Кіріспе

Ядролық реактордың істен шығуының түрі. Салқындатқыш сұйықтығын жоғалту апаты (LOCA) – ядролық реактордың ақаулық режимі; тиімді басқарылмаса, LOCA салдары реактордың активтік аймағына зақым келтіруі мүмкін. Әрбір ядролық станцияның авариялық активтік аймақты салқындату жүйесі (ECCS) LOCA жағдайында жұмыс істеу үшін арнайы жасалған. Ядролық реакторлар жылуды іштен өндіреді; осы жылуды алып тастау және оны пайдалы электр энергиясына айналдыру үшін салқындатқыш жүйе қолданылады. Егер осы салқындатқыш ағыны азайса немесе толығымен жоғалса, ядролық реактордың авариялық тоқтату жүйесі тізбектік бөліну реакциясын тоқтатуға арналған. Алайда, радиоактивті ыдырау салдарынан ядролық отын маңызды мөлшерде жылу өндіруді жалғастырады. Реактор толық қуаттан тоқтатылған кезде пайда болатын ыдырау жылуы реактордың номиналды жылу қуатының шамамен 5-6% құрайды. Егер ECCS-тың барлық тәуелсіз салқындату контурлары жобаланғандай жұмыс істемесе, бұл жылу отынның температурасын реакторды зақымдауға дейін көтере алады. Су болған жағдайда, ол қайнап, құбырлардан жарылып шығуы мүмкін. Осы себепті атом электр станциялары қысыммен жұмыс істейтін қауіпсіздік клапандарымен және салқындату суының қосалқы көздерімен жабдықталған. Егер графит пен ауа болса, графит тұтанады, радиоактивті ластану таралуына әкелуі мүмкін. Бұл жағдай тек AGR, RBMK, Magnox және графитті нейтрондық баяулағыш ретінде пайдаланатын қару өндіру реакторларында кездеседі (Чернобыль апаты мен Windscale өртіне қараңыз). Отын мен реактордың ішкі құраулары балқыуы мүмкін; егер балқыған конфигурация сыни күйде қала берсе, балқыған масса жылу өндіруді жалғастырады және реактордың түбіне дейін балқып өтуі мүмкін. Мұндай оқиға ядролық балқыту деп аталады және оның ауыр салдары болуы мүмкін. "Қытай синдромы" деп аталатын процесс осының шегіне жеткен жағдайда: балқыған масса топырақ арқылы жер асты суына (және одан төмен) өтеді. Алайда, ядролық бөліну реакциялары туралы қазіргі түсініктер мен тәжірибе балқыған массаның жылу өндіруді жалғастыру үшін тым шашырап кететінін көрсетеді; мысалы, Чернобыль апатында реактордың активтік аймағы балқыды және активтік аймақ материалы жертөледе табылды, тізбектік реакцияны жалғастыру үшін тым кеңінен тараған (бірақ әлі де қауіпті радиоактивті). Кейбір реактор конструкцияларында осындай экстремалды жағдайларда балқытудың алдын алатын пассивті қауіпсіздік мүмкіндіктері бар. Мысалы, Pebble Bed реакторы отынның жоғары температураға төтеп беруге қабілетті. Тағы бір мысал – CANDU реакторы, онда екі үлкен массадағы салыстырмалы түрде салқын, төмен қысымды су бар (біріншісі ауыр су баяулағышы; екіншісі жеңіл сумен толтырылған қорғаныш резервуары), олар жылуды сіңіретін құрылғылар ретінде әрекет етеді. Тағы бір мысал – сутегі баяулағышының өздігінен реттелетін ядролық қуат модулі, онда уран гидридті отынның химиялық ыдырауы сутегі баяулағышын алып тастау арқылы бөліну реакциясын тоқтатады. Осы принцип TRIGA зерттеу реакторларында қолданылады. Жұмыс жағдайында реактор LOCA немесе оның салқындатқыш жүйесінде көпіршіктер пайда болған жағдайда (мысалы, су қайнауы арқылы) өзінің қуатын пассивті түрде (яғни, басқару жүйелері болмаған жағдайда) арттыра немесе азайта алады. Бұл салқындатқыш көпіршігінің коэффициентімен өлшенеді. Көптеген қазіргі заманғы ядролық электр станциялары теріс көпіршік коэффициентіне ие, яғни су буға айналғанда қуат дереу төмендейді. Екі ерекшелік – советтік RBMK және канадтық CANDU. Ал қайнаған су реакторлары реактор ыдысының ішінде бу көпіршіктері болуы үшін жасалған. Қазіргі заманғы реакторлар түрлі техникаларды қолдана отырып, көпіршік коэффициентіне қарамастан, салқындатқыш жоғалтудың алдын алуға және оған төтеп беруге арналған. Кейбір реакторлар, мысалы, тас төсегі реакторы, салқындатқыш жоғалған кезде тізбектік реакцияны пассивті түрде баяулатады; ал басқалары тізбектік реакцияны тез тоқтату үшін кең ауқымды қауіпсіздік жүйелеріне ие және одан әрі зақымдану қаупін азайтатын кең ауқымды пассивті қауіпсіздік жүйелеріне ие болуы мүмкін (мысалы, реактордың активтік аймағының айналасындағы үлкен жылулық жылу сіңіргіші, пассивті түрде іске қосылған қосалқы салқындату/конденсациялау жүйелері немесе пассивті түрде салқындатылған оқшаулау құрылымы).

