proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2024 год
  Агентство  ПРоАтом. 27 лет с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





PRo IT
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС

Вышла в свет книга Б.И.Нигматулина и В.А.Пивоварова «Реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса». Подробнее 
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия»
и сайта proatom.ru.
E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[25/02/2011]     Версия: развитие аварии вследствие кавитации ГЦН

В.М.Федуленко, в 1986 г.  начальник лаборатории теплотехнических расчётов канальных реакторов,  отд. 33  ИАЭ им. И.В.Курчатова

Мои представления об аварии на 4-м блоке Чернобыльской АЭС были напечатаны в газете «Курчатовец» РНЦ «Курчатовский институт». Не бог весть какие неизвестные факты и новости я затронул, однако отзывы и критика появились. К 20-й годовщине трагедии появилась статья в журнале «Атомная энергия» [3], которая представляет взрыв 4-го блока ЧАЭС в совершенно фантастическом свете. По мнению авторов статьи, реактор взорвался от кавитационного срыва подачи теплоносителя всех ГЦН.



Появление пара только в нижней части активной зоны вызвало разгон реактора на мгновенных нейтронах, разрушение твэлов от слишком высокой тепловой нагрузки и разрыв циркониевых каналов вследствие их перегрева. Ввод стержней аварийной защиты в активную зону с их положительным эффектом в первые секунды в этом случае не обсуждается.

После разрыва каналов и повышения давления в реакторном пространстве, занятом графитовой кладкой, после разрушения компенсаторов верхней и нижней тепловых защит (схемы Е и ОР) активная зона компактно (графит, трубы ТК с тепловыделяющими сборками, стержни СУЗ, каналы охлаждения отражателя  вместе с кожухом реактора и схемой Е) вылетела из шахты реактора на манер ракеты и дополнительно взорвалась уже над шахтой реактора в пределах центрального зала. Всё взорвалось так, что в шахту реактора вернулась только «Елена», а всё диспергированное (разрушенное в пыль) топливо и диспергированный (sic!) графит и циркониевые трубы каналов вообще вылетели за пределы реакторного блока. Поэтому шахта реактора пуста не потому, что сгорел графит и циркониевые трубы каналов, а потому что графит, трубы каналов и топливо вылетели из шахты на раскалённых струях пароводяной и топливной смеси и окончательно разлетелись в виде пыли и осколков от последующего взрыва активной зоны вне шахты реактора. Гипотеза зловеще-красивая и принятая некоторыми  писателями как реальность («Елена» летала по центральному залу как бабочка…» – написано в одном эссе о чернобыльской катастрофе). Однако гипотеза вряд ли доказуема логикой развития аварии и нейтронно-физическими и теплотехническими расчётами или хотя бы оценками (например, какая энергия необходима для подъёма всей активной зоны вместе со схемой Е и для «диспергирования, испарения» графита и труб каналов почти всей активной зоны и откуда она могла поступить). Кстати, при подъёме схемы Е трубы пароводяных коммуникаций будут разорваны, прекратится подача воды в каналы, иссякнет и подъёмная сила. Этот фактор тоже не следует отбрасывать при рассмотрении вероятного подъёма активной зоны в центральный зал реактора.

Представление о практическом отсутствии топлива в пределах шахты реактора и его помещений противоречит также многолетним исследованиям и оценкам количества топлива по радиационному излучению продуктов деления урана в пределах реакторных помещений и вне их. Следует также отметить, что кавитационный срыв подачи всех сразу ГЦН маловероятен (а он был таким на ленте расходов ГЦН), так как насосы имеют отличающиеся кавитационные характеристики и «сразу вместе» прекратить подачу теплоносителя не могут. На лентах самописцев этот процесс срыва ГЦН должен был бы быть растянут во времени и фиксировался бы для разных ГЦН и в разное время, особенно если учесть, что часть из них была запитана от турбин на выбеге, а питание реактора водой разделено практически на две половины..

Поэтому полное прекращение подачи теплоносителя в реактор следует связать только с резким повышением давления практически во всей активной зоне, т. е. с ростом мощности, а не наоборот.

Отметим также, что появление пара в нижней части активной зоны при кавитационном срыве всех ГЦН должно было бы вытолкнуть всю воду из активной зоны. В этом случае максимум энерговыделения при разгоне реактора был бы в центре активной зоны, а не в нижней её части. (Скорость прохождения теплоносителя через активную зону не более секунды).

Интересна ещё одна деталь, на которую стоит обратить внимание. Например, в соответствии с расчётами, в случае аварийного разрыва напорного водовода и падения давления в активной зоне канального реактора «обезвоживание» активной зоны происходит за 2-3 секунды. Соответственно, за эти секунды стремительно растёт мощность реактора (в случае значительного  положительного парового эффекта реактивности).  Можно предположить, опираясь на концепцию взрыва реактора от кавитационного срыва подачи ГЦН, что с такой же скоростью росла бы и мощность 4-го блока. То есть уже к 2-й–3-й секунде процесса разгона произошло бы и разрушение твэлов, и разрушение циркониевых труб каналов. В условиях такого скоростного процесса (2-3 сек) у оператора просто нет времени на сброс аварийной защиты, а у «медленных, ленивых» стержней СУЗ нет времени на вхождение в активную зону на ту глубину, на которую стержни всё же вошли. Если проанализировать это обстоятельство детально, то станет ещё раз очевидно, что реактор взорвался от «кнопки», а не от кавитационного срыва подачи (воды) ГЦН.

