UDK 628.4.04:621.039.74:620.1 Strokovni članek ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 35(3-4)187(2001) SODI ZA SHRANJEVANJE RADIOAKTIVNIH ODPADKOV RADIOACTIVE-WASTE CONTAINERS 'Roman Celin, 'Dimitrij Kmetic, 2Matjaž Gričar 1Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana, Slovenija 2Nuklearna elektrarna Krško, Vrbina 12, 8270 Krško, Slovenija roman.celinŽimt.si Prejem rokopisa - received: 2001-05-07; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-05-14 Inštitut za kovinske materiale tehnologije ter Nuklearna elektrarna Krško sta sodelovala pri preizkušanju lahkih in težkih sodov za radioaktivne odpadke. Pri izdelavi so bili upoštevani dokumenti Mednarodne agencije za jedrsko energijo (IAEA) ter tehnične specifikacije Nuklearne elektrarne Krško. Namen preizkušanja je bilo preveriti konstrukcijsko zasnovo sodov. Na sodih za radioaktivne odpadke sta bila opravljena statični in dinamični preizkus, prosti pad z višine 3 m, kontrola tesnosti, preizkus prebojnosti ter metalografske preiskave zvarjenega spoja vzorca, odvzetega s soda. V prispevku so predstavljeni postopki preizkušanja sodovin rezultati preizkusov. Ključne besede: preizkušanje, radioaktivni odpadki, sodi The Institute of Metals and Technology together with the Krško Nuclear Power Plant collaborated on the testing of light weight and heavy weight radioactive-waste containers. During the manufacturing process of the containers the documents and recommendations of the IAEA and the technical specifications of Krško Nuclear Power Plant were taken into consideration. The purpose of testing was to check the design and quality of the containers. The containers were subjected to a static and dynamic load, free-fall from a 3-m height, leak test, stack test and metallographic analysis of a welded joint taken from the container. In this paper the testing procedures and testing results are presented. Key words: testing, radioactive waste, containers 1 UVOD Jedrska elektrarna z vsemi prednostmi, ki jih ima v primerjavi s termoelektrarnami, hidroelektrarnami in plinskimi elektrarnami, zaradi tehnologije proizvodnje električne energije s seboj prinaša tudi problem radioaktivnih odpadkov. Pri delovanju jedrske elektrarne nastajajo trdni, tekoči in plinasti radioaktivni odpadki, ki zahtevajo obdelavo na način, ki varuje človekovo zdravje ter okolje. Nizko in srednje radioaktivni odpadki so fisijski produkti, ki nastanejo ob cepitvi atomovvgorilnih elementih. Lahko nastanejo pri obsevanju (aktivaciji) korozijskih produktov, ali pa so posledica vzdrževalnih del na primarnih sistemih elektrarne (orodje, zaščitna oblačila in oprema). Odpadki nastanejo tudi pri projektnih spremembah velektrarni (zamenjane kontaminirane komponente). Radioaktivni odpadek so tudi sredstva, uporabljena pri dekontaminaciji. Za shranjevanje in transport radioaktivnih odpadkov se uporabljajo različni tovorki. Tovorek je embalaža, ki je napolnjena z radioaktivno vsebino. Znana je delitev tovorkov na več vrst glede na kostrukcijske zahteve in program preizkusov 1. Lahki in težki sod za radioaktivne odpadke, ki sta bila preizkušana pri proizvajalcu, sta bila opredeljena kot tovorka tipa A. To je embalaža, cisterna ali sod, ki vsebuje radioaktivno snov z aktivnostjo, ki ni večja od A1, če gre za radioaktivno snovvposebni