Салқындатқыш жоғалғаннан кейінгі өрлеу

Жағдайдың алдын алу үшін көп жұмыс жүргізіледі. Егер мұндай оқиға болса, үш түрлі физикалық процесс апаттың басталуы мен үлкен мөлшердегі радиоактивтіліктің шығарылуы арасындағы уақытты ұзартуы мүмкін. Бұл үш фактор станция операторларына оқиғаның салдарымен күресу үшін қосымша уақыт береді: Судың қайнауға кеткен уақыты (салқындатқыш, модератор). Апат болған кезде реактор дереу тоқтатылады (барлық басқару таяқшалары бірден және толығымен енгізіледі), бұл жылу қуатын азайтып, қайнауды одан әрі кешіктіреді. Отынның еруіне қажетті уақыт. Су қайнағаннан кейін, отынның балқу температурасына жетуіне қажетті уақыт, бөлініс өнімдерінің ыдырауынан түсетін жылуға, отынның жылу сыйымдылығына және отынның балқу температурасына байланысты болады. Еріген отынның бірінші қысым шекарасын бұзуға қажетті уақыт. Ядроның балқыған металлының бірінші қысым шекарасын бұзуға қажетті уақыт (жеңіл су реакторларында – қысым ыдысы; CANDU және RBMK реакторларында – қысыммен ұсталатын отын арналарының жиынтығы; Атуча I сияқты PHWR реакторларында – арналар мен қысым ыдысының екі еселі тосқауылы) температура мен шекара материалдарына байланысты болады. Зақымдалған ядроның ішіндегі немесе одан тыс жағдайларда отынның сындылығын сақтап қалуы маңызды рөл атқарады.

Фукусима Дайичи ядролық апаты

2011 жылы Фукусима Дайичидегі ядролық апат салқындатқыш жүйесінің жұмысын тоқтату салдарынан болды. Салқындатқыш сорғыларын электр қуатымен қамтамасыз ететін тізбектер істен шығып, ядроны салқындату тоқтады, бұл реакторлар тоқтатылғаннан және ядролық бөліну аяқталғаннан кейін де пайда болатын қалдық жылуды кетіру үшін өте қажетті еді. Реактордың активтік аймағын салқындатудың тоқтауы үш ядролық балқуға, үш сутегілік жарылысқа және радиоактивті ластанудың таралуына әкелді. Сутегілік жарылыстар отын қаптамаларындағы будың әсерінен цирконийдің тотығуына тікелей байланысты, бұл салқындатқыш жүйесінің жұмысын тоқтатудың салдары болды.

Отын жапқыштары

Реакторлардың көпшілігі отын таяқшаларының қаптамасын жасау үшін цирконий қорытпасын пайдаланады, себебі ол коррозияға төзімді және нейтрондарды аз сіңіреді. Дегенмен, цирконий қорытпаларының бір маңызды кемшілігі – олар қатты қызғанда тотығып, сумен (бумен) тікелей және күшті жылу бөліп шығаратын реакцияға түседі, нәтижесінде сутек пайда болады: Zr + 2H2O > ZrO2 + 2H2. Фукусима-1 ядролық апатындағы сутек жарылыстары осы секілді реакциялардың салдарынан болды.

