Задачи курсовой Курс лекций по теории электрических цепей Ядерная физика Курс лекций по физике


Типы ядерных реакторов. Аварии на ядерных электростанциях

Прогнозируемые тяжелые аварии В гл. 4 и 5 обсуждены обстоятельства, при которых могли бы произойти аварии с потерей теплоносителя и конструкторские решения реактора для предотвращения последствий этих чрезвычайно нежелательных событий. В гл. 5 рассмотрены некоторые случаи нарушения охлаждения в реакторах с последующим перегревом и повреждением топлива. Многие из них были предусмотрены при разработке реактора, но часть все же вышла за рамки, заложенные в проекте. В большинстве случаев установка на «защиту в глубину» при проектировании реактора оказалась эффективной в ограничении общественных последствий аварии. Тем не менее важно рассмотреть, что может произойти при чрезвычайно тяжелых авариях, характеризующихся, как правило, наступлением частичного или полного расплавления топлива в реакторе.

При классификации эксплуатационных режимов реакторов в § 4.1 рассмотрены различные переходные процессы, от изменения мощности оператором до ограниченных аварийных ситуаций. Реактор проектируется таким образом, чтобы даже при ограниченных авариях не прерывалось охлаждение активной зоны в течение длительных периодов времени. Однако можно представить ситуацию, при которой аварийная система охлаждения активной зоны сама выйдет из строя. При этом другие источники охлаждения будут отсутствовать. Другим вероятным событием является потеря энергоснабжения в течение длительного периода при невозможности использовать альтернативные источники энергии (обычно - запасные дизельные генераторы). Третьей возможностью являются непредсказуемые ошибки оператора, которые могут привести, как при аварии на АЭС Three Mile Island, к выходу за пределы, предусмотренные проектом.

Прогнозируемые тяжелые аварии в различных реакторах

Если после аварии с потерей теплоносителя не будет восстановлено охлаждение реактора, то остаточное энерговыделение в топливе вызовет увеличение температуры твэлов. В реакторах с водой под давлением (PWR) это вызовет следующую цепь событий.

1. При увеличении температуры оболочки топлива она либо разорвется, либо, при некоторых обстоятельствах, подвергнется свеллингу из-за увеличения давления газа внутри нее. Последний эффект, обычно называемый распуханием оболочки, может привести к ограничению потока теплоносителя между твэлами и вызовет еще большие трудности при их охлаждении. Распухание оболочки, в действительности, учитывается при создании твэлов для охлаждаемых водой реакторов. Принятие соответствующих конструктивных решений позволяет справиться с блокадами от вспучивания вплоть до 90%.

2. При дальнейшем увеличении температуры начинается реакция между циркалоем и паром. При этом разрушается оболочка твэлов (см. таблицу 4.2). Эта реакция является экзотермической, т.е. химическая реакция сама выделяет дополнительное тепло, что, в свою очередь, вызывает распространение реакции вдоль твэлов, полностью превращающую материал оболочек в оксид циркония.

3. При продолжении увеличения температуры топлива достигается температура (около 14000С), при которой появляются первые признаки плавления материалов, составляющих активную зону. Процесс плавления является очень сложным и происходит он особенно быстро в тех областях активной зоны, где до этого был наибольший нейтронный поток, т.е. в областях с наибольшей концентрацией продуктов деления, чей распад и вызывает нагрев. Решетка, удерживающая твэлы, также плавится при приблизительно 14000С. При такой же температуре начинают плавиться стержни управления и защиты, расположенные между твэлами. Развитие процесса плавления может оказаться таким, как изображено на рис. 6.1. Формируются расплавленные капельки и подтеки (похожие на воск, стекающий со свечи), рис. 6.1, а. Они застывают в нижних областях топлива, вызывая дальнейшую блокировку потока теплоносителя, и тем самым еще более ухудшают охлаждение (рис. 6.1,6). Расплавленный материал сам удерживается блокадами (рис. 6.1,в). Этот расплав продолжает выделять тепло и имеет тенденцию опускаться к низу активной зоны, увеличиваясь в объеме (рис. 6.1 ,г).

Рис. 6.1. Последовательность плавления активной зоны. Начальные стадии: капельки и потеки расплава начинают стекать вниз по неповрежденным топливным стержням (а); образование локальных блокад в более холодных областях топливных стержней (6); формирование и рост бассейна с расплавленными материалами: формирование небольшого бассейна с расплавом (в), увеличение бассейна в радиальном и аксиальном направлениях (г):

1 – расплавленный материал; 2 – топливный стержень; 3 – вновь застывшие капли: 4- расплавленные и растекшиеся топливные стержни; 5 – стенка активной зоны; 6- твердая корка; 7 – неповрежденные топливные стержни (оболочки окислены); 8 – уровень водяной смеси; 9 – частички топливных таблеток и окисленной оболочки; 10 – поток излучения, идущий вверх; И- отклоненный паровой поток

4. Масса расплавленного материала в конце концов подходит к опорной плите в нижней части активной зоны. Там расплав будет удерживаться до тех пор, пока плита сама не разрушится. На рис. 6.1 показано, что несмотря на высокие температуры в верхней части реактора, в нижней части корпуса может оставаться достаточное количество воды. Если теперь расплавленные массы материала обрушатся с нижней поддерживающей плиты активной зоны в пространство с водой, то может произойти «паровой взрыв», который, в свою очередь, может разрушить корпус реактора. Такие случаи обсуждаются более подробно в § 6.3.