obliki, ali večja od A2, če ne gre za radioaktivno snov v posebni obliki. Radioaktivna snovvposebni obliki je trdna, nedrobljiva ali tista, ki je tesno zaprta v kapsuli. Vrednosti za A1 in A2 so za nekatere radionukleide podane v tabeli 1. Tabela 1: Mejne vrednosti aktivnosti A1 in A2 nekaterih radionu- kleidovza sod tipa A Table 1: Radionuclide activity A1 and A2 for type A package št. element in atomsko število simbol radionukleida A1 (TBq) A2 (TBq) 1. ogljik (6) 11C 1 0,5 14C 40 2 2. kobalt (27) 55Co 0,5 0,5 56Co 0,3 0,3 60Co 0,4 0,4 3. cezij (55) 129Cs 4 4 132Cs 1 1 4. iridij (77) 192Ir 1 0,5 5. uran (92) 230U 40 1x10-2 232U 3 3x10-4 234U 10 1x10-3 Aktivnost radioizotopa je hitrost razpada atomov oziroma število razpadovvenoti časa. Enota je bekerel (Bq). Tako je 1 Bq en razpad na sekundo. Zaradi prostorske omejenosti začasnega skladišča radioaktivnih odpadkovvNuklearni elektrarni Krško (NEK) je pozornost posvečena zmanjševanju količine in prostornine radioaktivnih odpadkov. S tem namenom je MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 3-4 187 R. CELIN ET AL.: SODI ZA SHRANJEVANJE RADIOAKTIVNIH ODPADKOV NEK uvedla sistem obdelave odpadkov, ki nastanejo v obliki gošče pri predelavi tekočih odpadkov, in obdelavo izrabljenih smol ionskih izmenjevalnikov, ki so namenjeni obdelavi tekočin različnih sistemov NEK. Predelava gošče in smol izrabljenih ionskih izmenjevalnikov je poimenovana "In Drum Drying System (IDDS)". Samo ime pove, da gre za sušenje in redukcijo prostornine odpada, ki poteka vsodu. Pri sušenju se vlažna zrna ionskega izmenjevalnika osušijo. S takšnim načinom obdelave je doseženo tudi do 6-kratno zmanjšanje prostornine. Gošča, ki nastane kot produkt predelave tekočih odpadkov, pa se pri tem spremeni v suho trdno snov. V NEK tako napolnijo namesto 30 sodov z goščo sedaj samo en sod s trdno snovjo. Inštitut za kovinske materiale in tehnologije ter Nuklearna elektrarna Krško sta sodelovala pri preiz-kušanju lahkih in težkih sodovza radioaktivne odpadke. Študija je pokazala, da je najprimernejši material za izdelavo sodov nerjavno jeklo.3 Namen preizkušanja je bilo preveriti konstrukcijsko zasnovo sodov ter njihovo kvaliteto izdelave. Pri načrtovanju in izdelavi sodov so bili upoštevani predpisi Mednarodne agencije za atomsko energijo (IAEA) ter tehnična dokumentacija Nuklearne elektarne Krško. Lahek sod mase 62 kg s prostornino 204,2 l je namenjen za shranjevanje predelane gošče. Težek sod mase 450 kg s prostornino 155,7 litra in debeline stene 30 mm je namenjen za shranjevanje posušenih smol ionskih izmenjevalnikov. Specifikacija zahteva preizkušanje sodov s simulirano vsebino predvidenih radioaktivnih odpadkov. Lahki sod je bil tako pred preizkusi napolnjen s 306 kg mivke, težki sod pa s 116 kg mivke. Razlika v konstrukciji je posledica različnih lastnosti radioaktivnih odpadkov(poreklo, gostota, aktivnost). 