Требования к транспорту и пакетированию

Большое количество радиоактивных веществ, образующихся на разных этапах ядерного топливного цикла (ЯТЦ), необходимо транспортировать между различными объектами, составляющими цепочку этого цикла. Это урановая руда, гексафторид урана, различные соединения урана и плутония, необлученные и облученные тепловыделяющие элементы (твэлы) и тепловыделяющие сборки (ТВС), отходы реакторов и заводов по производству и регенерации ядерного топлива и т.д. К радиоактивным веществам, подлежащим транспортировке, относятся также радиоизотопные источники, использующиеся в промышленности и медицине.

Под перевозкой радиоактивных материалов (РАМ) подразумевается деятельность, связанная с их перемещением за пределами предприятия, где они изготавливаются, хранятся, используются или захораниваются, в том числе с обслуживанием упаковочных комплектов, подготовкой, отправкой, транспортированием, транзитным хранением, приемкой упаковок в пункте назначения и т.д. С каждым годом растет применение РАМ в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, в различных сферах науки, а значит растут и объемы их перевозок. При этом, естественно, увеличивается количество перевозимых РАМ (ежегодно в мире транспортируется более 10 млн упаковок с радиоактивными веществами различного вида), количество транспортных средств, в результате чего возрастает и опасность вредного воздействия ионизирующего излучения, как из-за несоответствующей потенциальной опасности перевозимого груза организации, так и от несчастного случая.

Организация транспортировки РАМ зависит от степени их излучения. Им присуще многообразие как в физико-химическом, так и в ядерном плане. Они могут быть в виде минералов, твердых концетратов, металла (уран, плутоний), твердых и жидких отходов. Существует множество форм радиоактивных элементов, полученных в результате облучения вещества в ядерном реакторе.

При правовом регулировании основное внимание уделяется безопасности обслуживающего персонала, населения и окружающей среды. Она зависит от специфических свойств конкретного РАМ, находящегося в процессе перевозки.

Конструкции упаковочных комплектов очень разнообразны, наличие или отсутствие в них тех или иных элементов зависит от химического, агрегатного, нуклидного состава радиоактивного вещества, его радиоактивности, тепловыделения. Упаковочный комплект является единицей транспортного оборудования сложной конструкции, представляющей собой комплекс деталей, узлов, материалов, обеспечиващих выполнение требование безопасности.

Основные элементы:

- защитный контейнер для уменьшения нейтронного и гамма-излучения до допустимых пределов;

- защитный вкладыш-вспомогательное упаковочное средство для дополнительного ослабления ионизирующих излучений;

- загрузочный стакан, используемый для удобства загрузки и выгрузки первичной емкости с радиоактивным веществом;

- вспомогательные упаковочные средства-материалы для повышения сохранности первичной емкости и поглощения радиоактивных веществ в случае ее аварийного повреждения;

- герметизирующий сосуд, обеспечивающий герметичность, установленную для нормальных и аварийных условий транспортировки, предотвращающий распространение радиоактивных веществ в окружающей среде;

- охранную тару, предотвращающую непосредственный контакт составных частей упаковочного комплекта с обслуживающим персоналом, транспортными срествами и другими объектами окружающей среды;

- система герметизации;

- система отвода и удаления тепла;

- система сброса избыточного давления;

- система сжигания водорода для водозаполненных контейнеров;

- грузоподъемные элементы;

- амортизаторы для снижения нагрузок при авариях и т. д.

Габариты упаковочных комплектов варьируются по длине от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Маршруты транспортировки (они могут составлять тысячи километров, проходить мимо крупных городов, через мосты, тоннели, переезды) потребовали введения правил, обеспечивающих безопасность перевозок.

При анализе существующих норм можно сделать вывод, что в отдельных странах законодательство приспосабливает существующие положения о транспортировке опасных грузов к специфическим особенностям радиоактивных материалов, в других странах - вырабатывает новые нормативные акты.