Ещё один аргумент в пользу «кнопки»

Мне  же представляется рассмотреть процесс развития аварии не на основе визуальной оценки отсутствия топлива в шахте реактора («сталкеры», перед которыми не грех склонить голову и преклонить колени за их мужество и отчаянное безрассудство, топлива в шахте реактора не увидели), а на анализе (тоже визуальном) состояния выброшенного из реактора куска циркониевой трубы ТК вместе с куском тепловыделяющей сборки. (Когда-то Жорж Кювье считал, что по одной косточке миллионнолетней давности можно восстановить полный облик животного – хозяина этой косточки). Постараюсь логически показать, что это возможно, тем более через 20 лет после события, а не через миллион. Тем более это проще, если имеешь дело с созданием рук человеческих, а не с созданием природы, которая куда как изощрённее и изобретательнее – времени на изобретения и совершенствования живого мира у неё было значительно больше, чем у человека с его техникой. Хотя не стоит и забывать, что барон Ж. Кювье, как стало ясно почти через 200 лет после его высказывания, в некоторых представлениях о животном мире Земли и посетивших её катастрофах всё же, видимо, ошибался.

Прежде чем начать рассматривать «косточку», хочу вспомнить ещё три аварийные ситуации на реакторах РБМК, которые могут быть интересны и читателям.

1.   Авария на 1-м блоке ЧАЭС

В сентябре 1982 года  произошел разрыв циркониевой трубы технологического канала (ТК) на 1-м блоке Чернобыльской АЭС при  подъёме мощности реактора. Мощность реактора  в момент разрыва была примерно 25% от номинала. В это время в помещении, где находятся запорно-регулирующие клапаны (ЗРК) каналов реактора, работали два оператора. Причина их присутствия: один канал не имел номинального расхода воды. Операторы должны были повысить расход при работе реактора на мощности (нарушение инструкций и регламента канальных реакторов; операции по регулированию расходов в каналах должны быть закончены до подъёма мощности реактора). Видимо, операторы ошиблись, так как расход в ТК был уменьшен, а не увеличен (злой умысел я исключаю). По расчётам, проведённым на основе анализа аварии, расход в ТК был снижен примерно до 0,4 - 0,5 т/час (вместо номинального около 20-24 т/час). Большая часть тепловыделяющей сборки (ТВС) находилась в режиме закризисной теплоотдачи и теплоотдачи перегретому пару, на выходе из канала температура перегретого пара могла быть до 700 - 800°С (вместо нормальной температуры пароводяной смеси примерно 285°С). Разрыв трубы произошел в верхней части активной зоны на участке графитовых втулок - колец твердого контакта, где максимальна температура трубы ТК (в соответствии с расчётами, которыми пришлось в то время заниматься; примерное время до разрушения трубы при таких температурах составляет соответственно 15–5 сек).

Разрыв трубы был продольным (и поперечным по краям продольного разрыва) с образованием разошедшихся «крыльев», расстояние между краями которых было больше диаметра трубы ТК. Выше и ниже разрыва диаметр трубы был увеличен на 2-4 мм за счёт ползучести циркония при высокой температуре. Осмотр и анализ разрушения позволил сделать вывод о том, что перед разрушением диаметр трубы из-за давления при высокой температуре увеличился, труба вязко-пластически деформировалась до разжатия колец твёрдого контакта и «легла» на графитовый блок, какое-то время «раздувалась» (были видны «затёки», выпуклости в прорези графитовых колец твердого контакта). Видимо, труба разрушилась после того, как лопнул графитовый блок (два графитовых блока), резко был изменён характер закрепления трубы в графитовом блоке. Трещина в блоке инициировала ускоренный (практически мгновенный) локальный рост напряжений в трубе при сравнительно небольшой общей деформации (около 3-5 %) перегретого участка трубы. Края продольного разрыва были несколько утонены, толщина торцов трещины 2-3 мм в какой-то мере соответствовала скорости нагружения и исчерпанию предельной деформации материала трубы. Поперечные разрывы произошли при минимальном утонении толщины трубы. Возможно, перед разрывом возник и свищ в месте затекания трубы в разрез графитового кольца, где локальная деформация могла достичь десятков процентов.

Для циркония при высокой температуре такая деформация возможна: проявляется эффект сверхпластичности, когда удлинение образцов достигает 100 – 200 %  и выше.  При высоких температурах  700-850°С появляется сильная зависимость как  прочности, так  и  пластичности от скорости деформирования.

Реактор не имел аварийной защиты от сигнала повышения давления в межтрубном (реакторном) пространстве, поэтому достаточно длительное время пароводяная смесь обратным током из барабана-сепаратора с температурой около 285°С под большим давлением поступала в графитовую кладку, размывая и разрушая графитовые блоки. В результате рядом с трубой образовалась полость. Перегретая бóльшая часть ТВС, температура оболочек твэлов в которой превышала 600-800°С, была разрушена. Топливо выносилось в барабан-сепаратор (пока труба не разорвалась, то-есть сравнительно короткое время) и графитовую кладку (после разрыва трубы). Нижняя  часть ТВС на экономайзерном участке, достаточно охлаждаемая и не попавшая в режим кризиса теплоотдачи, длиной около метра, осталась практически целой. Именно эта часть ТВС, внешне абсолютно целая, с правильно расположенными дистанционирующими решетками была поднята потоком воды вверх и двойным потоком (снизу из ГЦН  и сверху из сепараторов) аккуратно, чётко вертикально «вставлена» в пространство, вымытое водой в графите. В самой трубе не было обнаружено ни кусочка твэлов, извлечена была только подвеска с верхним стальным концевиком. В первый момент было потрясающе неожиданно вдруг увидеть в разрыве совершенно целую ТВС, стоящую рядом!.. с трубой ТК.

