Глава четвърта. Основни цели при управлението на възникнала тежка авария

 

4.1 Определение за тежка авария

Тежка Авария е аварийно състояние характерно за надпроектни аварии, при възникването на което се наблюдава значителна повреда на активната зона.

 

Практически тежка авария е авария с разтопяване на активната. Тежестта на аварията зависи, от степента на повреда на горивото и от потенциалната загуба на целостта на херметичния обем, респективно на количеството  постъпили в околната среда радиоактивни вещества.

 

4.2 Процеси които се наблюдават при тежки аварии свързани с разтапяне на активната зона

 

4.2.1 Оголване и осушаване на активната зона

Без значение по каква причина е настъпило осушаването на активната зона, в резултат на остатъчното енергоотделяне на горивото се наблюдава скоростно повишаване на температурата на горивото. Достигат се температури подходящи за интензивна пароциркониева реакция;

 

4.2.2 Интензивно протичане на пароциркониева реакция

След оголване на активната зона,  температурата на топлоотделящите елементи достига интервала 980°С ÷ 1200°С. Започва генериране на значително количество водород чрез окисление на циркония в обвивката от прегрятата пара. Реакцията е екзотермична и се ускорява от нарастването на температурата. Топлината от пароциркониевата реакция първоначално се натрупва в обвивката, което увеличава температурата и ускорява реакцията. Пароциркониевата реакция е екзотермично окисление на Zr при високи температури в парна среда и свързана с бурно отделяне на Н2. Уравнението с което се описва реакцията има вида:     

При температура на обвивката около 1430°С, пароциркониевата реакция става автокаталитична и химичната топлина много бързо надхвърля топлината от остатъчното енергоотделяне, като става доминиращ компонент за прегряването на активната зона;

4.2.3 Смъкване на активната зона

Това е състоянието при което активната зона губи своята геометрия, но все още не се е преместила по височина

4.2.4 Преместване на материалите на активната зона

Стопените материали на активната зона се преместват под действие на гравитацията докато не се втвърдят отново. Процесът е показан на Фиг. 4.1.

Фиг. 4.1

 

След време активната зона е напълно оголена и генерирането на водород е практически прекратено, поради намаленото количество пара необходимо за поддържане на реакцията.  До този момент е реагирал около 50% от циркония, а останалите 50% са се преместили към дъното на корпуса , защото циркония от обвивката е първия от материалите на а.з. които започват да се топят и преместват.       

4.2.5 Образуване на Кориум

Това име е дадено на стопената смесица от всички материали на активната зона, включително горивото, обвивката и регулиращите органи. На Фиг. 4.2 е показан процеса на образуване на кориум на дъното на реактора.

 

Фиг. 4.2

 

 

Кориумът се премества надолу под действието на гравитационните сили, чрез цикличен процес на стопяване и втвърдяване. Това движение се забавя от образуването на кора.

Химичното взаимодействие между материалите на активната зона може да доведе до втечняването им при температури много под точката им на топене. Повишеното радиоактивно излъчване също довежда до топене при температури под точката на топене. Процесите топене, блокиране и образуване на басейн от стопилка, обхващат голям температурен интервал.

Кориумът продължава да се акумулира в долната част на корпуса докато активната зона не бъде запълнена с вода. Но дори запълването на активната зона не гарантира , че няма да има повече преместване на стопени области, защото е възможно образуване кора, която да възпрепятства отнемането на топлината;

 

4.2.6 Повреда на корпуса

 Има два потенциални механизма на повреда на корпуса. Първият механизъм е повреда с вътрешен пробив, който е свързан с прегряване на  заварките на щуцерите и отказ на заварките на главните циркулационни тръбопроводи към корпуса на реактора. Късането на заварките в този случай бива последвано от изхвърляне на стопилка през щуцерите в контейнмента. Предотвратява се чрез инжектиране на вода в корпуса. Вторият механизъм е пластично късане в долната  част на корпуса. Пластичното късане е повреда, причинена от голямо провлачване на пластичните съставки на корпуса. Това става, когато компонентите са подложени продължително време на поддържаща се висока температура и голямо натоварване. Натоварването може да бъде от високо налягане в първи контур или от голямата маса на кориума. Предотвратява се чрез комбиниране на инжектиране на вода в корпуса и външно охлаждане на дъното на корпуса.

 

4.2.7 Повреда на херметичния обем

Заплахата от опресоване на херметичния обем е причинена от парциалното налягане на парата,  комбинирано с високо парциално налягане на некондензиращите газове. При повишаване на температурата над 200°С, органичните уплътнения, използвани в проходките претърпят значителна деградация, което води до повреда на уплътнението и изтичане на радиоактивни вещества извън херметичния обем. Такава висока вътрешна температура може да бъде достигната, ако отломките от активната зона, които се намират извън корпуса не могат да бъдат  покрити с вода за период от няколко часа.

