Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії
Розроблено сценарій ранньої стадії розвитку аварії з оцінкою впливу вибухонебезпечного водню на конструкцію реактора РВПК-1000. Показано, що визначальним фактором створення умов вибухонебезпечної водневмісної пароповітряної суміші в активній зоні реактора є співвідношення швидкості локальної генерац...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Ядерна та радіаційна безпека |
|---|---|
| Дата: | 2016 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Державне підприємство "Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки" Держатомрегулювання України та НАН України
2016
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129838 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії / С.І. Азаров, В.Л. Сидоренко, В.М. Євланов, М.М. Гаврилюк // Ядерна та радіаційна безпека. — 2016. — № 4. — С. 39-44. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-129838 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Азаров, С.І. Сидоренко, В.Л. Євланов, В.М. Гаврилюк, М.М. 2018-01-30T18:57:12Z 2018-01-30T18:57:12Z 2016 Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії / С.І. Азаров, В.Л. Сидоренко, В.М. Євланов, М.М. Гаврилюк // Ядерна та радіаційна безпека. — 2016. — № 4. — С. 39-44. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 2073-6231 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129838 621.039:58 Розроблено сценарій ранньої стадії розвитку аварії з оцінкою впливу вибухонебезпечного водню на конструкцію реактора РВПК-1000. Показано, що визначальним фактором створення умов вибухонебезпечної водневмісної пароповітряної суміші в активній зоні реактора є співвідношення швидкості локальної генерації газоподібного водню та швидкості поширення водню в парогазовому середовищі активної зони реактора. Разработан сценарий ранней стадии развития аварии с оценкой влияния взрывоопасного водорода на конструкцию реактора РБМК-1000. Показано, что определяющим фактором создания условий взрывоопасной водородсодержащей паровоздушной смеси в активной зоне реактора является соотношение скорости локальной генерации газообразного водорода и скорости распространения водорода в парогазовой среде активной зоны реактора. The paper presents the scenario developed for an early stage of the accident progression to assess impact of highly explosive hydrogen on RBMK-1000 design. It was found out that the ratio between the speed of local generation of gaseous hydrogen and the speed of hydrogen spreading in the vapor-gas medium of the core is the determining factor for the occurrence of conditions of explosive vapor-air mixture in the core. Obtained data can be used in further studies to model the formation of explosive mixtures in the environment, the amount of air and water vapor in the analysis of explosive vapor-air mixture. Practical calculations make it possible to assess fracture energy and predict the impact on structures. uk Державне підприємство "Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки" Держатомрегулювання України та НАН України Ядерна та радіаційна безпека Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії Анализ условий и механизмов формирования взрывоопасных смесей на ранней стадии развития Чернобыльской аварии Analysis of Conditions and Mechanisms for Generation of Explosive Mixtures at an Early Stage of Chornobyl Accident Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії |
| spellingShingle |
Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії Азаров, С.І. Сидоренко, В.Л. Євланов, В.М. Гаврилюк, М.М. |
| title_short |
Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії |
| title_full |
Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії |
| title_fullStr |
Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії |
| title_full_unstemmed |
Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії |
| title_sort |
аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку чорнобильської аварії |
| author |
Азаров, С.І. Сидоренко, В.Л. Євланов, В.М. Гаврилюк, М.М. |
| author_facet |
Азаров, С.І. Сидоренко, В.Л. Євланов, В.М. Гаврилюк, М.М. |
| publishDate |
2016 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Ядерна та радіаційна безпека |
| publisher |
Державне підприємство "Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки" Держатомрегулювання України та НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Анализ условий и механизмов формирования взрывоопасных смесей на ранней стадии развития Чернобыльской аварии Analysis of Conditions and Mechanisms for Generation of Explosive Mixtures at an Early Stage of Chornobyl Accident |
| description |
Розроблено сценарій ранньої стадії розвитку аварії з оцінкою впливу вибухонебезпечного водню на конструкцію реактора РВПК-1000. Показано, що визначальним фактором створення умов вибухонебезпечної водневмісної пароповітряної суміші в активній зоні реактора є співвідношення швидкості локальної генерації газоподібного водню та швидкості поширення водню в парогазовому середовищі активної зони реактора.
Разработан сценарий ранней стадии развития аварии с оценкой влияния взрывоопасного водорода на конструкцию реактора РБМК-1000. Показано, что определяющим фактором создания условий взрывоопасной водородсодержащей паровоздушной смеси в активной зоне реактора является соотношение скорости локальной генерации газообразного водорода и скорости распространения водорода в парогазовой среде активной зоны реактора.