Мощный поток воды вверх возник после того, как операторы раскрыли ЗРК и дали номинальный расход в канал (как мне рассказывал об этой аварии сотрудник станции, только через несколько лет один из операторов сознался, какие манипуляции они проводили с ЗРК).
Исследование трубы ТК в горячей камере, включая изучение структуры образцов металла (в ОИРТе института Курчатова), показало, что температура трубы на участке разрыва составляла 700 - 800°С.

Время подъёма мощности реактора до 20-25% (примерно с 250 до 700 МВт тепловых) составляло около 10 - 15 минут. Сколько времени был перекрыт канал, установить трудно, однако очевидно, что бóльшую часть этого времени труба ТК была уже разрушена, так как потоком пароводяной смеси была «вымыта» большая полость в графите, в которую попал практически  целый фрагмент ТВС длиной почти 1 метр.

2.   Авария на 3-м блоке ЛАЭС
Примерно такой же сценарий аварийного режима реализовался на реакторе РБМК-1000 в марте 1992 года на 3-м блоке Ленинградской АЭС. Мощность ректора была стационарной и номинальной. Как показало расследование аварии и последующий её расчётный анализ, расход воды в канал был частично перекрыт из-за разрушения крепежных элементов седла запорно-регулирующего клапана (ЗРК); расход воды остался, но значительно меньше номинального. Твэлы находились в режиме закризисной теплоотдачи и теплоотдачи  перегретому пару. На выходе канала был перегретый пар до 700 - 750°С. Труба разорвалась продольно и поперечно в верхней части канала на верхнем участке втулок-колец твердого контакта. Разрыв почти аналогичен тому, который произошел на 1-м блоке ЧАЭС.  Часть разрушенных твэлов была вынесена в барабан-сепаратор и в графитовую кладку (большая часть в кладку – после разрыва трубы ТК). Реактор был остановлен аварийной защитой по сигналу повышения давления в реакторном пространстве. Сработала также предупредительная сигнализация по снижению расхода в канале. Оставшаяся целой  нижняя часть тепловыделяющей сборки возросшим потоком теплоносителя (уменьшилось гидравлическое сопротивление канала) была «просунута» и загнута!.. в разрыв трубы и застряла в нём (на этот раз свободного места рядом с трубой явно не хватило, так как не хватило времени на «размыв» графита, хотя очевидно, что даже за такое короткое время часть графита была размыта). (Кстати, по-моему, это единственная серьёзная авария на канальных уран-графитовых реакторах, не связанная с ошибочными действиями персонала или нарушением регламента. Были ещё существенные разрывы напорных трубопроводов на проточных промышленных реакторах в первые годы их эксплуатации, не связанные с нарушением инструкций и регламентов, однако, к счастью, это случалось на остановленных реакторах в период их плановых ремонтов и не имело серьёзных радиационных последствий).

3.   Авария на 1-м блоке ЛАЭС
В декабре 1975 года на 1-м блоке ЛАЭС произошел разрыв циркониевой трубы  в канале, расположенном в юго-восточном квадранте реактора. Труба лопнула в нижней части активной зоны, примерно на высоте одной четверти от низа активной зоны. Трещина была длиной около 0,8 м. Авария произошла при подъёме мощности реактора, которая не превышала 25% от номинала. Локализация трещины была не очень ясной (непонятной), так как этот участок активной зоны не самый напряженный по мощности и температуре теплоносителя, участок подогрева и поверхностного кипения воды. Решили, что причина аварии  в плохом качестве трубы ТК. Канал быстро заменили и вышли на мощность. Правда, следует отметить, что нижняя часть твэлов в ТВС была разрушена до такой степени, что извлечённая из аварийного канала сборка с большим трудом дистанционно была помещена в пенал для хранения ТВС, т. е. явно была перегрета и частично разрушена. Однако эту ситуацию всерьёз не обсудили и не оценили. Торопились.

Выход на мощность сопровождался значительным загрязнением контура продуктами деления топлива и самим топливом и массовым появлением сигналов о разгерметизации твэлов в каналах (сигналы контроля герметичности оболочек твэлов - КГО). Реактор остановили. Стало ясно, что в аварию попал не один канал, а целый локальный район. Пришлось выгрузить около ста негерметичных ТВС, расположенных вокруг аварийного канала, с цветами побежалости на поверхности твэлов. Обнаруживался явный перегрев оболочек твэлов до высоких температур нижних ТВС. Некоторые ТВС с трудом помещались в пеналы для хранения, так как были заметно деформированы.
Последующий анализ положения стержней регулирования, нейтронно-физические и теплотехнические расчёты показали: произошел существенный перекос энерговыделения по высоте и радиусу со смещением максимума энерговыделения вниз активной зоны. Операторы реактора не заметили перекос в распределении энерговыделения. В то время на реакторе отсутствовала система локального регулирования мощности по радиусу реактора.  

