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.

---

Развитие ситуации со всплесками мощности может быть реконструировано лишь качественно. Источник нейтронов был слабым и обусловлен (а, п) — реакцией на кислороде воды. Поэтому имела место задержка в развитии устойчивой цепной реакции, и возможно, что система перед первым всплеском мощности оказалась слегка надкритичной на мгновенных нейтронах. По оценке, скорость ввода реактивности в это время составила около 17 центов в секунду. Мощность первого пика была определена реактивностью, полученной на момент начала цепной реакции. Хотя нет возможности убедиться в этом, можно достаточно обоснованно оценить вклад первого пика, составивший примерно 1 X 1016 делений при общем выходе 1,3 X 1018 делений. Второй всплеск мощности, или пик, произошел через 15 секунд, что соответствует времени, необходимому для того, чтобы возникшие в результате радиолиза газовые пузыри смогли покинуть систему. Всплески мощности, происходившие в последующие 2,6 минуты, не более чем в 1,7 раза превышали среднюю мощность.

Кривая самописца показывала, что большая часть делений произошла за первые 2,8 минуты, и в этом случае средняя мощность, которая потребовалась для объяснения наблюдаемого числа делений, составляет примерно 220 кВт. После этого система, вероятно, начала закипать, что привело к резкому уменьшению плотности и реактивности и к уменьшению мощности до низкого значения на протяжении завершающих 18 минут.

На рисунке 10 показана фотография барабана, сделанная вскоре после аварии. В результате аварии не было механических повреждений или радиоактивного загрязнения. Восемь человек получили значительные дозы радиации (461, 428, 413, 341, 298, 86,5, 86,5 и 28,8 бэр). По крайней мере, один из этих людей обязан жизнью тому обстоятельству, что быстрая эвакуация прошла по хорошо подготовленному плану. Один из облученных прожил 14,5 лет, другой — 17,5 лет после аварии, состояние одного облученного неизвестно, а остальные были живы спустя 29 лет после аварии.

Вскоре после аварии в Окриджской национальной лаборатории (ОРНЛ) был поставлен критический эксперимент, в котором моделировались условия данной аварии. Это было сделано для того, чтобы получить информацию о возможных дозах радиации, полученных людьми во время аварии.

Производство было возобновлено через три дня.

Рисунок 10. Барабан, в котором в 1958 году произошла авария на заводе Y-12.

5. Лос-Аламосская национальная лаборатория, 30 декабря 1958 г. 11, 12

Растворы плутония в емкости для работы с органическими веществами; единичный всплеск мощности; один погибший; два человека получили значительные дозы облучения.

Работы, проводившиеся на установке, где случилась авария, включали радиохимические процессы очистки и выделения плутония из шлаков, тиглей и других отходов с невысоким содержанием плутония, которые накапливаются при осуществлении процессов регенерации. Растворы, с которыми предполагалось работать, содержали менее 0,1 г/л плутония, а также следы америция. В то время, когда произошла авария, проходила ежегодная физическая инвентаризация. При этом нормальное движение материалов на участке было остановлено с тем, чтобы определить содержание плутония в остатках продуктов во всех технологических аппаратах. Авария произошла в 16 ч 35 мин незадолго до окончания последнего рабочего дня накануне новогодних праздников.

Реконструкция наиболее существенных событий показывает, что неожиданно произошел унос твердых частиц с высоким содержанием плутония из двух емкостей в один большой аппарат, в котором находились разбавленные водные растворы и органика. Данные твердые вещества должны были обрабатываться отдельно. После удаления большей части водного раствора из этого аппарата оставшиеся приблизительно 200 л продукта, включая промывочный раствор азотной кислоты, были слиты в емкость из нержавеющей стали объемом 1000 л и диаметром 1000 мм, в которой и случилась авария. Емкость содержала около 295 л стабилизированной щелочью водно-органической эмульсии. Считается, что добавленная кислота привела к разделению жидких фаз.

