Текст книги "Обзор ядерных аварий с возникновением СЦР (LA-13638)"

Автор книги: В. Фролов

Соавторы: Б. Рязанов,Норман Прувост,Шан Монахан,Томас Маклафлин,В. Свиридов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 18 страниц)

Выводы

Риск аварий с возникновением СЦР не исчезнет, пока существуют значительные количества делящихся материалов. Однако в результате плановых экспериментов и прошлых аварий были накоплены значительные знания, позволяющие обеспечить высокую степень уверенности в том, что при соответствующей поддержке со стороны ответственных руководителей, разумных усилий специалистов по ядерной безопасности и рабочего персонала, а также при непрерывном строгом соблюдении кодекса фундаментальных принципов безопасности и руководств, вероятность аварий может поддерживаться на современном низком уровне или, возможно, даже уменьшиться в будущем. Это потребует непрерывного обучения будущего персонала на всех уровнях – представителей регулирующих органов, высшего руководства, непосредственных начальников, специалистов по критичности и операторов – на уроках прошлого с тем, чтобы подобные аварии не могли повториться.

Следующее положение, хотя оно было вплетено повсюду в предыдущий текст, заслуживает того, чтобы его повторить: «Во всех авариях господствующими были недостатки в конструкции, в управлении и в рабочих операциях. Именно на этих вопросах следует сосредоточиться для предотвращения аварий».

II. Аварии при экспериментах с реакторами и при критических экспериментах

В настоящем разделе выявляются ошибки, которых следует избегать при проведении экспериментов с реакторами и экспериментов по изучению критичности. Поскольку возникновение критичности при таких экспериментах ожидается заранее, то уроки, которые можно извлечь из данного раздела, не вносят непосредственного вклада в ту отрасль знания, которая решает проблемы безопасности в отношении критичности при технологической обработке материалов. Из 38 изученных аварий 5 произошли на таких установках, которые следует классифицировать как работающие реакторы (кипящий реактор, «Годива», «Дрэгон», SL-1 и канадский исследовательский экспериментальный реактор NRX), а 33 аварии произошли на критических установках, на которых исследовались свойства самих критических сборок.

Главное изменение в части II этой второй редакции, по сравнению с предыдущими редакциями, состоит в добавлении описаний шести аварий, случившихся в Российской Федерации. Четыре из них произошли с небольшими металлическими урановыми и плутониевыми сборками, две произошли на критических сборках с макетами активной зоны реактора.

Некоторые данные об авариях при экспериментах с реакторами и при критических экспериментах сведены в таблице 11. Там, где это является возможным и уместным, энергия деления при резком увеличении мощности разделяется на ту, которая была выделена в пике, и на ту, которая была выделена на плато зависимости выделенной энергии от времени. Для некоторых выбросов мощности почти все акты деления имели место на плато; другие выбросы мощности состояли лишь из единственного пика.

^{Таблица 11. Аварии при экспериментах с реакторами и при критических экспериментах}

A. Системы растворов делящихся материалов

1. Лос-Аламосская национальная лаборатория, декабрь 1949 г

Реактор-бойлер; поглощающие стержни удалялись вручную; единичный всплеск мощности; незначительная доза облучения.

Эта авария произошла при испытании двух новых поглощающих стержней в реакторе, названном «бойлером» из-за своей схожести с этим аппаратом. Реактор представлял собой сферу из нержавеющей стали диаметром 12 дюймов (305 мм), содержащую 13,6 л водного раствора уранилнитрата с обогащением урана 88,7 %. В 1949 году в качестве отражателя в реакторе использовался толстый слой графита. Реактор имел биологическую защиту из бетона сверху и с боковых сторон. Стержни перемещались в каналах в графите.

Стержни были смонтированы, и оператор вынимал их вручную, проверяя время падения в активную зону. Испытание стержней поодиночке являлось безопасной процедурой, так как одного стержня в активной зоне было достаточно для поддержания подкритичности. После нескольких проверок каждого из стержней по отдельности были извлечены оба стержня, их подержали в поднятом положении 5 секунд, а затем одновременно сбросили в активную зону.

