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.

---

По окончании каждого эксперимента, согласно регламенту, требовалось сливать раствор в безопасные емкости. Выдав из бака часть раствора, начальник смены, полагая, что бак находится в глубоко подкритическом состоянии, решил ускорить утомительный процесс перелива и вручную слить из него оставшийся раствор. Для этого пришлось извлечь нейтронный источник, снять направляющую трубу и отсоединить бак от подставки. Затем трое экспериментаторов руками подняли бак и начали наклонять его для слива раствора. В это время и произошел всплеск мощности.

Рисунок 8. Схема расположения экспериментального оборудования.

Они ощутили вспышку и увидели выброс раствора из бака до потолка помещения высотой 4 м. Очевидно, раствор был намного ближе к критическому состоянию, чем предполагали экспериментаторы. Дополнительного отражения от троих экспериментаторов (это было и до наклона бака) в комбинации с изменением геометрии раствора в баке было достаточно, чтобы привести систему в критическое состояние на мгновенных нейтронах. Слабый нейтронный фон, по оценкам составлявший лишь сто нейтронов в секунду, по-видимому, также повлиял на запаздывание начала цепной реакции и, таким образом, повысил энергетику всплеска мощности.

Трое экспериментаторов бросили бак и вместе с четвертым экспериментатором, находившимся в 2,5 м от бака, немедленно отправились в раздевалку, приняли душ и были отправлены в больницу. На основе измерений активности продуктов деления в растворе было оценено число делений за единственный пик мощности, которое составило 2,25 X 1017.

Поглощенная доза смешанного нейтронного и гамма-излучений для каждого сотрудника, находившегося вплотную к баку, составила около 6000 рад, все трое скончались через 5–6 дней после аварии. Сотрудница, находившаяся на расстоянии 2,5 м от места происшествия, получила дозу около 600 рад, перенесла острую лучевую болезнь с потерей в последующий период зрения из-за катаракты обоих глаз.

Это случилось в смену с 13:00 до 19:00 в первый рабочий день после новогодних праздников. Хотя завод обычно работал непрерывно в четыре шестичасовые смены, существовала только одна группа специалистов, проводивших критические эксперименты. Подготовку раствора урана, сборку экспериментальной установки выполняли другие работники завода, но критические эксперименты проводились исключительно этой опытной специальной группой. После таких тяжелых последствий экспериментальное оборудование было демонтировано, а программа проведения критических экспериментов на заводе была закрыта.

4. Радиохимический завод Y-12, Окридж, 16 июня 1958 г. 7,8,9,10

Раствор уранилнитрата, U(93 %), в сборнике воды; многочисленные осцилляции мощности; существенные дозы получили восемь человек.

Авария произошла в крыле С-1 здания 9212 во время выполнения технологического процесса выделения обогащенного урана U(93 %) из различных твердых отходов. Твердые отходы растворялись в азотной кислоте, производилась очистка, раствор концентрировался, а затем перерабатывался в тетрафторид урана. В крыле В-1 этого здания была смонтирована и находилась в эксплуатации сходная система с применением более совершенной технологии. Однако, вследствие задержек с вводом в действие оборудования по переработке UF4 в крыле В-1, раствор, который там производился, транспортировался в крыло С-1 для окончательной переработки.

На протяжении нескольких дней, непосредственно предшествовавших аварии, установка (здание 9212) была остановлена для проведения физической инвентаризации. Вследствие сложности установки, на проведение физической инвентаризации требовалось несколько дней, причем не все процессы останавливались и запускались в одно и то же время. К моменту аварии производство уже было возобновлено в крыле В-1, но не в крыле С-1.

На рисунке 9 показаны емкости и оборудование, находившиеся в крыле С-1, которые оказались вовлеченными в аварию. Для проведения физической инвентаризации потребовались вскрытие и зачистка трех емкостей диаметром 5 дюймов[1] (127 мм) (FSTK 1–2, FSTK 6–1, FSTK 6–2), которые использовались для хранения раствора уранилнитрата. Перед возобновлением операций было необходимо осуществить сборку емкостей и проверить их герметичность. На проведение всего процесса обычно требовалось несколько восьмичасовых смен.

