Взрывы, вызванные кипением воды: причины и механизмы.

Введение

Взрыв, вызванный бурным кипением воды

Паровой взрыв – это взрыв, вызванный бурным кипением или мгновенным испарением воды или льда, возникающий при перегреве воды или льда, быстром нагреве мелкими горячими обломками, образующимися в ней, или нагреве в результате взаимодействия расплавленных металлов (как в топливно-охладительном взаимодействии, или ТОХ, расплавленных топливных стержней ядерного реактора с водой в активной зоне ядерного реактора после расплавления активной зоны). Паровые взрывы являются примерами взрывного кипения. Сосуды, работающие под давлением, такие как водо-водяные (ядерные) реакторы, работающие выше атмосферного давления, также могут создавать условия для парового взрыва. Вода переходит из твердого или жидкого состояния в газообразное с огромной скоростью, резко увеличивая объем. Паровой взрыв разбрызгивает пар и кипящую горячую воду, а также горячую среду, которая их нагрела, во всех направлениях (если не ограничена, например, стенками сосуда), создавая опасность ожогов. Паровые взрывы обычно не являются химическими взрывами, хотя ряд веществ химически реагируют с паром (например, цирконий и перегретый графит (нечистый углерод, C) реагируют с паром и воздухом соответственно, выделяя водород (H2), который может взрывоопасно воспламениться в воздухе (O2) с образованием воды или H2O), поэтому за химическими взрывами могут последовать пожары. Некоторые паровые взрывы, по-видимому, являются особыми видами взрыва жидкости при расширении паров (BLEVE) и основаны на высвобождении накопленного перегрева. Однако многие крупномасштабные события, включая аварии на литейных заводах, свидетельствуют о фронте высвобождения энергии, распространяющемся по материалу (см. описание ТОХ ниже), где силы создают фрагменты и смешивают горячую фазу с холодной летучей; и быстрая передача тепла на фронте поддерживает распространение. Если паровой взрыв происходит в замкнутом резервуаре с водой из-за быстрого нагрева воды, волна давления и быстро расширяющийся пар могут вызвать сильный гидроудар. Этот механизм в 1961 году в штате Айдахо, США, заставил корпус ядерного реактора SL-1 подпрыгнуть в воздух более чем на 3 метра, когда он был разрушен в результате аварии критичности. В случае SL-1 топливо и топливные элементы испарились из-за мгновенного перегрева. События такого рода также возможны, если топливо и топливные элементы водоохлаждаемого ядерного реактора постепенно расплавляются. Смесь расплавленных конструкций активной зоны и топлива часто называют «кориумом». Если такой кориум контактирует с водой, могут произойти паровые взрывы из-за сильного взаимодействия расплавленного топлива (кориума) и воды в качестве охлаждающей жидкости. Такие взрывы рассматриваются как топливно-охладительные взаимодействия (ТОХ). Интенсивность парового взрыва, основанного на топливно-охладительном взаимодействии (ТОХ), сильно зависит от так называемого процесса предварительного смешения, который описывает смешение расплава с окружающей водно-паровой смесью. В целом, смеси, богатые водой, считаются более благоприятными, чем среды, богатые паром, с точки зрения инициирования и силы парового взрыва. Теоретический максимум силы парового взрыва от заданной массы расплавленного кориума, который никогда не может быть достигнут на практике, обусловлен его оптимальным распределением в виде капель расплавленного кориума определенного размера. Эти капли окружены подходящим объемом воды, который в принципе является результатом максимальной возможной массы испаренной воды при мгновенном теплообмене между расплавленной каплей, фрагментирующейся в ударной волне, и окружающей водой. На основе этого очень консервативного предположения Теофанус провел расчеты по отказу герметичности. Однако эти оптимальные условия, используемые для консервативных оценок, не встречаются в реальном мире. Во-первых, вся расплавленная активная зона реактора никогда не будет в предварительном смешении, а только в виде ее части, например, в виде струи расплавленного кориума, ударяющей в водоем в нижнем днище реактора, фрагментирующейся там абляцией и позволяющей таким образом формировать предварительное смешение вблизи струи расплава, падающей через водоем. В качестве альтернативы, расплав может прибывать в виде толстой струи на дно нижнего днища, где он образует пруд расплава, покрытый прудом воды. В этом случае зона предварительного смешения может образовываться на границе между прудом расплава и прудом воды. В обоих случаях очевидно, что в предварительном смешении участвует далеко не весь расплавленный реакторный инвентарь, а лишь небольшой процент. Дополнительные ограничения связаны с насыщенностью воды в реакторе, то есть в ней отсутствует заметное переохлаждение. В случае проникновения фрагментирующейся струи расплава туда это приводит к увеличению испарения и увеличению содержания пара в предварительной смеси, что при содержании > 70% в водно-паровой смеси предотвращает взрыв или, по крайней мере, ограничивает его силу. Другим контрэффектом является затвердевание расплавленных частиц, которое, среди прочего, зависит от диаметра расплавленных частиц. То есть, мелкие частицы затвердевают быстрее, чем крупные. Кроме того, модели роста неустойчивости на границах между текучими средами (например, Кельвина-Гельмгольца, Рэлея-Тейлора, Конте-Майлса) показывают корреляцию между размером частиц после фрагментации и отношением плотности фрагментирующейся среды (водяно-паровой смеси) к плотности фрагментируемой среды, что также может быть продемонстрировано экспериментально. В случае кориума (плотность ~ 8000 кг/м³) образуются гораздо более мелкие капли (~ 3–4 мм), чем при использовании оксида алюминия (Al2O3) в качестве имитатора кориума с плотностью чуть менее половины плотности кориума и размером капель в диапазоне 1–2 см. Эксперименты по фрагментации струи, проведенные в JRC ISPRA в типичных реакторных условиях с массами расплавленного кориума до 200 кг и диаметрами струи расплава 5–10 см в прудах насыщенной воды глубиной до 2 м, оказались успешными в отношении паровых взрывов только при использовании Al2O3 в качестве имитатора кориума. Несмотря на различные усилия со стороны экспериментаторов, так и не удалось спровоцировать паровой взрыв в экспериментах с кориумом в FARO. (Продолжение следует)

