www.fan-bieber.com
Физический пуск реактора Приборы контроля и ключи управления тренажером БН Атомные электростанции Авария на Чернобыльской АЭС безопасность реакторной установки энергоблока АЭС с РБМК

Отравление реактора ксеноном-135, его влияние на динамику аварийного процесса

  За сутки до аварии на 4-ом блоке ЧАЭС начали готовиться к плановому останову: в 01.00 25 апреля начато снижение мощности реактора. Одновременно с разгрузкой пошел процесс погружения в "йодную яму". Около 13.00 с остановкой ТГ-7 мощность стабилизирована на 50% номинальной. Максимум "йодной ямы" пройден в районе 16-ти часов, и к 23 часам продолжалось разотравление реактора с низким темпом высвобождения реактивности. В 23 часа продолжено снижение мощности до уровня,  заданного программой испытаний, однако из-за разбаланса в измерительной схеме  АР произошел провал мощности до 30 МВт тепловых ( менее 1% от номинала). Только к 01.00 26 апреля удалось стабилизировать мощность на уровне 200 МВт тепловых  (около 7% от номинала). Поэтому с 23.00 реактор вновь находился в состоянии погружения в "йодную яму" с быстрым темпом потери реактивности. Для компенсации потерь реактивности вследствие нарастания отравления и удержания реактора под контролем операторы использовали почти весь запас реактивности: как уже выше отмечалось, ОЗР составил всего 6¸8 стержней СУЗ. В противном случае, реактор перешел бы в состояние "вынужденной стоянки", и испытания пришлось отложить. В 01.23 испытания начались...

 Одной из особенностей описанного состояния реактора было не совсем обычное высотное распределение энерговыделения в ТВС. Его форма [8, 9, 10] отображена на рис.2. Это двугорбая кривая с впадиной в центре и выпуклостями на периферии. Вместе с тем, любому эксплуатационнику более привычной и понятной была бы кривая высотного распределения с максимумом (или "плато") в центре и спадом на периферии. Однако, здесь все верно: центральные, наиболее нагруженные участки активной зоны характеризуются и наибольшим количеством накопленного ксенона-135, тем более, что в условиях погружения реактора в "йодную яму" концентрация ксенона все еще продолжала увеличиваться. И наоборот, в периферийных участках ТВС накопление ксенона относительно невелико. Все это приводит к тому, что центральные части ТВС оказываются как бы "заперты" отрицательной реактивностью, внесенной накопившимся ксеноном, а периферия, получившая "небольшую дозу отравы", в этой ситуации вынуждена работать, что называется, в полную силу. Специфика такого распределения сказалась и на характере развития аварийного процесса. С нажатием кнопки АЗ-5 и началом движения стержней СУЗ локальный максимум нейтронного поля в районе верхнего "горба" в течение 2¸3 секунд был благополучно подавлен поглощающими частями стержней. Однако, локальный максимум в районе нижнего "горба" вырос многократно, благодаря наилучшим в данный момент размножающим свойствам этой части активной зоны и наложением на них эффекта обезвоживания, спровоцированного вытеснителями большинства стержней СУЗ. Расчетное изменение высотного распределения энерговыделения во времени, представленное на рис.3 [8, 9], отражает эту специфику поведения реактора РБМК.

 Не меньший интерес представляет также радиальное распределение энерговыделения в первые секунды  развития аварийного процесса. И в этом случае сказалось влияние накопления ксенона-135.  В стационарном режиме работы распределение плотности потока нейтронов и энерговыделения  по радиусу активной зоны, без учета периодических радиально-азимутальных перекосов, в основном соответствует зависимости, изображенной на рис.4 [2, с.32]. Здесь четко прослеживается участок с уплощенным (выровненным) энерговыделением - зона "плато", занимающий около двух третей всей площади активной зоны, а также участок с довольно  резким снижением энерговыделения - это, так называемые, 1-ая и 2-ая периферийные области. По аналогии с высотным распределением можно утверждать, что наибольшие концентрации йода и ксенона-135 создаются в процессе работы реактора именно в ТВС зоны "плато" и существенно более низкие - в ТВС периферийной зоны. С учетом этого и следует подходить к анализу вероятности разрушения ТВС в различных участках.