При извлечении обоих стержней реактивность превысила на 3 цента уровень критичности на мгновенных нейтронах, что соответствовало периоду разгона мощности 0,16 с. Вероятно, за этот интервал времени мощность достигла величины от 2 до 3 х 10¹⁶ делений в секунду и оставалась примерно на таком уровне в течение около полутора секунд. Всплеск мощности не был сразу обнаружен, потому что все приборы были выключены, за исключением термометра, предназначенного для прямых измерений, который показал повышение температуры на 25 °C, что соответствовало энерговыработке от 3 до 4 х 10¹⁶ делений.

Оператор, находящийся за защитой, получил дозу радиации, равную 2,5 рад. Механических повреждений реактора не было.

2. Завод в Ханфорде, шт. Вашингтон, 16 ноября 1951 г. ^{38 40}

Сборка с плутониевым раствором; слишком быстрое извлечение кадмиевого стержня; единичный всплеск мощности; незначительные дозы облучения.

Критическая сборка, в которой произошел разгон мощности, содержала 1,15 кг плутония в форме нитрата плутония, находящегося внутри алюминиевой сферы без отражателя диаметром 50,8 см. Целью экспериментальной программы было определение критической массы плутония для емкостей различной геометрии и различных концентраций плутония в растворе. Всплеск мощности произошел при подходе к состоянию критичности, когда сфера была заполнена на 93 %, в результате удаления полого кадмиевого стержня СУЗ. Стержень выводился с пульта управления постепенно, шагами, причем промежуток времени между шагами оказался недостаточным. Энерговыход в результате всплеска мощности составил 8 х 10¹⁶ делений. Небольшое количество топлива оказалось выплеснутым через прокладки в верхней части критсборки. Поскольку до аварии система уплотнения удерживала около 18 литров воздуха над поверхностью топлива, давление в процессе аварии должно было намного превышать атмосферное.

Опубликованные данные предполагают, что скорость ввода реактивности в результате извлечения стержня СУЗ должна была составлять примерно 4,7 р/с, что соответствует (если использовать известные температуры и значения пустотных коэффициентов реактивности) выходу делений, в два раза превышающему наблюдавшееся значение. В данном случае, однако, действие аварийной системы было достаточно быстрым, так что сам кадмиевый стержень, скорее всего, тоже способствовал гашению цепной реакции. Небольшое уменьшение скорости ввода реактивности по сравнению с приведенной величиной удлинило бы время разгона и сделало бы его таким, что еще с большей вероятностью можно было бы предположить, что всплеск мощности был погашен падающим стержнем-поглотителем.

В результате этого всплеска мощности никто из персонала не пострадал, хотя произошло загрязнение экспериментальной зоны раствором нитрата плутония. Через несколько дней здание было успешно дезактивировано, но до окончания полной очистки экспериментальной зоны в нем произошел пожар, и здание больше не использовалось.

3. Окриджская национальная лаборатория, 26 мая 1954 г. 38 41 42

Сборка с урановым раствором; центральный поглощающий цилиндр отклонился от нормального положения; единичный всплеск мощности; незначительные дозы облучения.

Данный эксперимент был одним из серии экспериментов по изучению критических свойств водных растворов в кольцевых цилиндрических емкостях. Внешний цилиндр имел диаметр 10 дюймов (25,4 см), а облицованный кадмием внутренний цилиндр – диаметр 2 дюйма (5,08 см). Система не имела отражателя и содержала 55,4 л водного раствора UO₂F₂. Масса высокообогащенного урана (93 %) составляла 18,3 кг. Всплеск мощности произошел, когда уровень жидкости достиг 40 дюймов (101,6 см), но продолжался процесс слива раствора в емкость. На рисунке 40 изображена схема эксперимента до и после аварии. Внутренний цилиндр, по сути дела, выполнял роль поглощающего стержня. Когда он отсоединился от места крепления в верхней части установки и наклонился в сторону стенки внешнего цилиндра, эффективность поглощения понизилась, и произошло увеличение реактивности системы. Уровень критичности на запаздывающих нейтронах был существенно превышен, и произошел всплеск мощности с энерговыделением 10¹⁷ делений.