Группа каналов оказалась в режиме закризисной теплоотдачи, максимальная расчётная мощность каналов превышала номинальную в 2,5-3 раза, хотя мощность реактора была не более 25% от номинала. Температура оболочек твэлов в соответствии с расчётами могла превышать 700-800°С на участке максимума энерговыделения, где и произошел разрыв трубы. Возник естественный вопрос: почему лопнула от явного перегрева одна труба, а не несколько десятков? Ведь в режим закризисной теплоотдачи попало, видимо, значительное количество каналов? Решение этого вопроса было найдено прочностными расчётами твэла, а в последующем подтверждено опытом эксплуатации экспериментальных сборок РБМК на реакторной петле АИ-ПВЦ (реактор АИ на комбинате «Маяк»). Выяснилась простая вещь: если твэл во время сборки снарядить таблетками топлива небрежно, с нарушением технологии сборки, с крошками топлива, то работа такого твэла может сопровождаться его значительным удлинением при термокачках, так называемым храповиковым эффектом, который вызывает удлинение, существенно превышающее проектное. Такое удлинение до 20 мм  было отмечено на одном твэле из 18-ти в экспериментальной ТВС на петле АИ ПВЦ (удлинение других было в пределах 4-8 мм). Твэл  упёрся в стальной хвостовик кассеты.  Под дополнительным осевым сжатием (напряжением) произошла разгерметизация оболочки.

Что же произошло на первом блоке реактора РБМК? Операторы не сумели в процессе подъёма мощности реактора заметить перекос и не выровняли энерговыделение по объёму активной зоны. Сработал, видимо, и положительный плотностной эффект реактивности в локальном участке активной зоны.

Этот вопрос в то время не обсуждался и не анализировался, хотя следует сказать: реактор проработал около двух лет, ещё не вошел в стационарный режим непрерывных перегрузок, в активной зоне было достаточно много дополнительных поглотителей (ДП), стабилизирующих поле энерговыделения по радиусу реактора. Положительный плотностной эффект реактивности достоверно ещё не обнаруживался, а по расчётам с учётом погрешностей он мог быть как положительным, так и отрицательным. Следует обратить внимание и рассмотреть ещё один фактор, возможно, главный для понимания этой аварии: максимум энерговыделения был в нижней части активной зоны, на этом участке были разгерметизированы твэлы. Этот факт не  укладывается в идею локального роста мощности (или перекоса энерговыделения) вследствие положительного плотностного эффекта реактивности. Если бы этот фактор, как говорится, имел место и был превалирующим, то максимум энерговыделения был бы смещён в верхнюю часть активной зоны, а не в нижнюю, так как там максимальное паросодержание и минимальная плотность теплоносителя.

Анализ состояния активной зоны показывал, что в нижней части активной зоны меньшее  количество поглощающих стержней регулирования,  большее количество топлива и  меньшее количество продуктов деления, особенно ксенона. Кстати, в первые годы работы реактора в переходных режимах при выходе на мощность, близкую к номинальной, чётко фиксировалась ксеноновая неустойчивость поля энерговыделения по высоте активной зоны, которое с периодом 23-25 часов перекашивалось сверху вниз и обратно. Укороченные стержни регулирования, которые вводятся в активную зону снизу (УСП – укороченные стержни - поглотители) для оптимизации высотного распределения энерговыделения в активной зоне, в то время ещё не использовались.

В сложившейся ситуации  около сотни каналов попали в режим кризиса теплоотдачи. В максимуме оболочки твэлов были перегреты до 700-800°С. Твэлы нижней кассеты удлинились за счёт роста температуры, но не выбрали весь конструкторский зазор между верхней и нижней кассетой (около 20 мм в холодном состоянии). Только один твэл, расположенный в наружном ряду кассеты, уже в процессе предыдущей работы и термокачек был удлинён почти до 20 мм (видимо, небрежно был изготовлен в понедельник). Перегрев оболочек вызвал дополнительное удлинение. Торец этого нижнего твэла упёрся в торец верхнего. Возникли напряжения сжатия, что привело к потере устойчивости, изгибу части нагретого до 700-800°С нижнего твэла и прижатию его к циркониевой трубе. Вполне вероятно, что сравнительно слабые стальные дистанционирующие решетки при таком повышении температуры не препятствовали изгибу твэла. Об этом же свидетельствуют усложнённые условия загрузки ТВС в пенал после её извлечения из реактора. Локальный продольный нагрев циркониевой трубы (по расчётной оценке) до 600-700°С вызвал ползучесть циркония, что и стало причиной  появления продольной трещины.

Какой же вывод из анализа этой аварии можно сделать, рассматривая аварию на 4-м блоке ЧАЭС? Локальный  перекос энерговыделения по объёму активной зоны возможен. Особенно в условиях нестабильной работы реактора 4-го блока ЧАЭС на малой мощности с температурой воды, близкой к насыщению, с присущим ему в то время положительным паровым эффектом реактивности, а также  с минимальным количеством ДП (дополнительные поглотители) в активной зоне и с практически полностью извлеченными стержнями СУЗ (включая УСП).  Возможно и влияние ксеноновой нестабильности поля энерговыделения по высоте активной зоны, что обусловлено переходными режимами изменения мощности в последние часы работы реактора.

Перекос был тем более вероятен, так как в это время были отключены локальные регуляторы мощности.  Вероятен также выход какого-либо района каналов плато в режим закризисной теплоотдачи с перегревом твэлов в локальной части активной зоны. Однако, на мой взгляд, нет никаких оснований ожидать и предполагать возможность массового разрыва труб ТК в этом режиме с последующим развитием аварии вплоть до взрыва реактора. Разрыв трубы на 1-м блоке ЛАЭС – это единичная, хоть и закономерная, случайность. Ведь расход в каналах  4-го блока ЧАЭС был близок к номинальному и даже превышал его, а усреднённая мощность реактора была сравнительно небольшой. Не были зафиксированы и сигналы КГО. Поэтому нет оснований ожидать в этих условия и наличия перегретого до 700-800°С пара в каналах, из-за которого мог бы произойти массовый разрыв труб ТК.  (В отличие от тех аварийных ситуаций, рассмотренных в предыдущих двух параграфах об авариях на РБМК).

