значений скорости воздуха во входном канале. Как и в случае железобетонной конструкции, указанные значения температуры воздуха соответствуют времени хранения в 1 год, а далее происходит незначительное снижение, а дистанционное обращение с ОЯТ посредством манипуляторов допустимо и соответствует нормативным требованиям охраны труда. Результаты выполненного исследования, в рамках принятых модельных допущений, позволяют утверждать, что тепловая безопасность объекта хранения, применительно к вмещающему массиву и инженерным барьерам, обеспечивается при неукоснительном соблюдении следующих условий: 1) в 1-м отсеке модуля хранения необходимо размещать U-Zr облученное топливо; 2) расход воздуха, подаваемого в модуль хранения, должен обеспечивать во входном канале скорость не менее 0,5 м/с, что соответствует кратности воздухообмена на уровне 7-9.
Таким образом, при соблюдении указанных технологических режимов в выходном канале модуля хранения ОЯТ – температурный диапазон будут допустимым, а режимы дистанционного обращения с ОЯТ (посредством использования ручных манипуляторов) и ограничением времени пребывания обслуживающего персонала (при условии применения средств защиты – коллективных и индивидуальных) будут являться оптимальными и безопасными [10, 11]. Так, например, в Приложении [11] указаны перечни десяти вариантов исходных событий «проектных аварий» и четыре варианта «запроектных аварий», для которых «сценарный» прогон позволил бы профилактически отработать план мероприятий промышленной безопасности для хранилища ОЯТ. Отметим, что на основе принципов системного анализа далее следует провести исследование системы типа «человек-машина-среда» (ЧМС) в хранилище ОЯТ, с точки зрения возникновения и предупреждения происшествий и аварий при её функционировании, которые могут повлечь за собой ЧП в виде травм [12]. В связи с чем, выделение методом структурной декомпозиции каждой составляющей системы ЧМС позволит оценить систему качественно-количественных критериев оценки безопасности, что может явиться следующим логическим этапом исследования тепловой безопасности подземного объекта хранения ОЯТ с различными вариантами конструкций и компановок.
В заключение работы авторы считают своим долгом выразить признательность и особую благодарность студентам физико-энерегетического факультета КФ ПетрГУ Алексеевой Э.И. и Гореликовой Н.Н. (выпуск 2012 г), принимавших непосредственное и активное участие в разработке компьютерных моделей различных компоновок хранилищ ОЯТ в рамках настоящей работы.
Литература
1. Радиоактивные отходы. URL – http://ru.wikipedia.org/wiki.
2. (1.1) Радиоактивные отходы и способы захоронения. URL – http:// zab.chita/admin/pictures/424 или http://xreferat.ru/112/578-1-problemy-zahoroneniya-radioaktivnyh-othodov-v-geologicheskih-formaciyah.html
3. (2.1) Комлева Е.В. Аспекты хранения и захоронения ядерных отходов. // Маркшейдерское дело (электронный научно-информационный журнал), № 1, 2012. URL – http://mwork.su/markdelo/nomer-1/zadachi-zhurnala
4. (2.2) Агапов А.М., Новиков Г..А., Тюрин Р.Л. О рисках при обращении с радиоактивными отходами. URL – http://www.atomic-energy.ru/articles/2012/06/14/34089
5. (3.1) Гореликова Н.Н., Амосов П.В. Влияние компоновки тепловыделяющих элементов на тепловой режим объекта хранения // Тез. докл. XV межрегиональной научно-практической конференции, 17-19 апреля 2012, г. Апатиты. – Апатиты: КФ ПетрГУ, 2012. – Ч. 1. – С.21.
6. (3.2) Алексеева Э.И., Амосов П.В. Трехмерная компьютерная модель теплового режима подземного объекта хранения регионального ОЯТ // Тез. докл. XV межрегиональной научно-практической конференции, 17-19 апреля 2012, г. Апатиты. – Апатиты: КФ ПетрГУ, 2012. – Ч. 1. – С.22.
7. 3.3. (1) Мельников Н.Н., Конухин В.П., Наумов В.А., Амосов П.В., Гусак С.А., Наумов А.В., Орлов А.О., Смирнов Ю.Г., Караваева Е.В., Новожилова Н.В., Климин С.Г. Научные и инженерные аспекты безопасного хранения и захоронения радиационно опасных материалов на европейском севере России // Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2010. – 305 с.
8. 3.3. (2) Мельников Н. Н., Конухин В. П., Наумов В. А., Гусак С. А. Научное обоснование конструктивно-компоновочных решений подземного хранилища отработавшего ядерного топлива. // Горный журнал, № 9, 2010. – С. 55 -58.
9. 3.4. Николаев В.Г., Амосов П.В., Подшивалова А.В., Хотмиров А.А. Численное моделирование тепловых задач радиационно опасных объектов (на базе компьютерного кода COMSOL): препринт. – Апатиты: КФ ПетрГУ, 2010. – 22 с.
10. 3.5. СП 2.2. 1168 – 02. Санитарные правила обращения с радиоактивными отходами. Информационно-издательский центр Минздрава РФ. – Москва, 2003. – 7 с.
11. 3.6. НП 061 – 05. Правила безопасности при хранении и транспортировании ядерного топлива на объектах использования атомной энергии. Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. – Москва, 2005. – 17 с.
12. 3.7. Карначев И.П., Ефимов Б.В., Никанов А.Н. Обеспечение безопасности труда в производственной сфере (на примере промышленных предприятий горно-энергетического комплекса Кольского Заполярья): монография. – Апатиты, изд. КНЦ РАН, 2006. – 169 с.: ил.