Зенов В.М. Анализ причин аварии на Чернобыльской АЭС
Подождите немного. Документ загружается.
в 1.42 раза меньше, чем для ядерного топлива только на основе урана-235,
как, например, для начальной топливной загрузки. Таким образом, персонал
БЩУ должен ясно сознавать, что с увеличением глубины выгорания
ядерного топлива реактор будет становиться все "приемистее", все легче
будет отзываться на любое возмущение, приводящее к изменению
реактивности. Следует также отметить, что при этом скорость спада
нейтронной мощности после срабатывания аварийной защиты реактора не
ускорится, останется прежней: примерно в 2.7 раза за 80 секунд - она
определяется временем запаздывания наиболее долгоживущей группы
запаздывающих нейтронов.
2.3 Органы СУЗ РБМК-1000 и их влияние на безопасность реактора.
Влияние СУЗ на безопасность РБМК напрямую связывается с
понятием оперативного запаса реактивности. Под ОЗР для реактора РБМК
понимают количество погруженных в активную зону стержней СУЗ в
пересчете на полностью погруженные стержни. Например, при наличии 30
погруженных на одну треть в активную зону стержней СУЗ (РР или ПКАЗ)
соответствующий им ОЗР составит 30 0.33 = 10 стержней СУЗ.
Считается, что с увеличением ОЗР безопасность реактора повышается. И
это действительно так, по крайней мере, по двум причинам.
Во-первых, увеличенный оперативный запас реактивности означает, что
в активной зоне реактора ( а не за ее пределами ) находится достаточно
большое количество стержней СУЗ. Причем, поскольку стержни РР, ПКАЗ
при коррекции радиально-азимутального распределения нейтронного поля
обычно располагаются в полупогруженном состоянии (в верхней половине,
а еще чаще в верхней трети активной зоны ), т.е. вблизи максимума
плотности нейтронного поля или, что то же самое, вблизи максимума своей
дифференциальной эффективности, постольку реальное число введенных в
активную зону стержней СУЗ примерно в 23 раза больше того, что
указывается в пересчете на полностью погруженные стержни. С точки
зрения безопасности реактора такое расположение стержней имеет глубокий
смысл: с возникновением опасной ситуации и подачей сигнала аварийной
защиты стержни-поглотители, полупогруженные в активную зону, уже в
первые секунды своего опускания погасят наибольшую долю реактивности
реактора, из той, что они вообще способны погасить. И это объясняется
именно тем, что только полупогруженные стержни ОЗР находятся вблизи
своего максимального по эффективности положения.
Во-вторых, особенностью конструкции стержней СУЗ реактора РБМК-
1000 до аварии на 4-ом блоке ЧАЭС являлось наличие укороченного
графитового вытеснителя, скрепленного с нижним торцом основной,
поглощающей части стержня. Как видно из рис.1 для полностью
извлеченного стержня СУЗ, находящегося на верхнем концевом
выключателе (ВКВ), геометрический центр его графитового вытеснителя
совпадал с геометрическим центром активной зоны. При этом под
вытеснителем и над вытеснителем в пределах активной зоны располагался
столб охлаждающей воды высотой около одного метра (высота зоны - 7м,
размер вытеснителя - 5м).
Таким образом, при опускании с ВКВ каждый стержень СУЗ, кроме АР,
в течение первых двух-трех секунд (т.к. средняя скорость опускания
составляет 0.4 м/с ) выдавливает" из нижней части активной зоны водяной
столб метровой длины. Как уже отмечалось в параграфе 2.1 быстрое, в
данном случае в течение 23 секунд, удаление поглотителя нейтронов -
воды методом "выдавливания" приводит к упоминавшемуся выше эффекту
обезвоживания активной зоны со всплеском энерговыделения в нижней
части реактора. Если число стержней СУЗ, опускаемых с ВКВ велико, то
сброс АЗ, благодаря многократно усиленному действию эффекта
обезвоживания для одиночного стержня, может сыграть разрушительную
роль...