Такие предположения о массовом разрыве труб ТК при перекосе энерговыделения продолжают  высказываться. Предполагается, что сложившиеся условия на 4-м блоке ЧАЭС похожи на те  условия, которые возникли на 1-м блоке ЛАЭС с перекосом энерговыделения и выходом группы каналов в режим закризисной теплоотдачи с перегретым паром.  И  взрыв 4-го блока – последствие локального перекоса энерговыделения, обусловленного положительным плотностным эффектом реактивности, разрывом нескольких труб каналов, а не нажатие кнопки АЗ. Думаю, что в такой ситуации максимум энерговыделения как был (по расчётам), так  и остался бы в верхней части активной зоны, а  времени на сброс стержней АЗ у оператора уже не было бы. Поведение расхода ГЦН в такой ситуации было бы совершенно другим, а не тем, которое зафиксировано на лентах самописцев осциллографов.  (Не было бы падения расхода всех ГЦН практически до нуля с последующим общим ростом сверх номинала через несколько секунд. Реактор-то разделён практически на две половины по питанию водой, поэтому насосы каждой половины реактора реагировали бы на происходящее по разному, в соответствии с состоянием энергораспределения «своей» половины активной зоны).

Общее падение расхода всех ГЦН до нуля на 4-м блоке свидетельствует о катастрофическом росте мощности всей активной зоны, а последующий рост расхода свидетельствует о массовом разрыве труб ТК вследствие их перегрева также практически по всей активной зоне (в основном в пределах плато активной зоны). Такой режим развития аварии возможен только после сброса всех стержней АЗ с верхнего их положения и роста мощности на мгновенных нейтронах.

Следует также отметить при анализе рассматриваемого сценария развития аварии вследствие локального перекоса энерговыделения, что не было зафиксировано снижение расхода в группе каналов, которые инициировали, по предположению, начало аварии. А такое снижение расхода должно было бы быть зафиксировано, что обусловлено предполагаемым локальным существенным ростом мощности каналов и ростом гидравлического сопротивления вследствие роста паросодержания. Не были зафиксированы и сигналы активности теплоносителя по КГО.

Следует также напомнить, что на ЧАЭС не единожды поднимали мощности реакторов после кратковременных остановок с минимальным количеством стержней СУЗ в активной зоне (менее 15 стержней).  Это было требование подъёма мощности диспетчером даже ценой нарушения положений регламента. Такие  нарушения регламента проходили без заметных последствий, так как не было отмечено существенных локальных перекосов энерговыделения и ни разу не срабатывала аварийная защита в момент отсутствия допустимого запаса реактивности. Значит, не настолько был неустойчив режим работы на малой мощности с температурой воды на входе, близкой к насыщению, чтобы его не заметить. Поэтому и шли операторы реактора на нарушение регламента по запасу реактивности, потому что считали, видимо, требования регламента не совсем обоснованными. Ситуация похожа на сидение на пороховой бочке с факелом в руке. Если бы в таком режиме подъёма мощности сработала аварийная защита по любому сигналу, реактор был бы взорван и  без эксперимента с выбегом турбогенератора.

Анализ и обсуждение аварийных ситуаций

В этом анализе аварийных ситуаций нас в большой мере должен  интересовать такой очевидный факт: твэлы разрушаются от перегрева на фрагменты и выносятся в барабан-сепаратор и, в основном, в графитовую кладку. Довольно быстро размывается и графит перегретым паром в ближайшей к разрыву зоне и превращается, вероятно, в мелкодисперсную «пыль». Разрушается при перегреве и циркониевая подвеска тепловыделяющих кассет. Оставшаяся более-менее целая часть ТВС потоком воды или пароводяной смеси может быть перемещена в разрыв трубы или другую часть технологического канала. Бóльшая часть разрушенных твэлов остаётся в графитовой кладке.

Теперь посмотрим на «косточку» из 4-го блока ЧАЭС внимательным взглядом. Фрагмент циркониевой трубы ТК длиной примерно 1 метр, заполненный полуразрушенными твэлами, подобран на крыше около реактора. Труба – с трещинами и деформирована. Один торец трубы – разрыв в пределах нижнего стального переходника с уменьшенным диаметром по сравнению с диаметром циркониевой трубы (разрыв по стальному  переходнику  ниже активной зоны, т. е. фрагмент трубы соответствует нижней части активной зоны и нижнего отражателя). С этого торца видны концы разрушенных твэлов с таблетками топлива, втиснутые в уменьшенный диаметр стального переходника. Другой торец – хрупкий разрыв по цирконию, труба деформирована, полуразрушенные твэлы в глубине трубы. Найдена маркировка трубы – канал 25-17, это край плато активной зоны юго-западного квадранта. Мощности каналов в этом месте активной зоны практически максимальны. (Исследования куска трубы с твэлами проводились в Курчатовском институте в ОИРТе, вся документация и материалы исследования у к. т. н. А. В. Рязанцевой). Поперечные разрезы трубы показали, что внутри находятся полуразрушенные твэлы, циркониевые оболочки сплавлены, охрупчены и окислены от перегрева, таблетки (топливо) высыпаются. Внимание привлекают концы твэлов, застрявшие в переходнике – это явно не концы нижней тепловыделяющей кассеты. [Тепловыдаляющая сборка (ТВС) состоит из двух тепловыделяющих кассет длиной примерно 3,5 м (ТВК), на концах которых сверху и снизу ТВС находятся крепёжные детали – массивные стальные хвостовики, в которых крепятся твэлы, а вся ТВС крепится на циркониевой подвеске, которая выше активной зоны переходит в стальную подвеску. Между твэлами верхней и нижней кассеты оставлен зазор около 20 мм для компенсации температурных удлинений и удлинений, обусловленных термокачками.]. Так вот, если бы в трубе находились нижние твэлы, то в переходнике застрял бы нижний хвостовик. Его нет. Вывод: нижняя кассета вместе с хвостовиком и нижняя часть верхней кассеты после разгона реактора на мгновенных нейтронах, перегрева и разрушения твэлов и разрушения труб каналов водой и паром была выброшена в графитовую кладку.

