Карпан Н.В. Чернобыль. Месть мирного атома
Подождите немного. Документ загружается.
382
того, с какого-то момента стержни СУЗ, дойдя до положения с
полным вытеснением столбов воды под вытеснителями, перестают
вносить положительную реактивность в нижнюю часть активной зоны.
Суммарное действие всех перечисленных факторов приводит к
следующему поведению реактивностии мощности в аварийном процессе:
- в первую секунду движения большой массы стержней СУЗ в
верхнюю часть реактора вводится отрицательная реактивность
(аксиальное нейтронное распределение в реакторе еще недостаточно
деформировано и в верхней части активной зоны еще есть максимум
плотности потока нейтронов), что приводит к первоначальному снижению
общей мощности реактора;
- затем, после быстрой и значительной деформации высотного
поля с уходом максимума плотности потока нейтронов вниз, нейтронный
поток, а вместе с ним и энерговыделение в нижней части твэлов
начинают сильно возрастать. И сумма вводимых реактивностей (в
верхнюю часть, и в нижний «слой» реактора) становится положительной.
Реактивность увеличивается до тех пор, пока разогрев топлива не
скомпенсирует её рост отрицательным Доплер – эффектом. Мощность,
выделяемая в твэл, также достигает максимума
с некоторой задержкой
по отношению к поведению реактивности, и затем начинает падать.
Температура топлива и вместе с ней тепло, передаваемое в
теплоноситель, все это время возрастают, но в какой-то момент
Доплер-эффект достигает максимума, и далее все рассматриваемые
параметры начинают снижаться. Этот процесс изменения мощности
полностью затухает, если к нему
не подключатся другие эффекты
(например, паровой эффект).
Максимальные значения реактивности, мощности энерговыделения,
температуры топлива и тепловой мощности передаваемой воде в выше
описанном процессе очень сильно зависят от исходного распределения
нейтронного потока в активной зоне. Так, изменение формы аксиального
распределения всего на несколько процентов, т.е. в пределах погрешности
показаний внутризонных
датчиков, может изменить максимум
энерговыделения в несколько раз.
г) Определяющее влияние на катастрофическое развитие
аварийного процесса оказал положительный паровой эффект
реактивности. Полный эффект от заполнения технологических каналов
паром составлял к 26.04.86 г., по оценке ОЯБ, чуть больше 5 ß
эфф.
Так как
в исходном состоянии, при низком уровне мощности, технологические
383
каналы практически полностью заполнены водой (кипение начинается
на выходе из канала), то эффект даже от локального вскипания может
быть достаточно большим. Положительный эффект реактивности от
вскипания теплоносителя начинает проявляться по достижении
реактором величины мощности примерно 500 МВт, т.е. задолго до того,
как мощность реактора достигает своего номинального значения.
Проявление парового
эффекта начинается следующим образом. Вначале
все параметры изменяются так же, как было описано выше. Но, начиная с
определенного момента, даже после того как реактивность прошла
максимум и начинает снижаться, тепловая мощность канала,
передаваемая в теплоноситель, достигает величины, при которой
происходит вскипание воды. С этого момента включается паровой
эффект реактивности, и
если он превалирует над Доплер-эффектом, то
реактивность перестает падать и снова начинает возрастать. Мощность
энерговыделения в каналах резко увеличивается, ускоряется рост
температуры топлива и теплоносителя. В охлаждающей воде возрастает
интенсивность кипения, что в свою очередь опять ускоряет рост
положительной реактивности (за счет парового эффекта) и процесс
разгоняется, приобретая взрывной характер
.
Глава 8
МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНОГО ПРОЦЕССА
В целом результаты моделирования на полномасштабном
тренажере совпадают с описанной выше картиной. Моделирование
велось вплоть до виртуального разрушения твэл, которое наступает в
определенный момент аварийного процесса. В качестве критерия
наступления этого момента выбиралось достижение одного из двух
пределов: температуры 3000
0
К в одном из наиболее напряженных твэлов,
или мощность энерговыделения равная 100 номинальным значениям [28].
