Нейтронно-физические характеристики ядерно-опасных скоплений топливосодержащих материалов
Приводятся результаты расчета нейтронно-физических характеристик критических сборок (топливо - замедлитель – отражатель), геометрия которых вписывается в реальные границы зоны проплавления фундаментной плиты шахты реактора в юго-восточной части подреакторного помещения 305/2. Анализируется динамика...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7449 |
| 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: | Нейтронно-физические характеристики ядерно-опасных скоплений топливосодержащих материалов / Е.Д. Высотский, А.А. Ключников, В.Н. Щербин, В.Б. Шостак // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. — 2009. — Вип. 12. — С. 93-102. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860079811434643456 |
|---|---|
| author | Высотский, Е.Д. Ключников, А.А. Щербин, В.Н. Шостак, В.Б. |
| author_facet | Высотский, Е.Д. Ключников, А.А. Щербин, В.Н. Шостак, В.Б. |
| citation_txt | Нейтронно-физические характеристики ядерно-опасных скоплений топливосодержащих материалов / Е.Д. Высотский, А.А. Ключников, В.Н. Щербин, В.Б. Шостак // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. — 2009. — Вип. 12. — С. 93-102. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Приводятся результаты расчета нейтронно-физических характеристик критических сборок (топливо - замедлитель – отражатель), геометрия которых вписывается в реальные границы зоны проплавления фундаментной плиты шахты реактора в юго-восточной части подреакторного помещения 305/2. Анализируется динамика развития и самогашения нейтронной аномалии, зарегистрированной в июне 1990 г. Показано, что аномалия была вызвана критическим инцидентом, разгон и самогашение которого произошли в результате залива водой скопления топливосодержащих материалов (ТСМ), скрытого в зоне проплавления. Рассматривается версия «доменного» процесса образования скопления, при котором в результате взаимодействия расплава топлива с бетоном фундаментной плиты и «шихтой» из фрагментов активной зоны легкий оксидный слой (U < 5 % мас.) образует горизонтальный поток черных лавообразных ТСМ (ЛТСМ), а тяжелый нижний слой (U > 50 % мас.) остается в зоне проплавления и при наличии воды представляет ядерную опасность.
Наводяться результати розрахунку нейтронно-фізичних характеристик критичних збірок (паливо - сповільнювач - відбивач), геометрія яких вписується в реальні межі зони проплавлення фундаментної плити шахти реактора в південно-східній частині підреакторного приміщення 305/2. Аналізується динаміка розвитку й самогасіння нейтронної аномалії, зареєстрованої в червні 1990 р. Показано, що аномалія була викликана критичним інцидентом, розгін і самогасіння якого відбулися в результаті надходження води в скупчення паливовмісних матеріалів (ПВМ), приховане в зоні проплавлення. Розглядається версія «доменного» процесу утворення скупчення, при якому в результаті взаємодії розплаву палива з бетоном фундаментної плити і «шихтою» з фрагментів активної зони, легкий оксидний шар (U < 5 % мас.) утворює горизонтальний потік чорних лавоподібних ПВМ, а важкий нижній шар (уран > 50 % мас.) залишається в зоні проплавлення і за наявності води представляє ядерну небезпеку.
Results of calculation of neutron-physical characteristics of a critical assembling (a fuel - a moderator - a reflector), geometry of which is inscribed into the real scopes of fusion penetration area of fundamental flag of the reactor shaft in south-east part of subreactor apartment 305/2 are given. The dynamics of development and self-quenching of neutron anomaly, which was registered in June, 1990 is analysed. It is shown that the anomaly was caused by a critical incident, acceleration and self-quenching of which were a result of water feeding to accumulation of fuel contained materials, hidden in a fusion penetration area. The version of «blast-furnace» process of formation of such accumulation is examined, at which as a result of interaction of fuel flux with the concrete of bed plate and « furnace charge» from the fragments of an active zone, an easy oxide layer (U < 5 % mas.) forms the horizontal stream of black lavalike fuel contained materials, and a heavy lower stratum (U > 50 % mas.) remains in the fusion penetration area and in case of water presence presents is nuclear dangerous.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:15:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 93
----------------------------------------------------- ПРОБЛЕМИ ЧОРНОБИЛЯ ----------------------------------------------------
УДК 621.039.76
НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯДЕРНО ОПАСНЫХ СКОПЛЕНИЙ
ТОПЛИВОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
Е. Д. Высотский, А. А. Ключников, В. Н. Щербин, В. Б. Шостак
Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, Чернобыль
Приводятся результаты расчета нейтронно-физических характеристик критических сборок
(топливо - замедлитель – отражатель), геометрия которых вписывается в реальные границы зоны
проплавления фундаментной плиты шахты реактора в юго-восточной части подреакторного помеще-
ния 305/2. Анализируется динамика развития и самогашения нейтронной аномалии, зарегистрирован-
ной в июне 1990 г. Показано, что аномалия была вызвана критическим инцидентом, разгон и само-
гашение которого произошли в результате залива водой скопления топливосодержащих материалов
(ТСМ), скрытого в зоне проплавления. Рассматривается версия «доменного» процесса образования
скопления, при котором в результате взаимодействия расплава топлива с бетоном фундаментной
плиты и «шихтой» из фрагментов активной зоны легкий оксидный слой (U < 5 % мас.) образует
горизонтальный поток черных лавообразных ТСМ (ЛТСМ), а тяжелый нижний слой (U > 50 % мас.)
