Граничные условия возникновения критического состояния

1.4.2 Граничные условия возникновения критического состояния

Наибольшее влияние на кинетику СЦРД оказывают: скорость ввода реактивности[1], механизм гашения, начальный фон нейтронов, время их жизни в системе.

Продолжительность пиковой интенсивности делений для инцидентов с незапланированным возникновением критичности обычно крайне мала (порядка миллисекунд) из-за эффекта самогашения, особенно в системах из твердых веществ.

Механизм самогашения – это свойство системы уменьшать свою реактивность одновременно или с некоторой задержкой относительно развития СЦРД. Знание этого механизма важно для выявления особенно опасных систем и предупреждения наихудших последствий, в частности для исключения СЦРД автокаталитического действия'. Типичные механизмы гашения для растворов: образование радиолитического газа (смесь Н₂, 0₂, Н₂0₂ и др.), кипение, испарение; для твердых систем: тепловое расширение, повышение температуры нейтронного газа, эффект Доплера и др. Чаще всего действуют несколько механизмов. Уместно отметить, что тепловое расширение, если оно является единственной обратной реакцией системы, может закончиться разрушением последней в зависимости от скорости введения реактивности.

Физическое состояние отдельных систем может повлиять на процесс самогашения и, следовательно, на энерговыделение за СЦРД. Так, для систем, уже находившихся в начале при высокой температуре, требуется меньшее число делений для включения гасящего механизма. Напротив, в сосудах с растворами под давлением процессы радиолиза и вскипания могут задержаться, пока энерговыделение не достигнет очень высокого уровня. Поэтому герметичному оборудованию под давлением следует уделять особое внимание.

В случае растворов делящихся веществ возможны ситуации, при которых происходит «самозамедление» процесса[2], что проявляется в повторении пиков делений (и, соответственно, нейтронных вспышек) или квазистабилизации уровня мощности. Такие СЦРД могут возникнуть в результате переконцентрирования раствора или оседания суспензии делящихся веществ с превышением критической массы. Выделение тепла, сопровождающее деления, может прервать СЦРД, охлаждение — снова вызвать ее. Процесс может повторяться много раз. Все эти особенности превращают жидкие системы в уникальные по диапазону длительности (от 10^-3 с до десятков часов) и интегральному энерговыделению (от 10¹⁴ до 10²⁰ дел), а также объясняют узость диапазона значений энерговыделения в первом пике со средним значением ~10¹⁷ дел.

Примерами СЦР автокаталитического действия являются: 1) испарение концентрированного раствора на первом этапе СЦР и рост критичности солевого остатка с его последующим расплавлением; 2) попадание воды в порошок (например, U0₂), его нагревание вследствие СЦР и увеличение реактивности системы за счет ее гомогенизации. В этих и аналогичных им случаях СЦР инициирует не только действие механизма гашения, но и конкурирующий с ним процесс роста реактивности.

Система считается опасной, если удовлетворяется условие Sl_P<<1, где S – скорость генерации нейтронов в системе, l_Р— время их жизни. Например, для раствора ²³⁵U обогащения 90% и концентрацией 1 г/л S_U=0,2 с^-1x (100 л)^-1, а для раствора ²³⁹Pu S_Pu=10⁴ с^-1x (100 л)^-1. Принимая l_p=l0^-4с имеем в первом случае «S_Ul_p ≈ 2^.10^-5, а во втором S_Pul_р = 1. Поэтому энерговыделение в урансодержащих системах, возможно, на порядок больше, чем в плутониевых.

Поскольку естественного механизма недостаточно для быстрого прекращения циклических СЦРД, на практике, в особенности для сосудов большого объема, применяют технические средства дистанционного воздействия на систему: аварийный слив в ядернобезопасные баки; блокировку входных линий; прекращение технологических операций, барботаж и др. Эти меры противодействия вводятся либо по команде ответственного лица, либо автоматически от сигнала, приборов обнаружения СЦРД, если последние обладают требуемой надежностью.

Для решения некоторых практических задач используют такие определения, как «минимальная», «наиболее вероятная» и «максимальная» по энерговыделению СЦРД.

Минимальной является такая СЦРД, которая ограничивается действием естественного механизма гашения без применения средств искусственного воздействия. Согласно, в системах с ²³⁵U энерговыделение за минимальную СЦРД составляет 10¹⁵ дел, а с ²³⁹Pu—10¹⁴ _дел_ ч_ИСЛо делений за минимальную СЦРД определяет порог срабатывания датчиков аварийной сигнализации и их расстояние до возможного места возникновения аварии.

