Томас Маклафлин - Обзор ядерных аварий с возникновением СЦР (LA-13638)

• Название: Обзор ядерных аварий с возникновением СЦР (LA-13638)
• Автор: Томас Маклафлин
• Издательство: Лос-Аламосская национальная лаборатория
• Жанр: Физика
• Год: 2003

Обсуждаются ядерные аварии с возникновением самоподдерживающейся цепной реакции (СЦР) и характеристики разгона на мгновенных нейтронах на критических сборках. Рассмотрено 60 аварий на различного типа оборудовании и установках. Приводятся детали, позволяющие читателю понять физическую картину, химические процессы во время аварии, а также предоставляется информация об административной обстановке на промежутке времени, предшествующем возникновению аварии, в тех случаях, когда она доступна. Приводится картина изменения мощности во времени, приводятся данные об энерговыделении, последствиях и причинах аварии. Для описания тех аварийных ситуаций, которые возникли на промышленных предприятиях, в настоящую версию были включены два новых раздела. В первом из них содержится анализ и выводы о физических и ядерно-физических свойствах систем, в которых происходила цепная реакция. Во втором обобщаются наблюдения и обсуждаются извлеченные уроки. Обсуждение случаев резкого превышения мощности крупных энергетических реакторов не включено в данный отчет.

---

При работах по ликвидации аварии и ее последствий пять человек облучились дозой до 2Р. Разрушения оборудования не произошло. Сразу после аварии монжюс был заменен на новый аппарат безопасной геометрии.

Радиоактивного загрязнения в результате аварии не произошло.

Полное число делений, согласно грубым оценкам, составило около 2–3 X 1017.

8. Радиохимический завод, шт. Айдахо, 25 января 1961 г. 14, 15, 16, 17

Раствор уранилнитрата, U(90 %), в конденсаторе; многочисленные всплески мощности; незначительные дозы облучения.

Авария произошла в главном производственном здании СРР-601 в камере Н, имеющей толстую биологическую защиту из бетона, в которой производилась химическая очистка от продуктов деления растворов, полученных при переработке отработавшего топлива. После этого уран концентрировался в выпарном аппарате. Операции проводились круглосуточно, 24 часа, в три восьмичасовые смены. Авария произошла в 9 ч 5 мин после того, как по обычному распорядку новая смена заступила на работу в 8 ч 00 мин. Это был всего лишь пятый рабочий день после почти годового перерыва в работе предприятия.

Авария произошла в конденсаторе выпарного аппарата Н-110. Конденсатор представлял собой вертикальную цилиндрическую емкость диаметром около 600 мм и высотой более 1,5 м и находился над безопасной секцией выпарного аппарата диаметром 130 мм. Несмотря на наличие линии перелива непосредственно под конденсатором, предназначенной не допускать попадания в конденсатор значительного количества раствора, все-таки концентрированный раствор уранилнитрата (200 г/л) с большой скоростью забрасывался в этот небезопасный объем.

В отчете комиссии по расследованию аварии 14,15 обсуждается несколько предположительных причин попадания раствора в конденсатор. Самой правдоподобной причиной считается случайное выталкивание пузырем воздуха под высоким давлением (последствие ранее проводившейся операции по очистке трубы) большей части из 40 л раствора уранилнитрата, находящегося в 130 мм трубе выпарного аппарата, вверх в конденсатор. Не известны ни точный объем делящегося материала (следовательно, и масса урана), ни геометрия системы во время всплеска мощности. О них можно лишь предполагать. Точно известно, что СЦР произошла в конденсаторе и, по отчетам, была кратковременной, всего несколько минут. По оценкам с погрешностью 25 % общее количество делений составило 6 X 1017.

Не было каких-либо показаний приборов, непосредственно отразивших историю аварийного энерговыделения. О временной картине энерговыделения можно было судить только по показаниям далеко находившихся детекторов, предназначенных для непрерывного контроля воздуха. Исследование графиков самописцев этих детекторов с учетом их нахождения привело к неубедительным, а в одном случае необъяснимым результатам. В появившейся после аварии статье Американского ядерного общества (АЯО) 16 о методе оценки энерговыделения во время ядерных аварий приводится величина первого пика 6 X 1016 делений и общее энерговыделение 6 X 1017 делений. Экспериментальные данные серии CRAC 5 по динамике систем с критичностью на мгновенных нейтронах, дополненные данными по объему вовлеченного в аварию раствора, подтвердили значения из статьи АЯО. Последним источником информации о возможной величине первого пика является частное заключение доктора Д. Л. Хетрика 17 о том, что значение 6 X 1016 кажется наиболее разумным.

