1.1.3. Запасенная неядерная энергия
Факторы опасности, связанные с запасенной неядерной энергией, можно считать сопутствующими (необязательными) для ядерной энергетики. Они возникают в связи со способами превращения произведенного в реакторе тепла в полезную работу.
Энергия давления реакторной среды. Если ЯЭУ производит электроэнергию в паросиловом цикле, то повышение давления (а следовательно, температуры) пара – радикальное средство повышения КПД установки. Однако это может вызвать разрыв конструкции, удерживающей давление, из-за развития дефектов в материале. Таким образом, повышенное давление теплоносителя – прямой источник аварийного процесса.
Борьба с этим фактором опасности может идти по двум направлениям:
- использование не менее двух контуров охлаждения и применение в первом контуре теплоносителей с высокой температурой кипения, а значит не требующих создания больших давлений в контуре;
- использование безмашинных (прямых) способов производства электроэнергии.
Химическая энергия. В ряде случаев для повышения экономичности ЯЭУ разработчикам приходится использовать материалы, которые в контакте между собой или с окружающим воздухом при определенных условиях могут вступать в экзотермические (с выделением энергии) химические реакции. Приведем несколько примеров.
В
реакторах типа ВВЭР и РБМК в качестве
конструкционного материала широко
используется циркалой (Zr+1
3%
Nb).
Этот материал хорош для реакторов на
тепловых нейтронах во всех отношениях,
кроме одного
– переход
температурного "порога" в ~ 400°С
становится губительным для твэлов из-за
бурного взаимодействия Zr
с водой. Использование графита в
водографитовых реакторах (ВГР) типа
РБМК в качестве замедлителя требует
поддержания нейтральной атмосферы в
кладке, т.к. попадание в нее кислорода
при высокой температуре
(~ 700°С) вызовет горение графита.
В действующих реакторах на быстрых нейтронах (БН) теплоносителем первых двух контуров является натрий, бурно взаимодействующий с водой, если происходит нарушение разделительных поверхностей в парогенераторе.
Потенциальная опасность подобных химических реакций высока еще и потому, что в них могут быть вовлечены большие массы теплоносителя, замедлителя или конструкционных материалов. Оценки показывают, что при взаимодействии циркония с водой может выделиться суммарная энергия ~ 1011 Дж, горение графита выделит ~2·1013 Дж, а взаимодействие Na с водой выделит ~1.5·1013 Дж энергии.
Резюме. Таким образом, при оценке потенциальных опасностей ядерной энергетики и принятии мер по обеспечению безопасности, необходимо считаться со специфическими для этой отрасли опасностями (запас реактивности, р/а продукты, остаточное энерговыделение), а также с опасностями экзотермических химических реакций, а также запасенных потенциальных энергий сосудов под давлением и кинетических энергий движущихся частей.
1.2. Возможные способы проявления опасностей
В ядерных реакторах для безопасной их работы должны контролироваться и соблюдаться два типа балансов:
- баланс между рождением и исчезновением нейтронов;
- баланс между производством и уносом тепла.
За счет эффектов обратных связей по реактивности эти два типа балансов могут взаимно влиять друг на друга, как в нормальных, так и в аварийных режимах. В зависимости от того, нарушение какого из балансов явилось первопричиной, аварии подразделяются на два вида:
1) реактивностная (непредусмотренный рост мощности за счет нарушения нейтронного баланса);
2) тепловая (с нарушением теплоотвода от твэлов).
Известны две крупные катастрофы в ядерной энергетике, являющиеся классическими примерами аварий обоих названных видов: на Tree Mail Island (TMI) в США – авария с нарушением теплоотвода от твэлов, на IV блоке Чернобыльской АЭС – реактивностная авария.
Следует рассмотреть течение этих двух аварий. Это даст возможность увидеть, что, как правило (в 70% случаев), аварии происходят или по вине человека, или из-за технических отказов, но сопровождающихся ошибками человека. Поскольку хронологическое течение обеих аварий описано достаточно подробно во многих руководствах, основное внимание здесь будет уделяться инженерно-физическим особенностям причин и следствий отказов и ошибок проектировщиков и персонала.