Ход этой аварии был восстановлен самым тщательным образом. В результате наклона внутреннего цилиндра реактивность вводилась со скоростью 3,33 р/с и продолжала вводиться, когда система стала критической на мгновенных нейтронах. Используя известные коэффициенты и время генерации нейтронов, можно рассчитать, что в начальном пике выход составил 5,1 х 10¹⁶ делений. На развитие пика мощности после того, как система достигла критичности на мгновенных нейтронах, потребовалось лишь 0,07 с (0,43 секунды с момента начала отклонения цилиндра). Это означает, что цилиндр продолжал наклоняться. Особенностью таких аварий является то, что после начального пика скорость ввода реактивности компенсируется ростом мощности. Для данного раствора требовалась мощность в несколько мегаватт, которая поддерживалась достаточно стабильно, пока внутренний цилиндр не достиг максимального отклонения через 0,91 секунды после начала падения. В этот момент мощность резко упала, и, когда жидкость начали сливать, система оказалась в глубоко подкритическом состоянии.

Вследствие наличия толстой защиты никто из персонала не получил более 0,9 бэр. Из цилиндра выплеснулось несколько десятков кубических сантиметров раствора. Через три дня на установке возобновились эксперименты.

^{Рисунок 40. Схема сборки с урановым раствором в Окриджской национальной лаборатории с указанием нормального и смещенного положений центрального поглощающего цилиндра.}

4. Окриджская национальная лаборатория, 1 февраля 1956 г. ^41,42

Сборка с раствором урана; падающий лист кадмия создал волну; единичный всплеск мощности; незначительные дозы облучения.

В ходе данного эксперимента изучались параметры реактора путем измерения периодов разгона реактора. Система представляла собой цилиндрический бак диаметром 76 см, заполненный до уровня 130 мм 58,9 литрами водного раствора UO₂F₂, содержащего 27,7 кг ²³⁵U. Раствор подавался из емкости для хранения в экспериментальный реактор посредством создания избыточного давления воздуха в емкости для хранения. Расход раствора регулировался с пульта управления клапаном на трубопроводе диаметром 1/2 дюйма. Когда переключатель находился в положении «заливка раствора», клапан был открыт и давление подавалось в систему; когда переключатель находился в положении «слив», клапан также был открыт, но подкачка воздуха прекращалась, а давление в емкостях для хранения стравливалось до атмосферного. Когда переключатель находился в промежуточном, «нейтральном», положении, клапан закрывался и стравливалось давление в емкостях для хранения.

К этому моменту объем раствора был примерно на 100 миллилитров меньше критического. После добавления порции раствора период разгона быстро сократился до 30 с и, как казалось, стабилизировался на этом уровне. Вскоре после этого переключатель подачи раствора (топлива) перевели в положение «слив». Порог срабатывания автоматики был установлен на величину периода разгона в 10 секунд. Периодомер показал быстрое уменьшение периода разгона, и произошло почти мгновенное срабатывание системы аварийной защиты по сигналам оператора и автоматики. Сразу же после этого произошел всплеск мощности. Энерговыделение составило 1,6 х 10¹⁷ делений, и в данном случае значительный объем раствора был с силой выброшен из емкости.

Последовавшие за аварией проверки показали, что, если продолжительность времени, в течение которого стравливалось рабочее давление, была недостаточной, раствор мог продолжать поступать в реактор в течение нескольких секунд после того, как переключатель подачи топлива устанавливался в положение «слив». Такая добавка раствора может объяснить сокращение периода разгона, в результате которого сработала аварийная защита, однако при этом не могла быть добавлена реактивность, достаточная для объяснения наблюдавшегося всплеска мощности.