The paper presents the scenario developed for an early stage of the accident progression to assess impact of highly explosive hydrogen on RBMK-1000 design. It was found out that the ratio between the speed of local generation of gaseous hydrogen and the speed of hydrogen spreading in the vapor-gas medium of the core is the determining factor for the occurrence of conditions of explosive vapor-air mixture in the core. Obtained data can be used in further studies to model the formation of explosive mixtures in the environment, the amount of air and water vapor in the analysis of explosive vapor-air mixture. Practical calculations make it possible to assess fracture energy and predict the impact on structures.
|
| issn |
2073-6231 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129838 |
| citation_txt |
Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії / С.І. Азаров, В.Л. Сидоренко, В.М. Євланов, М.М. Гаврилюк // Ядерна та радіаційна безпека. — 2016. — № 4. — С. 39-44. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT azarovsí analízumovímehanízmívformuvannâvibuhonebezpečnihsumíšeinaranníistadíírozvitkučornobilʹsʹkoíavaríí AT sidorenkovl analízumovímehanízmívformuvannâvibuhonebezpečnihsumíšeinaranníistadíírozvitkučornobilʹsʹkoíavaríí AT êvlanovvm analízumovímehanízmívformuvannâvibuhonebezpečnihsumíšeinaranníistadíírozvitkučornobilʹsʹkoíavaríí AT gavrilûkmm analízumovímehanízmívformuvannâvibuhonebezpečnihsumíšeinaranníistadíírozvitkučornobilʹsʹkoíavaríí AT azarovsí analizusloviiimehanizmovformirovaniâvzryvoopasnyhsmeseinaranneistadiirazvitiâčernobylʹskoiavarii AT sidorenkovl analizusloviiimehanizmovformirovaniâvzryvoopasnyhsmeseinaranneistadiirazvitiâčernobylʹskoiavarii AT êvlanovvm analizusloviiimehanizmovformirovaniâvzryvoopasnyhsmeseinaranneistadiirazvitiâčernobylʹskoiavarii AT gavrilûkmm analizusloviiimehanizmovformirovaniâvzryvoopasnyhsmeseinaranneistadiirazvitiâčernobylʹskoiavarii AT azarovsí analysisofconditionsandmechanismsforgenerationofexplosivemixturesatanearlystageofchornobylaccident AT sidorenkovl analysisofconditionsandmechanismsforgenerationofexplosivemixturesatanearlystageofchornobylaccident AT êvlanovvm analysisofconditionsandmechanismsforgenerationofexplosivemixturesatanearlystageofchornobylaccident AT gavrilûkmm analysisofconditionsandmechanismsforgenerationofexplosivemixturesatanearlystageofchornobylaccident |
| first_indexed |
2025-11-26T20:23:18Z |
| last_indexed |
2025-11-26T20:23:18Z |
| _version_ |
1850773292048187392 |
| fulltext |
ISSN 2073-6231. Ядерна та радіаційна безпека 4(72).2016 39
УДК 621.039:58
С. І. Азаров1, В. Л. Сидоренко2,
В. М. Євланов3, М. М. Гаврилюк1
1 Інститут ядерних досліджень НАН України, м. Київ, Україна
2 Інститут державного управління цивільного захисту,
м. Київ, Україна
3 Державний науково-технічний центр з ядерної
та радіаційної безпеки, м. Київ, Україна
Аналіз умов
і механізмів формування
вибухонебезпечних сумішей
на ранній стадії розвитку
Чорнобильської аварії
Розроблено сценарій ранньої стадії розвитку аварії з оцінкою
впливу вибухонебезпечного водню на конструкцію реактора
РВПК-1000. Показано, що визначальним фактором створення умов
вибухонебезпечної водневмісної пароповітряної суміші в активній
зоні реактора є співвідношення швидкості локальної генерації
газоподібного водню та швидкості поширення водню в парогазовому
середовищі активної зони реактора.
К л ю ч о в і с л о в а: вибухонебезпечність водню, пароцирконієва
реакція, реакторний графіт, Чорнобильська АЕС.
С. И. Азаров, В. Л. Сидоренко, В. М. Евланов, М. М. Гаврилюк
Анализ условий и механизмов формирования взры-
воопасных смесей на ранней стадии развития Черно-
быльской аварии
Разработан сценарий ранней стадии развития аварии с оцен-
кой влияния взрывоопасного водорода на конструкцию реактора
РБМК-1000. Показано, что определяющим фактором создания условий
взрывоопасной водородсодержащей паровоздушной смеси в актив-
ной зоне реактора является соотношение скорости локальной генера-
ции газообразного водорода и скорости распространения водорода
в парогазовой среде активной зоны реактора.
К л ю ч е в ы е с л о в а: взрывоопасность водорода, пароцирконие-
вая реакция, реакторный графит, Чернобыльская АЭС.
© С. І. Азаров, В. Л. Сидоренко, В. М. Євланов, М. М. Гаврилюк, 2016
Д
о теперішнього часу не існує повністю науково
обґрунтованого несуперечливого сценарію ви-
никнення розвитку аварії на енергоблоці № 4
Чорнобильської АЕС в умовах нейтронно-фізич-
них, фізико-хімічних і вибухових процесів, а та-
кож їх комбінацій [1].
