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^-1 x (100 л)^-1, а для раствора ²³⁹Pu S_Pu=10⁴ с^-1 x (100 л)^-1. Принимая l_p= l0^-4с имеем в первом случае «S_U l _p ≈ 2 ^. 10^-5, а во втором S_Pu l _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 СЦР Д, 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 СЦР Д 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 СЦР Д 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^.10^15	Испарение 1 кг урана	5,9^.10^16
Нагревание 100 л воды от 20 °С до 100 °С	10^18	Нагревание 1 кг U02 до 2647 °С	2,6^.10^16
Испарение 100 л воды	7^.10^18	Плавление 1 кг U02	7,8^.10^15
Нагревание 1 кг урана до Тпа= 1133°С	6,6^.10^15	Испарение 1 кг U02	6,6^.10^16
Плавление 1 кг урана	2,6^.10^15	Нагревание 1 кг нержавеющей стали до Гпл = 1500°С	2,3^.10^14

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.

Дата добавления: 2015-10-16