2 PREIZKUŠANJE SODOV Preizkušanje sodovje glavni del postopka ugotavljanja njihove ustreznosti oziroma skladnosti sodov s podanimi zahtevami in specifikacijami. Konstrukcija tovorka (soda) mora biti taka, da lahko prenese vse predvidene okoliščine transporta in skladiščenja brez posledic, ki bi lahko pomenile večjo izgubo vsebine soda ali zmanjšanje učinkovitosti biološkega ščita. Priporočila IAEA navajajo štiri različne načine za ugotavljanje ustreznosti tovorkov za radioaktivne odpadke: 1. neposredno preizkušanje prototipov tovorkov, ki so napolnjeni z vsebino s podobnimi fizikalnimi lastnostmi kot radioaktivna snov, ki je predvidena za shrambo 2. ocenjevanje lastnosti tovorkov na osnovi rezultatov že opravljenih preizkušanj, ki se ne razlikujejo bistveno po konstrukciji in namenu 3. ocenjevanje lastnosti z modelnim preizkusom 4. izračuni in drugi dokazni postopki, če se zanje dokaže, da so varni (zadosti konzervativni). 188 Pri proizvajalcu sodov sta bila tako preizkušena lahki in težki sod. Pri obeh sodih za radioaktivne odpadke sta bila opravljena statični in dinamični preizkus, prosti pad z višine 3 m, kontrola tesnosti, preizkus prebojnosti ter metalografske preiskave zvarjenega spoja vzorca odvzetega s soda. Preizkušanje je bilo izvedeno v skladu navodilom z Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material 1: • Preizkus tesnosti V lahkem sodu je bil vzpostavljen nadtlak 0,2 bar v težkem sodu pa 0,5 bar. Oba soda sta bila postavljena v kad napolnjeno z vodo. Preizkus je trajal eno uro. • Tlačni preizkus Lahki in težki sod sta bila 24 ur tlačno obremenjena. Nanju je bil položen jeklen profil mase 1600 kg na lahki sod ter 3000 kg na težki sod. • Statični preizkus Lahki in težki sod sta bila dodatno obremenjena z utežmi mase 120 kg (lahki sod) in 150 kg (težki sod). Soda sta obremenjena z dodatnimi utežmi visela v zraku 4 ure. • Dinamični preizkus Pri dinamičnem preizkusu sta bila soda napolnjena z mivko. Dodatno sta bila obtežena s 45 kilogrami (lahki sod) oziroma s 65 kilogrami (težki sod). Z obema so bile izvedene podobne manipulacije kot pri transportu in skladiščenju vNuklearni elektrarni Krško. • Preizkus prostega pada Pri preizkusih prostega pada sta bila lahki in težki sod za radioaktivne odpadke napolnjena z mivko, dvignjena na višino 3 m in spuščena na jekleno podlago, vgrajeno v betonsko ploščo. Preizkus prostega pada je bil na posameznem sodu opravljen večkrat, tako da je prišlo do padca obeh sodovvpodročju zvara plašča na robu dna, padca obeh sodovna plašč ter padca obeh sodov na pokrov. Vijaki na obeh pokrovih so bili priviti z momentnim ključem, z momentom privitja 50 Nm. • Preizkus prebojnosti Preizkus prebojnosti je bil izveden le na lahkem sodu, ki je vprimerjavi s težkim sodom izdelan iz tanjše pločevine. Jeklena palica mase 6 kg in premera 35 mm je bila z višine 1 m spuščena na sredino pokrova in na plašč lahkega soda. Preizkusi prebojnosti in prostega pada so bili izvedeni na prostem meseca decembra pri temperaturi zraka 5 °C. Zahteva pri zasnovi konstrukcije soda tipa A pa je upoštevanje temperatur med -40 °C in 70 °C. 3 REZULTATI PREIZKUSOV Pri statičnem, dinamičnem in tlačnem preizkusu sodovza radioaktivne odpadke ni bilo opaziti poškodb ali deformacij, ki bi vplivale na njihovo tesnost. Pri preizkusih tesnosti na nobenem od preizkušanih sodovni bilo opaziti puščanja preizkusnega medija na zvarih ali MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 3-4 R. CELIN Slika 1: Poškodbe površine lahkega soda po preizkusu prebojnosti z višine 1 m Figure 1: Penetration test damage on the surface of the container Slika 2: Padec težkega soda na rob privijačenega pokrova Figure 2: Container after free-drop test na sklopu sod-tesnilo-pokrov. Pri preizkusu