A steam explosion is an explosion caused by violent boiling or flashing of water or ice into steam, occurring when water or ice is either superheated, rapidly heated by fine hot debris produced within it, or heated by the interaction of molten metals (as in a fuel–coolant interaction, or FCI, of molten nuclear reactor fuel rods with water in a nuclear reactor core following a core meltdown). Steam explosions are instances of explosive boiling. Pressure vessels, such as pressurized water (nuclear) reactors, that operate above atmospheric pressure can also provide the conditions for a steam explosion. The water changes from a solid or liquid to a gas with extreme speed, increasing dramatically in volume. A steam explosion sprays steam and boiling hot water and the hot medium that heated it in all directions (if not otherwise confined, e. g. by the walls of a container), creating a danger of scalding and burning. Steam explosions are not normally chemical explosions, although a number of substances react chemically with steam (for example, zirconium and superheated graphite (inpure carbon, C) react with steam and air respectively to give off hydrogen (H2), which may explode violently in air (O2) to form water or H2O) so that chemical explosions and fires may follow. Some steam explosions appear to be special kinds of boiling liquid expanding vapor explosion (BLEVE), and rely on the release of stored superheat. But many large scale events, including foundry accidents, show evidence of an energy release front propagating through the material (see description of FCI below), where the forces create fragments and mix the hot phase into the cold volatile one; and the rapid heat transfer at the front sustains the propagation. If a steam explosion occurs in a confined tank of water due to rapid heating of the water, the pressure wave and rapidly expanding steam can cause severe water hammer. This was the mechanism that, in Idaho, USA, in 1961, caused the SL 1 nuclear reactor vessel to jump over 9 feet (3 m) in the air when it was destroyed by a criticality accident. In the case of SL 1, the fuel and fuel elements vaporized from instantaneous overheating. Events of this general type are also possible if the fuel and fuel elements of a water cooled nuclear reactor gradually melt. The mixture of molten core structures and fuel is often referred to as "Corium". If such corium comes into contact with water, vapour explosions may occur from the violent interaction between molten fuel (corium) and water as coolant. Such explosions are seen to be fuel–coolant interactions (FCI). The severity of a steam explosion based on fuel coolant interaction (FCI) depends strongly on the so called premixing process, which describes the mixing of the melt with the surrounding water steam mixture. In general, water rich premixtures are considered more favorable than steam rich environments in terms of steam explosion initiation and strength. The theoretical maximum for the strength of a steam explosion from a given mass of molten corium, which can never be achieved in practice, is due to its optimal distribution in the form of molten corium droplets of a certain size. These droplets are surrounded by a suitable volume of water, which in principle results from the max. possible mass of vaporized water at instantaneous heat exchange between the molten droplet fragmenting in a shock wave and the surrounding water. On the basis of this very conservative assumption, calculations for alpha containment failure were carried out by Theofanous. However, these optimal conditions used for conservative estimates do not occur in the real world. For one thing, the entire molten reactor core will never be in premixture, but only in the form of a part of it, e. g., as a jet of molten corium impinging a water pool in the lower plenum of the reactor, fragmenting there by ablation and allowing by this the formation of a premixture in the vicinity of the melt jet falling through the water pool. Alternatively, the melt may arrive as a thick jet at the bottom of the lower plenum, where it forms a pool of melt overlaid by a pool of water. In this case, a premixing zone can form at the interface between the melt pool and the water pool. In both cases, it is clear that by far not the entire molten reactor inventory is involved in premixing, but rather only a small percentage. Further limitations arise from the saturated nature of the water in the reactor, i. e., water with appreciable supercooling is not present there. In the case of penetration of a fragmenting melt jet there, this leads to increasing evaporation and an increasing steam content in the premixture, which, from a content > 70% in the water/steam mixture, prevents the explosion altogether or at least limits its strength. Another counter effect is the solidification of the molten particles, which depends, among other things, on the diameter of the molten particles. That is, small particles solidify faster than larger ones. Furthermore, the models for instability growth at interfaces between flowing media (e. g. Kelvin Helmholtz, Rayleigh Taylor, Conte Miles, ) show a correlation between particle size after fragmentation and the ratio of the density of the fragmenting medium (water vapor mixture) to the density of the fragmented medium, which can also be demonstrated experimentally. In the case of corium (density of ~ 8000 kg/m³), much smaller droplets (~ 3 4 mm) result than when alumina (Al2O3) is used as a corium simulant with a density of just under half that of corium with droplet sizes in the range of 1 2 cm. Jet fragmentation experiments conducted at JRC ISPRA under typical reactor conditions with masses of molten corium up to 200 kg and melt jet diameters of 5 10 cm in diameter in pools of saturated water up to 2 m deep resulted in success with respect to steam explosions only when Al2O3 was used as the corium simulant. Despite various efforts on the part of the experimenters, it was never possible to trigger a steam explosion in the corium experiments in FARO. (Will be continued )