Процесс неконтролируемого разгона реактора
Как следует из предыдущего рассмотрения, процесс разгона реактора
для состояния с ОЗР менее 15 стержней РР (как это было во время
испытаний 26.04.86) можно разбить на две стадии: сравнительно
медленную, обусловленную движением стержней
СУЗ и очень быструю,
целиком определяемую паровым эффектом реактивности. Весь процесс,
384
вплоть до взрыва и разрушения реактора, на реальном блоке проходил за
8-9 секунд, поэтому понять картину быстрой части разгона мощности
только по данным регистрации текущих параметров реактора штатными
измерительными системами довольно трудно. Иное дело моделирование,
дающее возможность рассмотреть все процессы с любой скоростью.
В результате моделирования были получены избыточные данные
по
всем основным характеристикам аварийного процесса. Ниже приведены
главные из них.
Реактивность
. С началом движения стержней СУЗ (со скоростью 40
см/сек), на первой секунде вводится отрицательная реактивность, которая
достигает значения минус 0,5 ß
эфф
(1ß
эфф
= 10 ст. РР). Затем, на 2-й
секунде, суммарная реактивность (стержни СУЗ дают отрицательную
составляющую, а эффект вытеснителей - положительную составляющую)
становится положительной из-за смещения вниз аксиального
нейтронного поля, и достигает на 3-й секунде максимума в +0,8 ß
эфф
.
После этого реактивность падает (из-за Доплер - эффекта) до величины
+0,2 ß
эфф
на 7-й секунде процесса. Внесенная реактивность повышает
энерговыделение в каналах, вызывает интенсивное вскипание
теплоносителя и запаривание активной зоны. Далее подключается
паровой эффект и реактивность опять резко возрастает на величину
большую чем ß
эфф
. Начинается быстрый, взрывной разгон мощности
реактора на мгновенных нейтронах.
Мощность
. Мощность реактора экспоненциально возрастает и
расчет прекращается, так как реперные параметры достигают своих
критических пределов, выбранных при моделировании (см. рис.11).
Моделирование процесса неконтролируемого разгона показало, что он
начался и развивался в нижнем слое третьего квадранта реактора
(рис. 12), в то время как верхняя часть реактора была уже переведена в
подкритическое
состояние погружающимися стержнями СУЗ, успевшими
за 7 секунд дойти примерно до половины высоты активной зоны.
Мощность, выделяемая в твэл (нейтронная)
На 2-й сек. после нажатия кнопки АЗ общая мощность (по расчету)
вначале падает от исходного значения (230 мвт) на 30%, а затем растет,
достигая максимума в 1,3 N
ном
на 7-й секунде (локально, в нижних двух
слоях третьего квадранта активной зоны, удельная мощность превышает
допустимое значение в несколько раз). На 8-й сек. средняя мощность
снижается до 0,8 N
ном
, но далее неудержимо растет, превысив на 9-й
секунде номинальную мощность реактора в 40 раз.
385
Рис. 11. Моделирование аварийного процесса по реальным исходным
данным. Реактор взрывается.
386
Рис. 12. Энерговыделение в метровых слоях по высоте реактора.
Отсчет начинается сверху (первый слой – 1). Мах энерговыделение отмечено
в слоях № 6 и № 5.
387
Температура топлива
Резкий рост температуры топлива, вплоть до разрушения
тепловыделяющих элементов в результате взрывного процесса нарастания
мощности энерговыделения, происходит лишь на 7 и 8-й секундах
аварийного процесса. До этого (с момента нажатия кнопки АЗ-5),
температура топлива возрастает, в среднем, на 400
0
С.
Тепловая мощность реактора
Рост тепловой мощности значительно отстает от изменения
«нейтронной» мощности. На 3-й секунде тепловая мощность еще
сохраняет исходное значение в 0,06 N
ном
(200 МВт), но затем начинает
расти, достигая к 7-й сек. 0,45 N
ном
(1440 МВт). А к моменту взрыва (на
9-й сек.) она доходит до 1760 МВт.
Эта мощность, в основном, развивалась в нижней половине реактора,
т.к. верхняя его часть в это время была уже переведена в подкритическое
состояние погрузившимися на 3,5 м стержнями СУЗ.