Загально прийнято аварійні процеси в реакторі РВПК-1000
на ранній стадії поділяти на дві фази [2]. Перша фаза —
від моменту спрацювання аварійного захисту реак тора до не-
керованого зростання потужності, стрімкого під вищен ня
тепловиділення, температури в тепловидільних збір ках і ти-
ску пароводяної суміші в активній зоні, що призве ло до «те-
плового» вибуху. Друга фаза — плавлення ядерного палива
та окиснення цирконію в технологічних каналах і твелах,
пароцирконієва реакція та окиснення графіту, утворення
вибухонебезпечної суміші та другий фізико-хімічний вибух.
Мета даної роботи — проаналізувати термодинаміку
фізико-хімічних процесів взаємодії цирконію та реак-
торного графіту з парами води і показати, яку роль у цих
реакціях зіграли наявність азоту та/або кисню, що були
основними активними компонентами середовища всере-
дині активної зони реактора на ранній стадії розвитку ава-
рії (десятки секунд) на енергоблоці № 4 ЧАЕС [3, 4].
Пропонується такий сценарій розвитку аварії:
внаслідок порушення циркуляції теплоносія в контурі
реактора відбулося «запарювання» робочих каналів; мо-
мент початку «запарювання» приймаємо за точку відліку t0;
«запарювання» спричинило зростання потужності ре-
актора: при t < t0 (тобто до початку аварії) реактор мав по-
тужність 200 МВт (близько 6 % номінальної) і за 2,5—3 се-
кунди набрав повну потужність;
впродовж 2,5—3 секунд від початку аварії температура
технологічних каналів і твелів підвищилася від номіналь-
ної (573 K) до 1273 K і продовжувала зростати в першому
наближенні лінійно з часом. Температура графіту за час
від t0 до 3 секунд залишалася постійною і далі зростала
лінійно з градієнтом 10—30 K/с;
з підвищенням температури збільшення тиску пари
в контурі призвело до розриву технологічних каналів: від-
бувся «хлопок» (тепловий вибух — зіткнення пари з графі-
товою кладкою);
через 25—30 секунд після «хлопка» стався фізично-хіміч ний
вибух, що спричинив руйнування активної зони реактора.
Визначимо закономірності окиснення цирконію в різно-
манітних газоподібних середовищах за підвищених темпера-
тур. Окремі дані стосовно окиснення цирконію в активних
газоподібних середовищах підвищених температур нагріву
наведено в довідниках, наукових працях та статтях [1—4].
Окиснення цирконію в кисні та повітрі. Відомо тіль-
ки про один стійкий у твердому стані оксид цирконію ZrО2,
хоча й не відкидається можливість існування оксиду ZrО.
Кисень, розчинений у металі, розширює діапазон існуван-
ня твердого розчину з гексагональною граткою, підвищує
температуру переходу зі стану α→β та температуру плав-
лення металу (рис. 1).
Дифузія кисню (табл. 1) відбувається таким чином,
що розчинений атом послідовно переміщується з одного
вузла гратки до іншого.
Після обробки експериментальних даних табл. 1, у діа-
пазоні температур від 673 до 1773 K для коефіцієнта дифу-
зії отримано узагальнюючу формулу
D = 5,12⋅10–4 exp (–50 800/(RT)), (1)
де D — коефіцієнт дифузії, м2/с; R — універсальна газова
постійна, Дж/(моль∙K); T — температура, K.
40 ISSN 2073-6231. Ядерна та радіаційна безпека 4(72).2016
С. І. Азаров, В. Л. Сидоренко, В. М. Євланов, М. М. Гаврилюк
Дослідження кінетики окиснення в парі [6] та су-
хому повітрі [7] показали, що в діапазоні температур
1273...1773 K окиснення підпорядковується параболічному
закону. Узагальнивши велику кількість експерименталь-
них даних, отримано загальну формулу для константи па-
раболічного закону окиснення цирконію в діапазоні тем-
ператур 1272—1673 K [8]:
Kпар = 11 exp (–36 000/(RT)),
кг2∙ м–4∙ с–1. (2)
Залежність константи параболічного закону окиснен-
ня Zr від температури показано на рис. 2.
Під час окиснення цирконію паралельно відбува-
ються процеси розчинення кисню в поверхневих ша-
рах металу та утворення оксидної плівки. В діапазо-
ні температур 673…873 K у металі розчинюється від 14
до 29 % кисню, що бере участь у реакції, і ця частка при
1123 K становить біля 60 %. У йодовому цирконії гли-
бина проникнення кисню при 823 K досягає 0,2⋅10–3 м,
а при 1023…1223 K — 0,35⋅10–3 м.