За наиболее вероятную принимают СЦРД с энерговыделением 10¹⁸ дел. Это значение является средним по результатам статистической обработки нескольких десятков аварий]. Значение 10¹⁸ дел определяет зону эвакуации персонала, на границе которой аварийное облучение не будет превосходить 5 рад, а также для оценки зоны эвакуации в случае, если радиохимическое оборудование имеет биологическую защиту.

Максимальная СЦРД может иметь различные значения энерговыделения в зависимости от свойств конкретной системы. В растворах возможна СЦРД с энерговыделением до 10²⁰ дел. Максимальное энерговыделение определяют для конкретных систем расчетным путем, чтобы установить возможность разрушения или разгерметизации оборудования, а также оценить выход газообразных продуктов и эффективность вентиляционных систем.

В табл. 1.4.7 даны оценки удельного энерговыделения за СЦРД, превышение которых вызывает соответствующие явления в материалах с делящимися нуклидами. Реальные значения энерговыделения могут быть в 1,2—2,0 раза выше, так как даже за короткую СЦР часть тепла передается конструкционным материалам и окружающей среде.

Таблица 1.4.7 – Значения энерговыделения, необходимого для протекания теплофизических процессов
в некоторых ядерных материалах

Процесс	Необходимое число делений	Процесс	Необходимое число делений
Образование 1 л радиолитического газа	7,5^.10¹⁵	Испарение 1 кг урана	5,9^.10¹⁶
Нагревание 100 л воды от 20 °С до 100 °С	10¹⁸	Нагревание 1 кг U0₂ до 2647 °С	2,6^.10¹⁶
Испарение 100 л воды	7^.10¹⁸	Плавление 1 кг U0₂	7,8^.10¹⁵
Нагревание 1 кг урана до Т_па=1133°С	6,6^.10¹⁵	Испарение 1 кг U0₂	6,6^.10¹⁶
Плавление 1 кг урана	2,6^.10¹⁵	Нагревание 1 кг нержавеющей стали до Гпл = 1500°С	2,3^.10¹⁴

Примечание. Энерговыделение в пике 8 ^.10¹⁶ дел ~ 0,55 кг тринитротолуола

1.4.3 Допустимые и безопасные параметры

Очевидно, что для безопасной работы с ядерноопасными делящимися веществами параметры оборудования должны быть меньше критических. На практике в качестве нормативных параметров ядерной безопасности используют: количество, концентрацию и объем ядерноопасного делящегося материала; диаметр оборудования, имеющего цилиндрическую форму; толщину плоского слоя для оборудования, имеющего форму пластины.

Нормативный параметр (норму) устанавливают исходя из допустимого параметра, который меньше критического и не должен быть превышен при эксплуатации оборудования. При этом необходимо, чтобы характеристики, влияющие на критические параметры, находились в строго определенных пределах. Используются следующие допустимые параметры: количество М_доп, объем V_доп, диаметр D_доп, толщина слоя t_доп.

Используя зависимость критических параметров от концентрации ядерноопасного делящегося нуклида, можно определить такое значение критического параметра, ниже которого при любой концентрации СЦРД невозможна. Так, для растворов солей плутония и обогащенного урана критические масса, объем, диаметр бесконечного цилиндра, толщина бесконечного плоского слоя имеют ярко выраженный минимум в области оптимального замедления. Для смесей металлического обогащенного урана с водой критическая масса, как и для растворов, имеет ярко выраженный минимум в области оптимального замедления, а критические объем, диаметр бесконечного цилиндра, толщина бесконечного плоского слоя при высоком обогащении (>≈35%) имеют минимальные значения при отсутствии замедлителя (r_н/р₅=0); для обогащения ниже 35% критические параметры смеси имеют минимум при оптимальном замедлении.

Очевидно, что параметры, установленные исходя из минимальных критических параметров, обеспечивают безопасность во всем интервале изменения концентрации. Эти параметры называются безопасными, они меньше минимальных критических параметров. Используются следующие безопасные параметры: количество М_б, концентрация С_б, объем V_б, диаметр D_б, толщина слоя t_б.

Таким образом, при обеспечении ядерной безопасности системы по допустимому параметру обязательно ограничивается концентрация делящегося нуклида (иногда количество замедлителя), в то же время при использовании безопасного параметра никаких ограничений на концентрацию (или по количеству замедлителя) не накладывается.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 Следующая ⇒