Сигнализаторы радиационной обстановки выдали звуковой сигнал во всех производственных помещениях, очевидно, отреагировав на мгновенное гамма-излучение первого пика. Весь персонал тут же эвакуировался; дозы облучения оказались минимальными (<60 мбэр) и были получены от летучих продуктов деления после того, как персонал покинул здание. Группа операторов и дозиметристов вернулась в здание через 20 минут после СЦР и отключила все технологическое оборудование. Так как уровни радиации быстро вернулись к норме и не было никаких признаков загрязнения в зонах, где работали люди, руководство разрешило рабочим вернуться на завод в 14 ч 45 мин. Повреждений оборудования не было.

В отчете комиссии по расследованию аварии указывается несколько факторов, способствовавших аварии: (1) несогласованное взаимодействие между операторами, в частности, устный обмен данными о положении вентилей, (2) после длительного простоя персонал не освежил знания по эксплуатации оборудования, (3) достаточно плохое состояние оборудования.

9. Сибирский химический комбинат (СХК), Завод разделения изотопов, г. Северск, 14 июля 1961 г

Накопление обогащенного урана (22,6 %) в расширительном баке вакуумного насоса; два разгона мощности; один случай значительного облучения.

Данная авария произошла на газодиффузионной установке по обогащению урана.

На заводе производится обогащение урана изотопом 235U с последующей его поставкой на заводы по изготовлению ядерного топлива для реакторов различных типов. Процесс ведется непрерывно (24 часа в сутки при четырехсменной работе персонала) с постоянным отбором товарного гексафторида урана (ГФУ) нужного обогащения, а часть гексафторида отбирается на установки очистки от легких примесей (воздух, фтористый водород).

Испарение ГФУ и его подача в разделительный каскад, а также конденсация его в емкости производятся на конденсационно-испарительных установках (КИУ).

Рисунок 14. Схема КИУ-6.

КИУ-6 Завода разделения изотопов, расположенная в помещении площадью 7,2 м X 18 м, предназначалась для очистки гексафторида урана от легких примесей (рис. 14). Степень обогащения по 235U на этом этапе составляла 22,6 %. Очистка ГФУ от примесей осуществлялась путем конденсации ГФУ при температуре от —60 до —80 °C в основных (ОЕ, 5 шт.) и промежуточных (ПЕ, 3 шт.) емкостях с последующим испарением ГФУ в технологическую цепочку. При нормальном ведении процесса практически весь ГФУ конденсировался в основных и промежуточных емкостях, а HF и незначительное количество ГФУ конденсировались в емкостях-осадителях (ОС, 2 шт.) при температуре минус 180 °C. Неконденсирующиеся примеси (воздух) поступали в ресиверы (5 штук) объемом 4,5 м3 каждый с последующей откачкой вакуумным насосом ВН-6 (рис. 15) в систему газоочистки. В вакуумном насосе в качестве рабочего тела используется масло. Масло необходимо менять примерно через каждые 15 дней, вследствие повышения его плотности (от 0,9 до 1,1 при концентрации урана около 20 г/л) из-за накопления в нем ГФУ, что снижает КПД насоса. Данный график замены масла был составлен исходя из соображений обеспечения нормальной эксплуатации при безусловном учете безопасности при возникновении критичности.

Рисунок 15. Вакуумный насос ВН-6 (размеры приведены в мм).

Охлаждение основных и промежуточных емкостей осуществлялось парами жидкого азота, пропускаемыми через змеевик, помещенный в чугунную дробь. Включение обогрева (режим испарения) основных и промежуточных емкостей осуществлялось автоматически в зависимости от давления в коллекторе испарения, из которого ГФУ подавался в разделительный каскад. Жидкий азот для охлаждения емкостей (при достаточном его количестве) подавался системой автоматики по сигналам термодатчиков (термометры сопротивления). При недостаточном количестве жидкого азота предусматривалась его подача для охлаждения основных и промежуточных емкостей вручную из переносных сосудов Дьюара.

С 1 июля 1961 года на заводе были введены ограничения на потребление жидкого азота. В связи с этим со 2 июля охлаждение основных емкостей было переведено на ручной режим подачи жидкого азота, а охлаждение промежуточных емкостей было прекращено, что увеличило поступление гексафторида урана в ресиверы и вакуумный насос ВН-6.

Десятого июля вследствие потери герметичности регулятора на одной из ступеней блока разделительных машин произошла натечка воздуха, что заставило более интенсивно использовать КИУ-6 для удаления легких примесей.

По результатам оценки, сделанной после аварии, за период ликвидации натечки воздуха с 10 по 14 июля через систему ресиверов прошло около 20 кг урана.

В период с 1 июля по 14 июля имели место следующие нарушения требований технологического регламента:

• приборы, регистрирующие на диаграммах температуру основных емкостей, были отключены;

• охлаждение основных емкостей осуществлялось непосредственной заливкой жидкого азота в теплообменную засыпку (чугунную дробь), а не в змеевики. В результате, предположительно, имел место значительный градиент температур, а значит, и неправильная оценка температуры, так как термометр находился непосредственно у места заливки жидкого азота;