В этих событиях прохождение волны давления через предварительно диспергированный материал создает силы потока, которые еще больше фрагментируют расплав, приводя к быстрой передаче тепла и, таким образом, поддерживая волну. Значительная часть физического разрушения при аварии на Чернобыльской АЭС, реакторе РБМК-1000 с графическим замедлителем и водяным охлаждением, предположительно была вызвана таким паровым взрывом. При расплавлении активной зоны наиболее серьезным последствием парового взрыва является ранний отказ защитной оболочки. Существует две возможности: выброс расплавленного топлива под высоким давлением в защитную оболочку, вызывающий быстрый нагрев; или взрыв пара внутри сосуда, вызывающий выброс снаряда (например, верхней крышки) в защитную оболочку и сквозь нее. Менее драматичным, но все же значимым является проплавление расплавленной массы топлива и расплава активной зоны через пол реакторного здания и достижение грунтовых вод; может произойти паровой взрыв, но обломки, вероятно, будут сдерживаться и, фактически, будучи рассеянными, вероятно, будут легче охлаждаться. Подробности см. в WASH 1400. Паровые взрывы часто встречаются, когда горячая лава встречается с морской водой или льдом. Такое явление также называется береговым взрывом. Опасный паровой взрыв также может быть создан при контакте жидкой воды или льда с горячим расплавленным металлом. Когда вода взрывается паром, она разбрызгивает горящую горячую жидкость вместе с ней, создавая крайний риск серьезных ожогов для любого, кто находится поблизости, и создавая пожарную опасность.

