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.

---

• промежуточные емкости были выведены из нормального технологического процесса (не охлаждались) на длительный срок.

14 июля 1961 года в 4 ч 45 мин в помещении конденсационно-испарительной установки сработала звуковая сигнализация прибора (СД-1М) дозиметрического контроля. Оператор установки, выполнявший операции в этом помещении, вызвал дежурного дозиметриста для выяснения причин срабатывания сигнализации.

Дежурный дозиметрист определил, что мощность дозы гамма-излучения в помещении составляет около 2,5 мкР/с. В то же время система аварийной сигнализации о возникновении СЦР не сработала, несмотря на то, что в то время порог срабатывания для нее по мощности дозы гамма-излучения составлял 2,0 мкР/с.

С целью обнаружения источника гамма-излучения было обследовано все оборудование в помещении (его размеры 18 X 7,2 м2). Однако ресиверы и насос ВН-6 находились вне этого помещения и не были обследованы, так как не вызывали подозрений относительно возможности попадания в них ГФУ. Источник излучения не был определен, мощность дозы быстро спадала и через 10–15 минут составила 0,2 мкР/с.

Дав разрешение оператору установки продолжать работу, дозиметрист доложил оператору центрального диспетчерского пульта (ЦДП).

Оператор установки с целью откачки газа из ресиверов в 7 ч 30 мин включил с пульта управления вакуумный насос ВН-6 и пошел к ресиверу № 5, чтобы открыть задвижку, соединяющую насос с указанной группой ресиверов. В момент нахождения оператора на расстоянии 0,5 метра до ресивера и до насоса сработала система аварийной сигнализации (приборы УСИД). По словам оператора, у него возникло зрительное ощущение вспышки света. Не открывая задвижку, оператор выключил насос, побежал к телефону, который находился в этом корпусе (расстояние около 200 метров), и доложил о случившемся оператору ЦДП.

Одновременно со срабатыванием САС в КИУ-6 сработала аварийная сигнализация в трех соседних зданиях, находящихся на расстоянии от 160 до 320 метров от нее.

Пороги срабатывания сигнализации приборов УСИД были настроены на уровень мощности гамма-излучения — 2,0 мкР/с. Низкое значение порогов объясняет массовое срабатывание сигнализации.

Прибывший дозиметрист отметил увеличение мощности гамма-излучения от 0,2 мкР/с (на расстоянии около 100 метров от помещения КИУ-6) до 10мкР/с (в районе помещения КИУ-6).

Пострадавший оператор был отправлен в медсанчасть. Результаты расследования обстоятельств и причин ядерной аварии показали, что СЦР произошла в расширительном баке вакуумного насоса (рис. 16) из-за накопления урана и образования критической массы ядерного материала в виде смеси вакуумного масла и фтористых соединений урана.

В течение 5 дней измерялась мощность дозы гамма-излучения на боковой поверхности бака. Измерения проводились прибором ПМР-1. Блок детектирования размещался вплотную к поверхности бака в точке, расположенной на полувысоте бака. Динамика снижения мощности дозы гамма-излучения (D) на поверхности бака приведена в таблице 7.

Опорожнение бака происходило через нижнее сливное отверстие в емкости объемом 5 литров. Всего, 18–19 июля, из бака было извлечено 42,95 кг масла. По данным анализа, концентрация урана составила 173 г/л (анализ проводился люминесцентным методом с возможной погрешностью ± 30–40 %). Обогащение по урану-235 составило 22,6 %.

Рисунок 16. Бак масляного насоса (размеры приведены в мм).

Возникновение и гашение цепной реакции имели следующие особенности. Масса фторидов урана накапливалась в масле длительное время, но наиболее интенсивно с 10.07.61 г. по 14.07.61 г. Ввиду малой скорости ввода реактивности и интенсивного собственного источника нейтронов (1,3 X 104 н/с) разгон происходил на запаздывающих нейтронах. Первый разгон мощности 14.07.61 г. в 4 ч 45 мин был очень слабым и по числу делений, вероятно, не превысил 2 X 1014 делений. После его самогашения система осталась в состоянии, близком к критическому на запаздывающих нейтронах. Необходимо отметить, что точные сведения о концентрации, объеме раствора, конфигурации материала в момент первого разгона мощности отсутствуют. Более того, неизвестно, работал ли в это время вакуумный насос.