остается в зоне проплавления и при наличии воды представляет ядерную опасность.
Ключевые слова: топливосодержащие материалы, критическая сборка, нейтронная аномалия,
реактивность, критичность.
Введение
В конце июня 1990 г. детекторами системы «Финиш» была зарегистрирована мощная
нейтронная аномалия. Плотность потока нейтронов (ППН) в помещении 304/3, примыка-
ющем к юго-восточной части подреакторного помещения 305/2 (место образования и истока
лавовых потоков), в течение нескольких суток возросла в десятки раз и составила в макси-
муме более чем 104 нейтрон/(см2·с) [1]. Причины, способные вызвать аномалию, были рас-
смотрены специальной комиссией. Все предложенные гипотезы, основанные на затоплении
водой детектора, изменения химического состава и геометрии ТСМ, увеличение массовой
доли топлива в помещении 304/3, оказались несостоятельны [2]. Только критический инци-
дент в помещении 305/2 мог объяснить такое возрастание ППН [3].
В настоящее время в юго-восточной части помещения 305/2 локализованы скопления
ТСМ с концентраций топлива более 40 %. Скопления находятся в зонах проплавления
фундаментной плиты (ФП) шахты реактора и скрыты под слоем «свежего бетона». Южная
зона проплавления примыкает к пролому в стене помещения 304/3, северная зона уходит под
бетонную тумбу опоры бака биологической защиты. В северной зоне наличие воды не
установлено. Скопления в южной зоне постоянно находятся в воде, уровень которой удер-
живается на отметке 9,1 м. Из южной зоны через скважины периодически с 1990 г. наблюда-
ется сток подогретой воды. Время и объемы стока коррелируют с интенсивностью атмосфер-
ных осадков и периодом появления на блоке конденсационной влаги [4].
Нейтронная аномалия была зарегистрирована в период (19 июня – 3 июля 1990 г.)
заполнения водой зон проплавления в ФП. К этому времени температура на периферии
скоплений снизилась до 70 - 80 ºС, а за вторую неделю июня выпала полуторамесячная
норма осадков. Поступление воды в ФП было отмечено уже в апреле - мае, когда были
залиты водой и отказали нейтронные детекторы, расположенные в западных скважинах ФП
на отметке 9,1 м [5].
Характерным для водно-урановых систем с низкообогащенным топливом является
наличие узкого диапазона оптимального увлажнения, при котором система надкритична
между первым и вторым значением критичности. Поэтому с большой вероятностью можно
предположить, что «сухое» скопление при заполнении водой достигло первого значения
критичности и удерживалось в процессе поступления воды в околокритическом состоянии в
течение как минимум 6 сут (27 июня – 2 июля 1990 г.). Самогашение произошло в результате
переувлажнения и перехода скопления в подкритику за вторым значением критичности.
Е. Д. ВЫСОТСКИЙ, А. А. КЛЮЧНИКОВ, В. Н. ЩЕРБИН, В. Б. ШОСТАК
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 94
Механизмы удержания околокритического состояния были связаны как с процессами запол-
нения водой горячей, пористой структуры скопления, так и с отрицательными температур-
ными коэффициентами реактивности.
Ниже приводятся результаты расчетного моделирования и определения параметров
критических сборок (топливо – замедлитель – отражатель), геометрия которых вписывается
в реальные объемы южной зоны проплавления ФП шахты реактора.
Нейтронно-физические характеристики модели скопления
Оценка нейтронно-физических характеристик скопления была проведена на основа-
нии результатов расчетного моделирования критических сборок, вписывающихся в реальные
границы зоны проплавления. Расчеты эффективного коэффициента размножения (Кэф) про-
водились на программном комплексе MCNP-4A. При расчетах критичности учитывались
процессы взаимодействия нейтронов с ТСМ, а также термализация нейтронов в воде.
В пределах ограничений, определяемых реальными условиями существования скопле-
ния, варьировались следующие параметры сборки:
1) геометрия задавалась в виде плоского цилиндра, усеченного эллипсоида и части
сферы, высота которых ограничивалась 0,9 м, что соответствовало уровню воды, постоянно
присутствовавшей в зоне проплавления; радиус задавался в пределах 2 - 3 м и определялся
границами зоны проплавления;
2) моделировалась как гомогенная, так и гетерогенная структура;
3) пористость среды задавалась в пределах 40 – 60 % общего объема сборки и ограни-
чивала максимально возможное содержание воды в композиции;
4) элементный состав в расчетах был представлен бинарными (UO2 + SiO2) и много-
компонентными композициями, соответствующими составу черных ЛТСМ;
5) обогащение по 235U (1,1 – 1,4) % бралось с учетом наработки плутония, что
соответствовало выгоранию 10,5 - 12,5 Мвт·сут/кг урана.