Взаємодія цирконію з азотом. Азот взаємодіє з цирконі-
єм значно повільніше, ніж кисень. Встановлено, що в діа-
пазоні температур 673…1913 K швидкість реакції цирко-
нію з азотом підпорядковується параболічному закону,
є вельми чутливою до наявності навіть невеликої кількості
кисню в азоті та не залежить від тиску азоту (рис. 3). Енергія
активації швидкості окиснення α-фази цирконію стано-
вить 164248 Дж/моль, а β-фази — 201120…217880 Дж/моль,
при цьому константа швидкості поглинання азоту дорів-
нювала 2,5⋅10–1 (–48 000/(RT)) кг2∙м–4∙с–1. Реакція азоту
з α-Zr відбувається швидше, ніж з β-Zr.
Встановлено [11], що за невисоких температур на по-
верхні цирконію в ході реакції з азотом утворюється тон-
кий, щільно прилягаючий до металу золотисто-жовтий шар
нітриду. У разі нагріванні до температур 1173…1873 K від-
бувається дифузія азоту в β-Zr. Коефіцієнт дифузії для Zr
D = 1,55⋅10–6 exp (–30 700/(RT)), м2/c. (3)
За нижчих температур дифузія азоту в Zr вельми мала:
при 1116 K, наприклад, D = 1,95⋅10–13 exp (–30 700/(RT)),
м2/с.
Таким чином, біля точки перетворення α→β дифузія азоту
в α-Zr відбувається в 3—5 разів повільніше, ніж у β-Zr.
Окиснення цирконію в СО2 та СО. Цирконій у вугле-
кислому газі окиснюється значно повільніше, ніж у чисто-
му кисні та повітрі, як до, так і після деградації оксидної
плівки. До деградації окиснення підпорядковується пара-
болічному закону, а потім закон окиснення стає лінійним.
Рис. 1. Діаграма стану цирконій — кисень
Рис. 2. Залежність константи швидкості параболічного
окиснення цирконію від температури:
суцільна лінія відповідає константі
повної швидкості окиснення Кпар = 6,6 ехр(–36000/(RT));
штрихова — максимальній швидкості розчинення кисню,
що дорівнює 6,9∙103 ехр(–36000/(RT));
, , , — емпіричні данні [6, 7, 9]
Таблиця 1. Коефіцієнт дифузії D кисню в цирконії [5]
Метал
Діапазон
температур, K
D, м2/с
α-Zr 673…858 9,4∙10-4 ехр(–51800/(RT))
α-Zr 923…1123 224∙10-4 ехр(–59700/(RT))
α-Zr 673…923 0,00046∙10-4 ехр(–35000/(RT))
α-Zr 973…1123 69,2∙10-4 ехр(–56200/(RT))
α-Zr 673…973 9,13∙10-9 ехр(–29800/(RT))
β-Zr 1273…1773 0,0453∙10-4 ехр(–59700/(RT))
α-Zr 1273…1773 0,196∙10-1 ехр(–41000/(RT))
Рис. 3. Залежність константи швидкості
реакції Zr з азотом від температури:
, — емпіричні данні відповідно до [10]
ISSN 2073-6231. Ядерна та радіаційна безпека 4(72).2016 41
Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії
Деградація починається тим швидше, чим вища темпера-
тура та тонша плівка металу. Швидше за все вона прояв-
ляється на гранях та кутах зразка.
На швидкості окиснення тиск вуглекислого газу
(105…8⋅105 Па) та вміст азоту в металі позначається сла-
бо. Швидкість окиснення в СО при 773…1253 K нижча,
ніж у СО2:
Zr + 2CO2 = ZrCO2 + 2CO + 5,7 МДж/кг. (4)
Таким чином, систематизація та узагальнення даних
високотемпературного окиснення цирконію в активних
газоподібних продуктах термічного розкладання (О2, N2,
СО2 та СО) показують, що:
1) процес окиснення цирконію є дуже складним і за-
лежить від великої кількості різних чинників (стану по-
верхні металу, складу та властивостей навколишнього се-
редовища тощо);
2) швидкість окиснення цирконію на різних стадіях
визначається складом оксидної плівки на його поверх-
ні, утворення якої залежить від орієнтації поверхні, на-
явності домішок у металі та газоподібному середовищі
тощо. При цьому швидкість окиснення цирконію в суміші
О2 + N2 + H2O [12] набагато вища (приблизно в 10 разів),
ніж у СО2 і СО, та визначається за рівнянням
2O O ,
m
k
E
m mm RT
m
d K C e
dt
−ξ
= ρ (5)
де xm — ступінь окиснення цирконію; Km — константа
швидкості, с-1;
2O
mC — відносний вміст О2 в газовій суміші;
Ok
mρ — густина газової суміші, кг/м3; Em — енергія актива-
ції, кДж/моль, реакції окиснення цирконію; m — емпірич-
на константа.
