РБ-039-07 Руководство по безопасности "Обеспечение безопасности при транспортировании радиоактивных материалов (справочный материал к Правилам безопасности при транспортировании радиоактивных материалов, НП-053-04)"

    2.12. Требования к упаковкам, содержащим делящиеся материалы

2.12.1-С1. Требования к упаковкам, содержащим делящиеся материалы, являются дополнительными требованиями, предъявляемыми для гарантии, что упаковки с делящимся содержимым останутся подкритичными в нормальных и аварийных условиях перевозки. Все другие необходимые требования Правил должны быть удовлетворены. Система осуществления контроля критичности при перевозке предписана в разделе 5 НП-053-04 (раздел V Правил МАГАТЭ-96) (п.671.1 TS-G-1.1).

2.12.2-С1. Упаковки, содержащие делящийся материал, которые отвечают любому требованию подпунктов а)-г) п.2.12.2 НП-053-04, освобождаются от оценки безопасности по критичности, указанной в пп.2.12.4-2.12.12 НП-053-04.

2.12.2-С2. Упаковки, содержащие делящийся материал, который удовлетворяет любому из требований, изложенных в пп.2.12.2.а)-г) НП-053-04 (пп.672.a)-d) Правил МАГАТЭ-96), освобождены от оценки безопасности по критичности, установленной в п.2.12 НП-053-04 (п.671.b) Правил МАГАТЭ-96). Обеспечение того, что критерии освобождения удовлетворяются как для отдельной упаковки, так и для партии груза, отнесено к ответственности грузоотправителя освобожденного материала (п.672.1 TS-G-1.1).

2.12.2-С3. Первоисточником пределов, приведенных в п.2.12.2.в) (дефис 1) НП-053-04 (п.672.a)(i) Правил МАГАТЭ-96), является работа Вудкока и Пакстона [68], где минимальный объем контейнера был равен 1 л и максимально 250 упаковок были использованы, чтобы получать пределы делящегося материала величиной 9,4 г для Pu-239, 16,0 г для U-233 и 16,2 г для U-235 для отдельных упаковок. Практические соображения (последовательность и то, что величина для PU-239 приводит к количеству материала в граммах, которое должно перевозиться как РМ особого вида или в упаковке типа B) привели к изменению впоследствии величины предела [69] до универсальной величины 15 г.

В п.2.12.2.в) (дефис 2) НП-053-04 (п.672.a)(ii) Правил МАГАТЭ-96) минимальная критическая концентрация для Pu-239 равна 7,5 г/л и приблизительно 12 г/л для U-235 и U-233 для систем с водным замедлителем [70]. Эти величины соответствуют отношениям масс делящегося материала и водорода 6,7% и 10,8%, соответственно. Таким образом, водородосодержащие смеси с менее чем 5%-ным отношением масс делящегося материала и водорода имеют адекватный запас подкритичности. Хотя использование массового соотношения в критериях освобождения может быть более громоздким, чем при использовании величины концентрации (как в предшествующих изданиях Правил МАГАТЭ), эта формулировка служит более подходящей мерой для водородосодержащих смесей, кроме воды (п.672.2 TS-G-1.1).

2.12.2-С4. П.2.12.2.в) (дефис 3) НП-053-04 (п.672.a) (iii) Правил МАГАТЭ-96) облегчает безопасную перевозку загрязненных отходов, содержащих делящийся материал в очень низких концентрациях (п.672.3 TS-G-1.1).

2.12.2-С5. Соображения безопасности, лежащие в основе трех условий освобождения согласно п.2.12.2.в) НП-053-04 (п.672.a) Правил МАГАТЭ-96), основаны на предположении водородного замедлителя и отражателя; таким образом, применяется ограничение на присутствие потенциально более активных элементов бериллия и дейтерия (п.672.4 TS-G-1.1).

2.12.2-С6. Каждое освобождение, предусмотренное в п.2.12.2.в) НП-053-04 (п.672(a) Правил МАГАТЭ-96), далее ограничено допустимым пределом массы груза. Формула для предела массы учитывает смесь делящегося материала, но формула и величины, приведенные в табл.2.3 НП-053-04 (табл.XII Правил МАГАТЭ-96), установлены так, чтобы максимальная масса груза была не больше чем приблизительно половина величины критической массы. Таким образом, критерии освобождения обеспечивают два объекта контроля (индивидуальная упаковка и груз) для предотвращения накопления делящегося материала в количествах, которые могли бы приводить к потенциальной критичности (п.672.5 TS-G-1.1).

