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.

---

Таким образом, конструкция была весьма ажурная и непрочная.

Эксперименты проводились следующим образом. Для каждого шага решетки в сухом баке критсборки собиралась система, содержащая несколько меньшее количество твэлов, чем критическое число, определенное расчетом. Затем система заливалась водой с соблюдением всех правил, перечисленных выше, так, чтобы верхний отражатель составлял не менее 20 см. Далее небольшими порциями с построением функции 1/n (обратного счета) добавляли тепловыделяющие элементы до тех пор, пока система не становилась критической.

В последнем опыте измерялось критическое количество твэлов при самом тесном шаге — 7,2 мм. Это количество составило 1790 шт. Оно превышало критмассу для оптимального шага в ~7 раз.

По окончании эксперимента руководитель работы В. Ерофеев дал указание опустить стержни регулирования и аварийной защиты. Четыре сотрудника зашли в отсек критсборки, осмотрели ее, и Ерофеев дал команду слить воду через клапан быстрого (аварийного) слива.

Вода из бака критсборки сливается через вентиль медленного слива в течение 15–20 минут или через клапан быстрого слива большого сечения (диаметр ~500 мм) за 20–30 секунд. В предыдущих опытах вода сливалась через вентиль медленного слива.

Плексигласовая опорная плита перекрывала почти все сечение бака, площадь зазора между краем плиты и стенкой бака была меньше, чем площадь отверстия клапана быстрого слива. Поэтому при быстром сливе воды опорная плита прогнулась, и тепловыделяющие элементы, концы которых входили в верхнюю дистанционирующую решетку всего на 3–5 мм, вывалились из решетки (рис. 61).

Активная зона "веером" развалилась, и шаг расстановки твэлов приблизился к оптимальному. Скорость ввода реактивности при этом, по оценке, могла составить ~2β в секунду, и произошел разгон критсборки на мгновенных нейтронах (нужно отметить, что источник нейтронов был из активной зоны удален).

Два периферийных ряда твэлов, для которых шаг увеличивался наиболее быстро, разрушились. Большинство осколков напоминало град от сварочных электродов. Вода выплеснулась из бака.

Интегральное энерговыделение во вспышке, оцененное по радиоактивности активной зоны, составило ~5 X 1018 делений (~200 МДж). Эта цифра, по-видимому, является универсальной для урано-водных систем в открытом баке при большой скорости ввода реактивности. Цепная реакция прерывается или за счет разрушения топлива, или за счет вскипания воды.

Авария носила локальный характер, существенного загрязнения зала критстендов радиоактивными веществами не произошло. Вне зала никаких загрязнений не было. Для персонала последствия аварии были трагическими.

Механик И. И. Васильев, находившийся в момент вспышки у самого бака критсборки, получил дозу ~6000 бэр и скончался на пятый день. В. Ерофеев получил дозу 2000 бэр и скончался через 15 дней. Два сотрудника, также находившиеся внутри отсека критсборки, получили дозы по 700–800 бэр. Врачам удалось спасти им жизнь, но не здоровье.

Основной причиной аварии явилась непродуманность конструкции критической сборки. Полноценной конструкторской проработки сделано не было, не были проведены расчеты на прочность элементов системы и всей конструкции. На это наложилась непродуманность действий и недопустимая торопливость персонала при завершении эксперимента.

Причины и исход двух аварий тщательно анализировались. По результатам анализа был предложен ряд технических усовершенствований систем критстендов и улучшена организация работы на них.

Введена система блокировок, определяющая обязательную последовательность операций на стенде и запрещающая последующие операции, если не выполнены предыдущие, а именно:

1) включена контрольно- измерительная аппаратура;

2) закрыта дверь в отсек критсборки;

3) в активную зону помещен источник нейтронов;

4) взведены стержни аварийной защиты;

5) разрешен либо подъем механического органа управления, либо разрешена заливка воды.

Установлена локальная биологическая защита непосредственно на баки критсборок, уменьшающая излучение в 2–3 раза.

Введено обязательное трехступенчатое планирование эксперимента:

1) Принципиальная программа, формулирующая смысл эксперимента.

2) Рабочая программа, в которой указываются этапы эксперимента и меры обеспечения ядерной безопасности.

3) Сменная программа — подробная программа на каждую рабочую смену.

4) Программа подписывается руководителем эксперимента и согласовывается с контролирующим физиком.

5) Любые отклонения от порядка проведения эксперимента, указанного в программе, требуют письменного подтверждения.