В пределах заданных ограничений на параметры фактически все версии критических
сборок достигали критического состояния при заливе водой в вариациях концентрации
топлива в ТСМ в диапазоне от 40 до 60 % мас.
На рис. 1 показана схема размещения варианта критической сборки, моделирующей
скопления в юго-восточной части помещения 305/2. Сборка в геометрии плоского цилиндра
имеет нижний и боковой бетонные отражатели, верхний отражатель представлен слоем
10,0 м
8,0 м
9,3
210/6
305/2
304/3
ТСМ
ТСМ
И
ЛТСМ
Рис 1. Размещение критической сборки в фундаментной плите.
- положение детекторов нейтронов
Бетон
НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 95
ЛТСМ, закрытым сверху слоем свежего бетона. Сборка частично уходит под бетонную тум-
бу дополнительной опоры бака биологической защиты - схема «Л», а с юга, под разделитель-
ную стену с помещением 304/3. В объеме плоского цилиндра размещается ТСМ и вода.
В табл. 1 приведены геометрические и массовые параметры версий критических
сборок с гомогенной и гетерогенной структурами многокомпонентной композиции ТСМ.
Валовой химический состав смеси (кремний, кальций, натрий, алюминий, магний, цирконий,
железо, хром) соответствует черным ЛТСМ, образующих горизонтальный поток [7].
Содержание урана в процентном отношении к массе определялось из условия достижения
критичности при увлажнении. Остаточное обогащение по 235U бралось с учетом наработки
239Pu, что соответствовало среднему выгоранию 12,5 Мвт·сут/кг урана.
Таблица 1. Массовые и геометрические параметры критических сборок
Структура
Объем
цилиндра,
м3
Объем
ТСМ,
м3
Объем UO2,
м3
ТСМ, т UO2, т U, т 235U, кг Вода, т
(макс.)
Гомоген 17,7 7,07 2,10 33,6 22,9 20,2 231,8 10,6
Гетероген 17,7 8,5 2,01 35,8 21,1 18,6 213,4 8,2
На рис. 2 приведена зависимость реактивности (δK в единицах β = 0,0065) сборок от
объемного содержания воды в районе оптимального увлажнения. Расчеты реактивности
проводились для размножающей среды при комнатной температуре (20 ºС). При повышении
температуры среды запас реактивности и объема воды в диапазоне оптимального увлажне-
ния сокращаются из-за действия отрицательных температурных коэффициентов Доплера
(Кд ~2 ·10-3 β/ºС) и теплового уширения (Кт ~3 ·10-2 β/ºС).
-3
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
25 30 35 40 45 50 55 60 65
Вода, % объема
Р
е
а
кт
и
в
н
о
с
ть
, β
Гетерогенная
структура
Гомогенная
структура
Диапазон оптимального увлажнения (27 0С)
Рис. 2. Реактивность критических сборок (цилиндр R = 2,5м, H = 0,9 м)
в районе оптимального увлажнения при 27 ºС.
В табл. 2 приведены значения изменения Кэф в зависимости от объемного содержания
воды в сборке.
Сухая сборка глубоко подкритична с Кэф < 0,5. При поступлении воды вносится поло-
жительная реактивность, Кэф растет, сборка достигает первого значения критичности и
остается надкритичной в диапазоне оптимального увлажнения до второго значения критич-
ности. При дальнейшем поступлении воды сборка становится подкритичной и уровень
подкритичности ограничивается объемом воды, который может принять сборка за вторым
Е. Д. ВЫСОТСКИЙ, А. А. КЛЮЧНИКОВ, В. Н. ЩЕРБИН, В. Б. ШОСТАК
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 96
значением критичности. При ограниченном объеме сборки достижение большей подкритич-
ности при переувлажнении возможно за счет увеличения концентрации топлива. Диапазон
оптимального увлажнения зависит от величины запаса реактивности сборки и в нашем
случае составляет 8 % объема сборки для гетерогенной и 6 % объема для гомогенной.
Таблица 2. Значение Кэф сборок от объемного содержания воды
Структура Параметр
Сухая
сборка
Первая
критичность
Запас
реактивности
Вторая
критичность
Максимальная
подкритичность
Гетероген
Кэф 0,427 1,0 1,0026 (0,41 β) 1,0 0,985
Объем
воды, %
0 35 39 43 52
Гомоген
Кэф 0,438 1,0 1,0018 (0,28 β) 1,0 0,989
Объем
воды, %
0 45 48 51 60
Нейтронная аномалия – критический инцидент
На «всеволновом» детекторе нейтронов (ДН), расположенном в помещении 304/3 на
поверхности ЛТСМ и отделенном от скопления в ФП более чем двухметровым слоем черной
керамики, с 19 июня 1990 г. было зарегистрировано нарастание счетности. До 27 июня
нарастание было относительно монотонным и превысило фон более чем в два раза; 27 июня
1990 г. с 13 ч до 15 ч счетность детекторов возросла более чем в три раза, после чего
наблюдался незначительный спад до следующего скачка, при котором счетность с 9 ч до 11 ч
возросла вдвое. В период скачков были проведены контрольные замеры ППН «голым»
детектором. Контрольные замеры полностью коррелировали с показаниями «всеволнового»
детектора, при этом счетность обоих детекторов отличалась незначительно. Чувствитель-
ность «голого» и «всеволнового» детекторов нивелируется в случае смягчения спектра до
теплового. До 11 ч 29 июня 1990 г. наблюдался незначительный подъем счетности, после
чего началось резкое возрастание счета, которое к 23 ч достигло 60-кратного увеличения по
отношению к фону. После заливов в 23 ч 37 мин 29 июня 1990 г. и в 00 ч 50 мин 30 июня
1990 г. в помещение 304/3 1 %-ного раствора азотно-кислого гадолиния счетность в течение
двух часов снизилась более чем в семь раз. Возврат счетности к уровню фона произошел
через 35 ч [1]. Полный возврат к фону показал, что гадолиний заблокировал тепловые
нейтроны только в районе их утечки из скопления. В противном случае фоновая счетность
ДН должна была упасть, так как блокировка ДН гадолинием равнозначна эффекту от
кадмиевого экрана. Поэтому восстановление динамики аномалии было проведено на уровне
счетности ДН перед заливами гадолиния. Спектр нейтронов в диапазоне оптимального
увлажнения не изменяется и соотношение по плотности тепловых и быстрых нейтронов в
потоке остается постоянным.