На основі наведеного розглянемо детальніше кіне-
тику пароцирконієвої реакції на ранній стадії розвитку
Чорнобильської аварії.
Різке підвищення температури конструкційних матері-
алів при порушенні умов охолодження активної зони ре-
актора призвело до їх активної взаємодії з водяною парою,
що супроводжується утворенням водню і виділенням те-
пла. Екзотермічна пароцирконієва реакція всередині ак-
тивної зони при взаємодії водяної пари з металевим цир-
конієм описується так:
Zr + 2H2O = ZrO2 + 2H2 + Q, (6)
де Q = 6280,5 кДж/кг.
За температур нижчих, ніж 1140 K, цирконій має щіль-
ну гексагональну структуру (α-фаза), яка за більш високих
температур переходить у β-фазу з об’ємно-центрованою
кубічною структурою (див. табл. 1). У разі наявності кисню
α-фаза цирконію існує при більш високих температурах.
Тому під шаром діоксиду цирконію в окисненому металі
за високих температур перебуває α-підшар, стабілізований
киснем, а під ним — шар β-цирконію. Товщина α-підшару
залежить від температури. Кінетика пароцирконієвої ре-
акції описується рівнянням Бейкера–Джаста [5]:
( ) 0,55 0,5
Zr1,1 10 ,dN S t k t
dt
− −= ⋅ моль H2/c, (7)
де N — число молів водню; S(t) — площа цирконію,
що контактує з водяною парою (для реактора РВПК-1000
дорівнює 1,2·108 см2); t — час, с; kZr — константа швидкості,
яка визначається за формулою
( )7
Zr 3,33 10 exp 45500 ;kk RT = ⋅ − (8)
R — універсальна газова стала, Дж/(моль·K); Tk — темпе-
ратура технологічних каналів і твелів, K.
У розрахунках приймали, що температура під час аварії
змінювалася за законом
0
,k kT T at= +
(9)
де
0kT — номінальна температура технологічних каналів
і твелів; a — коефіцієнт, що характеризує швидкість зрос-
тання температури, K/c; t — час протікання аварійних
процесів, с.
Пароцирконієва реакція істотно прискорюється при
темпе ратурі 1700 K і супроводжується, в основному, таки-
ми ефектами:
інтенсивним виділенням тепла при високих темпера-
турах;
виділенням водню;
зміненням фізичних властивостей матеріалу обо-
лонок твелів, зокрема зниженням механічної міцності
через окрихчування;
підвищенням температури плавлення від 2170 K (Zr) до
2900 K (ZrО2).
Взаємодія цирконію з парою відбувалася протя-
гом усього часу від t0 до моменту вибуху пароводневої су-
міші. Кількість водню, що утворилaся за час t, визначаєть-
ся інтегруванням рівняння (6). Зазначимо, що розрахунок
за співвідношеннями (6–9) дає верхню границю кількості
водню, яка виділилася за час t, оскільки: 1) закон Бейкера—
Джаста є ідеальним і, звичайно, експериментальні значен-
ня кількості водню трохи менші за обчислені; 2) у роз-
рахунку передбачалося, що пароцирконієва реакція йде
однаково в усіх каналах.
Високотемпературне окиснення реакторного графі-
ту та утворення С+Н2. Температура початку окиснен-
ня реакторного графіту приблизно 700 K. Практично
вже при температурі біля 1600 K графітовий виріб, по-
верхня якого не захищена від окиснення під час випа-
лювання, вигорає на 10—15 мм. Пошкодження графіту
відбувається по зкоксованому поєднувачу, що утворює
містки між зернами наповнювача. З киснем в основному
взаємодіє кокс поєднувача. Із зміненням тріщини по-
рушуються коксові містки в процесі окиснення графіту,
що призводить до суттєвої втрати їх міцності ще при не-
значній втраті міцності маси графітового матеріалу в ці-
лому. Хімічна взаємодія реакторного графіту з газовим
потоком за високих температур складається з кількох
процесів:
перенесення хімічно активних молекул з газового по-
току до поверхні;
адсорбції молекул активного газу, що ударяються об по-
верхню;
хімічної реакції між адсорбованими молекулами реа-
генту та молекулами матеріалу поверхні;
десорбції продуктів реакції з поверхні графітового
матеріалу;
відведення продуктів реакції від поверхні.
Найбільш інтенсивно окиснення графітового матеріалу
протікає в інтервалі 700—1000 K, де залежність швидкості
42 ISSN 2073-6231. Ядерна та радіаційна безпека 4(72).2016
С. І. Азаров, В. Л. Сидоренко, В. М. Євланов, М. М. Гаврилюк
окиснення вуглецю від температури і парціального тиску
описується рівнянням [10]
( )
2
0,8
O ,E RTW A e P−= (10)
де W — швидкість окиснення; A — передекспонентний
член; E — енергія активації; R — універсальна газова ста-
ла; T — абсолютна температура;
2
0,8
OP — парціальний тиск
кисню.