 Как и во всех случаях в природе аварийный процесс развивался "в сторону наименьшего сопротивления". Этим "сопротивлением",  в данном случае, послужил ксенон-135, накопившийся в большем количестве в ТВС центральной зоны. И здесь проявился уже обсуждавшийся выше эффект своеобразного "запирания" (блокирования) части ТВС от внешнего возмущения по реактивности.

  Периферийные ТВС, отличавшиеся пониженной концентрацией накопленного ксенона,  оказались более восприимчивыми к положительной реактивности, высвободившейся вследствие  обезвоживания нижней части каналов стерней СУЗ. Поэтому, в результате срабатывания аварийной защиты наибольший всплеск мощности произошел именно в периферийных ТК,  а не в центральной части активной зоны. По данным численного эксперимента [10] на основе трехмерной модели реакторной установки РБМК с распределенными параметрами  в рассматриваемой ситуации разрушение первых 40 ТВС зафиксировано в периферийной области. На рис.5 [10] изображено расчетное распределение температуры по высоте 2-х неблагополучных ТК (ячейки 43-16 и 17-34). За момент разрушения ТВС принят  момент превышения топливом критической температуры - 3000°К. Это температура, при которой по опытным данным практически не может не расплавиться ядерное топливо, не разрушиться тепловыделяющие элементы ТВС. Распределение температуры, безусловно, с некоторым запаздыванием  отражает динамику поля энерговыделения. Интерес представляет тот факт, что максимум температуры достигнут на высоте 0.75 м от низа активной зоны и соответствует представлениям, изложенным выше.

 В завершение разговора о ксеноне приведем несколько необычный взгляд на роль последнего в чернобыльской аварии. Так, в [11] упомянута версия группы французских специалистов, проводивших независимый анализ аварии, в соответствии  с которой лавинообразное высвобождение реактивности и взрывной характер нарастания мощности обусловлены чрезвычайно быстрым разотравлением реактора вследствие расстрела (вы-жигания) ксенона во время нейтронной "вспышки", последовавшей за  опусканием в активную зону большого числа стержней СУЗ. Для проверки этого предположения автором на модели с исходными данными отравления реактора РБМК-1000 сделана оценка темпа нарастания реактивности при мгновенном скачке плотности потока нейтронов.  При скачкообразном росте потока нейтронов в 100¸150  раз скорость разотравления находилась в пределах 0.1¸0.2 bЭФ в минуту, что явно не позволяет считать ксенон лидирующим фактором в инициировании и развитии  этой аварии.

Некоторые особенности теплогидравлических свойств РУ с РБМК и их влияние на развитие событий

 В "Информации" [1] отмечено, что одним из серьезных нарушений регламента эксплуатации персоналом 4-го энергоблока ЧАЭС было включение в работу перед началом эксперимента еще одного ГЦН с каждой стороны. Таким образом, общее количество работающих ГЦН достигло восьми. В результате этой операции расход теплоносителя в КМПЦ возрос до (56¸58) тыс. м3 /час, в то время как номинальное значение расхода в соответствии с [15] составляет 48 тыс. м3 /час. Безусловно, что цель при этом преследовалась благая: при питании 4-х ГЦН от выбегающего турбогенератора предотвратить, с остановкой последних, снижение расхода через активную зону реактора до недопустимых значений. Однако, в том и состоят особенности теплогидравлических свойств реакторной установки данного типа, что с переводом РУ в подобное состояние предрасположенность ее к развитию аварийной ситуации увеличивается... Следствием  этой предрасположенности могут явиться, по крайней мере, два важных фактора.