На рис. 3 приведена восстановленная динамика счетности ДН в помещении 304/3 в
период нейтронной аномалии.
Аномалия была вызвана заливом водой скопления в ФП и фактически воспроизводила
изменение ППН утечки при вводе реактивности в процессе поступления воды в «сухое»
скопление. Скорость заполнения скопления водой и соответственно скорость ввода реактив-
ности (положительной и отрицательной) определяется характером процесса реализации
пористости ТСМ. Поступление воды в горячую (>100 Сº) пористую структуру ядра скопле-
ния приводит к парообразованию по фронту смачивания и частичному выталкиванию воды,
что резко ограничивает скорость ввода реактивности. При этом выделяемая при увеличении
числа делений мощность расходуется на подъем температуры топлива и подогрев воды. Рост
температуры топлива ведет к конкурентному процессу – вводу отрицательной реактивности
за счет Доплер-эффекта (Кд) и теплового уширения (Кт). В то же время поступающая в
НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 97
скопление холодная вода сдерживает подъем температуры в объеме скопления и гасит
локальную температуру топлива в ядре скопления. Отсюда следует, что характер динамики
развития СЦР и уровень достигаемых параметров надкритичности (ППН, число делений,
температура) определяются соотношением этих конкурирующих процессов.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
27.06.90
0:00
27.06.90
12:00
28.06.90
0:00
28.06.90
12:00
29.06.90
0:00
29.06.90
12:00
30.06.90
0:00
30.06.90
12:00
01.07.90
0:00
01.07.90
12:00
02.07.90
0:00
02.07.90
12:00
Дата, время
С
че
тн
ос
ть
, и
м
п
./с
0
1
2
3
4
5
Р
ос
т
те
м
п
ер
ат
ур
ы
, 0 C
Реактивность, β • 10-3
Счетность
Рост
температуры
0
3,22
1,27
0,54
0,39
-0,17 -0,29
-4,14
Рис. 3. Динамика счетности ДН, вводимой реактивности и роста температуры топлива
при критическом инциденте.
Текущее значение реактивности скопления определяется суммой вкладов реактивно-
стей от изменения количества воды и роста температуры топлива и скопления в целом
δ·KΣ = δ·K (H2O) – Kд·∆T1 ºС – Кт·∆T2 ºС,
где Т1 ºС – температура топлива, а T2 ºС – температура скопления.
Скорость нарастания или падения мощности зависит от знака и величины результиру-
ющего значения δ·KΣ на каждом этапе развития инцидента.
На рис. 3 приведены в шкале времени характеристики этапов разгона, удержания на
мощности и самогашения критического инцидента. Величина δ·KΣ вводимой реактивности
определяется по значению производной по времени на кривой счетности ДН на каждом из
этапов спада и нарастания мощности. Параметры, определяющие рост температуры, оцени-
вались для критических сборок моделирующих скопление (см. табл.1).
На этапах разгона, на каждом скачке мощности скопление выходило в надкритиче-
ское состояние с положительной реактивностью, величина которой зависела от текущей
температуры топлива. В момент парообразования по фронту смачивания положительная
реактивность сбрасывалась в результате выталкивания воды. После каждого сброса длитель-
ность удержания мощности определялась конкурирующими процессами: вводом положи-
тельной реактивности при возвращении фронта смачивания и вводом отрицательной реакти-
вности (в основном Доплер-эффектом) при росте температуры топлива.
По мере поступления воды и роста температуры запас положительной реактивности
уменьшается, а диапазон (надкритичности) оптимального увлажнения суживается. На рис. 3
величина реактивности, вводимая на скачках мощности, падает, а интервалы ее удержания
Е. Д. ВЫСОТСКИЙ, А. А. КЛЮЧНИКОВ, В. Н. ЩЕРБИН, В. Б. ШОСТАК
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 98
увеличиваются. Разгон прекратился, когда количество воды в скоплении превысило объемы
оптимального увлажнения и при продвижении фронта смачивания стала вводиться отрица-
тельная реактивность. Теперь процесс выталкивания воды при парообразовании по фронту
смачивания приводил к возврату скопления в надкритическое состояние, а поступление воды
возвращало скопление в подкритику.
