Пароциркониевая реакция: различия между версиями
[отпатрулированная версия] | [отпатрулированная версия] |
Hullernuc (обсуждение | вклад) м →Следствия: лишку |
Hullernuc (обсуждение | вклад) +раздел «Аварийные системы и аварии» |
||
Строка 84: | Строка 84: | ||
|isbn = 2-86883-286-5 |
|isbn = 2-86883-286-5 |
||
|тираж = |
|тираж = |
||
}}</ref>. |
|||
== Аварийные системы и аварии == |
|||
Возникновения пароциркониевой реакции возможно лишь при перегреве активной зоны, это является общим вопросом безопасности реакторов. В случае же возникновения такой тяжёлой аварийной ситуации, существуют системы безопасности. |
|||
Основным средством недопущения образования в контуре реакторной установки газовых пузырей являются системы аварийного паро- газоудаления. На [[Авария на АЭС Три-Майл-Айленд|ТМI-2]] такая система отсутствовала, поэтому скопившиеся в различных частях оборудования и в самом реакторе неконденсирующиеся газы, в основном водород, воспрепятствовали возникновению в контуре естественной циркуляции после вынужденного выключения главных циркуляционных насосов, в результате чего авария переросла в крайне тяжёлую<ref>{{книга |
|||
|автор = J. Samuel Walker |
|||
|заглавие = Three Mile Island: A Nuclear Crisis in Historical Perspective |
|||
|ссылка = http://books.google.ru/books?id=tf0AfoynG-EC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false |
|||
|место = Berkeley and Los Angeles |
|||
|издательство = [[:en:University of California Press|University of California Press]] |
|||
|год = 2004 |
|||
|pages = |
|||
|allpages = 305 |
|||
|isbn = 0-520-24683-7 |
|||
|тираж = |
|||
}}</ref>. |
|||
Другой важной системой безопасности, пассивной, является [[гермооболочка]]. В водо-водяных реакторах она очень большого размера, десятки тысяч м³, поэтому достичь взрывоопасной концентрации водороду в ней крайне затруднительно. Во время аварии на ТМI-2, например, в гермооболочке наблюдались лишь локальные возгорания водорода, которые не привели к серьёзным последствиям. В кипящих реакторах размер гермооболочки существенно меньше. Это объясняется тем, что проблема основной аварии, на которую рассчитываются гермооболочки — авария с потерей теплоносителя — решается в гермооболочках кипящих реакторов по другому — с помощью объёмного бака-барботёра, куда сбрасывается пар в случае аварии. В ранних конструкциях контейнментов (Mark 1, Mark 2) кипящих реакторов для решения проблемы скопления водорода сухая шахта реактора заполняется инертным газом (например, чистым азотом), в более поздних, начиная с Mark 3 — системой дожигания водорода<ref>{{книга |
|||
|автор = George A. Greene |
|||
|заглавие = Heat transfer in nuclear reactor safety |
|||
|ссылка = http://books.google.ru/books?id=bcst7qkPiTcC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false |
|||
|место = San Diego |
|||
|издательство = [[Academic Press]] |
|||
|год = 1997 |
|||
|pages = |
|||
|allpages = 357 |
|||
|isbn = 0-12-020029-5 |
|||
|тираж = |
|||
}}</ref><ref>{{статья |
|||
| автор = Jan Beyea, Frank Von Hippel |
|||
| заглавие = Containment of a reactor meltdown |
|||
| ссылка = http://books.google.com/books?id=KAsAAAAAMBAJ&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q&f=false |
|||
| язык = en |
|||
| издание = [[:en:Bulletin of the Atomic Scientists|Bulletin of the Atomic Scientists]] |
|||
| тип = |
|||
| место = |
|||
| издательство = |
|||
| год = 1982 |
|||
| том = 38 |
|||
| номер = 7 |
|||
| страницы = 52—59 |
|||
| issn = 0096-3402 |
|||
}}</ref>. При [[Авария на АЭС Фукусима I|аварии на АЭС Фукусима]] пострадали энергоблоки с контейнментом типа Mark 1. Скопление водорода во вторичной гермооболочке, привело к взрыву энергоблоков 1 и 3. На энергоблоке 2 взрыв произошёл в районе бака-барботёра. На энергоблоке 4 взрыв водорода произошёл в районе бассейна выдержки топлива. |
|||
Известным нововведением, предназначенным для решения проблемы скопления водорода при тяжёлых авариях, являются каталитические рекомбинаторы водорода (пассивная система безопасности). Их можно устанавливать и на уже работающих блоках (на множестве по всему миру они уже установлены), в обязательный набор элементов они входят в новых проектах. Рекомбинаторы — небольшие устройства, которые во множестве устанавливаются по всему гермообъёму и обеспечивают снижение концентрации водорода при авариях с его выделением. Рекомбинаторы не требуют источников энергии и команд на включение — при достижении небольшой концентрации водорода (0,5—1,0 %), процесс его поглощения рекомбинаторами начинается самопроизвольно<ref>{{книга |