Плотность теплоносителя
Средняя плотность теплоносителя в технологических каналах активной
зоны начинает меняться только на 5-й секунде после АЗ-5 (исходное
значение 0,75 г/см
3
). К концу 6-й секунды она становится равной 0,58
г/см
3
. Далее скорость ее изменения резко увеличивается (начинается
массовое закипание воды в ТК по всей высоте каналов) и на 8-й секунде
достигает значения 0,06 г/см
3
.
Если анализировать состояние теплоносителя по параметру
«паросодержание», то перед началом испытаний (мощность реактора 200
МВт, N
эл
ТГ-8 = 32,7 МВт; расход по КМПЦ 56800 м
3
/час, генерация
пара на уровне 250 т /час) среднее паросодержание в ТК было близким к
0,5% весовых. А на 8-й секунде (после нажатия кнопки АЗ-5) практически
вся вода в каналах превратилась в пар, поскольку среднее
паросодержание в ТК превысило значение 90% весовых.
Моделирование ситуации с погружением УСП
На полномасштабном тренажере РБМК были
дополнительно
смоделированы следующие возможные варианты развития событий:
а) введение в реактор стержней УСП снизу, по сигналу срабатывания A3
в 01ч 23м 39с (рис.13).
В этом варианте реактор спокойно глушится без «разгона» мощности
.
388
Рис.13. Стержни УСП вводятся в реактор снизу по сигналу АЗ.
Реактор не взрывается.
389
б) нажатие кнопки A3-5 в состоянии реактора на 01ч 23м 04с, но без
проведения эксперимента (см. рис.18). Расчет дает неконтролируемый
разгон реактора, приводящий к взрыву.
Глава 9
РАЗРУШЕНИЕ РЕАКТОРА И ЭНЕРГОБЛОКА
Аварийный процесс в реакторе и на энергоблоке
Кратко повторим хронологию событий:
01.23.30 - стержни 1АР дошли вниз до НК, включился АР-2 для
компенсации роста мощности реактора.
01.23.39 - АЗ-5, стержни шли в зону в течение 9 -10 сек. Внесение
отрицательной реактивности величиной минус 5 ст. РР в
течение 1-й секунды. Выдавливание максимума Кz вниз [3].
01.23.40-41с - внесение положительной реактивности в размере +8 ст. РР
движущимися вниз стержнями СУЗ в течение 2-й и 3-й сек.
(концевой эффект вытеснителей).
01.23.41 - отключение ГЦН - 14, 13, 24, 23 (регистрация сигнала АЗ-1
телетайпом «Скалы» по факту отключения 2-х из 4-х ГЦН в
каждой насосной).
01.23.42 - появление аварийных сигналов по скорости нарастания
мощности реактора и по превышению мощности; начало
локального разгона на тепловых нейтронах в 3-м квадранте
реактора, с периодом удвоения мощности около 0,8 с.
01.23.44-45с - рост
давления в БС, закрытие обратных клапанов на
выбегающих ГЦН
, возникновение кавитационного режима,
проявление мощных гидроударов, вибраций оборудования и
конструкций.
01.23.45-46с - снижение расходов на «выбегающих» ГЦН до нуля, срыв
расходов на «невыбегающих» ГЦН; вскипание теплоносителя
в объеме активной зоны, сопровождающееся ростом давления в
КМПЦ с открытием БРУ-К и ГПК; закрытие обратных
клапанов (ОК) на РГК (на
каждой половине реактора 22 ОК).
Паровая фаза в ТК пока еще является демпфером для
ударных волн [4].
01.23.47с и далее - Гидроудары в КМПЦ. В это время, возможно, была
разрушена баллонная САОР, в районе отсечной арматуры
которой могла проявиться энергия гидроударов (версия А.А.
Ядрихинского).
390
Фиксация дискретных сигналов после аварии (ДРЭГ):
01ч 39м 29с - появились сигналы - «снижение уровня в аварийном баке
СУЗ» и «повышение давления в помещении БС».
01ч 40м 01с - появился сигнал - «повышение давления в прочно-плотных
боксах (правые, ближе к САОР).
01ч 40м 04с - этот сигнал снялся.