Судя по "Информации.." [1], в момент аварии на 4-ом блоке ЧАЭС ОЗР
был ниже минимально допустимого уровня и составил всего лишь 68
стержней. Это означает, что на ВКВ находилось более 170 стержней, и
что все они после нажатия кнопки АЗ-5 начали одновременное опускание в
активную зону, не очень эффективно поглощая нейтроны и гася
реактивность, но очень эффективно обезвоживая нижнюю часть реактора и
инициируя там мощный всплеск энерговыделения. В том случае, если бы
перед сбросом АЗ ОЗР имел достаточную величину можно было бы
ожидать более мягкого переходного процесса, так как для большого числа
стержней СУЗ, составляющих оперативный запас реактивности, при их
опускании в активную зону не происходило бы никакого выдавливания
воды, поскольку нижние блочки графитовых вытеснителей последних
находились ниже нижней границы активной зоны.
Еще одним положительным качеством увеличенного ОЗР является то,
что большое число стержней СУЗ в активной зоне обладает повышенной
поглощающей способностью. Тем самым, обеспечивается
перераспределение долей поглощенных нейтронов между различными
компонентами: больше поглощается стержнями, меньше - водой. Как
указывалось выше, подобное перераспределение должно снижать влияние
эффекта обезвоживания, парового эффекта реактивности и способствовать
повышению безопасности реактора.
Конечно, возможны резонные возражения о том, что увеличение
непроизводительного захвата нейтронов при вводе дополнительных
стержней СУЗ в активную зону негативно скажется на экономических
показателях реакторной установки. Но это уже другая задача - задача
оптимизации. Важно только, чтобы вопросы повышения экономичности не
решались за счет снижения безопасности.
Нельзя обойти вниманием такое негативное свойство СУЗ реактора
РБМК, как низкое быстродействие аварийной защиты. При средней
скорости перемещения стержней СУЗ 0.4 м/с по сигналам АЗ общее время
их ввода в активную зону находилось в пределах 1820 секунд. Даже с
учетом уже рассмотренных примеров подобная скорость представляется
чересчур низкой. Это кажется тем более труднообъяснимым после
рекомендаций, выданных комиссией, производившей расследование причин
и обстоятельств аварии [11] на 1-ом блоке Ленинградской АЭС в ноябре
1975 года. Правда, кое-какие меры по повышению эффективности АЗ все
же были приняты: на всех блоках вторых очередей АЭС с РБМК-1000 общее
количество стержней СУЗ было принято равным 211-ти вместо 179-ти на
блоках РБМК первых очередей. Однако, это не повлияло на скоростную
эффективность АЗ. И, завершая обсуждение вопросов эффективности и
особенностей конструкции органов СУЗ РБМК, следует обратить внимание
на еще одну немаловажную деталь.
Укороченные стержни-поглотители (УСП) СУЗ предназначены для
коррекции высотного распределения нейтронного поля реактора. Они
обладают несколько меньшим, чем РР, АЗ, ПКАЗ физическим весом
(примерно на 30%, согласно [2]). Однако, в силу того, что УСП вводятся в
активную зону снизу, им в начальный период времени после срабатывания
АЗ что называется "цены нет", поскольку они способны при вводе с той же
скоростью 0.4 м/с большей частью скомпенсировать эффект обезвоживания
каналов СУЗ вследствие "выдавливания" воды вытеснителями стержней с
верхним расположением. Да и в случае роста паросодержания в ТК,
который наиболее ощутим на экономайзерном участке, т.е. в нижней части
технологических каналов, ввод УСП в активную зону для компенсации
основной составляющей парового эффекта реактивности да еще за
сравнительно короткое время был бы несомненно полезен. К сожалению,
ввод УСП по сигналам аварийной защиты предусмотрен не был...
2.4 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 68 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 23 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 - 3000К.
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 100150 раз скорость разотравления находилась в
пределах 0.10.2
ЭФ
в минуту, что явно не позволяет считать ксенон
лидирующим фактором в инициировании и развитии этой аварии.
2.5 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 (5658) тыс. м
3
/час, в то время как номинальное значение расхода в
соответствии с [15] составляет 48 тыс. м
3
/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 12 градуса
при номинальном значении около 12С. 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 м
3
/ч при расходе
питательной воды на сторону менее 500 м
3
/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 м
3
/ч, а в ходе испытаний
достиг 11000 м
3
/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