1.1.1. Избыточная реактивность
Избыточная реактивность (или иначе запас реактивности) – один из главных видов опасностей среди возможных, т.к. может служить мощным внутренним инициатором реактивностной аварии, почти неизбежно приводящей к быстрому и крупномасштабному разрушению реактора.
Поддержание
цепной реакции деления требует, чтобы
эффективный коэффициент размножения
нейтронов
в ядерном реакторе равнялся единице.
Поэтому реактору обязательно требуется
начальный (пусть малый) запас реактивности,
достаточный для компенсации выгорания
топлива и отравления (если оно возникает)
реактора продуктами деления в течение
кампании. Компенсация этой избыточной
реактивности в современных реакторах
обычно осуществляется стержнями
регулирования и/или введением жидкого
поглотителя в замедлитель (активные
средства обеспечения безопасности).
При возникновении аварии из-за каких-либо
непредусмотренных воздействий на
реактор стержни регулирования или
устройства ввода жидкого поглотителя
могут оказаться выведенными
из строя
(блокированными).
Следовательно, существует принципиальная возможность отделения активных средств обеспечения безопасности от самого защищаемого объекта.
Можно предполагать, что вероятность неконтролируемой цепной реакции (при прочих равных условиях) тем выше, чем больше запас реактивности реактора. В современных энергетических реакторах он может быть очень большим. Например, в реакторах ВВЭР он составляет ~ 20%, т.е. ~ 30-40 . Неконтролируемое высвобождение хотя бы части этого запаса может привести к катастрофическим последствиям. Не следует думать, что разработчики реакторов не догадывались о такой возможности. Дело в том, что экономический проигрыш от частых перегрузок топлива, наоборот, уменьшается с ростом запаса реактивности. Разработчики реакторов типа ВВЭР сознательно пошли на увеличение запаса реактивности для улучшения экономических показателей в надежде, что системы безопасности справятся с аварийной ситуацией, если она возникнет.
Снижение опасности, связанной с запасом реактивности, может осуществляться по трем направлениям.
Оснащение реактора дополнительными активными внешними средствами снижения риска неконтролируемой цепной реакции: использование новых быстрых типов регуляторов, защит и блокировок, функциональное или элементное резервирование регуляторов, защит и блокировок и т.д.
Использование внутренних и пассивных средств воздействия на критичность, т.е. неотделимых от реактора по физическим, химическим, механическим свойствам способов влияния на коэффициент размножения: создание условий для КВ~1 в активной зоне, использование выгорающих поглотителей и т.п.
Разработка таких конструкций и использование таких режимов работы реакторов, которые обеспечивали бы невозрастание запаса реактивности при любых (в том числе аварийных) изменениях конфигурации активной зоны.
1.1.2. Остаточное тепловыделение и концентрация р/а продуктов в активной зоне реактора
Р/а продукты, их распад и связанное с ним остаточное тепловыделение –неизбежное следствие процессов деления в ядерном реакторе. Практически все типы реакторов не слишком сильно отличаются по количеству накапливаемых р/а веществ на единицу мощности.
По этому показателю все ядерные реакторы примерно одинаково опасны.
Различия возникают, когда сравниваются меры, например, по снижению концентрации р/а веществ, увеличению числа защитных барьеров и их надежности и т.п.
В аварийных ситуациях обеспечение безопасного расхолаживания, т.е. снятия остаточного тепла – одна из главных забот оперативного персонала. Потому что, например, в реакторах типа ВВЭР в случае полного обезвоживания даже остановленного реактора разрушение оболочек твэлов может произойти уже через 5 сек, а ТВС развалится через 20 сек. Для этих реакторов запас времени от момента потери теплоносителя основного контура до подключения систем аварийного охлаждения не превышает 1-3 мин.
Остаточное тепловыделение может стать главной причиной выхода р/а веществ из реактора в окружающую среду.
Опасность таких последствий при прочих равных условиях монотонно растет с ростом концентрации р/а веществ в ядерном реакторе. Вместе с тем, растет и экономическая эффективность использования ядерного топлива по мере увеличения выгорания, а значит концентрации накапливаемых р/а веществ. Современные ядерные реакторы накапливают ~103 Ku/MBт активности, а остаточное тепловыделение составляет ~ 6% от исходной (до остановки) мощности реактора.
Пути снижения этой опасности похожи на пути снижения опасности, связанной с большим запасом реактивности:
- организация дополнительных активных внешних средств аварийного расхолаживания (например, установка дополнительных резервуаров с водой для тепловых реакторов);
- организация внутренних пассивных средств аварийного расхолаживания (например, использование возможностей естественной циркуляции, кон-дуктивной теплопроводности и т.п.).
Эти два пути оставляют концентрацию р/а веществ в реакторе на прежнем уровне, т.е. она, как таковая, по-прежнему, остается опасным фактором в реакторе. Радикальным способом снижения опасности р/а веществ мог бы стать их перенос (по мере появления в процессе работы реактора) из активной зоны в систему регенерации, но в настоящее время его реализация нереальна.