Этап удержания мощности и рост температуры скопления продолжался 35 ч и прекра-
тился, когда переувлажнение и отрицательные температурные коэффициенты реактивности
перестали компенсироваться очередным сбросом воды при парообразовании.
В табл. 3 приведены параметры надкритичности, интерпретированные для критиче-
ских сборок, моделирующих скопление. Расчетная величина ослабления ППН в двухметро-
вом слое черных ЛТСМ, разделяющих ДН и источник, составила 2·104. Максимальная
величина ППН 104нейтрон/(см2·с) оценивалась по счетности ДН при условии деформации
спектра нейтронов к тепловому [1]. Поэтому величина ППН 5·107 нейтрон/(см2·с) была при-
нята как средняя на этапе удержания максимальной мощности при инциденте.
Таблица 3. Параметры критического инцидента
Параметр Гомогенная
структура
Гетерогенная
структура
Примечание
Плотность потока нейтронов φ,
нейтрон/(см2·с)
5,6 ·107 5,6 ·107 при максимальной
счетности ДН
Интенсивность делений на этапе
удержания, дел/с
3,81·1013 3,48 ·1013 на этапе удержания
мощности
Суммарное число делений 5,17 ·1018 4,7 ·1018 92 ч
Энерговыделение, МДж 172 157
Вводимая температура разогрева
топлива (UO2), ∆ºС
5,05 4,88 без учета теплосъема
Вводимая температура разогрева
скопления (ТСМ + H2O), ∆ ºС
2,11 2,06 без учета теплосъема
Собственный фон, нейтрон/с 1,65 ·108 1,52 ·108
Умножение нейтронов > 105 > 105
Вводимая положительная реактив-
ность, 10-3β
0,39 ÷ 3,22 0,39 ÷ 3,22 при разгоне
Вводимая отрицательная реактив-
ность, 10-3β
0,17 ÷ 4,14 0,17 ÷ 4,14 при самогашении
Диапазон оптимального увлажне-
ния, % объема воды
0,12 0,16 полный объем воды 10 м3
Средняя температура скопления, ºС 70 -80 70 - 80 во время инцидента
Запас реактивности скопления, β > 1,5 > 1,5 при 20 ºС
Температура залитого водой скопления к началу инцидента составляла 70 - 80 ºС и
поддерживалась остаточным тепловыделением (ОТВ). В настоящее время температура
скопления снизилась до 30 - 40 ºС и продолжает падать, следуя за падением ОТВ. При пере-
увлажнении этот фактор работает в сторону увеличения подкритичности и конкурирует с
Доплер-эффектом. При оцениваемой за счет переувлажнении подкритичности менее 2 β
только сокращение объемов воды в скоплении и рост температуры может привести к крити-
ческому инциденту, механизмы развития которого будут уже другими, но всегда с медлен-
ной кинетикой.
Процесс образования и структура скопления
В результате разрушения технологических каналов (ТК), расплавления и диспер-
гирования топлива в юго-восточной четверти активной зоны (АЗ) возникший квазистатиче-
ский импульс давления (до 20 МПа) был достаточным для разгерметизации реакторного
пространства (РП). Этот импульс давления опустил основание реактора (схему "ОР") на
НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 99
3,85 м и выбросил схему "Е". Процесс имел характер мощного динамического импульса, но
не взрывной природы [6]. Во время движения "ОР" вниз расплав топлива, образовавшийся
еще в штатном положении АЗ, был сброшен в открытое пространство к юго-восточной части
стены помещения 305/2 и в зазор между "ОР" и тумбой опоры бака биологической защиты
(схема "Л").
При детонации паро-водородной смеси юго-восточный квадрант помещения 305/2
был засыпан фрагментами АЗ. В результате образовалась «доменная печь» с доступом атмо-
сферного воздуха и полной загрузкой шихты: «агломерата» (циркония, диоксида циркония,
диоксида урана, металла); «кокса» (графитовые блоки, кольца, заглушки); «шлаковых
флюсов» (серпентинита, засыпки межкомпенсаторного и монтажного зазоров). Все компо-
ненты шихты имели высокую начальную температуру разогрева и снизу подогревались от
расплава топлива, который начал проплавлять бетон фундаментной плиты.
Процесс формирования ЛТСМ происходил в объеме загрузки шихты через прямое
восстановление металла и транспортные газофазные реакции [6]. По мере потери массы
компонентов шихта постепенно оседала, а «шлак» уходил через пролом в стене между
помещениями 305/2 и 304/3 и образовал горизонтальный поток черных ЛТСМ (рис. 4). В
зоне проплавления остались топливо и металл. При этом по мере прогорания шихты в зоне
проплавления увеличивается концентрация топлива за счет оседания фрагментов топливных
каналов из шихты. Увеличение выброса продуктов деления начавшееся на шестые сутки
аварии, может быть связано с уменьшением и исчезновением слоя шихты в юго-восточной
части помещения 305/2.
