Обзор ядерных аварий с возникновением СЦР (LA-13638)

Фролов В. В.

Следующее положение, хотя оно было вплетено повсюду в предыдущий текст, заслуживает того, чтобы его повторить: «Во всех авариях господствующими были недостатки в конструкции, в управлении и в рабочих операциях. Именно на этих вопросах следует сосредоточиться для предотвращения аварий».

II. Аварии при экспериментах с реакторами и при критических экспериментах

В настоящем разделе выявляются ошибки, которых следует избегать при проведении экспериментов с реакторами и экспериментов по изучению критичности. Поскольку возникновение критичности при таких экспериментах ожидается заранее, то уроки, которые можно извлечь из данного раздела, не вносят непосредственного вклада в ту отрасль знания, которая решает проблемы безопасности в отношении критичности при технологической

обработке материалов. Из 38 изученных аварий 5 произошли на таких установках, которые следует классифицировать как работающие реакторы (кипящий реактор, «Годива», «Дрэгон», SL-1 и канадский исследовательский экспериментальный реактор NRX), а 33 аварии произошли на критических установках, на которых исследовались свойства самих критических сборок.

Главное изменение в части II этой второй редакции, по сравнению с предыдущими редакциями, состоит в добавлении описаний шести аварий, случившихся в Российской Федерации. Четыре из них произошли с небольшими металлическими урановыми и плутониевыми сборками, две произошли на критических сборках с макетами активной зоны реактора.

Некоторые данные об авариях при экспериментах с реакторами и при критических экспериментах сведены в таблице 11. Там, где это является возможным и уместным, энергия деления при резком увеличении мощности разделяется на ту, которая была выделена в пике, и на ту, которая была выделена на плато зависимости выделенной энергии от времени. Для некоторых выбросов мощности почти все акты деления имели место на плато; другие выбросы мощности состояли лишь из единственного пика.

^{Таблица 11. Аварии при экспериментах с реакторами и при критических экспериментах}

A. Системы растворов делящихся материалов

1. Лос-Аламосская национальная лаборатория, декабрь 1949 г

Реактор-бойлер; поглощающие стержни удалялись вручную; единичный всплеск мощности; незначительная доза облучения.

Эта авария произошла при испытании двух новых поглощающих стержней в реакторе, названном «бойлером» из-за своей схожести с этим аппаратом. Реактор представлял собой сферу из нержавеющей стали диаметром 12 дюймов (305 мм), содержащую 13,6 л водного раствора уранилнитрата с обогащением урана 88,7 %. В 1949 году в качестве отражателя в реакторе использовался толстый слой графита. Реактор имел биологическую защиту из бетона сверху и с боковых сторон. Стержни перемещались в каналах в графите.

Стержни были смонтированы, и оператор вынимал их вручную, проверяя время падения в активную зону. Испытание стержней поодиночке являлось безопасной процедурой, так как одного стержня в активной зоне было достаточно для поддержания подкритичности. После нескольких проверок каждого из стержней по отдельности были извлечены оба стержня, их подержали в поднятом положении 5 секунд, а затем одновременно сбросили в активную зону.

При извлечении обоих стержней реактивность превысила на 3 цента уровень критичности на мгновенных нейтронах, что соответствовало периоду разгона мощности 0,16 с. Вероятно, за этот интервал времени мощность достигла величины от 2 до 3 х 10¹⁶ делений в секунду и оставалась примерно на таком уровне в течение около полутора секунд. Всплеск мощности не был сразу обнаружен, потому что все приборы были выключены, за исключением термометра, предназначенного для прямых измерений, который показал повышение температуры на 25 °C, что соответствовало энерговыработке от 3 до 4 х 10¹⁶ делений.

Оператор, находящийся за защитой, получил дозу радиации, равную 2,5 рад. Механических повреждений реактора не было.

2. Завод в Ханфорде, шт. Вашингтон, 16 ноября 1951 г. ^{38 40}

Сборка

с плутониевым раствором; слишком быстрое извлечение кадмиевого стержня; единичный всплеск мощности; незначительные дозы облучения.