Принят порядок проведения эксперимента, при котором любые перестройки активной зоны производятся в сухом баке, а затем выход в критическое состояние осуществляется дистанционно с пульта управления заливкой воды и перемещением органов управления. Также дистанционно критсборка приводится в безопасное состояние сливом воды или опусканием механических органов управления.

Рисунок 61. Макет конфигурации установки во время аварии, случившейся 26 мая 1971 г.

13. Установка RA-2, Буэнос-Айрес, Аргентина, 23 сентября 1983 г

Критсборка с топливными элементами типа MTR; водяной отражатель; единичный всплеск мощности; один человек погиб, два человека получили значительные дозы облучения.

Установка ИА-2 находилась в Буэнос-Айресе в Аргентине. В качестве регулирующих стержней в этом экспериментальном реакторе нулевой мощности использовались элементы MTR, в которых 4 из 19 топливных пластин были заменены двумя кадмиевыми пластинами. Непосредственно за пределами активной зоны (размеры которой составляли примерно 305 мм X 380 мм) был установлен графитовый отражатель толщиной около 7,5 см. Во время работы большой реакторный корпус был заполнен дистиллированной водой. Во время выполнения операций, связанных с изменением конфигурации топлива, когда требовалось присутствие людей, вода должна была удаляться из корпуса.

Квалифицированный оператор, с 14-летним опытом работы, находился один в реакторном зале и выполнял операции по изменению конфигурации топлива. Замедлитель не был слит из бака, хотя этого требовали инструкции. Вместо того, чтобы удалить из бака два топливных элемента, их разместили за графитовым отражателем. Топливная конфигурация дополнялась двумя регулирующими элементами без кадмиевых пластин. Критическое состояние было достигнуто, очевидно, когда производилась установка второго из них, так как его нашли лишь частично погруженным.

Всплеск мощности дал от 3 до 4,5 X 1017 делений, оператор получил поглощенную дозу гамма-излучения около 2000 рад и 1700 рад нейтронного излучения. Облучение было крайне неравномерным, верхняя правая часть тела была облучена сильнее. Оператор прожил после этого два дня. Два оператора, находившиеся в пультовой, получили дозы в 15 рад нейтронного и 20 рад гамма-излучения. Шестеро других получили меньшие дозы, составившие около 1 рад, еще девять человек — менее 1 рад.

D. Смешанные системы

1. Лос-Аламосская национальная лаборатория, 11 февраля 1945 г. 84, 85

Критсборка «Дрэгон», UH3 в пластике; единичный всплеск мощности; незначительные дозы облучения.

Критсборка «Дрэгон» была первой размножающей системой, предназначенной для формирования импульсов мощности на мгновенных нейтронах. Возможно, это вообще был первый реактор, реактивность которого превысила уровень критичности на мгновенных нейтронах. Это было осуществлено преднамеренно 18 января 1945 года. Сообщается о повышении температуры на 0,001 °C. Значение энерговыделения не сообщается, но может быть оценено примерно в 2 X 1011 делений.

Сборка «Дрэгон» была загружена обогащенным UH3, впрессованным в специальный пластик, стирекс, изготовленный в виде маленьких кубиков, имевших средний химический состав UC4H10. Во время заключительных экспериментов сборка содержала 5,4 кг этого материала, была разбавлена полиэтиленом и имела графитовый и полиэтиленовый отражатель.

Реактор держали в состоянии критичности на мгновенных нейтронах в течение около 1/100 с. Это осуществлялось сбросом части активной зоны через вертикальный канал в активной зоне, которая была установлена на стальном столе толщиной 3/8 дюйма (0,95 см). Сбрасываемый материал помещался в стальной параллелепипед, траектория движения которого задавалась четырьмя направляющими.

Энергия, выделявшаяся при делении, не вносила вклада в подавление всплеска мощности. Энерговыделение определялось остаточной скоростью деления и конечной конфигурацией материала, сложенного на столе. Величину вспышки можно было менять, приближая отражатель к сборке или увеличивая фоновую скорость деления. Часто использовались оба метода. Так, возможно, было и во время последнего эксперимента, поскольку осуществлялось постепенное наращивание мощности вспышек. Во время последней вспышки с выходом, составившим 6 X 1015 делений, кубики UH3 так разогрелись, что начали распухать и покрываться пузырями. Вся система расширилась приблизительно на 1/8 дюйма (3,2 мм).