Сайт журнала "Экологический Вестник России"

Моделирование и производство контейнеров как оболочковых конструкций для захоронения радиоактивных отходов

С развитием атомной энергетики в мире обостряется проблема изолирования радиоактивных отходов (РАО) для предотвращения их влияния на окружающую среду. Методы борьбы с влиянием РАО основаны на том, что они должны перерабатываться, храниться, транспортироваться и быть захоронены таким образом, чтобы на протяжении всего срока потенциальной опасности отходы не оказывали бы вредного влияния на человека и природную среду. Проблема экологически надежного и экономически оправданного обращения с РАО актуальна для всех стран.

Одним из возможных решений этой проблемы, к которому склоняются специалисты большинства стран, заключается в фиксировании радионуклидов в твердой матрице (контейнере) и захоронении их в геологической формации или специально построенном хранилище. При этом создаются два защитных барьера, препятствующие выносу радионуклидов, - искусственный барьер в виде защитного контейнера и естественный барьер в виде горной породы или стенок бетонного хранилища в сочетании с толстым слоем грунта. Обеспечение такой стратегии предполагает использование новых материалов и технологий изготовления контейнеров, обеспечивающих экологически безопасное обращение с РАО.

Среди материалов, которые используют для изготовления контейнеров, чаще всего выступают железоуглеродистые сплавы и их сочетания с другими материалами: тяжелый бетон, переплавленные с последующей термообработкой горные породы типа базальта, порферита, горнблендита. Наиболее рационально использовать чугунные, стальные литые или литосварные конструкции, армированные неметаллическими материалами, которые имеют ряд физико-химических и механических свойств, позволяющих нейтрализовать действия радиоактивных отходов. Как показал опыт института ФТИМС, такие конструкции удобно и экономически выгодно получать методом литья по газифицируемым моделям (ЛГМ), а работы по промышленному изготовлению и испытанию двух видов многослойных контейнеров завершены в институте с патентованием улучшенной конструкции таких контейнеров и нового метода моделирования их конструкции.

В цикле работ по сохранению окружающей среды научно-конструкторской группой проведены приемные испытания опытных образцов контейнеров - упаковочно-транспортных комплектов ПКТІВ-260-12/1 и ПКТІВ-260-60/1 (маркировки по чертежу), предназначенных для безопасного транспортирования отработанных источников ионизирующего излучения типа ГІК-7-3 и ГІК-7-4 с изотопом 60Со. Эти контейнеры также могут быть использованы для выполнения работ на предприятиях, где необходимо исключение из употребления отработанных закрытых источников с указанным изотопом.

Приемные испытания проведены по «Программе и методике приемных испытаний ПМВ-04-07/09», разработанной НПП «Атомкомплексприбор», согласованной с Государственным комитетом ядерного регулирования. Эти испытания с привлечением специализированных организаций проводились на территории института ФТИМС. Проведена проверка на соответствие требованиям технического задания для серийного производства комплектов по заказам предприятий. Для проведения испытаний конструкторским сектором отдела формообразования под рук. главного конструктора Здохненко В. В. была разработана конструкторская документация на ванну для испытаний контейнеров на герметичность, загон для сбрасывания контейнеров с высоты для испытания конструкции в сборе, на автоклав для испытаний на герметичность при имитации погружения на 15 м. Также выполнен проект строительства специальной площадки, где проводилось сбрасывание контейнеров с высоты 1,5 и 9 м.

Все это оборудование было изготовлено и испытания контейнеров проведены. Обследование внешнего вида литосварной конструкции комплектов, ее габаритных размеров и массы показали соответствие техническому заданию. Выполнены проверки строповых приспособлений, работоспособности механизмов, защитных свойств, проверка на герметичность и действие удара (на глубину разрушения), сохранение герметичности и защитных свойств при сбрасывании с высоты 1,5 м. Указанные испытания дали положительные результаты и позволили перейти к следующим испытаниям, согласно которых проведено сбрасывание с высоты 9 м, испытание погружением в воду на глубину 15 м с контролем сохранения герметичности, защитных свойств и работоспособности механизмов контейнеров. Завершение описанных испытаний дало все основания рекомендовать опробованную технологию для промышленного изготовления литосварных упаковочно-транспортных комплектов указанных марок, которые являются многослойными многоместными контейнерами. Эти контейнеры по своим конструктивным особенностям (увеличение емкости при сохранении габаритных размеров) не имеют аналогов в мировой практике, что также позволит рационально использовать площади хранилищ ядерных отходов [1]. На рис. 1 показаны модель контейнера из пенопласта и отливки корпусов. На нижнем снимке показаны корпус и крышка контейнера при сборке для испытаний.

Рис. 1. Модель из пенопласта (а) и отливка корпуса малого контейнера (б), большой контейнер (в)

Предложено армирование конструкций для защиты от радиации, перевозки и захоронения радиоактивных отходов при литье практически биметаллических конструкций [2], а также разработана конструкция литого корпуса контейнера для захоронения РАО со вставками из каменного материала в стенках контейнера. Такие вставки подобны песчаным литейным стержням со всех сторон обливаются металлом и остаются в теле отливки. Материал этих вставок имеет защитные функции не ниже металла, из которого отливают контейнер. Такая конструкция трехслойных стенок литого контейнера предложена для снижения веса отливки корпуса контейнера и запатентована [3]. Дальнейшее совершенствование конструкции контейнера предложено выполнять при помощи физического моделирования методом, описанным ниже.