Критическая сборка, в которой произошел разгон мощности, содержала 1,15 кг плутония в форме нитрата плутония, находящегося внутри алюминиевой сферы без отражателя диаметром 50,8 см. Целью экспериментальной программы было определение критической массы плутония для емкостей различной геометрии и различных концентраций плутония в растворе. Всплеск мощности произошел при подходе к состоянию критичности, когда сфера была заполнена на 93 %, в результате удаления полого кадмиевого стержня СУЗ. Стержень выводился с пульта управления постепенно, шагами, причем промежуток времени между шагами оказался недостаточным. Энерговыход в результате всплеска мощности составил 8 х 10¹⁶ делений. Небольшое количество топлива оказалось выплеснутым через прокладки в верхней части критсборки. Поскольку до аварии система уплотнения удерживала около 18 литров воздуха над поверхностью топлива, давление в процессе аварии должно было намного превышать атмосферное.

Опубликованные данные предполагают, что скорость ввода реактивности в результате извлечения стержня СУЗ должна была составлять примерно 4,7 р/с, что соответствует (если использовать известные температуры и значения пустотных коэффициентов реактивности) выходу делений, в два раза превышающему наблюдавшееся значение. В данном случае, однако, действие аварийной системы было достаточно быстрым, так что сам кадмиевый стержень, скорее всего, тоже способствовал гашению цепной реакции. Небольшое уменьшение скорости ввода реактивности по сравнению с приведенной величиной удлинило бы время разгона и сделало бы его таким, что еще с большей вероятностью можно было бы предположить, что всплеск мощности был погашен падающим стержнем-поглотителем.

В результате этого всплеска мощности никто из персонала не пострадал, хотя произошло загрязнение экспериментальной зоны раствором нитрата плутония. Через несколько дней здание было успешно дезактивировано, но до окончания полной очистки экспериментальной зоны в нем произошел пожар, и здание больше не использовалось.

3. Окриджская национальная лаборатория, 26 мая 1954 г. 38 41 42

Сборка с урановым раствором; центральный поглощающий цилиндр отклонился от нормального положения; единичный всплеск мощности; незначительные дозы облучения.

Данный эксперимент был одним из серии экспериментов по изучению критических свойств водных растворов в кольцевых цилиндрических емкостях. Внешний цилиндр имел диаметр 10 дюймов (25,4 см), а облицованный кадмием внутренний цилиндр — диаметр 2 дюйма (5,08 см). Система не имела отражателя и содержала 55,4 л водного раствора UO₂F₂. Масса высокообогащенного урана (93 %) составляла 18,3 кг. Всплеск мощности произошел, когда уровень жидкости достиг 40 дюймов (101,6 см), но продолжался процесс слива раствора в емкость. На рисунке 40 изображена схема эксперимента до и после аварии. Внутренний цилиндр, по сути дела, выполнял роль поглощающего стержня. Когда он отсоединился от места крепления в верхней части установки и наклонился в сторону стенки внешнего цилиндра, эффективность поглощения понизилась, и произошло увеличение реактивности системы. Уровень критичности на запаздывающих нейтронах был существенно превышен, и произошел всплеск мощности с энерговыделением 10¹⁷ делений.

Ход этой аварии был восстановлен самым тщательным образом. В результате наклона внутреннего цилиндра реактивность вводилась со скоростью 3,33 р/с и продолжала вводиться, когда система стала критической на мгновенных нейтронах. Используя известные коэффициенты и время генерации нейтронов, можно рассчитать, что в начальном пике выход составил 5,1 х 10¹⁶ делений. На развитие пика мощности после того, как система достигла критичности на мгновенных нейтронах, потребовалось лишь 0,07 с (0,43 секунды с момента начала отклонения цилиндра). Это означает, что цилиндр продолжал наклоняться. Особенностью таких аварий является то, что после начального пика скорость ввода реактивности компенсируется ростом мощности. Для данного раствора требовалась мощность в несколько мегаватт, которая поддерживалась достаточно стабильно, пока внутренний цилиндр не достиг максимального отклонения через 0,91 секунды после начала падения. В этот момент мощность резко упала, и, когда жидкость начали сливать, система оказалась в глубоко подкритическом состоянии.