Реактивность таких неглубоких (плоских) сборок большого диаметра очень чувствительна к уровню раствора в установке и мало чувствительна к изменению диаметра. Для рассматриваемой системы разница между состояниями критичности на запаздывающих и мгновенных нейтронах определялась разницей в уровнях раствора, составлявшей всего 1 мм. При уменьшении эффективного диаметра до 50 см для сохранения состояния критичности на запаздывающих нейтронах высота должна была увеличиться только на 12 мм. Предполагается, что падающий в раствор кадмиевый лист, слегка деформированный в нижней части, вызвал возникновение волн в жидкости, в результате сложения которых по крайней мере один раз должна была образоваться конфигурация с критичностью на мгновенных нейтронах.

В данном случае анализ был направлен на определение величины скорости ввода реактивности, которая могла вызвать пик мощности с соответствующим энерговыделением. Результаты анализа сравнивались с известными фактами с целью выявления противоречий. В результате анализа оказалось, что скорость ввода реактивности, равная 94 р/с, достаточна для образования пика длительностью 8 миллисекунд с соответствующим энерговыходом. Максимальная избыточная реактивность на 2 р превышала уровень критичности на мгновенных нейтронах, а газовыделение могло быть в 12 раз больше, чем во время аварии 26 мая 1954 года в Окриджской лаборатории (см. аварию 3 в разделе А части II), что объясняет выброс раствора. Механизм возникновения газовыделения в виде сливающихся микропузырьков (образующихся вследствие диссоциации молекул воды продуктами деления) обсуждается в части III «Самоподдерживающаяся цепная реакция и механизмы гашения».

Для очистки от выплеснувшегося раствора потребовалась трудоемкая химическая дезактивация помещения, где располагалась сборка. Деформация дна цилиндра свидетельствовала о небольшом механическом повреждении. Максимальная доза не превысила 0,6 бэр.

5. Окриджская национальная лаборатория, 30 января 1968 г. ⁴³

Сфера с раствором урана-233; введение реактивности вследствие движения воздушных пузырьков; единичный всплеск мощности; незначительные дозы облучения.

Проводились штатные критические эксперименты по определению критической концентрации водного раствора уранилнитрата в тонкой алюминиевой сфере (объем 5,84 литра) с толстым водяным отражателем. Уран содержал 97,6 % урана-233 при концентрации 167 г/л. Плотность раствора составляла 1,23 г/см³.

Тонкая регулировка уровня раствора в сфере осуществлялась вертикальным перемещением цилиндра диаметром 55 мм. Регулирующий цилиндр был соединен со сферой гибкой прозрачной трубкой диаметром 13 мм. Система достигла критичности, и проводились измерения при изменении реактивности. Опускание регулирующего цилиндра не привело к ожидаемому снижению реактивности. В трубке, соединяющей регулирующий цилиндр и сферу, был виден воздушный пузырек. При попытке удалить пузырек в емкость, откуда осуществлялась подача раствора, в хранилище слился раствор в количестве, достаточном для того, чтобы система стала подкритической. Затем регулирующий цилиндр поочередно поднимался и опускался для того, чтобы сдвинуть пузырек. Движение было повторено как минимум два раза. В то время, когда никакого регулирования вообще не проводилось, произошло быстрое возрастание реактивности, сработали все механизмы аварийной защиты, сработала аварийная сигнализация.

Предполагается, что движение воздушного пузырька привело к вытеснению в сферу раствора в количестве, достаточном для того, чтобы перевести систему из состояния подкритичности в критическое состояние на мгновенных нейтронах. Впоследствии было определено, что энерговыделение при всплеске мощности составило 1,1 х 10¹⁶ делений. Приблизительно 90 миллилитров раствора выплеснулось из сферы в водяной отражатель, на пол и оборудование. Была оперативно проведена дезактивация.

Впоследствии возникновение воздушных пузырьков было исключено в результате простой модификации экспериментальной установки.