По своей сути описанное проектирование конструкции контейнеров со снижением веса отливок при сохранении их требуемой прочности явилось примером или частным случаем решения важной проблемы металлосбережения в машиностроении. Такой подход к совместной оптимизации металлоконструкции и технологии ее литья с целью достижения максимального коэффициента использования металла является важным условием правильного конструирования литых деталей. Снижение металлоемкости продукции и связанное с ним энергосбережение в экологически небезопасном литейно-металлургическом комплексе закономерно ведет к сокращению загрязнения окружающей среды и экономии энергоносителей.

С точки зрения проектирования, литые детали емкостей, в нашем случае контейнеров, подлежащие монтажу свариванием или цельнолитые, представляют собой оболочковые конструкции. В зависимости от габаритных размеров, конструктивного оформления, характерных особенностей изготовления и эксплуатации оболочковые конструкции можно разделить на негабаритные емкости и сооружения, сосуды, работающие под давлением, трубы и трубопроводы (рис. 2). Их ребра часто можно представить в виде арок, а также применить моделирование методом перевёртывания цепной линии для поиска идеального очертания для арок и куполов по аналогии, известной в строительстве. Подобные арочные и оболочковые элементы имеют, кроме люков и корпусов контейнеров, например, такие массовые чугунные отливки, как канализационные и телефонные люки, дождеприемники, горизонтальные тротуарные решетки. Однородная арка в форме перевёрнутой цепной линии испытывает только деформации сжатия, но не изгиба.

Рис. 2. Примеры моделей отливок оболочковых конструкций: крана (а), тиглей (б), трубы (в).

Для аналогичной оптимизации оболочек в трехмерном измерении известно применение метода инверсии гибких висячих сетей, формируемых из плоского положения действием силы тяготения. Метод физического моделирования опорной поверхности безмоментной сводчатой оболочки сложной криволинейной поверхности реализуют путем переворачивания висячих сетей [4]. Такую сеть-паутину, свисавшую с потолка, часто использовал архитектор А. Гауди (1852-1926). Суть моделирования – в приравнивании сил сжатия силам растяжения, купол имитируют в перевернутом виде. Веревки с грузами заменяют представление части купола, колонны, стены. Если стены была толщиной в полкирпича, то на веревке, через каждые 5 см крепили свинцовые грузики по 10 г, если в полный кирпич - по 20 г. Получалась цепь из грузов. Если купол должен быть установлен на 6 разветвленных колонн, то к потолку подвешивали 6 таких масштабированных цепей и к их концам крепили веревки с грузами, пропорционально весу купола. В итоге получали «цепной» прогиб. Оставалось обрисовать форму, зафиксировать пропорции линейкой и перевернуть картинку. Если на купол надо поставить статую, к центру веревочной паутины подвешивали груз, соизмеримый со статуей. Форма купола изменялась, он вытягивался, меняли угол «колонны».

Однако предложенные сегодня висячие сети – это специальные, гибкие растягивающиеся достаточно дорогие конструкции [4], из плоского положения которых часто сложно сформировать действием силы тяготения оболочку требуемой выпуклости при закреплении ее над отверстием произвольной формы. Поэтому для оболочковых конструкций по аналогии с моделированием методом переворачивания висячих сетей предложено моделирование методом переворачивания провисающей нагретой термопластичной синтетической пленки. Для испытаний использовали полиэтиленовую пленку или сэвилен марки 11304-075, ТУ 6-05-1636-97, которая часто применяется при вакуумной формовке для облицовывания модельных комплектов при ее не менее 6-ти кратном удлинении. Толщина пленки - в пределах 75-100 микрон. Пленка при нагревании до пластичного состояния в литейном цехе провисала под собственным весом. Опробовали моделирование формы отливки крышки люка полиэтиленовой пленкой, закрепив ее в проеме и нагревая ее рядом трубчатых электронагревателей (ТЭН). Когда пленка провисла на требуемое расстояние, ее фотографировали сбоку для обработки изображения на компьютере. Величину провисания регулировали изменением температуры ТЭНов или степени их приближения в пленке. Для глубокого провисания допустимо применение нагревателей инфракрасного излучения или другого типа. Пленка легко закрепляется по краю проема любой конфигурации, а подобная технология нагревания отработана для процесса вакуумной песчаной формовки. Это упрощало моделирование без применения сетей особой конструкции со специальными свойствами и сложным процессом регулирования степени провисания.

Предложено физическое моделирование таким же методом деталей литого контейнера для захоронения РАО, описанного выше и в работах [1-3]. Моделирование оптимальной формы стенок и вставок в них из каменного материала, применение армированных конструкций пространственными каркасами позволит облегчить отливку путем снижения расхода металла при сохранении служебных свойств корпуса контейнера.

Литература

1. Здохненко В. В., Дорошенко В.С. Литые контейнеры для захоронения радиоактивных отходов // Энергетика и промышленность России. - 2013. -№ 01-02.- С. 47.

2. Дорошенко В.С. Армированные конструкции для защиты от радиации, перевозки и захоронения радиоактивных отходов // Сотрудничество для решения проблемы отходов: Матер. VI Междунар. конф. (8–9 апр. 2009, Харьков). Х.: ЭкоИнформ. - 2009. – С. 51 - 52

3. Пат. 90494 Украины, МПК В22D 25/00, В22D 15/00, G01F 5/00. Способ изготовления отливки корпуса контейнера для захоронения и транспортировки радиоактивных отходов / Козак Д. С., Бубликов В. Б., Шейко А. А. и др. - Опубл. 10.11.2009, бюл. № 21.

4. Козлов Д. Ю. Топологический метод создания физических моделей точечных поверхностей // МАРХИ - 2008. - № 1 http://www.marhi.ru/AMIT/2008/1kvart08/Kozlov/article.php

В.C. Дорошенко,

к.т.н., с.н.с.,

Физико-технологический институт металлов

и сплавов Национальной академии наук Украины,

Киев, Украина.