Рафинирование биомассы

Паровая взрывная биопереработка – это промышленное применение для повышения ценности биомассы. Она включает в себя насыщение биомассы паром под давлением до 3 МПа (30 атмосфер) и мгновенное сброс давления для достижения необходимой трансформации биомассы. Промышленное применение данной технологии продемонстрировано в проекте по переработке бумажного волокна.

Паровые турбины

Взрыв водяного пара создает большой объем газа, не образуя при этом экологически вредных отходов. Контролируемый взрыв воды используется для генерации пара на электростанциях и в современных типах паровых турбин. В новых паровых двигателях нагретое масло используется для того, чтобы заставить капли воды взрываться и создавать высокое давление в контролируемой камере. Это давление затем используется для привода турбины или переоборудованного двигателя внутреннего сгорания. Взрывы горячего масла и воды становятся особенно популярными в концентрированных солнечных генераторах, поскольку воду можно отделять от масла в замкнутом контуре без затрат внешней энергии. Взрыв воды считается экологически безопасным, если тепло генерируется из возобновляемых источников.

Вспышка кипения при приготовлении пищи

Для ускорения процесса закипания используется небольшое количество воды. Например, этот прием можно использовать для расплавления ломтика сыра на котлете для гамбургера. Ломтик сыра помещают на горячую поверхность, такую как сковорода, и небольшое количество холодной воды выливают на поверхность рядом с котлетой. Затем используют сосуд (например, крышку от кастрюли или сковороды), чтобы быстро герметизировать реакцию мгновенного испарения, распределяя большую часть образовавшегося пара по сыру и котлете. Это приводит к резкому выделению тепла, передаваемого через испарившуюся воду, конденсирующуюся обратно в жидкость (принцип, также используемый при производстве холодильников и морозильных камер).

Другие применения

Двигатели внутреннего сгорания могут использовать мгновенное испарение для распыления топлива.

Другие явления быстрого кипения

Высокие скорости генерации пара могут возникать при других обстоятельствах, таких как разрушение барабана котла или на фронте тушения (например, при повторном поступлении воды в горячий сухой котел). Хотя они потенциально опасны, они обычно менее энергичны, чем события, в которых горячая ("топливная") фаза расплавлена и, следовательно, может быть мелко распылена в летучей ("охлаждающей") фазе. Примеры включают:

Взрывы пара естественным образом происходят в определенных вулканах, особенно стратовулканах, и являются основной причиной гибели людей при вулканических извержениях. В январе 1961 года ошибка оператора привела к мгновенному разрушению реактора SL-1 в результате взрыва пара. В 1986 году в результате Чернобыльской катастрофы в Советском Союзе возникли опасения по поводу крупного взрыва пара (и, как следствие, общеевропейского радиоактивного заражения) при расплавлении ядерного топлива, подобного лаве, через фундамент реактора и контакте с остаточной водой пожаротушения и грунтовыми водами. Угроза была предотвращена благодаря экстренным работам по прокладке туннелей под реактором для откачки воды и укрепления грунта бетоном. При разрушении сосуда под давлением, например, водоводной стороны парового котла, всегда следует взрыв пара в той или иной степени. Типичная рабочая температура и давление для морского котла составляют около и на выходе пароперегревателя. Паровой котел имеет границу между паром и водой в паровом барабане, где вода окончательно испаряется под воздействием тепла, обычно от мазутных горелок. При разрушении водотрубной трубы по любой причине вода в котле вырывается через отверстие в топку, давление в которой лишь на несколько psi выше атмосферного. Это, вероятно, потушит все пламя и распространится по большой площади поверхности стенок котла. Чтобы снизить вероятность разрушительного взрыва, котлы перешли от конструкции с "жаротрубными" котлами, где тепло передавалось за счет пропускания горячих газов через трубы в объеме воды, к "водотрубным" котлам, в которых вода находится внутри труб, а топка окружает трубы. Старые "жаротрубные" котлы часто выходили из строя из-за низкого качества изготовления или недостаточного обслуживания (например, коррозии жаротруб или усталости корпуса котла из-за постоянного расширения и сжатия). Разрушение жаротруб приводит к выбросу больших объемов пара высокого давления и температуры обратно вниз по жаротрубам за доли секунды, часто срывая горелки с передней части котла, в то время как разрушение сосуда под давлением, окружающего воду, приведет к полному опорожнению котла в виде мощного взрыва пара. На морском котле это, безусловно, уничтожит судовую энергетическую установку и, возможно, кормовую часть судна. Резервуары, содержащие сырую нефть и некоторые виды товарных нефтепродуктов, такие как дизельное топливо и керосин, могут быть подвержены перекипанию – чрезвычайно опасной ситуации, когда слой воды под открытым огнем в резервуаре начинает кипеть, что приводит к значительному увеличению интенсивности пожара и бурному выбросу горящей жидкости в окружающую среду. Во многих случаях нижний слой воды перегревается, в этом случае часть ее подвергается взрывному кипению. В этом случае резкость расширения еще больше усиливает выброс горящего топлива. В бытовых условиях взрывы пара могут быть вызваны попыткой потушить горящее масло водой, в процессе, называемом slopover. При возгорании масла в сковороде естественным инстинктом может быть его тушение водой; однако это приведет к перегреву воды горячим маслом. Образующийся пар быстро и с силой рассеется вверх и наружу в виде спрея, содержащего также воспламененное масло. Правильный способ тушения такого пожара – использовать влажную ткань или плотно закрыть сковороду; оба метода лишают огонь кислорода, а ткань также его охлаждает. В качестве альтернативы можно использовать негорючий специально разработанный огнегаситель или просто противопожарное полотно.