Зан изьких температур (900—1000 K) окиснення гра-
фітового матеріалу відбувається не тільки на зовнішній
геометричній поверхні пор графітового виробу. Процес
окиснення супроводжується збільшенням об’єму пор,
зростанням газопроникності вуглецевого матеріалу, зни-
женням його механічної міцності. Збільшення втрати маси
графіту під час окиснення з 4 до 20 % супроводжується
зростанням відкритої пористості. Вже на самих ранніх ста-
діях окиснення спостерігається втрата міцності, коли по-
ристість і газопроникність практично не змінюються.
За більш високих температур (1430—2200 K) спосте-
рігається спочатку гальмування процесу окиснення, по-
тім швидкість окиснення графіту знову збільшується.
При температурі біля 1430 K реакції окиснення сповіль-
няються, що пояснюється зменшенням реакційної площі
взаємодії в результаті змикання сусідніх пор після газифі-
кації визначеної кількості графіту.
Вуглець менш активно, ніж кисень, взаємодіє з реак-
торним графітом. Випробування взаємодії вуглецю з ді-
оксидом вуглецю в інтервалі температур 1500—3230 K пока-
зало, що при атмосферному тиску в діапазоні температур
1730–2200 K швидкість реакції C + CO2 = 2CO спочатку
знижується, а потім зростає. При високих температурах
у результаті скорочення активних центрів у твердому тілі
в ньому відбуваються процеси структурного перетворен-
ня і, як наслідок, змінюється реакційна здатність графі-
ту, відзначається аномальна швидкість взаємодії графіту
з СО2. Зменшення швидкості реагування пояснюють вза-
ємним насиченням вільних валентностей поверхневих
центрів, тобто фактичною зміною реакційної здатності
графіту при підвищенні температури.
Температура початку реакції окиснення тим вища, чим
досконаліша кристалічна структура графіту. Фазову діа-
граму графіту залежності від температури і тиску наведено
на рис. 4.
Наведемо деякі з хімічних реакцій у пароводяному
середовищі без доступу кисню, що активно проходить
при температурах більш як 980 K:
С + H2O = CO + H2 – 175,3 кДж/моль, (11)
C + 2H2O = CO2 + 2H2; (12)
Zr + 2CO2 = ZrO + 5900 Дж/г Zr. (13)
Якщо взаємодія проходить у повітряному середовищі
(за присутності кисню), потрібно врахувати такі хімічні
реакції:
С + O2 = CO2 + 400 кДж/моль; (14)
С + CO2 = 2CO; (15)
С + 2H2 = CH4; (16)
2СО + O2 = 2CO2 – 288 кДж/моль; (17)
2С + O2 = 2CO + 110,5 кДж/моль. (18)
Хімічні реакції (11)—(18) є вибухонебезпечними реак-
ціями, які починаються при Т ≥ 1300 K [10]. Для оцінки
внеску кожної з хімічних реакцій (11)—(18) у процес вза-
ємодії реакторного графіту з Н2О і О2 були розглянуті тем-
пературні залежності логарифма константи рівноваги lgS
в інтервалі температур реального існування фаз реагентів
і продуктів їхньої взаємодії. Для обчислення lgS викорис-
тано спрощену залежність
( )300 300lgS H T P= − ∆ β + ∆ β , (19)
де DH300 —змінення стандартної ентальпії, ккал/(моль∙K);
DP300 — змінення поточної ентальпії, ккал/(моль∙K); b —
коефіцієнт, що дорівнює 4,576; T —температура, K.
Результати розрахунку хімічних реакцій реакторного
графіту з водяною парою та киснем за допомогою форму-
ли (19) наведено в табл. 2.
Ймовірність протікання хімічних реакцій, як видно
з табл. 2, зростає на багато порядків і всі реакції набувають
екзотермічного характеру. В реальних умовах сукупність
термодинамічних і кінетичних факторів має призводи-
ти до різкого збільшення внеску реакцій за участі кис-
ню у збільшення концентрації вибухонебезпечної суміші
СО + Н2 у разі аварії в активній зоні реактора РВПК-1000.
Підвищення температури, що є наслідком екзотермічності
реакцій за участі кисню, також збільшує ймовірність ава-
рійних вибухів.