Примерно в 01:00, во время смены, предшествующей аварии (с 23:00 в воскресенье 15 июня до 07:00 в понедельник 16 июня), начальник смены, работавшей в крыле С-1, заметил, что в стеклянном стояке диаметром 6 дюймов (152 мм), который являлся частью аппаратуры для коррекции рН (рис. 9), находится раствор уранилнитрата. Он дал инструкции оператору осушить стояк. В 05:00 начальник смены снова заметил уранилнитрат в стояке и спросил оператора, сливал ли он раствор из стояка. Оператор подтвердил выполнение этой операции, и при дальнейшем изучении они обнаружили, что раствор попадает в стояк через клапан V-2. Клапан был закрыт, и стояк был снова освобожден от раствора.

В 07:00 16 июня произошла пересменка, и начальник смены, работавшей в крыле С-1, ушел домой. Свидетельства о том, проинформировал ли он своего сменщика о протечках уранилнитрата, были противоречивыми, однако в рабочем журнале отметка об этом отсутствовала.

В 08:00 в крыло С-1 прибыл еще один начальник смены. Кроме других заданий, он должен был проконтролировать герметичность трех емкостей. Емкости были зачищены и смонтированы на предыдущей неделе. При этом в крыле С-1 еще не были возобновлены работы. Получив эту информацию, проверяющий счел, что необязательно проверять показания уровнемеров и убеждаться в том, каково состояние каждого клапана (открыты они или закрыты). Проверяющий назначил двух операторов для проверки герметичности трех емкостей (для этого предполагалось просто наполнить корпуса водой) и дал им конкретное указание проверить клапан V-1, так как в крыле В-1 были возобновлены работы.

Рисунок 9. Упрощенная схема емкостей и трубопроводов, расположенных в крыле С-1.

Для всех оставалось неизвестным, что через клапан V-1 на протяжении нескольких часов, прошедших с начала предыдущей смены до примерно 13:30, происходила утечка уранилнитрата, поступающего из крыла В-1. В это время один из операторов в соответствии с инструкцией, полученной от начальника смены, проверил клапан и полностью перекрыл его, приложив давление. До этого момента уранилнитрат собирался в емкости FSTK 1–2, так как клапан V-3 также был открыт.

Вскоре после 14:00 операторы завершили проверку герметичности емкостей FSTK 6–1 и 6–2 и открыли клапаны V-4, V-5 и V-11 для того, чтобы выпустить воду из этих емкостей в барабан объемом 55 галлонов (208 л). В соответствии с принятой практикой проведения контроля герметичности, один из операторов остался непосредственно возле барабана для осуществления наблюдения и выявления нештатных ситуаций. Клапан V-3 был уже открыт, причем потоки растворов из этих емкостей были таковы, что в барабан сначала перетекала жидкость из емкости FSTK 1–2, т. е. уранилнитрат попадал в барабан прежде, чем туда попадала вода. Примерно в 14:05 оператор заглянул в барабан и заметил желто-коричневые пары, поднимающиеся из жидкости. Он отступил от барабана и через несколько секунд увидел голубую вспышку, которая свидетельствовала о том, что произошел резкий всплеск мощности. Практически сразу же после этого сработала аварийная сигнализация, и персонал был эвакуирован из здания. Дальнейший приток воды на протяжении 11 мин приводил к увеличению положительной реактивности, а затем стал уменьшать ее. Раствор стал подкритичным примерно через 20 мин.

Последующее изучение ситуации показало, что с момента открытия клапана V-11 до достижения системой критичности прошло полных 15 минут. Неизвестно, почему оператор, стоявший возле барабана (имевший 6 лет стажа работы с ураном), не заметил протекающий в барабан желтый раствор уранилнитрата.

К тому моменту, когда система стала критичной, объем раствора, собравшегося в цилиндре высотой 234,5 мм и диаметром 552 мм, составил, по оценкам, примерно 56 л. Масса 235U в этот момент составляла 2,1 кг, из которых 0,4 кг было добавлено одновременно с начавшимся процессом разбавления системы водой. Во время всплеска мощности система регистрации излучения (состоящая из ионизационной камеры со слоем бора, усилителя и самописца), которая была установлена на расстоянии примерно 430 м от места аварии, зашкалила вследствие высокой интенсивности излучения. Примерно через 15 секунд после первого всплеска мощности прибор снова зашкалил. В течение последующих 2,6 минут кривая самописца осциллировала неопределенное число раз. Возможно, что происходило уменьшение амплитуды осцилляций, однако это нельзя подтвердить при изучении вида кривой. За этим периодом развития ситуации последовал медленный спад на протяжении 18 минут до уровня, примерно в пять раз превышающего фон.