Основные требования при нормальных условиях транспортировки и транспортных авариях:

- эффективная герметизация радиоактивного вещества;

- уменьшение уровня излучения, испускаемого упаковкой, до допустимых пределов;

- постоянный контроль за уровнем излучения;

- обеспечение условий, в которых невозможно образование критической массы при транспортировке делящихся материалов;

- эффективное рассеяние тепловой энергии, образующейся в упаковке в процессе поглощения излучения.

В процессе транспортировки, при перегрузочных операциях и промежуточном хранении упаковочных комплектов на базах перевалки возможны различные нарушения нормальной эксплуатации - от незначительных происшествий до крупных транспортных аварий.

К незначительным происшествиям относятся ситуации, при которых упаковки могут попасть под дождь, упасть при перегрузке краном, деформироваться при укладке, получить удар. Тяжелыми транспортными авариями считаются:

- столкновения поездов со встречными поездами или препятствиями;

- падение упаковок в воду;

- возникновение пожаров.

Для обеспечения требуемой безопасности упаковки предварительно проходят комплекс испытаний на соответствие нормальным и аварийным условиям перевозки. Испытания являются универсальными для всех видов транспорта. Однако для воздушных перевозок необходимы более жесткие испытания на аварийные условия.

В зависимости от активности транспортируемого радиоактивного вещества установлены три вида упаковок:промышленные, тип А и тип В.

В промышленных упаковках транспортируются радиоактивные вещества с низкой удельной активностью или поверхностно загрязненные объекты. К веществам с низкой удельной активностью относятся:

- руды;

- концентрат;

- природный или обедненный уран;

- радиоактивные отходы и другие вещества, содержащие в единице массы незначительную активность.

К поверхностно загрязненным относятся твердые объекты, которые сами не являются радиоактивными, но содержат на поверхности радиоактивные вещества.

Упаковки типа А предназначены для безопасной и экономичной транспортировки сравнительно небольшого количества радиоактивных веществ. Предполагается, что они сохранят свою целостность в нормальных условиях. Они также должны выдержать более серьезные испытания, если их радиоактивное содержимое находится в жидком или газообразном состоянии. Предполагается, что упаковки типа А могут быть повреждены в результате тяжелой аварии и может произойти утечка их содержимого. Поэтому в правилах указывается максимальное количество радионуклидов, которые можно перевозить в таких упаковках. Эти пределы устанавливаются таким образом, чтобы обеспечить в случае утечки радиоактивного содержимого низкий риск облучения людей и загрязнения окружающей среды.

В упаковках типа В транспортируются наиболее опасные РАВ, например, отработанное ядерное топливо или высокоактивные радионуклиды.

Для каждого вида упаковок разработан свой комплекс испытаний, т.к. они предназначены для перевозки веществ с различной активностью. Промышленные упаковки и упаковки типа А подвергаются испытаниям только на нормальные условия транспортировки, т.к. даже в случае тяжелой аварии, сопровождающейся утечкой РАВ, риск для населения и окружающей среды будет незначительным.

Упаковки типа В подвергаются испытаниям на нормальные и аварийные условия.

Упаковочные комплекты должны быть изготовлены из радиационностойких материалов, обеспечивающих механическую прочность, работоспособность всех элементов конструкции, а также способность ослаблять излучение в условиях воздействия температуры окружающей среды от -40 до +70 градусов Цельсия. Критериями оценки качества конструкций упаковочных комплектов являются сохранение герметичности и обеспечение радиационной защиты в заданных пределах, т.е. утечка РАВ и ослабление защитных свойств после испытаний на нормальные и аварийные условия при транспортировке не должны выходить за установленные пределы.

В большинстве случаев уровень излучения в любой точке на внешней поверхности упаковки ограничивается 2 мЗв/ч.

Одной из важнейших мер ядерной безопасности является исключение возможности возникновения критической массы делящихся материалов в процессе транспортировки. Важной величиной для определения критичности является нейтронный баланс (поведение нейтронов, образующихся в процессе деления). Возможны три варианта:

- утечка нейтронов из системы;

- поглощение нейтронов;

- деление с образованием дополнительных нейтронов.