2.12.2-С7. Предельное значение обогащения 1% для U-235 по п.2.12.2.а) НП-053-04 (п.672.b) Правил МАГАТЭ-96) является округленной величиной, немного меньшей, чем минимальное критическое обогащение U-235 для бесконечных гомогенных смесей урана и воды, опубликованное Пакстоном и Прувостом [70]. Гомогенность, рассмотренная в пункте, предназначена для исключения структурирования (упорядоченного расположения в виде решетки) слабообогащенного урана в среде замедлителя. Условлено, что к гомогенным смесям и суспензиям относятся смеси, в которых частицы равномерно распределены и имеют диаметр не более 127 мкм [VII.1], т.е. не способны проходить через экран с ячейкой 120 мкм. Концентрация может также изменяться в пределах материала; однако изменения концентрации порядка 5% не должны нарушать безопасность по критичности (п.672.6 TS-G-1.1).

2.12.2-С8. Предел освобождения, приведенный в п.2.12.2.б) НП-053-04 (п.672.c) Правил МАГАТЭ-96), предписывает для раствора уранила нитрата иметь содержание обогащенного U-235 не более чем 2% по массе урана. Этот предел немного ниже, чем величина минимального критического обогащения, представленная Пакстоном и Прувостом [70] (п.672.7 TS-G-1.1).

2.12.2-С9. В п.2.12.2.г) НП-053-04 (п.672.d) Правил МАГАТЭ-96) установлен предел 1 кг для партий плутония, содержащего по массе не более чем 20% Pu-239 и Pu-241. Подкритичность при перевозке этого количества плутония фактически гарантирована упаковками типа B(U) или типа B(M), которые обеспечивают адекватное разделение с другими делящимися материалами, и благодаря тому, что композиция плутония нелегко достигает критичности в системах деления на тепловых нейтронах. (Результаты анализа по методу Монте-Карло указывают, что для создания критической массы в металлической сфере при полном отражении на воде необходима масса 6,8 кг материала с композицией 80%-ого Pu-238 и 20%-ого Pu-239 по массе [71]) (п.672.8 TS-G-1.1).

2.12.2-С10. Освобождения, согласно пункту, первоначально были задуманы для гарантии, что должны сложиться невероятные условия для таких упаковок с освобожденными делящимися материалами на транспортном средстве, чтобы вызывать аварию по критичности. Кроме накопления на транспортном средстве достаточной массы делящегося материала, этот материал должен быть впоследствии перегруппирован внутри подходящего замедляющего материала, чтобы получать плотность и форму, требуемые для критической системы. Где необходимо, освобождения обеспечивают пределы для груза для предотвращения накопления критической массы. Перевозчикам и компетентным органам следует быть бдительными на случай возможного неправильного употребления положений, связанных с пределами освобождения, что может увеличивать возможность возникновения критичности (п.672.9 TS-G-1.1).

2.12.2-С11. Другие данные в обоснование пределов освобождения, приведенных в пункте, можно найти в [72-74] (п.672.10 TS-G-1.1).

2.12.3-С1. Требуется конструирование и транспортирование упаковок, содержащих делящийся материал, осуществлять таким образом, чтобы случайная критичность была исключена. Критичность достигается, когда цепная реакция деления становится самоподдерживающейся вследствие баланса между производством нейтронов и их потерей за счет поглощения и утечки из системы. В конструкции упаковки учитывается много параметров, которые влияют на взаимодействие нейтронов (см. приложение V настоящего Руководства и приложение VII TS-G-1.1). При проведении оценки критичности должны учитываться эти параметры и подкритичность упаковки должна обеспечиваться как в нормальных, так и аварийных условиях перевозки. Оценки следует выполнять квалифицированным лицам, имеющим опыт в области безопасности по критичности. Дополнительно к очевидному контролю за массой делящегося материала разработчик может влиять на управление критичностью любым из следующих способов:

(i) Выбор формы для системы локализации или для упаковочного комплекта влияет на утечку нейтронов из областей деления вследствие изменения соотношения поверхности к объему. Например, тонкие цилиндры или пластины имеют повышенную утечку по сравнению со сферами и цилиндрами с соотношением высоты к диаметру, близким к 1.