В. Металлические сборки с отражателями и без отражателей

1. Лос-Аламосская национальная лаборатория, 21 августа 1945 г. ³⁸

Плутониевая активная зона с отражателем из карбида вольфрама; единичный всплеск мощности; один человек погиб, один человек получил значительную дозу облучения.

2. Лос-Аламосская национальная лаборатория, 21 мая 1946 г. ³⁸

Плутониевая активная зона с отражателем из бериллия; один человек погиб, семь человек получили значительные дозы облучения.

Обе аварии произошли с одной и той же активной зоной и были похожи во многих отношениях. Активная зона состояла из двух полусфер плутония в дельта-фазе, покрытых 1,25 мм никеля. Общая масса активной зоны составляла 6,2 кг, плотность плутония составляла около 15,7 г/см³.

В первом случае критическая сборка собиралась вручную: вокруг плутониевой активной зоны укладывались блоки из карбида вольфрама весом 4,4 кг каждый. На рисунке 41 воссоздана конфигурация сборки в тот момент, когда была уложена половина вольфрамовых блоков[3]3
  В архивах Лос-Аламосской национальной лаборатории хранятся некоторые данные и комментарии по поводу эксперимента 2 октября 1945 г., проведенного с целью определения доз радиации, полученных в результате аварии 21 августа 1945 г. Энерговыход при эксперименте составил около 6 х 10¹⁵ делений, однако критичность на мгновенных нейтронах не была достигнута. Максимальная реактивность системы во время эксперимента была примерно на 60 центов выше значения, соответствующего критичности на запаздывающих нейтронах.


[Закрыть]. Экспериментатор без помощника собирался установить последний блок в сборку, заканчивая монтаж отражателя весом 236 кг, когда по показаниям находящихся вблизи нейтронных счетчиков он заметил, что установка этого блока приведет сборку в состояние критичности. Он отдернул руку, но блок выскользнул и упал в центр сборки. Добавочного отражения нейтронов оказалось достаточно для того, чтобы система перешла в надкритическое состояние. Возник всплеск мощности. Экспериментатор быстро убрал последний блок и начал разбирать сборку. Он получил 510 бэр в результате интегрального энерговыделения, составившего 10¹⁶ делений. Через 28 дней он умер.

Часовой, охранявший здание, но не участвовавший в экспериментах, получил дозу радиации, составившую около 50 бэр. Никелевая оболочка, которой была покрыта плутониевая активная зона, не была повреждена.

Во втором случае нескольким специалистам демонстрировался способ монтажа металлических критических сборок. Система состояла из такой же плутониевой сферы, но на сей раз с бериллиевым отражателем. Последней операцией являлась установка верхней полусферической бериллиевой оболочки. Ее медленно опускали на место, так что один край касался нижней бериллиевой полусферы, а другой, диаметрально противоположный, конец удерживался в приподнятом состоянии отверткой (рис. 42). Человек, проводивший демонстрацию, придерживал верхнюю полусферу, просунув большой палец левой руки в отверстие в верхней ее части.

Энерговыход в результате всплеска мощности составил 3 х 10¹⁵ делений. Механического разрушения никелевой оболочки и в этом случае не наблюдалось. Восемь человек, находившихся в комнате, получили дозы, составившие 2100, 360, 250, 160, 110, 65, 47 и 37 бэр. Человек, проводивший демонстрацию, умер через 9 дней.

На рисунке 43 показаны результаты расчета мощности энерговыделения в сфере как функции времени для нескольких значений избыточной реактивности. На рисунке 44 для тех же значений избыточной реактивности приведены соответствующие значения интегрального энерговыделения в зависимости от времени. Эти данные можно применять к обеим описываемым авариям, так как разный материал отражателя очень мало сказывается на кинетике цепной реакции. Если в случае первой аварии избыточная реактивность не превышала 15 центов, то вся конструкция должна была удерживаться в собранном виде в течение нескольких секунд, что вполне соответствует реальной картине событий. Во втором случае экспериментатор был лучше подготовлен к тому, чтобы быстро разобрать конструкцию. Считается, что это удалось сделать за доли секунды, возможно, меньше чем за полсекунды. Тогда известные параметры процесса можно объяснить, если положить избыточную реактивность равной 10 центам.