Steam explosions are naturally produced by certain volcanoes, especially stratovolcanoes, and are a major cause of human fatalities in volcanic eruptions. In January 1961, operator error caused the SL 1 reactor to instantly destroy itself in a steam explosion. The 1986 Chernobyl nuclear disaster in the Soviet Union was feared to cause major steam explosion (and resulting Europe wide nuclear fallout) upon melting the lava like nuclear fuel through the reactor's basement towards contact with residue fire fighting water and groundwater. The threat was averted by frantic tunneling underneath the reactor in order to pump out water and reinforce underlying soil with concrete. When a pressurized container such as the waterside of a steam boiler ruptures, it is always followed by some degree of steam explosion. A common operating temperature and pressure for a marine boiler is around and at the outlet of the superheater. A steam boiler has an interface of steam and water in the steam drum, which is where the water is finally evaporating due to the heat input, usually oil fired burners. When a water tube fails due to any of a variety of reasons, it causes the water in the boiler to expand out of the opening into the furnace area that is only a few psi above atmospheric pressure. This will likely extinguish all fires and expands over the large surface area on the sides of the boiler. To decrease the likelihood of a devastating explosion, boilers have gone from the "fire tube" designs, where the heat was added by passing hot gases through tubes in a body of water, to "water tube" boilers that have the water inside of the tubes and the furnace area is around the tubes. Old "fire tube" boilers often failed due to poor build quality or lack of maintenance (such as corrosion of the fire tubes, or fatigue of the boiler shell due to constant expansion and contraction). A failure of fire tubes forces large volumes of high pressure, high temperature steam back down the fire tubes in a fraction of a second and often blows the burners off the front of the boiler, whereas a failure of the pressure vessel surrounding the water would lead to a full and entire evacuation of the boiler's contents in a large steam explosion. On a marine boiler, this would certainly destroy the ship's propulsion plant and possibly the corresponding end of the ship. Tanks containing crude oil and certain commercial oil cuts, such as some diesel oils and kerosene, may be subject to boilover, an extremely hazardous situation in which a water layer under an open top tank pool fire starts boiling, which results in a significant increase in fire intensity accompanied by violent expulsion of burning fluid to the surrounding areas. In many cases, the underlying water layer is superheated, in which case part of it goes through explosive boiling. When this happens, the abruptness of the expansion further enhances the expulsion of blazing fuel. In a more domestic setting, steam explosions can be a result of trying to extinguish burning oil with water, in a process called slopover. When oil in a pan is on fire, the natural impulse may be to extinguish it with water; however, doing so will cause the hot oil to superheat the water. The resulting steam will disperse upwards and outwards rapidly and violently in a spray also containing the ignited oil. The correct method to extinguish such fires is to use either a damp cloth or a tight lid on the pan; both methods deprive the fire of oxygen, and the cloth also cools it down. Alternatively, a non volatile purpose designed fire retardant agent or simply a fire blanket can be used.