Розглянемо докладніше хімічну реакцію (11) при тем-
пературах, що перевищують 700 K, коли водяна пара по-
чинає взаємодіяти з реакторним графітом і утворює ви-
бухонебезпечну суміш СО + Н2. При окисненні порошку
графіту в потоці суміші парів води кінетика хімічної реак-
ції описуватиметься рівнянням Ленгмюра—Хіншельвуда
Рис. 4. Фазова діаграма графіту:
L—S (рідина—тверда фаза) — крива плавлення або кристалізації;
L—V (рідина—пара) — крива пароутворення чи конденсації;
V—S (пара—кристал) — сублімація (перегін)
ISSN 2073-6231. Ядерна та радіаційна безпека 4(72).2016 43
Аналіз умов і механізмів формування вибухонебезпечних сумішей на ранній стадії розвитку Чорнобильської аварії
2
2
1 H O
2 H O
,
1
k C
W
k C
=
+
моль/(г∙с), (20)
де
k 1 = 5,0∙1012 exp[–68000/(RTг )], см
3/(г∙с); (21)
k2 = 6,7∙105 exp[+14500/(RTг )], см
3/(г∙с); (22)
Tг — температура графіту, K; R — універсальна газова кон-
станта.
Якщо тиск парів води відповідає певному тиску на-
сиченої пари при 1 атм, тобто за умов, в яких відбува-
ється взаємодія пари з графітом при аварії, реакція про-
тікає відповідно до рівняння першого порядку відносно
води, і швидкість утворення суміші чадного газу та водню
дорівнюватиме
21 H O2 .W k C= (23)
З урахуванням (20) питома швидкість реакції (на 1 м
графіту, що окиснюється)
dN (CO +H2) /dt = 1013 exp[–68000/(RTг )]СН2О
, моль/(г∙с), (24)
де СН2О
— концентрація парів води, моль/см3.
Враховувалось, що температура графіту за час t > t0 ≈ 3 c
змінюється за законом
Тг = Тг0 + bt, (25)
де Тг0 — номінальна температура графіту (773 K); b —
коефіцієнт, що характеризує швидкість зростання темпе-
ратури графіту, K/с; t — час, с.
Швидкість утворення чадного газу й водню в усій
кладці графіту
dN(CO + H2) /dt = М∙СН2О
⋅1013 exp[–68000/(RTг )], (26)
де М — маса реагуючого графіту, кг.
Взаємодія графіту з парою можлива тільки при
t > t0 ≈ 3 с, тобто після теплового вибуху, коли пара всту-
пила в реакцію з графітовими блоками.
Висновки
У даній роботі зроблено спробу використати накопиче-
ний міжнародний досвід для представлення одного із сце-
наріїв розвитку аварійного процесу на ЧАЕС.
Отримані в роботі дані можна застосовувати в по-
дальших дослідженнях для моделювання утворення ви-
бухонебезпечних сумішей в об’ємах приміщень, роз-
рахунку кількості повітря, пари і води в процесі аналізу
вибухонебезпечності водневмісної пароповітряної суміші.
Практичні розрахунки дають змогу в подальшому оціни-
ти енергію руйнування й спрогнозувати силовий вплив
на будівельні конструкції.
Список використаної літератури
1. Чернобыльская катастрофа / Гл. ред. В.Г. Барьяхтар. – К. :
Наукова думка, 1995. – 588 с.
2. Sich A. R. Chornobyl accident revisited the source term analysis
and reconstruction of events during the active phase // Nuclear
Safety. — 1994. — P. 49—53.
3. Азаров С. І. Оцінка вибухонебезпечності водню на ранній
стадії розвитку Чорнобильської аварії / Азаров С. І., Таранов-
ський О. В., Сидоренко В. Л. // Проблеми надзвичайних
ситуацій. — 2014. — Вип. 20. — C. 3—10.
4. Азаров С. І. Аналіз взаємодії реакторного графіту з водя-
ною парою при аварії на ЧАЕС / Азаров С. І., Тарановський О. В.,
Сидоренко В. Л. // Пожежна безпека : теорія і практика. — 2014. —
№ 18. — C. 8—13.
5. Baker L. Studies of metal-water reactions at hight temperatures.
III Experimental and theoretical of the zirconitim-water reaction /
Baker L., Just L. // ANI-6548-196. — 1976. — Р. 20—56.
6. Urbanic V. F. Oxidation of zirconium alloys in steam at 1000 to
1850 °C // III Int. Conf. on Zirconium in Nuclear Industry, Canada,
1976. — ASIM, 1977. — P. 19–77.
Таблиця 2. Результати розрахунку хімічних реакцій реакторного графіту з водяною парою та киснем