Таблица 7. Результаты измерения мощности дозы гамма-излучения

При включении насоса в 7 ч 30 мин масло, находившееся в полостях насоса, было вытеснено в трубу масляного бака. Тем самым система с центральной полостью перешла в систему полностью заполненного цилиндра. Механизм самогашения связан с эффектом повышения температуры, образованием пузырьков радиолитических газов от треков осколков деления в масле, что вызвало выброс части масла из бака обратно в полость насоса и газоочистку. Как и для первого разгона мощности, так и для второго остается неизвестным точное значение концентрации и количества масла, впрыснутого насосом в центральную трубу расширительного бака. Полное число делений за аварию оценивается значением около 1,2 X 1015.

Последствия данного инцидента следующие. Обследование оператора показало, что он был облучен дозой около 200 рад и перенес лучевую болезнь в сравнительно легкой форме. Других пострадавших не было. Разрушения оборудования, загрязнения помещений, потерь делящегося материала также не было.

10. Завод в Ханфорде, шт. Вашингтон, 7 апреля 1962 г. 18 19 20 21 22

Раствор плутония в передаточной емкости; многократные всплески мощности; три человека получили значительные дозы облучения.

Во время данной аварии, произошедшей на радиохимическом производстве с использованием системы Recuplex, имели место следующие процессы:

1) происходила зачистка дна колпака, предназначенного для экстракции растворителя;

2) продукт мог переливаться в колпак через край емкости, предназначенной для сбора продукта;

3) имелась временная линия от дна колпака к емкости для промежуточного хранения (около 460 мм в диаметре, объем 69 л);

4) очевидно, имела место неправильная работа вентилей.

Окончательно механизм, вызвавший всплеск мощности, не мог быть определен, так как показания свидетелей и операторов не полностью согласуются с техническими данными, выявленными комиссией по расследованию причин аварии. Имеется правдоподобная картина хода событий, хотя не могут быть исключены и другие механизмы. В результате переполнения емкости для сбора жидкости раствор перелился через край емкости в колпак, часть раствора с концентрацией Pu примерно 45 г/л оказалась на дне и в отстойнике колпака. Оператор, нарушив инструкции, открыл вентиль, в результате чего раствор поднялся в передаточную емкость. Последовавшее добавление водного раствора (от 10 до 30 л с концентрацией Pu 0,118 г/л) и дополнительное замедление нейтронов, как результат перемешивания и/или деаэрации содержимого бака, привели к всплеску мощности.

Полное энерговыделение передаточной емкости для промежуточного хранения составило 8 X 1017 делений, при этом энерговыделение в первом пике соответствовало, согласно оценке, не более чем 1016 делениям. После этого пика критичность сохранялась в емкости в течение 37,5 часов. При этом происходил постепенный спад мощности.

После срабатывания аварийной сигнализации персонал был немедленно эвакуирован из здания. В это время (в субботу утром) в здании находились 22 человека, только трое из них получили значительные дозы облучения (110, 43 и 19 бэр). Авария сама по себе не привела к механическим повреждениям или радиоактивному загрязнению, но ускорила закрытие завода. Система Recuplex находилась в опытной разработке и только позднее была использована на производстве. Решение о строительстве нового завода было принято до аварии.

Действия после аварии были уникальными. Маленький робот, оснащенный телевизором и дистанционным управлением, был использован для осуществления разведки внутри здания, точного определения места аварии (с помощью установленного на роботе направленного гамма-зонда), для снятия показаний приборов, размещения в заданных местах измерительной аппаратуры и для дистанционного управления вентилями.

Клейтон 19 предложил в 1963 году интересный механизм прекращения энерговыделения в этой аварии. В трубе, выходящей из дна аварийной емкости, был обнаружен дибутилфосфат со значительным содержанием плутония. Поэтому было сделано предположение, что все началось с того, что на поверхности водного раствора плутония образовался слой трибутилфосфата в четыреххлористом углероде. Тепло и радиация, выделявшиеся при реакции деления, могли привести к испарению CCl4 и превращению большей части оставшейся органики в дибутилфосфат. Более плотный дибутилфосфат, захватив выделенный плутоний, мог опуститься на дно сосуда и в трубу, где он уже не мог вносить ощутимый вклад в реактивность системы. Как это часто случается после аварии, трудно оценить правильность этого предположения, но оно, как кажется, дает разумное объяснение явлений.