  Во-первых, на таком малом уровне мощности реактора и соответствующем ему расходе питательной воды это означает, что на вход технологических каналов стал поступать теплоноситель с температурой, практически равной температуре насыщения: подавляющая  часть теплоносителя - это насыщенная вода из барабан-сепаратора, и лишь около одного процента - добавочная питательная вода от питательных насосов. По различным оценкам величина недогрева составила 1¸2 градуса при номинальном значении около 12°С. Казалось бы, повышение температуры воды на входе в реактор должно привести к ухудшению теплоотвода от ТВС, вскипанию воды в ТК, однако преобладающее влияние увеличения расхода повлекло к повышению интенсивности теплообмена и снижению парообразования в активной зоне. Понижение паросодержания в ТК, в свою очередь, способствовало дальнейшему снижению гидравлического  сопротивления технологических каналов и еще немного повысило суммарный расход в КМПЦ.

 Инструкцией по эксплуатации КМПЦ [15] не предусмотрен режим с 8-ю работающими ГЦН. А при работе 3-х ГЦН на каждую сторону по условиям недопущения кавитации и возможного срыва подачи насосов введено ограничение по производительности ГЦН: не более 7000 м3 /ч при расходе питательной воды на сторону менее 500 м3 /ч. Это и понятно: чем больше расход по контуру, и чем меньше питательной воды поступает в смесители БС, тем выше вероятность, что на всас ГЦН попадет насыщенная (кипящая) вода.

 Ускорение потока в направляющем аппарате насоса приводит к одновременному понижению давления. Для насыщенной воды понижение давления влечет объемное вскипание жидкости, появление в гидрокамере насоса полости, занятой паром, разрыв потока и срыв циркуляции теплоносителя. Это худший вариант, который можно придумать для случая, когда КМПЦ герметичен и все ГЦН исправны, но воду в активную зону подать не могут. Кстати говоря, в [11] приведена ссылка на предположение шведских исследователей аварии на ЧАЭС о том, что основным фактором, вызвавшим аварию было резкое сокращение расхода в КМПЦ вследствие запаривания и срыва ГЦН. Такой ход событий вполне вероятен.

 В самом деле, непосредственно перед началом испытаний все восемь ГЦН работали в нерегламентном режиме на грани возникновения кавитации. С началом выбега ТГ-№ 8 четыре ГЦН, подключенные к его шинам, стали терять обороты, снижая при этом напор и подачу. Это вызвало, в свою очередь, перераспределение гидравлических сопротивлений по контуру МПЦ и соответствующий рост производительности 4-х ГЦН, получавших питание от резервного трансформатора. Расчеты, выполненные авторами [9] показывают, что подача этих 4-х ГЦН увеличилась более, чем в 1.5 раза. Перед испытаниями средний расход ГЦН составлял примерно 7000 м3 /ч, а в  ходе испытаний достиг 11000 м3/ч. Значит, во столько же раз возросла скорость потока в гидрокамерах самих ГЦН и еще несколько понизилось давление в насосах,  что в условиях минимального недогрева должно было вызвать вскипание воды и кавитационный срыв ГЦН.

 Правда, для этой версии могут найтись возражения. Например, такое: ранее, на блоке № 3 ЧАЭС эксперимент с выбегом турбогенератора и ГЦН в 1985 году уже проводился; при этом никакой аварии не произошло. Но все зависит от условий, в которых проводится подобный эксперимент. Несмотря на недостаток сведений о предшествующих испытаниях, можно с некоторой долей уверенности предположить,  что при этом состояние реакторной установки было, скорее всего, иным. Во всяком случае, очень похоже на то, что кипящая вода на всас ГЦН не поступала.