 

4.2.8 Самозапалване и изгаряне на генерираният водород

В зависимост от скоростта на изгаряне на водорода са възможни два режима на изгаряне. Първият режим се нарича дефлаграция и при него горивна вълна се разпространява със дозвукова скорост. Вторият режим се нарича детонация и при него горивна вълна се разпространява със свръхзвукова скорост. Режима на детонация е изключително разрушителен. При затворена геометрия (тръбопроводи, проходки и шахти) е възможно преминаването на дефлаграцията в детонация. Турбуленцията създавана от охлаждащи вентилатори на реакторно помещение или спринклерна система, ефективно намаляват границите на запалимост. Затова, турбулентни смеси с водородна концентрация по-малка 6 обемни проценти могат да горят глобално  (разпространяват се в всички посоки на реакторно помещение). Допълнително това води до по-пълно изгаряне. При аварията в Три Майл Айлънд охлаждащите вентилатори са били в работа и там се е получила глобална дефлаграция в смес с между 7,3 и 7,9 об% водород.  Източници на запалване могат да бъдат искри предизвикани от работата на електрическо оборудване вътре в реакторно помещение или горещи частици, като капки стопилка изхвърлени в контейнмента. При запалване на водорода практически цялата енергия от горенето се предава на атмосферата на херметичния обем и за 5÷10 секунди преминава, чрез конвекция и лъчение в неговите структури. По този начин се понижава температурата и налягането на газове в херметичния обем и те достигат стойности близки до тези преди възпламеняването. На Фиг.4.3 е дадена диаграмата, която описва областите на запалимост и детонация на водорода.

Фиг. 4.3

 

4.2.9 Пластично скъсване на тръбичките на ПГ

Прегряване и пластично късане на тръбички в парогенераторите може да се получи при естествената циркулация на екстремно горещи газове вътре в границите на I  контур. Ако уплътненията на Ι контур са разрушени, естествената циркулация на екстремно горещи газов може да развие еднопосочен поток циркулиращ глобално през един кръг (ПГ). Такъв поток може да предизвика загряване на тръбичките до температури на  пластично скъсване. Пластично скъсване на тръбичките на парогенератор, предизвикано от термичен шок  е възможно само когато парогенератора е сух и горещ по втори контур. В противен случай термичния шок е невъзможен.  ”Горещ” означава, че температурата на първи контур е над 300°С (измерена на горещ кръг). „Сух” означава, че няма вода по втори контур. Времето до пластично скъсване зависи от температурата и разликата в налягането между първи и втори контур и е представено в таблица 4.1.

Таблица 4.1

 

 

4.2.10 Парната експлозия.

Парната експлозия е високо енергиен процес на кипене,  при който скоростта на образуване на пара е по-висока от скоростта, с която заобикалящата среда може акустично или инерциално да успокоява резултантния фронт на налягане, като резултата е шокова вълна. Многобройни по-малко енергийни взаимодействия  между горивото и топлоносителя могат да станат в момента на отказа на корпуса, когато стопения кориум се излива от корпуса към басейна с вода в шахтата на реактора. За възникване на експлозия с висока тежест е необходима много голяма контактна повърхност между кориума и водата. Ето защо изливане на кориума дори в шахта с вода не би могъл да предизвика парна експлозия с мощна разрушителна сила. При отказ на дъното на реактора и наличие на вода в шахтата се получава изливане на стопения кориум във водата, което причинява многобройни ниско енергийни парни експлозии. Получава се сравнително бързо повърхностно понижаване на температурата на кориума, образуване на порести и пропускливи остатъци от активната зона с добра възможност за охлаждане  (достатъчна за отнемането на остатъчното топлоотделяне ). При положение, че кориума вече се е преместил в суха шахта и в нея се подаде вода, се получава ниско енергийно изпарение, което го гаси бавно поради образуването на ниско топлопроводна кора. Развиват се пукнатини в кората , които позволяват на водата да навлиза и да излиза под формата на пара , с което се осигурява разхлаждането. Повечето изследвания показват ниска вероятност за осъществяване на парна експлозия с достатъчна енергия за предизвикване на  повреда на корпуса на реактора и  застрашаване на  контейнмента. Парната експлозия вътре в корпуса на реактора се подтиска от налягане в първи контур над   5 kg/cm². Налягането в първи контур се очаква да остане достатъчно високо, за да подтиска парната експлозия, независимо от взетите мерки за понижаване на налягането в първи контур.

 

4.2.11 Повторна критичност

При отсъствието на регулиращи органи и намалена концентрация на бор в топлоносителя, повредената активна зона има ограничена способност да се върне в критично състояние. Оптималната за повторна критичност конфигурация на активната зона е нормалната й геометрия, която дава оптимално забавяне. Повторна критичност е малко вероятно явление при разтопена активна зона.