Жарылу мінез-құлқы

Қалдық ыдырау жылуы отын қаптамасының температурасы мен ішкі қысымын тез өсіреді, бұл пластикалық деформацияға және одан кейінгі жарылуға алып келеді. Салқындатқыш жоғалту жағдайында цирконий негізді отын қаптамалары бір мезгілде жоғары температурада тотығу, фазалық өзгерістер және пластикалық деформацияға ұшырайды. Зерттеушілер осы механизмдерді жарылу критерийлері модельдерін қолдана отырып, жан-жақты зерттеді. Бір зерттеуде зерттеушілер Zircaloy 4 отын қаптамалары үшін жарылу критерийін жасады және бу ортасының қаптамалардың бұзылуына тигізетін әсері төмен температурада едәуір емес екенін анықтады. Алайда, жарылу температурасы жоғарылағанда Zircaloy 4 қаптамаларының тез тотығуы жүреді, бұл оның пластикалық қасиеттерінің күрт төмендеуіне әкеледі. Шындығында, жоғары температурада жарылу деформациясы дерлік нөлге жетеді, бұл тотыққан қаптаманың жергілікті түрде соншалықты хрупты болғанын көрсетеді, ол одан әрі деформация немесе кернеусіз-ақ бұзылуға бейім. Цирконий қорытпасының сіңіретін оттегінің мөлшері жарылуға дейін буға (H2O) ұшыраған уақытына байланысты. Жоғары қызу жылдамдықтары мен ішкі қысымнан болатын жылдам жарылу кезінде тотығу едәуір емес. Дегенмен, тотығу төмен қызу жылдамдықтары мен төмен бастапқы ішкі қысымда сыну процесінде маңызды рөл атқарады.

Окистенуге төзімділік қаптамалары

Цирконий қорытпасынан жасалған негіздердің (субстраттардың) тотығуға төзімділігін арттыру үшін оларды қаптауға болады. Бір зерттеуде зерттеушілер Zirlo негізін Ti2AlC MAX фазасымен гибридтік доға/магнетронды шашырату әдісі арқылы, содан кейін ысыту арқылы қаптады. Олар кейіннен 1000 °C, 1100 °C және 1200 °C температурада, әртүрлі уақыт аралығында таза бу ортасында механикалық қасиеттерін және тотығуға төзімділігін зерттеді. Нәтижелер көрсеткендей, Zirlo негізін Ti2AlC-мен қаптау, қара салыстырғанда (жалаңаш негіз), оның қаттылығы мен серпімділік модулін арттырды. Сонымен қатар, жоғары температурада тотығуға төзімділік айтарлықтай жақсарды. Ti2AlC-нің басқа қаптама материалдарынан артықшылығы – нейтрондық сәулелендіру кезінде жоғары тұрақтылық, төмен жылулық кеңею коэффициенті, жақсы жылулық соққыға төзімділік және жоғары температурада тотығуға төзімділік. 1-кесте қаптаудың нәтижесінде жақсарған механикалық қасиеттерді және пластикалық деформацияға төзімділікті көрсетеді. +1-кесте. Негіздің және қапталған материалдың механикалық қасиеттеріҚаттылық (GPa)Серпімділік модулі (GPa)H/EH3/E2 (GPa)Негіз5.39 ± 0.1129.92 ± 3.10.040.01Ti2AlC қапталған материал14.24±0.1230.8±3.10.060.05 Таяу уақытта жүргізілген тағы бір зерттеуде Cr және FeCrAl қаптамалары (циркалой 4-ке атмосфералық плазмалық шашырату технологиясымен жабылған) салқындатқыш сұйықтығының жоғалуының модельденген жағдайларында бағаланды. Cr қаптамасы жоғары тотығуға төзімділігін көрсетті. Cr қаптамасындағы тығыз Cr2O3 қабатының пайда болуы Zr негізін тотығудан қорғайтын оттегінің таралуына кедергі ретінде әрекет етті, ал FeCrAl қаптамасы жоғары температурада қаптама мен Zr негізі арасындағы диффузия салдарынан нашарлап, Zr тотығуын мүмкін етті.