  Надо сказать, что в работе [9] при обсуждении результатов расчетного моделирования  аварии подчеркивается факт резкого снижения расхода не только у выбегавших ГЦН,  но и у 4-х ГЦН, остававшихся в работе. Однако, причину резкого снижения расхода авторы [9] видят в другом. По их мнению, это связано с началом бурного парообразования и ростом давления в активной зоне, выдавливанием воды из последней и, наконец, естественным в этой ситуации захлопыванием обратных клапанов на раздаточных групповых коллекторах КМПЦ (захлопывание обратных клапанов выбегавших ГЦН произошло еще раньше). Иначе говоря, резкое снижение расхода нормально работавших ГЦН здесь  является следствием, а не причиной. Близость к истине зависит от того, насколько детально описаны в модели условия возникновения и эволюции кавитации в насосах.  К сожалению, в тексте работы этот вопрос не освещен.

 До сих пор остается неясной причина, заставившая оператора 4-го энергоблока нажать кнопку АЗ-5. Ни в заключении экспертов, готовивших "Информацию", ни в работах других авторов, занимавшихся анализом причин, характера и последствий аварии на ЧАЭС нет твердого убеждения на этот счет. Одно можно сказать с уверенностью: после нескольких серьезных нарушений регламента, в том числе связанных с отключением технологических защит, заставить оператора аварийно остановить реактор могло только ощущение реальной опасности, признаки развития аварийного процесса. Не исключено, что такими признаками были показатели неустойчивой, вследствие кавитации, работы ГЦН.

 Во-вторых, своеобразие описываемого состояния РБМК заключается также в том, что благодаря незначительному недогреву до кипения экономайзерный участок в технологических каналах оказался сокращенным до минимума. Если на номинальной  мощности высота его составляет около 2.5 м, то в режиме выбега 4-х ГЦН, в условиях снижения расхода теплоносителя через реактор, экономайзер полностью укладывается в 1-метровый интервал в нижней части активной зоны. Внимание на самый нижний участок ТК акцентируется не зря: выше уже обсуждалась обоснованность подхода, согласно которому именно этот участок явился своеобразным "запалом", положившим  начало разрушительному протеканию аварии. Прежде всего, именно здесь произошел бросок реактивности, повлекший за собой мощный всплеск энерговыделения и разрушение отдельных ТВС, вследствие обезвоживания нижних частей ТК графитовыми вытеснителями. Но не только это. На рис.6 представлена расчетная зависимость величины истинного объемного паросодержания в канале от массового расходного паросодержания для равновесного пароводяного потока [11], из которой следует: наибольшая скорость увеличения объемной доли пара в обогреваемом канале приходится на начальную (нижнюю) часть испарительного участка. Действительно: в сечении, где массовая доля пара составляет всего 5%,  объемная доля пара достигает уже 50%. Напротив, с увеличением x > 10% темп прирастания объемной доли пара резко снижается.

 Таким образом, можно сделать важный вывод о том, что паровой зффект реактивности реактора РБМК, сыгравший роковую роль в развитии аварии на ЧАЭС, был получен практически на том же, нижнем, участке  активной зоны, где и первоначальный всплеск реактивности. Поэтому, и наибольшие разрушения тепловыделяющих сборок с выбросом расплавленного топлива в технологические каналы, вероятнее всего, пришлись на нижнюю часть активной зоны высотою от 0.5 до 1.5 метра. Взаимодействие раскаленных частиц топлива с оставшейся в ТК водой должно было вызвать новый бурный всплеск парообразования и скачок давления, достаточный для обрыва нижних водяных и пароводяных коммуникаций, разрушения металлоконструкций  реактора и оборудования центрального зала.

Видимым защитным ограждением РУ ВВЭР-1000 является защитная оболочка (ЗО), последний "барьер" РУ проекта В-320 с реактором ВВЭР-1000 на действую-щих в РФ АЭС Калининской, Балаковской, Ростовской. ЗО установлена на железо-бетонной плите - фундаменте и представляет собой цилиндр высотой 54 м с внутренним диаметром 45м и толщиной стенки 1м, "озаглавленный" сферическим куполом.
Государственная система промышленных приборов (ГСП) и средств автоматизации