Если дополнительные нейтроны компенсируют потери за утечки или поглощения, система будет иметь постоянную плотность нейтронов. Это состояние определяется как критичность. Как известно, отношение полного числа нейтронов, образующихся в системе за счет деления ядер, к числу нейтронов, убывающих из системы в результате утечки и поглощения, называется эффективным коэффициентом размножения нейтронов К. Критичности можно избежать, увеличивая утечку нейтронов из системы, например, уменьшив диаметр контейнера. Достаточное количество поглощающего нейтроны материала также может обеспечить подкритичность системы. Такими материалами являются кадмий, бор, гадолиний, некоторые конструкционные материалы (сталь). Критичность зависит и от материалов, эффективно замедляющих нейтроны (вода), от внешних условий (отражающая нейтроны поверхность помещения). Делящиеся материалы должны упаковываться и транспортироваться таким образом, чтобы подкритичность системы сохранялась не только при нормальной эксплуатации, но и в аварийных условиях.

Все упаковки с делящимися материалами выделены в отдельный класс и независимо от их принадлежности к типу (промышленные, тип А, тип В) и активности перевозимых материалов подвергаются испытаниям на нормальные и аварийные условия перевозки. Затем в зависимости от полученных при испытаниях повреждений производятся расчеты К для отдельной упаковки и группы упаковок. При расчетах учитывается проникновение и различное распределение воды в упаковке (поскольку К в этом случае достигает, как правило, максимума). Вводятся коэффициенты запаса, обеспечивающие подкритичность. В разных странах они неодинаковы. Как правило, К не должен превышать 0,95, а допустимое количество упаковок должно быть уменьшено в 5 раз для нормальных условий и в 2 раза для аварийных - от числа упаковок, при котором достигается критичность.

Для обеспечения контроля за ядерной и радиационной безопасностью используется транспортный индекс (ТИ) - число, которое присваивается каждой упаковке при расчетах критичности и уровня излучения.

Все радиационные упаковки по уровню излучения делятся на четыре транспортные категории (см табл.).

Транспортная категория упаковки в любой точке на наружной поверхности упаковки (ТИ-тр.индекс)	Цвет этикетки транспортной категории на расстоянии	Предельно допустимая мощность эквивалентной дозы излучения, мбэр/ч	1 м от любой точки поверхности упаковки
I	белый	0,5	не учитывается
II	желтый	50,0
III	″	200,0
IV	″	1000,0

Как видно из таблицы, уровни излучения нормируются в двух точках: на поверхности и на расстоянии 1 м от нее. Численное значение эквивалентной дозы на расстоянии 1 м от радиационной упаковки, выраженное в мбэр/ч, называется транспортным индексом - ТИ.

Тепловыделение.

Тепловыделение радиоактивного вещества, перевозимого в упаковках типа В, суммарной активностью несколько тысяч беккерелей и более, требует особого контроля при перевозке. Повышение температуры может вызвать повреждение или расплавление содержимого или отдельных деталей упаковки, что в свою очередь повлечет уменьшение ее защитных свойств. В результате в окружающую среду могут попасть радиоактивные вещества. Для подобных случаев предусмотрены меры, обеспечивающие эффективное рассеяние тепла, например, оснащение поверхности упаковки "ребрами", увеличивающими теплоотвод, снабжение транспортных средств системой охлаждения.

Перевозка РАВ является деятельностью повышенной опасности. За последние 50 лет в мире перевезено свыше 100 млн упаковок. В некоторых странах происходили аварии. Так, например, в США в 1971 - 1981 годах произошло 108 аварий. Организация перевозки требует принятия необходимых мер по ликвидации последствий возможной аварии. Рекомендации МАГАТЭ классифицируют аварии по трем степеням опасности, определяя в каждом случае конкретные меры обеспечения безопасности, проведения спасательных работ и т.д.

В каждом государстве обеспечивается физическая защита (защита против хищений и диверсий) при перевозке. Подробно эта проблема будет рассмотрена в курсе "Физическая защита ядерных материалов и ядерных установок".