(В момент разгона мощности на участке максимальных нагрузок в активной зоне осевое поле энерговыделения в пределах 4-5-ти нижних метров примерно косинусоидальное, в верхних двух-трёх метрах активной зоны тепловые нагрузки существенно меньше или практически отсутствуют, так как успели войти поглощающие нейтроны стержни СУЗ, которые, скорее всего, были все заклинены в момент роста давления в межтрубном пространстве и смятия и искривления труб ТК СУЗ).

В этот момент разгона резко поднялся перепад давления в каналах реактора, расход на всех ГЦН снизился практически до нуля (по лентам самописцев), обратные клапаны закрылись. Примерно через 2-3 сек расход ГЦН стал восстанавливаться (после массового разрыва труб ТК и заполнения графитовой кладки водой, паром и разрушенными твэлами и падением мощности реактора) и возрос выше номинального через 2–3 сек (дальше записи обрываются). Именно в эти секунды вода из ГЦН, которые продолжали вращаться, выносит остатки нижних твэлов вместе с хвостовиком в разрывы труб ТК в графитовую кладку реактора. Через  несколько долей секунд  (или секунд) происходит срыв подачи насосов (кавитационный срыв вследствие падения давления на ГЦН из-за разрыва труб ТК). Мощный поток теплоносителя остаётся только сверху из барабанов-сепараторов (там бóльший и основной запас воды и ещё поддерживается высокое давление). Именно он отрывает и «вгоняет» часть не разрушенной полностью верхней кассеты в нижний стальной переходник канала (оболочки твэлов охрупчены и вполне вероятен их обрыв потоком пароводяной смеси из барабанов-сепараторов; твэлы с двух сторон в выброшенной трубе не имеют концевых заглушек, то есть они оторваны из середины кассеты).  Таким образом, основной поток теплоносителя (уже без диспергированного топлива твэлов, оно выброшено в кладку) направлен не только в кладку, но и вниз по направляющему каналу – ещё целой нижней части трубы ТК, под реактор, где давление ещё понижено. В этот момент времени вероятен осевой обрыв трубы канала в месте переходника и на метр выше переходника вследствие подъёма схемы Е, проседание схемы ОР и смятия креста схемы С. Подъём вверх схемы Е и «проседание» вниз схемы ОР сопровождается обрывом кожуха, обрывом труб каналов и труб охлаждения отражателя. Часть труб ТК вместе с графитовыми блоками, в основном центральных и близких к периферии каналов, зависает над опустившейся схемой ОР (графитовые блоки могли зависнуть  на «раздувшихся» трубах). Графитовые блоки отражателя, в которых отсутствуют трубы, опускаются вместе со схемой ОР.

Рассмотренный сценарий развития разрушения активной зоны позволяет понять, почему кусок кассеты из середины активной зоны  втиснут в стальной переходник трубы ТК, а не выброшен в кладку.

Только после разрушения труб каналов и роста давления в активной зоне и реакторном пространстве  возникли условия для разрушения самого реактора: за счёт повышения давления в пределах кожуха (за счёт заполнения графитовой кладки с температурой 300-400°С пароводяной смесью и раскалённым разрушенным топливом) происходит его разрыв; затем повышается давление в герметичном реакторном пространстве и деформация («раздувание») металлоконструкций реактора (осмотр показал, что деформированы заполненные водой баки биологической защиты, схема Л); под давлением проседает крест схемы С, рвутся компенсаторы верхней и нижней биологических защит –схемы Е и ОР, опускается схема ОР (нижняя биологическая защита, несущая активную зону; крест схемы С не выдерживает ударной нагрузки), поднимается и отрывается с некоторым смещением в сторону схема Е (верхняя биологическая защита), которая сминает и обрывает трубы пароводяных коммуникаций и каналов СУЗ. В момент «проседания» схемы С вместе со схемой ОР и в момент подъёма и сдвига схемы Е происходит выброс раскалённой пароводяной и топливо-графитовой  смеси в открывшуюся «дыру» при сдвиге схемы Е, а вместе с ней выброс кусков  кожуха и графитовых блоков отражателя и периферийных графитовых блоков активной зоны вместе с остатками нижних участков циркониевых труб ТК и твэлов в них, последующее разрушение и обрушение конструкций центрального зала, падение многотонной перегрузочной машины (РЗМ) и мостового крана.

Вероятнее всего процесс разрушения и разгерметизации реакторного пространства проходил одновременно (двойной удар), но с неравномерным давлением в нём, иначе произошло бы что-то одно, так как следствием разрыва только верхнего или нижнего компенсаторов с подъёмом только схемы Е или опусканием только схемы ОР  должно было бы быть падение давления в реакторном пространстве и торможение разрыва одного из них.

Вследствие «проседания» схемы ОР и подъёма схемы Е, разрыва компенсаторов (в этот момент происходил также отрыв труб охлаждения отражателя и части труб рабочих каналов) и разгерметизации нижней части реакторного пространства произошел выброс раскалённой  смеси  вместе с частью фрагментов разрушенного топлива и «размытого» паром графита в помещения нижних коммуникаций реактора, что привело к их разрушению, а в дальнейшем – к разрушению  стен помещений главных циркуляционных насосов, барабанов–сепараторов и других помещений реактора.