(ii) Выбор материала упаковочного комплекта влияет на число утекающих нейтронов, которые отражаются обратно в делящийся материал. Число нейтронов, возвращенных (или покинувших делящийся материал), и их энергии в большой степени определяются выбором материала упаковочного комплекта.

(iii) Выбор внешних размеров упаковки. Нейтроны, утекающие из упаковки, содержащей делящийся материал, могут войти в другую упаковку с делящимся материалом и произвести акт деления. Взаимодействие нейтронов может зависеть от размеров упаковки, которые определяют пространственное расположение делящегося материала и могут быть откорректированы с тем, чтобы ограничивать взаимодействие между различными частями партии материала.

(iv) Использование фиксированных нейтронных поглотителей для удаления нейтронов (см. п.501.8 TS-G-1.1 и справку 2.12.3-С2 настоящего Руководства).

(v) Выбор конструкции упаковки для контролирования соотношения замедлителя и делящегося материала, включая уменьшение пустот, чтобы ограничивать количество воды, которая может натечь в упаковку (п.671.2 TS-G-1.1).     

2.12.3-С2. В случаях, когда безопасность по критичности зависит от присутствия нейтронных поглотителей, как отмечается в данном пункте, предпочтительнее, чтобы нейтронный поглотитель был твердым телом и неотъемлемой частью контейнера. Поглотители в виде растворов или поглотители, растворимые в воде, не соответствуют этому требованию, потому что их непрерывное присутствие не может быть гарантировано. Процедурой подтверждения или испытания следует гарантировать, что присутствие и распределение нейтронного поглотителя в элементах упаковочного комплекта соответствуют принятому в оценке безопасности по критичности. Только обеспечение количества поглощающего нейтроны материала не всегда достаточно, поскольку распределение нейтронных поглотителей в компонентах упаковочного комплекта или внутри самого содержимого может значительно влиять на коэффициент размножения нейтронов в системе. Неопределенности методов подтверждения следует учитывать при проверке на соответствие оценкам безопасности по критичности (п.501.8 TS-G-1.1).

2.12.3-С3. Обстоятельства, которые требуется рассматривать при оценке предназначенной для перевозки упаковки и перечислены в пункте, могут повлиять на размножение нейтронов в упаковке или в группе упаковок. Эти обстоятельства типичны среди тех, которые могут быть важны, и их следует тщательно рассматривать при проведении оценок. Однако в зависимости от конструкции упаковки и специальных условий, предусматриваемых при перевозке и обращении с упаковками, может возникать необходимость рассматривания других нетипичных обстоятельств, чтобы поддерживать подкритичность упаковки при всех мыслимых условиях перевозки. Например, если результаты испытаний показывают перемещение делящегося материала или поглотителя в упаковке, при проведении оценки безопасности по критичности следует рассматривать пределы неопределенности, связанные с такими перемещениями. Следует иметь в виду, что прототип, используемый в испытании, может отличаться в деталях от промышленной модели и качеством изготовления. Размеры прототипа в заводском исполнении могут понадобиться для проверки влияния допусков на испытания. Необходимо учитывать различия между испытанными моделями и производственными моделями. Цель - получение максимально мыслимого коэффициента размножения нейтронов так, чтобы при этом была гарантирована подкритичность (п.671.3 TS-G-1.1).

2.12.3-С4. Вода влияет на подкритичность несколькими способами. Когда она смешана с делящимся материалом, результирующее замедление нейтронов может значительно уменьшать количество делящегося материала, необходимого для достижения критичности. Как отражатель нейтронов вода также увеличивает коэффициент размножения нейтронов, хотя и не столь сильно. Если водный отражатель расположен за пределами системы локализации, он менее эффективен. Он еще менее эффективен, находясь за пределами упаковки. Толстые слои воды (~30 см) полной плотности между упаковками могут снижать взаимодействие нейтронов в группах до несущественных значений [75, 76]. При проведении оценки критичности следует учитывать изменения геометрии упаковки, а также условий, которые могут приводить к тому, что вода будет вести себя больше как замедлитель, чем как отражатель, или наоборот. Следует рассматривать все состояния воды, включая снег, лед, пар и струи. Эти состояния воды с низкой плотностью создают (особенно если рассматривать наличие воды между упаковками) размножение нейтронов больше, чем наблюдаемое для воды с полной плотностью (см. приложение VII TS-G-1.1 и приложение V к настоящему Руководству) (п.671.4 TS-G-1.1).