01ч 40м 21с - снова появился сигнал - «повышение давления в
прочно-плотных боксах» (правые, ближе к САОР).
01ч 40м 39с - давление в БСправ. упало с 40 до 22 ати, давление БСлев.
не регистрировалось.
01ч 41м 36с - уровень БСлев = +750 мм.
01ч 41м 49с - снялся сигнал - «повышение давления в прочно-плотных
боксах» (правые, ближе к САОР).
01ч 41м 49с - появился сигнал
- «снижение давления в напорном
коллекторе СУЗ».
Начало разрушения реактора
В 01.23.46, из-за отсутствия теплосъема с твэл (в результате прекращения
циркуляции по КМПЦ) происходит разгерметизация ТВС, разрывы труб
ТК, реакции пара с графитом и конструкционными материалами, начало
расплавления топлива и разрушения 3-го квадранта активной зоны, рост
давления в РП.
В 01.23.47 возросшим давлением в РП
разрываются нижний и верхний
компенсаторы схемы ОР и схемы Е (нижний взрыв). Через подаппаратное
помещение и предохранительные клапаны к объему РП подключаются
помещения СЛА, БС и ЦЗ. Это временно снижает рост давления в РП, но
не прекращает его.
Начало разрушения энергоблока
01.23.48 - отрыв схемы «Е», разрушение ЦЗ.
01.23.49 - отключение рабочего
и резервного трансформаторов, потеря
СН блока.
Как воспринимались эти события очевидцами?
Взрыв, который разрушил 4-й блок, был слышен не всеми и не во
всех помещениях станции. Из почти двух десятков объяснительных,
которые были написаны дежурным персоналом смены № 5 в день
аварии 26.04.86 г., следует [16]:
391
- персонал станции, находившийся в АБК-2, т.е. вне главного корпуса,
отметил вначале срабатывание главных предохранительных клапанов
(ГПК), потом «ужасный шум» или гул с треском, сильную вибрацию
здания и глухие взрывы, после которых из ЦЗ 4-го блока вылетел сноп
светящихся (горящих) обломков разных форм и размеров;
- люди, находившиеся в
главном корпусе, вначале отметили
продолжительные и сильные низкочастотные звуки похожие на
гидроудары, которые были слышны только в помещениях
примыкавших к тепломеханическому и реакторному оборудованию
(на БЩУ - 4, в машзале, в помещении ГЦН и т.п.); эти звуки тоже были
услышаны не всеми - некоторые ощутили только «шатание» или
«дрожание» пола и стен
(в помещении КРУ, на «Скале» и т.д.);
- для операторов центрального (реакторного) зала (ЦЗ) блока № 3,
смежного с бл.4, все началось с мощнейших ударов и звуков взрывов,
после которых в ЦЗ появился пылевой туман, и резко увеличились
показания приборов, регистрирующих радиационный фон;
- одновременно с ударами в коридоры и помещения
главного корпуса
второй очереди АЭС (отм. +9м и выше) практически мгновенно было
внесено большое количество пыли (сравнивалась с белым туманом),
возможно через кабельные проходки, как отметил один из очевидцев;
- в некоторых помещениях ощутили проникновение воздушной волны,
даже при закрытых дверях;
- вслед за этим раздалось два слитых удара, воспринятых
как один
продолжительный взрыв, за которыми последовал третий сильный
удар (взрыв) из верхней точки пространства (верхний взрыв);
- от начала появления сильных вибраций (ударов) до первого взрыва,
который воспринимался очевидцами как двойной слитный взрыв в
районе расположения активной зоны и ГЦН (нижний взрыв), по
показаниям свидетелей прошло от 6 до 8 секунд;
- оценка интервала от двойного удара до третьего - от 1-й до 3-х секунд;
- длительность всего процесса, по их впечатлениям, от 7 до 11 секунд;
- для находившихся вблизи реакторного отделения 4-го блока людей
удары были потрясающими; им казалось, что монолитные стены в
любой момент могут рухнуть.
Все эти события можно расположить в следующей
последовательности:
1) вибрация помещений и оборудования:
2) срабатывание ГПК;