Процесс прекратился, когда шихта, прикрывающая зону проплавления полностью
осела и необходимая температура от тепло-химических процессов и ОТВ не могла под-
держиваться.
Рис. 4. Структура зоны проплавления («доменной печи»).
На рис. 5 приведена предполагаемая трехслойная структура скопления, образовавшая-
ся в ФП в процессе охлаждения. Расслоение расплава в процессе взаимодействия топлива с
бетоном подтверждается результатами экспериментов, которые проводятся в рамках между-
народного проекта CORPHAD.2. Верхний слой до отметки 9,7 м представляет собой черные
ЛТСМ с концентрацией урана от 3 до 4 % . Нижний слой состоит из металла с повышенным
содержанием рутения. Промежуточный слой, с содержанием урана более 50 % мас., образует
скопление, состав и структура которого неизвестны в связи с отсутствием доступа непосред-
ственно к ТСМ.
Показательно, что только в районе южной зоны проплавления шихта полностью
отсутствует, свежий бетон здесь имеет ровную поверхность (рис. 6). По краям зоны проплав-
ления видны компоненты шихты – графитовые блоки, фрагменты ТК и нижних водяных
коммуникаций (НВК). В остальной части юго-восточного квадранта помещения 305/2
свежий бетон прикрывает остатки шихты и имеет неровную поверхность.
Е. Д. ВЫСОТСКИЙ, А. А. КЛЮЧНИКОВ, В. Н. ЩЕРБИН, В. Б. ШОСТАК
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 100
Рис. 5. Предполагаемая трехслойная структура скопления.
Рис. 6. Южная зона проплавления ФП (помещение 305/2).
В настоящее время зона проплавления заполнена водой, уровень которой удерживает-
ся на отметке 9,1 м. Из зоны периодически наблюдается сток подогретой воды.
Выводы
1. Геометрия южной зоны проплавления ФП позволяет разместить в ней критическую
сборку (ТСМ – замедлитель - отражатель), в который многокомпонентная композиция ТСМ
(до 40 т) содержит топливо с выгоранием 12,5 МВт/(сут·кг) от 50 до 60 % мас. и имеет
пористость от 50 % объема. При увлажнении сборка становится надкритичной (Кэф > 1) в
диапазоне оптимального увлажнения между первым и вторым состоянием критичности, при
переувлажнении достижимый уровень подкритичности (Кэф < 1) ограничивается порис-
тостью ТСМ.
2. Нейтронная аномалия июня 1990 г. была вызвана критическим инцидентом, кото-
рый развился в процессе поступления воды в скопление ТСМ, скрытое в зоне проплавления
ФП шахты реактора. Самогашение СЦР произошло в результате переувлажнения. Основным
фактором, тормозящим скорость ввода реактивности от поступления воды в горячее (больше
100 ºС) ядро скопления, было локальное парообразование по фронту смачивания и вслед-
ствие этого частичное выталкивание воды. Скачкообразное повышение мощности опреде-
лило эффективность действия отрицательных температурных коэффициентов реактивности.
НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 101
Число делений за время инцидента, оцененное для предлагаемых моделей критических сбо-
рок, составило более 1018.
3. В настоящее время скопление залито водой и его температура снижается вместе со
снижением ОТВ. Подкритичность скопления из-за переувлажнения, предположительно,
находится за пределами регламентных аварийных значений Кэф > 0,98, что определяет
скопление как ядерно-опасное, так как рост температуры и сокращение объемов воды
(неуправляемые процессы) могут привести к СЦР.
4. Образование в ФП скоплений ТСМ с концентрацией топлива более 50 % массы
топлива удовлетворительно объясняется «доменным» процессом взаимодействия расплава
топлива с бетоном ФП и «шихтой» из фрагментов активной зоны. В результате этого
процесса горизонтальный поток черных ЛТСМ вобрал в себя часть топлива из «шихты
(содержание урана < 5 %), а большая часть осела в зоне проплавления и образовала кориум
(содержание урана > 50 %), структура и состав которого в настоящее время не могут быть
исследованы в связи с отсутствия доступа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Работы по контролю нейтронно-физических параметров топливосодержащей массы в пом. 304/3
объекта «Укрытие», выполненные в июне 1990 г.: (Отчет) / КЭ при ИАЭ им. И. В. Курчатова. -
Арх. № 1511. – Чернобыль, 1990.
2. Заключение экспертной комиссии о причинах аномального события в пом. 304/3 объекта
«Укрытие» в июле 1990 г. / ИБРАЭ РАН. - М, 1992. – 67 с.
3. Фролов В.В. Аномальный инцидент 27 - 30 июня 1990 г. в объекте «Укрытие» Чернобыльской
АЭС // Атомная энергия. – 1996. - Т. 80. - Вып. 3.
4. Высотский Е.Д., Ключников А.А., Краснов В.А. Локализация ядерно-опасных скоплений топливо-
содержащих материалов // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. – 2007. –
Вип. 7. - С. 66 - 75.