Хімічна реакція
Рівняння залежності lgS
від температури
lgS
Температура, K
1000 2000 3000
С + Н2О = СО + Н2 6,9 – 6860/Т 0,12 3,54 5,12
С + 2Н2О = СО2 + 2Н2 4,8 – 4700/Т 0,08 2,43 3,76
2СО + О2 = 2СО2 –4,5 + 14800/Т 10,31 2,87 –2,84
С + СО2 = 2СО 9,2 – 9000/Т 0,19 4,69 6,89
СО + Н2О = СО2 + Н2 –2,2 + 2200/Т –0,11 –1,12 –2,13
С + О2 = СО2 0,15 + 20550/Т 20,64 10,43 1,32
2С + О2 = 2СО 4,7 + 5770/Т 10,52 7,61 4,22
3С + Н2О + О2 = 3СО + Н2 16,3 + 4700/Т 20,44 18,72 17,85
3СО + Н2О + О2 = 3СО2 + Н2 –11,2 + 3200/Т 20,53 4,67 –12,63
44 ISSN 2073-6231. Ядерна та радіаційна безпека 4(72).2016
С. І. Азаров, В. Л. Сидоренко, В. М. Євланов, М. М. Гаврилюк
7. Westerman R. E. Zircaloy Cladding ID/OD Oxidation Studies /
Westerman R. E., Hesson, R. M. — EPRI NP-525. — Nov. 1977. —
P. 52—54.
8. Brown A. F. The kinetics of total oxygen uptake in steam
oxidized zircaloy-2 in range 1272-1673K / Brown A. F., Healen T. //
J. Nucl. Mater. — 1980. — Vol. 88, № 1. — P. 1—6.
9. Lestiikov S. Kinetik аnd Murphologie der isotermen dampf-
oxidation von zicaloy4 bei 700–1300 °C / Lestiikov S., Schgahd G.,
Being H. — KFK-278. — Mar. 1978. — P. 17—22.
10. Кабакчи С. А. Радиационная химия в ядерном топлив-
ном цикле / Кабакчи С. А., Булгакова Г. П. / Лекции РХТУ
им. Д. И. Менделеева. М.: – 1997. –96 с.
11. Бартльме Ф. Газодинамика горения / Бартльме Ф. — М. :
Энергоатомиздат, 1981. — 280 с.
12. Miassoedov A. Overview of Severe Accident Research Activities
at KIT / Institute for Nuclear and Energy Technologies, CSARP and
MCAP Meetings September 14–18, 2015, Albuquerque, NM, USA,
2015, 271 p.
References
1. Bariakhtar, V.G. (1995), “Chornobyl Accident” [Chernobylskaia
katastrofa], Kyiv, Naukova Dumka, 588 p. (Rus)
2. Sich, A. R. (1994), “Chornobyl Accident Revisited the Source
Term Analysis and Reconstruction of Events During the Active Phase”,
Nuclear Safety, pp. 49-53
3. Azarov, S.I., Taranovsky, O.V., Sidorenko, V.L. (2014),
“Assessment of Hydrogen Explosiveness at an Early Stage of the
Chornobyl Accident” [Otsinka vybukhonebezpechnosti vodniu na
rannii stadiia rozvytku Chornobylskoi avarii], Problems of Emergencies,
No. 20, pp. 3-10. (Ukr)
4. Azarov, S.I., Taranovsky, O.V., Sidorenko, V.L. (2014), “Analysis
of Interaction of Reactor Graphite with Water Vapor during Chornobyl
Accident” [Analiz vziemodii reaktornoho hrafitu z vodianoi paroiu pry
avarii na ChAES], Fire Safety: Theory and Practice, No. 18, pp. 8-13
(Ukr)
5. Baker, L., Just, L. (1976), “Studies of Metal-Water Reactions
at High Temperatures. III Experimental and Theoretical of the
Zirconium-Water Reaction”, ANI-6548-196, pp. 20-56.
6. Urbanic, V. F. (1977), “Oxidation of Zirconium Alloys in Steam
at 1000 to 1850 °C”, III Int. Conf. on Zirconium in Nuclear Industry,
Canada, ASIM, pp.19-77.
7. Westerman, R. E., Westerman, R. E., Hesson, R. M. (1977),
“Zircaloy Cladding ID/OD Oxidation Studies”, EPRI NP-525, pp. 52-
54.
8. Brown, A. F., Healen, T. (1980), “The Kinetics of Total Oxygen
Uptake in Steam Oxidized Zircaloy-2 in Range 1272-1673K”, J. Nucl.
Mater., Vol. 88, No. 1, pp. 1-6.
9. Lestiikov, S., Schgahd, G., Being, H. (1978), “Kinetik аnd
Murphologie der Isotermen Dampf-Oxidation von Zicaloy4 bei 700–
1300 °C”, KFK-278, pp. 17-22.
10. Kabakchi, S.A., Bulgakova, G.P. (1997), “Radiation Chemistry
in Nuclear Fuel Cycle” [Radiatsionnaia khimiia v yadernom toplivnom
tsykle], Lections of Mendeleev University of Chemical Technology of
Russia, 96 p. (Rus)
11. Bartlme, F. (1981), “Gasodynamic of Burning” [Gazodinamika
goreniia], Moscow, Energoatomizdat, 280 p. (Rus)
12. Miassoedov, A. (2015), “Overview of Severe Accident Research
Activities at KIT”, Institute for Nuclear and Energy Technologies,
CSARP and MCAP Meetings September 14–18, Albuquerque, NM,
USA, 2015, 271 p.
Отримано 14.06.2016.
|