В результате парового «взрыва» герметичного реакторного пространства, его разгерметизации и последующего выброса пароводяной и топливо-графитовой смеси вместе с частью состава активной зоны за пределы шахты и центрального зала реактора было выброшено (по оценке специалистов – исследователей  аварии 4-го блока) около 5% топлива. Целых и «размытых» графитовых блоков, в большей мере отражателя, так как в них отсутствуют  стабилизирующие их  трубы, выброшено было больше; ими были буквально завалены соседние крыши станции. Большая часть топлива и графита, особенно зоны малых тепловых нагрузок периферии и верхней части активной зоны, куда вошли поглощающие стержни СУЗ, осталась в шахте реактора на схеме ОР.

Последующий разогрев графита остаточным энерговыделением в топливе привёл к возгоранию графита и его полному выгоранию. Для горения графита возникли благоприятные условия: воздух поступал через разрушенные помещения нижних коммуникаций и отверстия под каналы в схеме ОР, по периферии схемы ОР и по периферии шахты реактора (схемы Л), а раскалённые газы и высокоактивные продукты деления (газообразные, испаряемые и легколетучие) выходили в разрыв и проходы между схемой  Е и баками тепловой водяной защиты (схемы Л) и поднимались на сотни метров над развалом реактора в течение 8-10 суток, пока горел графит. Возможно, часть баков схемы Л оставалась заполненной водой. Вдоль этих баков сверху вниз опускался холодный воздух, поверхность таких баков оставалась сравнительно холодной, несмотря на горение графита.

После сгорания графита и остатков труб ТК схема Е перевернулась под тяжестью конструкций и фрагментов стен центрального зала, песка и прочих сброшенных с вертолёта материалов, а также выброшенных в момент взрыва в центральный зал графитовых блоков и фрагментов труб ТК и твэлов (именно тех фрагментов, которые находились на схеме Е). Конечно, выброшенные фрагменты активной зоны в первой фазе аварии  и находившиеся на схеме Е до момента её переворота не могли  испытать длительный режим высоких температур, когда упали на схему ОР, так как горение графита к этому времени практически закончилось. На схеме ОР в настоящее время вместе с разрушенными металлоконструкциями центрального зала, как мне представляется, должны «покоиться» остатки циркониевых и стальных участков труб периферийных ТК, вывернутых вверх потоком перегретого пара и с которых этим потоком были сорваны графитовые блоки. После переворота схемы Е они также не должны были сгореть. Там же должны находиться практически все стальные блоки тепловой защиты, которые располагались под и над графитовыми колоннами, и стальные трубы каналов охлаждения отражателя. (Каналы охлаждения отражателя в момент  резкого подъёма мощности не должны быть разрушены, так как они без топлива. Они были оборваны в момент подъёма схемы Е и смятия схемы С с опусканием схемы ОР). Там же должны находиться практически все стальные части подвесок ТВС с защитными пробками ТК (возможно, внутри схемы Е). В общем, на схеме ОР должно находиться столько разрушенных конструкций, несгораемых, несгоревших и нерасплавленных остатков активной зоны реактора, что обнаружить топливо визуально весьма проблематично, особенно если учесть значительную часть топлива, которое «утекло» вместе с расплавленным песком и другими сброшенными с вертолёта материалами. Часть из них всё же попала в шахту реактора и превратилась в лавообразные топливосодержащие массы (например, в «слоновую ногу» – застывший столб лавы, или застывшую струю расплава в парораспределительном коллекторе). Без длительных высоких температур лавообразные растёкшиеся массы, объёмы которых значительны, вряд ли могли бы образоваться!
Так что, по моему, «косточка» свидетельствует о последовательности развития аварии, близкой  изложенной выше.

При компактном подъёме вверх всей активной зоны и последующем  взрыве активной зоны вне шахты реактора стальной хвостовик ТВС должен был бы находиться в «косточке» – в выброшенном куске трубы с твэлами. Отсутствовали бы и лавообразные топливосодержащие массы, возникновение которых, безусловно, связано с длительным тепловым воздействием, а не с взрывом. Не было бы и длительного выброса активных раскалённых газов на большую высоту.

Заключение

Уверен,  мало оснований говорить о том, что большая часть топлива 4-го блока реактора РБМК-1000 выброшена за пределы реактора в результате мифического взрыва и испарения активной зоны вне шахты реактора на высоте 15-30 метров от пола центрального зала. Тут впору вспомнить скорее другого барона с его занимательными историями.