5. Арзуманов С.С., Беляев С.П., Бондаренко Л.Н. и др. Исследовательская система нейтронного
контроля ядерно-физического состояния топливосодержащих масс 4-го блока ЧАЭС. – Москва,
1992. - (Препр. / ИАЭ им И. В. Курчатова; № 5452/3).
6. Рудя К.Г. Исследование процессов развития аварии и образования топливосодержащих
материалов на 4 блоке Чернобыльской АЭС: Дис. ... канд. техн. наук. - К. Чернобыльский центр
ядерной безопасности, 2003.
7. Боровой А.А., Богатов С.А., Пазухин Э.М. Лавообразные топливосодержащие массы объекта
«Укрытие». – Киев, 1993. - (Препр. / НАН Украины. Ин-т кибернетики им. В. Н. Глушкова;
№ 93/17).
НЕЙТРОННО-ФІЗИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯДЕРНО-НЕБЕЗПЕЧНИХ СКУПЧЕНЬ
ПАЛИВОВМІСНИХ МАТЕРІАЛІВ
Є. Д. Висотський, О. О. Ключников, В. М. Щербин, В. Б. Шостак
Наводяться результати розрахунку нейтронно-фізичних характеристик критичних збірок
(паливо - сповільнювач - відбивач), геометрія яких вписується в реальні межі зони проплавлення
фундаментної плити шахти реактора в південно-східній частині підреакторного приміщення 305/2.
Аналізується динаміка розвитку й самогасіння нейтронної аномалії, зареєстрованої в червні 1990 р.
Показано, що аномалія була викликана критичним інцидентом, розгін і самогасіння якого відбулися в
результаті надходження води в скупчення паливовмісних матеріалів (ПВМ), приховане в зоні про-
плавлення. Розглядається версія «доменного» процесу утворення скупчення, при якому в результаті
взаємодії розплаву палива з бетоном фундаментної плити і «шихтою» з фрагментів активної зони,
легкий оксидний шар (U < 5 % мас.) утворює горизонтальний потік чорних лавоподібних ПВМ, а
важкий нижній шар (уран > 50 % мас.) залишається в зоні проплавлення і за наявності води пред-
ставляє ядерну небезпеку.
Ключові слова: паливовмісні матеріали, критична збірка, нейтронна аномалія, реактивність,
критичність.
Е. Д. ВЫСОТСКИЙ, А. А. КЛЮЧНИКОВ, В. Н. ЩЕРБИН, В. Б. ШОСТАК
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 102
NEUTRON-PHYSICAL CHARACTERISTICS OF NUCLEAR DANGEROUS ACCUMULATIONS
OF FUEL CONTAINED MATERIALS
E. D. Vysotskiy, O. O. Klyuchnykov, V. M. Scherbin, V. B. Shostak
Results of calculation of neutron-physical characteristics of a critical assembling (a fuel - a
moderator - a reflector), geometry of which is inscribed into the real scopes of fusion penetration area of
fundamental flag of the reactor shaft in south-east part of subreactor apartment 305/2 are given. The
dynamics of development and self-quenching of neutron anomaly, which was registered in June, 1990 is
analysed. It is shown that the anomaly was caused by a critical incident, acceleration and self-quenching of
which were a result of water feeding to accumulation of fuel contained materials, hidden in a fusion penet-
ration area. The version of «blast-furnace» process of formation of such accumulation is examined, at which
as a result of interaction of fuel flux with the concrete of bed plate and « furnace charge» from the fragments
of an active zone, an easy oxide layer (U < 5 % mas.) forms the horizontal stream of black lavalike fuel
contained materials, and a heavy lower stratum (U > 50 % mas.) remains in the fusion penetration area and in
case of water presence presents is nuclear dangerous.
Keywords: fuel contained materials, critical assembling, neutron anomaly, reactivity, criticality.