4.2.12 Поведение на кориума в шахтата на реактора

 Ако налягането в първи контур  е под 20 kg/cm² по време на отказа на корпуса, голямата част  от кориума напуснал реактора остава в шахтата на реактора. Ако има достатъчно вода в шахтата на реактора, по време на отказа на корпуса, кориумът ще бъде угасен и ще покрие  дъното на шахтата с останки от активната зона. Ако стопения кориум остане на сухо в шахтата под реактора, то той се разстила на дъното на шахтата. Образува се кора, която ограничава по нататъшното топлоотдаване от центъра на стопилката. При достатъчно загряване на бетона, той се декомпозира и започва да взаимодействието с кориума. Декомпозирането е ендотермичен процес  и доставя пара и въглероден двуокис. Мехури с газ преминават през стопения кориум, преминавайки през пукнатините в кората. Газовете от разрушаването на бетона участват в екзотермична реакция на окисление с нереагиралите метали от активната зона, като цирконий, стомана и хром. Резултатът е разрушаване на контейнмента, като бариера срещу разпространение на продуктите на делене и освобождаване на не кондензиращи (СО, СО2) и запалими газове (Н2 и СО) в атмосферата на контейнмента. Веднъж започнало взаимодействието на кориума с бетона трудно може да бъде спряно.  

 

4.3 Основни цели при управлението на тежка авария

 

4.3.1 Основна цел е запълване на активната зона с вода преди нейното прегряване

Успешното запълване на активната зона с вода може да ограничи аварията и да предотврати разрушаването на корпуса на реактора. За целта трябва да се използват всички работоспособни системи, незасегнати от развитието на аварията;

 

4.3.2 Понижаване на налягането в първи контур

Високото налягане в I  контур възпрепятства запълването на активната зона с вода. В общия случай разхода на центробежните помпи от системите за безопасност е в обратна зависимост от налягането на техния напор. От друга страна високото налягане застрашава корпуса на реактора. При заливане на реактора със студена  вода при високо налягане може да се предизвика отказ на корпуса и неговото разрушаване. Ето защо основна цел на операторите в подобна ситуация е понижаването на налягането в I контур със всички възможни средства. Препоръчва се отваряне на предпазните клапани на компенсатора на обема.

 

4.3.3 Запълване на парогенераторите по II контур

 С цел предпазване на тръбните снопове на парогенераторите от пластично скъсване е необходимо запълване на парогенераторите по II контур с вода. В случай, че това е невъзможно трябва да се избягва използване на главни циркулационни помпи за създаване на циркулация, защото съществува риск от така наречената циркулация на екстремно горещи газове.

 

4.3.4 Инертизиране на газовата атмосфера в херметичния обем

 В случай, че температурата на изход от активната зона е достигнала 650 °С трябва да се вземат всички мерки за инертизиране на атмосферата в херметичния обем. От тук нататък се предполага отделянето на високи концентрации на Водород в резултат на пароциркониева реакция. В този момент трябва да спре Спринклерна система, ако  е в работа, защото тя предизвиква интензивна кондензация на парата в херметичния обем. От тук нататък целта на операторите е да подържат достатъчна запареност в херметичния обем с цел избягване на водородни детонации. От друга страна, ако в херметичния обем са монтирани устройства за изгаряне на водорода, трябва да се следи концентрацията на водород и при ниски концентрации да се подава въздух, за да се осигури кислород за окислението на водорода.

 

4.3.5 Изолиране на херметичния обем

Тъй като при тежка авария основна цел се явява запазване на целостта и херметичността на херметичния обем, персоналът е задължен да провери плътността на всички изолиращи вентилационни клапани и при нужда ръчно да ги затвори.

 

4.3.6 Управляване на параметрите на херметичния обем

Средата в херметичния обем трябва да се управлява така, че да не се допуска превишаване на допустимите температури и налягания в контейнмента. В случай, че се налага освобождаване на налягане от херметичния обем, то трябва да се извършва през филтриращи химически очистващи системи, но в никакъв случай да не се достига до налягане разрушаващо контейнмента.

 

4.3.7 Охлаждане на кориума

 При симптоми за отказ на корпуса на реактора трябва да се предприемат мерки за охлаждане на изтичащия кориум, защото в противен случай е възможна загуба на херметичност на контейнмента в резултат на взаимодействие на стопилката с бетона.

 

4.3.8 Задействане на аварийния план

 Всички тези действия са насочени към облекчаване и стабилизиране на параметрите на тежката авария, но основна цел остава минимизиране на радиоактивните изхвърляния и предпазване на населението от вредното йонизиращо лъчение. Ето защо в такава ситуация пред ръководния екип на авариралата централа стои въпроса с уведомяване на населението и предприемане на защитни мероприятия в зоната на евентуално радиоактивно замърсяване. Защитните мероприятия за населението са укриване, евакуация, йодна профилактика, повишаване на личната хигиена и ограничаване на консумацията на замърсени води и храни. Обявяването и организирането на защитните мероприятия на населението се извършват от специализирани държавни структури за гражданска защита.

 

 

 

Управление на Тежка Авария : Определяне и изпълнение на мерки за управляване на авария, които да водят до:

-   прекратяване на започнала повреда на АкЗ.,

- поддържане работоспособността на система Херметични Помещения (запазване целостта на БПГ) възможно най-дълго време,

- минимизиране на радиоактивните изхвърляния на площадката и извън нея,

- възстановяване на централата към контролирано безопасно състояние.