Идея (гипотеза) взрыва активной зоны вне шахты реактора 4-го блока ЧАЭС опубликована в журнале «Атомная энергия», том 100, вып. 4, апрель 2006 г.[3] и в недавней книге НИКИЭТ [4]. Фантастическая гипотеза без достаточного расчётного нейтронно-физического и теплофизического обоснования перекочевала в серьёзную и полезную книгу о реакторах РБМК и выдаётся за истину.
Если ещё с большой натяжкой можно говорить о вероятности компактного «выпрыгивания» всей активной зоны из шахты реактора вместе с верхней защитой (схемой «Е») в результате локального роста давления вблизи схемы ОР у «подошвы» активной зоны и за счёт струй воды из барабанов-сепараторов (ружейный пыж; в нашем случае это не пассивный «пыж», а «активный», внутри которого шли теплогидравлические процессы почти  взрывного ненаправленного характера с изменением геометрии всей активной зоны), то у авторов гипотезы  нет никаких веских нейтронно-физических (реактивностных) и даже логических (на уровне рассуждений) аргументов о возможности дополнительного мгновенного роста реактивности и тепловой мощности в этой «выпрыгнувшей» активной зоне, ставших причиной взрыва, испарения  и превращения в раскалённую «пыль» всей активной зоны вне шахты реактора  на высоте 15-30 м  от пола центрального зала (тут впору говорить о ядерном взрыве). Ведь значительной части разрушенного топлива, скорее всего, в каналах при подъёме активной зоны уже не останется, так как за счёт этого топлива будет сам подъём: оно будет вынесено вниз через оборванные нижние подводящие трубы каналов (НВК), в процессе самого подъёма, причём основная часть не разрушенного топлива будет находиться в верхней части графитовой кладки. Стержни СУЗ будут заклинены внутри активной зоны из-за смятия труб каналов СУЗ в момент роста давления в межтрубном пространстве активной зоны и не могут «вывалиться» из «вылетевшей» активной зоны. (Стержни СУЗ «все враз» остановились через несколько секунд после их сброса, что можно объяснить только их заклиниванием из-за смятия труб, которые в момент роста мощности могли дополнительно нагреться и потерять устойчивость вследствие роста давления, а также из-за искривления графитовых колонн вследствие заполнения кладки смесью пара и топлива).  Поэтому нет оснований ожидать дополнительного роста реактивности в поднятой на 30 метров всей активной зоне со стержнями СУЗ с последующим, практически ядерным, взрывом  и диспергированием всей активной зоны.

Ещё два соображения. 1. При подъёме схемы Е должны быть оборваны трубы пароводяных коммуникаций (ПВК). После обрыва ПВК прекратится подача теплоносителя (пароводяной смеси) в рабочие каналы. Иссякнет и подъёмная сила, которая могла бы выбросить активную зону из шахты реактора. 2. Представим, что «Елена» была выброшена вместе с компактно выброшенной активной зоной. Активная зона взорвалась под «Еленой», почти вся испарилась, а «Елена» ребром опустилась вертикально вниз в шахту реактора. Невероятность такого развития взрыва, на мой взгляд, очевидна, так как очевидна неравномерность давления под схемой Е.. Если бы взрыв под схемой «Е» случился на самом деле, то взрывная волна отбросила бы «Елену» в сторону, а не в шахту. И валялась бы «Елена» где-нибудь в углу центрального зала, а не в шахте реактора.

Появление публикаций о взрыве активной зоны 4-го блока ЧАЭС вне шахты реактора напоминает библейскую легенду о Моисее, который водил евреев по пустыне 40 лет, чтобы избавить их от духа (синдрома) египетского рабства (чтобы умерли все свидетели и носители рабства), чтобы возникла из разрозненных племён единая, сплочённая и жизнеспособная нация. Так и в нашем трагическом, но локальном случае: видимо, единое мнение о причинах и развитии аварии на ЧАЭС появится ещё только через 20 лет, когда уйдут в мир иной участники тех событий, свидетели, «ликвидаторы» и «организаторы» чернобыльской катастрофы.  Хотя…Поиски истины продолжаются.  Энтузиасты уже сто лет спорят о природе Тунгусского метеорита (болида, ледяной кометы и пр.). Уж очень хочется найти следы пришельцев.

На самом деле, «у нас есть историки, но нет истории» – фантастическая гипотеза-то в серьёзной книге по РБМК [4] может остаться в головах нескольких поколений, прочитавших книгу.

Источники
1. М. Н. Бабайцев, Е. В. Бурлаков, А. В. Краюшкин.  Анализ аварии на 4-м энергоблоке Чернобыльской АЭС. Препринт РНЦ «КИ», ИАЭ-6416/4, Москва, 2006 г.
2. П. А. Платонов. О процессе разрушения активной зоны реактора IV блока ЧАЭС (Ретроспективный анализ экспериментов и фактов).  Препринт РНЦ «КИ», ИАЭ-6486/11, Москва, 2006 г. (Препринт посвящён памяти Ф. Ф. Жердева, изучавшего распределение радионуклидов во фрагментах  графитовых блоков, выброшенных из реактора).
3. Черкашов Ю.М., Новосельский О.Ю., Чечеров К. П.  Исследование развития процессов при аварии на чернобыльской АЭС в 1986 г.
4. Канальный ядерный энергетический реактор РБМК.  Москва, ГУП НИКИЭТ, 2006 г.
 

 
Связанные ссылки
· Больше про Безопасность и чрезвычайные ситуации
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Безопасность и чрезвычайные ситуации:
О предупреждении аварий на сложном объекте

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 5
Ответов: 4


Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 1 Комментарий | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Версия: развитие аварии вследствие кавитации ГЦН (Всего: 0)
от Гость на 08/05/2011
Цитата ---"Интересна ещё одна деталь, на которую стоит обратить внимание. Например, в соответствии с расчётами, в случае аварийного разрыва напорного водовода и падения давления в активной зоне канального реактора «обезвоживание» активной зоны происходит за 2-3 секунды."  --конец цитаты
Интересно увидеть эти расчеты. Видимо автор не совсем понимает конструкцию КМПЦ  в случае разрыва НК. БС при разрыве НК будет поддерживать наличие воды в ТК гораздо дольше чем 2-3с, обратным током.И в этом случае плевать на кавитацию всех ГЦН. И в этом случае парообразование в АЗ резко сместиться вверх АЗ и там альфафи будет на максимуме.  в Чернобыле высота была внизу. Смотрите графики и распечатки призмы. они всем доступны теперь.


[ Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.05 секунды
Рейтинг@Mail.ru