Поступила в редакцию 27.08.09
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7449 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1813-3584 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:15:47Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Высотский, Е.Д. Ключников, А.А. Щербин, В.Н. Шостак, В.Б. 2010-03-30T13:37:06Z 2010-03-30T13:37:06Z 2009 Нейтронно-физические характеристики ядерно-опасных скоплений топливосодержащих материалов / Е.Д. Высотский, А.А. Ключников, В.Н. Щербин, В.Б. Шостак // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. — 2009. — Вип. 12. — С. 93-102. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1813-3584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7449 621.039.76 Приводятся результаты расчета нейтронно-физических характеристик критических сборок (топливо - замедлитель – отражатель), геометрия которых вписывается в реальные границы зоны проплавления фундаментной плиты шахты реактора в юго-восточной части подреакторного помещения 305/2. Анализируется динамика развития и самогашения нейтронной аномалии, зарегистрированной в июне 1990 г. Показано, что аномалия была вызвана критическим инцидентом, разгон и самогашение которого произошли в результате залива водой скопления топливосодержащих материалов (ТСМ), скрытого в зоне проплавления. Рассматривается версия «доменного» процесса образования скопления, при котором в результате взаимодействия расплава топлива с бетоном фундаментной плиты и «шихтой» из фрагментов активной зоны легкий оксидный слой (U < 5 % мас.) образует горизонтальный поток черных лавообразных ТСМ (ЛТСМ), а тяжелый нижний слой (U > 50 % мас.) остается в зоне проплавления и при наличии воды представляет ядерную опасность. Наводяться результати розрахунку нейтронно-фізичних характеристик критичних збірок (паливо - сповільнювач - відбивач), геометрія яких вписується в реальні межі зони проплавлення фундаментної плити шахти реактора в південно-східній частині підреакторного приміщення 305/2. Аналізується динаміка розвитку й самогасіння нейтронної аномалії, зареєстрованої в червні 1990 р. Показано, що аномалія була викликана критичним інцидентом, розгін і самогасіння якого відбулися в результаті надходження води в скупчення паливовмісних матеріалів (ПВМ), приховане в зоні проплавлення. Розглядається версія «доменного» процесу утворення скупчення, при якому в результаті взаємодії розплаву палива з бетоном фундаментної плити і «шихтою» з фрагментів активної зони, легкий оксидний шар (U < 5 % мас.) утворює горизонтальний потік чорних лавоподібних ПВМ, а важкий нижній шар (уран > 50 % мас.) залишається в зоні проплавлення і за наявності води представляє ядерну небезпеку. Results of calculation of neutron-physical characteristics of a critical assembling (a fuel - a moderator - a reflector), geometry of which is inscribed into the real scopes of fusion penetration area of fundamental flag of the reactor shaft in south-east part of subreactor apartment 305/2 are given. The dynamics of development and self-quenching of neutron anomaly, which was registered in June, 1990 is analysed. It is shown that the anomaly was caused by a critical incident, acceleration and self-quenching of which were a result of water feeding to accumulation of fuel contained materials, hidden in a fusion penetration area. The version of «blast-furnace» process of formation of such accumulation is examined, at which as a result of interaction of fuel flux with the concrete of bed plate and « furnace charge» from the fragments of an active zone, an easy oxide layer (U < 5 % mas.) forms the horizontal stream of black lavalike fuel contained materials, and a heavy lower stratum (U > 50 % mas.) remains in the fusion penetration area and in case of water presence presents is nuclear dangerous. ru Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України Проблеми Чорнобиля Нейтронно-физические характеристики ядерно-опасных скоплений топливосодержащих материалов Нейтронно-фізичні характеристики ядерно-небезпечних скупчень паливовмісних матеріалів Neutron-physical characteristics of nuclear dangerous accumulations of fuel contained materials Article published earlier |
| spellingShingle | Нейтронно-физические характеристики ядерно-опасных скоплений топливосодержащих материалов Высотский, Е.Д. Ключников, А.А. Щербин, В.Н. Шостак, В.Б. Проблеми Чорнобиля |
| title | Нейтронно-физические характеристики ядерно-опасных скоплений топливосодержащих материалов |
| title_alt | Нейтронно-фізичні характеристики ядерно-небезпечних скупчень паливовмісних матеріалів Neutron-physical characteristics of nuclear dangerous accumulations of fuel contained materials |
| title_full | Нейтронно-физические характеристики ядерно-опасных скоплений топливосодержащих материалов |
| title_fullStr | Нейтронно-физические характеристики ядерно-опасных скоплений топливосодержащих материалов |
| title_full_unstemmed | Нейтронно-физические характеристики ядерно-опасных скоплений топливосодержащих материалов |
| title_short | Нейтронно-физические характеристики ядерно-опасных скоплений топливосодержащих материалов |
| title_sort | нейтронно-физические характеристики ядерно-опасных скоплений топливосодержащих материалов |
| topic | Проблеми Чорнобиля |
| topic_facet | Проблеми Чорнобиля |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7449 |
| work_keys_str_mv | AT vysotskiied neitronnofizičeskieharakteristikiâdernoopasnyhskopleniitoplivosoderžaŝihmaterialov AT klûčnikovaa neitronnofizičeskieharakteristikiâdernoopasnyhskopleniitoplivosoderžaŝihmaterialov AT ŝerbinvn neitronnofizičeskieharakteristikiâdernoopasnyhskopleniitoplivosoderžaŝihmaterialov AT šostakvb neitronnofizičeskieharakteristikiâdernoopasnyhskopleniitoplivosoderžaŝihmaterialov AT vysotskiied neitronnofízičníharakteristikiâdernonebezpečnihskupčenʹpalivovmísnihmateríalív AT klûčnikovaa neitronnofízičníharakteristikiâdernonebezpečnihskupčenʹpalivovmísnihmateríalív AT ŝerbinvn neitronnofízičníharakteristikiâdernonebezpečnihskupčenʹpalivovmísnihmateríalív AT šostakvb neitronnofízičníharakteristikiâdernonebezpečnihskupčenʹpalivovmísnihmateríalív AT vysotskiied neutronphysicalcharacteristicsofnucleardangerousaccumulationsoffuelcontainedmaterials AT klûčnikovaa neutronphysicalcharacteristicsofnucleardangerousaccumulationsoffuelcontainedmaterials AT ŝerbinvn neutronphysicalcharacteristicsofnucleardangerousaccumulationsoffuelcontainedmaterials AT šostakvb neutronphysicalcharacteristicsofnucleardangerousaccumulationsoffuelcontainedmaterials |