^{Рисунок 41. Сфера из плутония с частичным отражателем из карбида вольфрама.}

^{Рисунок 42. Конфигурация отражателя из бериллиевых оболочек до аварии, произошедшей 21 мая 1945 года.}

^{Рисунок 43. Расчетные значения мощности энерговыделения для плутониевой сферы массой 6,2 кг.}

^{Рисунок 44. Расчетные значения энерговыхода для плутониевой сферы массой 6,2 кг.}

3. Лос-Аламосская национальная лаборатория, 1 февраля 1951 г. ^{38, 42, 44, 45}

Эксперимент по взаимодействию; две большие массы урана (93,5 %) в воде; многократные всплески мощности; незначительные дозы облучения.

В 1949 году была создана установка для изучения размножающих свойств сборки из металла в воде. Установка имела две системы аварийной защиты. Первая, с быстрым срабатыванием, состояла из пневматического цилиндра, поднимавшего из воды изделие; вторая, более медленная, опустошала бак. Впоследствии установка была оборудована подвижной консолью, предназначенной для определения критических расстояний между двумя взаимодействующими частями, и была добавлена дополнительная система аварийной защиты в виде падающей кадмиевой пластины (рис. 45).

К всплеску мощности привел эксперимент по измерению критического расстояния между двумя частями сборки из обогащенного урана (с обогащением 93,5 %), помещенными в воду. Одна часть представляла собой сплошной цилиндр массой 24,4 кг, а вторая – полый цилиндр массой 38,5 кг. Наружная поверхность сплошного цилиндра и внутренняя поверхность полого цилиндра были облицованы листовым кадмием с толщиной слоя, равной 2,54 мм. Полый цилиндр был заполнен парафином.

По завершении эксперимента по определению критического расстояния (при коэффициенте умножения, равном 65,5) сборка была заглушена. Начался слив воды, была сброшена кадмиевая пластина, происходил подъем сплошного цилиндра (слева на рисунке 45). В этот момент произошел всплеск мощности (позже было определено, что выход составил 10¹⁷ делений), о чем свидетельствовали захлебнувшиеся нейтронные счетчики и появление облака пара над поверхностью воды, которое было видно на телеэкране.

^{Рисунок 45. Установка, использовавшаяся в Лос-Аламосской национальной лаборатории при измерении критических расстояний между взаимодействующими частями сборки.}

Последующее воспроизведение событий показало, что первой сработала пневматическая система аварийной защиты (подъемник для извлечения из воды), что вызвало осложнения двух типов. Во-первых, максимальная реактивность системы имела место при слегка поднятом положении левого цилиндра относительно его нижнего состояния. Эта реактивность реализовалась в процессе подъема сплошного цилиндра (в момент всплеска мощности). Во-вторых, быстрый подъем из воды вызвал возникновение гидродинамических сил, под действием которых цилиндры приблизились друг к другу. Комбинация этих двух факторов оказалась достаточной для того, чтобы сборка перешла в критическое состояние на мгновенных нейтронах, причем реактивность поддерживалась бы в этом случае, по крайней мере, на том же уровне в течение 0,2 с, если бы не произошел всплеск мощности. По оценкам, энерговыход в первом пике составил 6 х 10¹⁵ делений. Возможно, что за первым пиком последовали один или несколько всплесков мощности при движении блока в области реализации мгновенной критичности, поскольку основным механизмом гашения цепной реакции было кипение.

При этой аварии с полным энерговыделением 10¹⁷ делений персонал не был облучен, не произошло загрязнения экспериментальной установки. Повреждение урановых блоков выразилось в небольшом коррозионном отслаивании и вздутии за счет образования оксида урана. Работы на экспериментальной установке были возобновлены уже через два дня.