2.12.3-С5. Нейтронные поглотители иногда применяются в упаковках для уменьшения эффекта замедления и вклада в размножение нейтронов за счет взаимодействия между упаковками (см. п.501.8 TS-G-1.1 и справку 2.12.3-С2 настоящего Руководства). Типичные поглощающие нейтроны материалы, используемые для контроля критичности, наиболее эффективны, если присутствует замедлитель нейтронов для снижения энергии нейтронов. Потеря эффективности поглотителей нейтронов, например, за счет коррозии и перераспределения или, как в случае порошкового содержимого, за счет осаждения, может заметно влиять на коэффициент размножения нейтронов (п.671.5 TS-G-1.1).

2.12.3-С6. В пункте рассматриваются обстоятельства, возникающие при изменении размеров или перемещении содержимого в процессе перевозки. При установлении запаса подкритичности следует рассматривать возможные изменения расположения упаковочного комплекта или содержимого. Изменение размеров упаковки при испытаниях в нормальных или аварийных условиях должно быть предметом рассмотрения исследователя, занимающегося оценкой подкритичности. При появлении признаков изменения размеров во время аварийного испытания исследователю следует проводить анализ чувствительности размножения нейтронов от этих изменений. Потеря делящегося материала из группы упаковок, рассматриваемых при оценке по п.682 Правил МАГАТЭ-96, должна быть ограничена подкритичным количеством. Это подкритичное количество материала должно соответствовать типу содержимого и оптимальному водному замедлителю и отражателю в виде слоя воды полной плотности толщиной 20 см. Уменьшение расстояний между упаковками, вероятное вследствие возможных повреждений упаковки при перевозке, будет прямо влиять на взаимодействие нейтронов между упаковками; таким образом, это требует проверки. Следует рассматривать воздействие на реактивность допусков на размеры и состав материалов. Не всегда очевидно, следует ли определенный размер или содержимое материала увеличивать или уменьшать или как в комбинации они повлияют на реактивность. Может потребоваться ряд расчетов для определения максимальной реактивности системы или для разработки подходящих допущений (п.671.6 TS-G-1.1).

2.12.3-С7. Влияние температурных изменений на устойчивость формы делящегося материала или на характер взаимодействия нейтронов требует исследования. Например, для урановых систем, где доминируют нейтроны с очень низкими энергиями (тепловые), снижение температуры приводит к увеличению размножения нейтронов. Изменение температуры может также влиять на целостность упаковки. Температуры, которые следует рассматривать, включают и те, которые возникают вследствие требований к температуре окружающей среды, определенных в п.676 Правил МАГАТЭ-96, и те, что являются результатом установления требований к испытаниям (пп.728 или 736 Правил МАГАТЭ-96 - по обстоятельствам) (п.671.7 TS-G-1.1).

2.12.4-С1. Требования к демонстрации подкритичности для отдельной упаковки установлены так, чтобы определять максимальное размножение нейтронов в нормальных и аварийных условиях перевозки. При проведении оценки необходимое внимание должно уделяться результатам испытаний, требуемых в пп.681.b) и 682.b) Правил МАГАТЭ-96, и условиям, в которых может быть принято отсутствие протечки воды, как это описано в п.677 Правил МАГАТЭ-96 (п.679.1 TS-G-1.1).

2.12.4-С2. Оценка требует, чтобы при определении количества 5N подкритичных упаковок рассматривались все варианты расположения упаковок, поскольку взаимодействие нейтронов, возникающее между ними в партии, может не быть одинаковым по трем направлениям (п.681.1 TS-G-1.1).

2.12.4-С3. Оценка может включать расчеты больших конечных партий, для которых отсутствуют экспериментальные данные. Поэтому следует сделать специальное вспомогательное допущение дополнительно к другим запасам, обычно учитывающим случайные и систематические влияния на рассчитанные значения коэффициента размножения нейтронов (п.681.2 TS-G-1.1).