|||
|автор = Saito T., Yamashita J., Ishiwatari Y., Oka. Y. |
|||
|заглавие = Advances in Light Water Reactor Technologies |
|||
|ссылка = http://books.google.ru/books?id=BMBjFP3gqVQC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false |
|||
|место = New York, Dordrecht, Heidelberg, London |
|||
|издательство = [[Springer Science+Business Media|Springer]] |
|||
|год = 2011 |
|||
|pages = |
|||
|allpages = 295 |
|||
|isbn = 978-1-4419-7100-5 |
|||
|тираж = |
|||
}}</ref><ref>{{статья |
|||
| автор = Келлер В. Д. |
|||
| заглавие = Пассивные каталитические рекомбинаторы водорода для атомных электростанций |
|||
| ссылка = http://elibrary.ru/item.asp?id=9466901 |
|||
| издание = [[Теплоэнергетика (журнал)|Теплоэнергетика]] |
|||
| тип = |
|||
| место = {{М}} |
|||
| издательство = [[Наука (издательство)|МАИК «Наука/Интерпериодика»]] |
|||
| год = 2007 |
|||
| номер = 3 |
|||
| страницы = 65—68 |
|||
| issn = 0040-3636 |
|||
}}</ref>. |
}}</ref>. |
||
Версия от 14:46, 15 апреля 2011
Пароцирко́ниевая реа́кция — экзотермическая химическая реакция между цирконием и водяным паром, которая идёт при высоких температурах. В частности, реакция может происходить в активной зоне ядерного реактора с водяным теплоносителем и/или замедлителем при её перегреве[1] в условиях контакта циркониевых конструкционных элементов с водой.
Сплавы циркония являются наиболее распространённым конструкционным материалом тепловыделяющих сборок, в виде которых используется ядерное топливо в реакторах. В случае тяжёлой аварии с нарушением отвода тепла топливо может разогреться до больших температур за счёт остаточного тепловыделения остановленного реактора. В активной зоне даже некипящих реакторов при этом образуется пар, который по достижении 900—950 °C вступает в реакцию с цирконием. В результате образуется водород в количестве около 0,491 литр на грамм прореагировавшего циркония и выделяется большое количество тепла — 6530 кДж/кг[2].
Ход реакции
Реакция протекает в соответствии с уравнением:
- Zr + 2H2O = ZrO2 + 2H2 + Q,
где Q — выделяющаяся теплота (6530 кДж/кг)
Реакция начинается примерно при 900—950 °C, а при 1200 °C начинает развиваться очень быстро (так как выделяющаяся теплота дополнительно разогревает цирконий) и становится самоподдерживающейся[1][2][3].
Кинетика реакции описывается уравнением Бейкера — Джаста[4]:
где — число молей водорода;
- — площадь поверхности из циркония, контактирующей с паром;
- — константа скорости;
- t — время в секундах.
Константа равна 3,33·107exp(−45500/RTк), где Tк — температура в топливной сборке, R — универсальная газовая постоянная. При расчёте принимается, что температура изменяется по закону Tк = Т0 + at, где а — коэффициент, характеризующий скорость нарастания температуры в К/с, Т0 — номинальная температура в топливной сборке.
Количество водорода, образовавшегося за время t, определяется интегрированием уравнения Бейкера — Джаста.
Скорость реакции существенно зависит от температуры, количества подводимого к реагирующей поверхности пара и времени реакции. Причём в реальных условиях количество подводимого пара значительно ниже, чем при расчётах, так как подвод пара к поверхности затруднён. В реакции участвуют лишь близкие к поверхности слои пара, при этом образующийся в результате реакции водород препятствует подводу пара к поверхности. На поверхности образуется плёнка ZrO2, которая также тормозит реакцию[2].
Следствия
Помимо выделения водорода и тепла, реакция сопровождается охрупчиванием оболочек твэлов и уменьшением её первоначальной толщины за счёт окисления циркония. Примерно за 10—12 минут после начала самоподдерживающейся пароциркониевой реакции оболочка твэла окисляется на толщину 0,10—0,15 мм с разогревом до температуры её плавления.
При экспериментах уже на ранней стадии наблюдалась серьёзная деформация твэлов, при небольшом превышении температуры плавления циркония в каналах теплоносителя образуются пробки (блокады).
Даже при сравнительно небольшой скорости протекания реакции количество выделяющегося тепла сравнимо с остаточным тепловыделением остановленного реактора, таким образом усиление нагрева топлива в результате реакции очень существенно[2].
В результате вступления в реакцию большой части циркония может образовываться количество водорода, исчисляемое тысячами кубометров. Это чрезвычайно опасно как с точки зрения взрыво- и пожароопасности, так и с точки зрения образования в контуре реакторной установки газовых пузырей, препятствующих циркуляции теплоносителя, что может усугубить аварию из-за прекращения теплосъёма с топлива[5].