prebojnosti je na mestih, kjer je jeklena palica udarila vsod, prišlo do deformacij pokrova in plašča soda. Z vizualno kontrolo (lupa) ni bilo odkritih nobenih razpok na mestu udara. Pri preizkusih sodovs prostim padom je na mestu udarca soda na betonsko ploščo prišlo do deformacij plašča, dna soda in pokrova. Pri nobenem od preizkusov prostega pada ni prišlo do razsutja vsebine soda. Vizualni pregled deformiranih mest na sodih z lupo ni odkril razpok. Poškodbe na obeh sodih, povzročene pri preizkušanju so prikazane na slikah 1 do 3. Metalografske preiskave vijaka za privijanje pokrova z oznako DG A2-70 so pokazale, da ima vijak mikro-strukturo, ki je ustrezna za avstenitno nerjavno jeklo AISI 316. Navoji vijaka so bili izdelani z valjanjem. Iz plašča lahkega soda je bil izrezan vzorec vzdolžne-ga zvara za kemično analizo osnovnega materiala in metalografske preiskave zvarjenega spoja. Kemična AL.: SODI ZA SHRANJEVANJE RADIOAKTIVNIH ODPADKOV Slika 3: Poškodba lahkega soda pri padcu na rob vpodročju vzdolžnega zvara Figure 3: Damage on the edge after free-drop test analiza pločevine je pokazala setavo elementov: 0,018%C, 0,62%Si, 1,53%Mn, 0,013%P, 0,008%S, 16,64%Cr in 8,3% Ni, kar ustreza kvaliteti jekla AISI 304L. Metalografske preiskave vzorca pločevine so pokazale, da ima le ta ustrezno velikost kristalnih zrn. V deponiranem materialu in v toplotno vplivani coni zvara pa ni bilo opaziti nobenih posebnosti. Pri izdelavi soda je tako bila uporabljena ustrezna tehnologija varjenja. 4 ZAKLJUČEK Glavni cilj pri ravnanju in shranjevanju radioaktivnih odpadkov je varovanje človekovega zdravja in okolja. To lahko dosežemo: • s konstrukcijo embalaže za shranjevanje, ki mora zagotoviti zaščito pred sevanjem in kontaminacijo • z ustreznim načinom ravnanja z napolnjenimi sodi • z izborom materiala sodov, ki mora biti mehansko in korozijsko odporen na vplive shranjenih produktov. Prezkušanje sodovje poleg zagotavljanja kontrole kvalitete med izdelavo glavni korak pri ugotavljanju ustreznosti konstrukcijske zasnove z zahtevami, podanimi vnavodilih Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material. Oba omenjena soda, lahki za shranjevanje predelane gošče in težki za shranjevanje izrabljenih smol ionskih izmenjevalnikov, sta uspešno prestala vse opravljene preizkuse. Pri nobenem od preizkusovni bil opažen raztros materiala iz soda ali opažena netesnost. 5 LITERATURA 1 Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material, 1996 Edition (Revised), IAEA, Vienna 2 B. Duhovnik, M. Šorli: Transport nizko in srednjeradioaktivnih odpadkov(študija), Elektroprojekt, Ljubljana 1994 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 3-4 189 R. CELIN ET AL.: SODI ZA SHRANJEVANJE RADIOAKTIVNIH ODPADKOV L. Vehovar, M. Tandler: Izdelava strokovnega mnenja o vplivu produktovIDDS-a na hitrost korozije nerjavnega ali maloogljičnega konstrukcijskega jekla, IMT 1999 IDDS Drum Modification, Project No. 238 - WP - S, Krško Nuclear Power Plant, SP G 386, Rev. 5, 1999 Containers for Packaging of Solid and Intermediate Level Radioactive Wastes, Technical Reports Series No. 355, IAEA Vienna, 1993 NEK ESD-TR-24/99: Analiza učinkovitosti notranjih zaščitnih oblog soda s posušenimi ionskimi izmenjevalniki, NEK 1999 190 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 3-4