По оценке, слой водного раствора (330 л) содержал 60 г плутония; органический слой (160 л) содержал 3,1 кг плутония (рис. 11). Фотография емкости приведена на рисунке 12. Проведенный анализ показывает, что этот слой толщиной 203 мм характеризовался реактивностью, которая была на 5 в ниже значения, соответствующего критичности на запаздывающих нейтронах, так как критическая толщина составляла 210 мм. Когда была включена мешалка, водный раствор поднялся по стенкам емкости, при этом внешний слой органики был вытеснен к центру, и центральная часть системы стала толще. Вращение изменило реактивность, и система из подкритической приблизительно на 5 в стала критической на мгновенных нейтронах; произошел всплеск мощности. Ни один из самописцев детекторов гамма-излучения, расположенных поблизости от места происшествия, не зарегистрировал характерную картину; тем не менее, характер сделанных записей указывал, что имел место один пик мощности. Энерговыделение составило 1,5 X 1017 делений.

На основании экспериментов, проведенных после аварии в сосуде с аналогичной геометрией, было установлено, что между запуском мешалки и достижением полной скорости вращения, составлявшей 60 оборотов в минуту, не произошло никакой видимой задержки. Через 1 с (один оборот) наблюдалось движение или возмущение поверхности, а через 2 или 3 секунды в системе произошло интенсивное перемешивание. Из этих наблюдений можно было заключить, что система могла достичь критичности примерно за 1 с. Образование пузырей, вероятно, стало доминирующим механизмом гашения первого пика мощности, а перемешивание слоев переводило систему в подкритическое состояние. Средняя концентрация плутония в полностью перемешанном растворе составляла 6,8 г/л, т. е. была меньше минимальной критической концентрации для бесконечной гомогенной системы металл-вода.

Рисунок 11. Конфигурация раствора и органики в емкости перед аварией.

Из приведенных интервалов времени и оценки, показывающей, что первоначально подкритичность системы соответствовала 5 р, следует, что скорость ввода реактивности должна была составлять приблизительно 5 р/с. При соответствующих значениях коэффициентов пересчета для данного раствора выход в первом пике мощности составил 2,2 X 1017 делений, продолжительность пика составила 1,65 с, т. е. всплеск мощности завершился через 0,45 с после достижения критичности на мгновенных нейтронах. Чтобы получить наблюдаемый выход (1,5 X 1017 делений) в единичном пике, скорость ввода реактивности должна быть уменьшена приблизительно до 2 в/с. Так как это не согласуется с оценкой времени процесса (около 3 с до полного перемешивания), единственная возможность объяснения состоит в том, чтобы предположить, что скорость ввода реактивности была несколько меньше 5 в/с и что цепная реакция прекратилась приблизительно через 3 с в результате перемешивания. Можно также предполагать, что первым толчком, вызвавшим всплеск мощности, стало утолщение верхнего слоя органики, к тому же добавилось отражение нейтронов сбоку за счет водного раствора. Вслед за этим произошла деформация системы, и под действием лопастей мешалки она приобрела конфигурацию в виде воронки с меньшей реактивностью. После этого система стала надежно подкритической вследствие установления однородной концентрации, составлявшей менее 7 г/л.

Примерно за месяц до аварии весь плутониевый технологический участок проверялся комиссией лаборатории по ядерной безопасности. Начали осуществляться планы по замене технологических аппаратов большого объема несколькими секциями из труб безопасного диаметра (диаметр труб в секциях — 15 см, длина — около 3 м). Считалось, что административные меры контроля, которые успешно применялись на протяжении более 7 лет, могут быть сохранены в течение дополнительных 6–8 месяцев, которые требовались для получения и монтажа усовершенствованного оборудования.

После аварии установка оборудования безопасной геометрии была ускорена, и его монтаж был закончен до возобновления технологических операций. Чтобы обеспечить повышенную безопасность, были внедрены усовершенствованные методики отбора проб твердых веществ, и была подчеркнута необходимость строгого соблюдения мер технологического контроля. Время простоя оборудования составило около 6 недель.

Рисунок 12. Емкость, в которой в 1958 году на площадке в Лос-Аламосе произошла авария с возникновением СЦР.

В результате аварии через 36 часов наступила смерть оператора, который наблюдал в смотровое окно в момент, когда включился мотор мешалки. Было оценено, что доза облучения верхней части его туловища составила 12000 ± 50 % бэр. Два других человека получили дозы облучения, составлявшие 134 и 53 бэр, и впоследствии это не оказало негативного влияния на их здоровье. Несмотря на то, что удар, вызванный процессом образования пузырей в области, смещенной относительно оси емкости, привел к смещению емкости с опор примерно на 10 мм, не было радиоактивного загрязнения и механического повреждения оборудования.