Аварийные системы и аварии
Возникновения пароциркониевой реакции возможно лишь при перегреве активной зоны, это является общим вопросом безопасности реакторов. В случае же возникновения такой тяжёлой аварийной ситуации, существуют системы безопасности.
Основным средством недопущения образования в контуре реакторной установки газовых пузырей являются системы аварийного паро- газоудаления. На ТМI-2 такая система отсутствовала, поэтому скопившиеся в различных частях оборудования и в самом реакторе неконденсирующиеся газы, в основном водород, воспрепятствовали возникновению в контуре естественной циркуляции после вынужденного выключения главных циркуляционных насосов, в результате чего авария переросла в крайне тяжёлую[6].
Другой важной системой безопасности, пассивной, является гермооболочка. В водо-водяных реакторах она очень большого размера, десятки тысяч м³, поэтому достичь взрывоопасной концентрации водороду в ней крайне затруднительно. Во время аварии на ТМI-2, например, в гермооболочке наблюдались лишь локальные возгорания водорода, которые не привели к серьёзным последствиям. В кипящих реакторах размер гермооболочки существенно меньше. Это объясняется тем, что проблема основной аварии, на которую рассчитываются гермооболочки — авария с потерей теплоносителя — решается в гермооболочках кипящих реакторов по другому — с помощью объёмного бака-барботёра, куда сбрасывается пар в случае аварии. В ранних конструкциях контейнментов (Mark 1, Mark 2) кипящих реакторов для решения проблемы скопления водорода сухая шахта реактора заполняется инертным газом (например, чистым азотом), в более поздних, начиная с Mark 3 — системой дожигания водорода[7][8]. При аварии на АЭС Фукусима пострадали энергоблоки с контейнментом типа Mark 1. Скопление водорода во вторичной гермооболочке, привело к взрыву энергоблоков 1 и 3. На энергоблоке 2 взрыв произошёл в районе бака-барботёра. На энергоблоке 4 взрыв водорода произошёл в районе бассейна выдержки топлива.
Известным нововведением, предназначенным для решения проблемы скопления водорода при тяжёлых авариях, являются каталитические рекомбинаторы водорода (пассивная система безопасности). Их можно устанавливать и на уже работающих блоках (на множестве по всему миру они уже установлены), в обязательный набор элементов они входят в новых проектах. Рекомбинаторы — небольшие устройства, которые во множестве устанавливаются по всему гермообъёму и обеспечивают снижение концентрации водорода при авариях с его выделением. Рекомбинаторы не требуют источников энергии и команд на включение — при достижении небольшой концентрации водорода (0,5—1,0 %), процесс его поглощения рекомбинаторами начинается самопроизвольно[9][10].
Примечания
- ↑ 1 2 Karl-Heinz Neeb. The radiochemistry of nuclear power plants with light water reactors. — Berlin, New York: Walter de Gruyter, 1997. — 733 p. — ISBN 3-11-013242-7.
- ↑ 1 2 3 4 Самойлов О. Б., Усынин Г. Б., Бахметьев А. М. Безопасность ядерных энергетических установок. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 280 с. — 5900 экз. — ISBN 5-283-03802-5.
- ↑ Safety and security of commercial spent nuclear fuel storage: public report. — Washington, D.C.: National Academies Press, 2006. — 75 p. — ISBN 0-309-16519-9.
- ↑ Кабакчи С. А., Булгакова Г. П. Радиационная химия в ядерном топливном цикле . РХТУ им. Д.И.Менделеева (1997). Дата обращения: 11 апреля 2011.
- ↑ Libmann J. Elements of nuclear safety. — France: Les Éditions de Physique, 1996. — 543 p. — ISBN 2-86883-286-5.
- ↑ J. Samuel Walker. Three Mile Island: A Nuclear Crisis in Historical Perspective. — Berkeley and Los Angeles: University of California Press, 2004. — 305 p. — ISBN 0-520-24683-7.
- ↑ George A. Greene. Heat transfer in nuclear reactor safety. — San Diego: Academic Press, 1997. — 357 p. — ISBN 0-12-020029-5.
- ↑ Jan Beyea, Frank Von Hippel. Containment of a reactor meltdown (англ.) // Bulletin of the Atomic Scientists. — 1982. — Vol. 38, no. 7. — P. 52—59. — ISSN 0096-3402.
- ↑ Saito T., Yamashita J., Ishiwatari Y., Oka. Y. Advances in Light Water Reactor Technologies. — New York, Dordrecht, Heidelberg, London: Springer, 2011. — 295 p. — ISBN 978-1-4419-7100-5.
- ↑ Келлер В. Д. Пассивные каталитические рекомбинаторы водорода для атомных электростанций // Теплоэнергетика. — М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2007. — № 3. — С. 65—68. — ISSN 0040-3636.