5. Интенсивное и, возможно, сопровождающееся взрывом взаимодействие расплавленного топлива и воды в нижней части корпуса приведет к диспергированию топлива на маленькие частички (фрагменты), наслаивающиеся на дне корпуса реактора. В зависимости от размеров частиц и способности обслуживающего персонала поддерживать подачу воды в корпус, появляется возможность охлаждать этот слой фрагментов топлива в течение длительногоо времени. Это приведет к прекращению аварий рассматриваемого класса без выброса радиоактивных веществ в помещение станции.

6. Если охлаждение слоя фрагментов топлива невозможно, то он расплавится вновь, и на дне корпуса образуется бассейн расплавленного топлива и стали. Это приведет к плавлению и разрушению нижней части корпуса и попаданию расплавленного топлива в полость, в которой находится корпус реактора. Эта полость также будет заполнена водой, т.е. опять будет существовать вероятность парового взрыва. Этот взрыв может быть достаточно сильным, чтобы разрушить защитную оболочку реакторного здания. Другой возможностью является формирование слоя фрагментов топлива на полу внутри защитной оболочки. Если имеется возможность подвода воды к слою, то его опять можно охлаждать. Фактически в этой ситуации более вероятно использование какого-либо альтернативного источника воды, например разбрызгивателей внутри защитной оболочки. Таким образом, при условии исправной работы системы вентиляции и разбрызгивателей внутри защитной оболочки реактора, она не пострадает и радиоактивные вещества не попадут в атмосферу. Проникновение радиоактивных осколков в атмосферу может произойти только в случае разрушения защитной оболочки реактора. Паровые взрывы, упомянутые выше, являются потенциальным источником проломов в защитной оболочке. Другим потенциальным источником является водород, выделяющийся при реакции воды и циркония. Если бы этот водород попал в пространство под защитной оболочкой и при этом образовалась гремучая смесь, то ее взрыв мог бы привести к повреждению защитной оболочки. Во время аварии на АЭС Three Mile Island образовалось и попало под защитную оболочку около 1 т водорода, который прореагировал с кислородом воздуха и вызвал небольшой взрыв.

7. Если охлаждение слоя фрагментов топлива внутри защитной оболочки реакторного здания невозможно, то осколки начнут взаимодействовать с бетонным полом реакторного здания, проникнут сквозь него, а также сквозь подстилающие породы, на которых покоится само здание. Такое постепенное проникновение расплавленного топлива обычно называют «китайским синдромом». Можно представить, что расплавленное топливо в конце концов пройдет всю Землю и попадет на другую ее сторону. При этом предполагается, что в случае если авария произойдет в США, расплав попадет в Китай. В действительности, эта воображаемая ситуация невозможна - расплав не попал бы в Китай, так как пройти мимо центра Земли расплав смог бы только в случае, если сила гравитации стала бы вдруг отрицательной. Однако, если говорить более серьезно, проникновение расплавленных материалов ограниченно, и мы обсудим этот вопрос детально в § 6.5. В действительности же топливо перемешивается с грунтом под зданием реактора и образует стабильный бассейн с расплавом. Даже в этом чрезвычайно экстремальном случае радиоактивные материалы не попадают в атмосферу, если защитная оболочка не разрушена одним из взрывных механизмов, описанных выше, и изолирующее оборудование не повреждено.

8. По мере того как делящиеся продукты в бассейне с расплавленным материалом распадаются, расплавленное топливо постепенно затвердевает. Расчеты показывают, что бассейн с расплавленными материалами под реактором мог бы достичь максимального размера, эквивалентного полусфере диаметром 27 м. Предполагается, что в конце концов затвердевшая масса превратится в стекловидную субстанцию, которая свяжет продукты деления и ограничит их последующую миграцию. Произойдет это из-за большого количества бетона, перемешанного с топливом.

Как мы видели выше, даже наихудший случай плавления топлива и нарушения охлаждения не приведет к самым тяжелым последствиям, если при этом не будет повреждена защитная оболочка реактора. Повреждения защитной оболочки и последствия этих повреждений обсуждаются в § 6.6.

Последовательность событий, описанных выше, относится к PWR. Для других реакторов здесь обсуждаются следующие ситуации.

Реакторы с кипящей водой BWR. Последовательность событий, связанная с плавлением активной зоны, взаимодействием воды и топлива и окончательным расположением бассейна с расплавленным топливом очень сходна с событиями, происходящими в PWR.

Слои топливных фрагментов и их охлаждение Как было показано в § 6.2, существуют некоторые обстоятельства, при которых слои топливных фрагментов первоначально образуются на дне бассейна с теплоносителем (водой или натрием). Если имеется возможность эффективного охлаждения таких слоев, то можно избежать повторного расплавления и повреждения корпуса или полости, занятой слоем. В последние годы, и особенно после аварии на АЭС Three Mile Island, вопросу охлаждения таких слоев уделяется много внимания.

Взаимодействие топлива с теплоносителем и паровые взрывы Когда одна жидкость вступает в контакт с другой и первая при этом имеет температуру, значительно превышающую температуру кипения второй жидкости, то может произойти быстрое парообразование второй жидкости, в то время как первая будет охлаждаться. При определенных обстоятельствах такое быстрое парообразование может привести к детонации.

Китайский синдром: что происходит на самом деле На рис. 6.4 изображена полная схема защитной оболочки для PWR. В случае плавления активной зоны, проникновения ее через корпус реактора, через пространство под корпусом и, в конце концов, через бетонное основание, бассейн с расплавом будет продолжать выделять тепло, поэтому интересно рассмотреть, что будет с ним при этом происходить.


На главную