Томас Маклафлин - Обзор ядерных аварий с возникновением СЦР (LA-13638)

• Название: Обзор ядерных аварий с возникновением СЦР (LA-13638)
• Автор: Томас Маклафлин
• Издательство: Лос-Аламосская национальная лаборатория
• Жанр: Физика
• Год: 2003

Обсуждаются ядерные аварии с возникновением самоподдерживающейся цепной реакции (СЦР) и характеристики разгона на мгновенных нейтронах на критических сборках. Рассмотрено 60 аварий на различного типа оборудовании и установках. Приводятся детали, позволяющие читателю понять физическую картину, химические процессы во время аварии, а также предоставляется информация об административной обстановке на промежутке времени, предшествующем возникновению аварии, в тех случаях, когда она доступна. Приводится картина изменения мощности во времени, приводятся данные об энерговыделении, последствиях и причинах аварии. Для описания тех аварийных ситуаций, которые возникли на промышленных предприятиях, в настоящую версию были включены два новых раздела. В первом из них содержится анализ и выводы о физических и ядерно-физических свойствах систем, в которых происходила цепная реакция. Во втором обобщаются наблюдения и обсуждаются извлеченные уроки. Обсуждение случаев резкого превышения мощности крупных энергетических реакторов не включено в данный отчет.

---

Материал

Масса делящегося материала: это масса либо 235U, либо 239Pu. Тип делящегося материала приводится рядом с элементом столбца, означающим массу. В трех авариях, 9, 15 и 22, уран имел степень обогащения соответственно 22,6; 6,5 и 18,8 весовых процента. Для этих аварий в столбце «Масса делящегося материала» также приводится атомное отношение водорода к 235U. Для восьми аварий с плутонием было принято, что имелось 95 весовых % 239Pu.

Концентрация делящегося материала: это отношение массы делящегося материала к его объему в предположении, что смесь однородна.

Оцененная критическая масса в сфере: элементы этого столбца представляют собой значения сферической критической массы, определенные как отношение делящейся массы к коэффициенту формы. Эти оцененные массы используются как мера согласованности или согласия условий восстановленных картин аварий с установленными условиями возникновения цепной реакции. Для аварий 9, 15 и 22 критическая масса в сфере была подогнана к величине при полном отражении водой.

Обсуждение

Традиционно о методиках такого типа, которые использовались для создания оцененных значений, представленных в таблице 9, говорят как о вычислениях на «оборотной стороне конверта». Эти вычисления характеризуются математической простотой, и их результаты лучше назвать оценками, когда они сопоставляются с компьютерными вычислениями. В некоторых случаях этих оценок достаточно, и нет необходимости проводить более детально расчеты по компьютерным программам. Эти результаты характеризуются как оценки в соответствии с первым моральным принципом Вилера: «Никогда не делайте расчетов, пока вы не знаете ответа. Делайте оценки перед каждым расчетом…» 36.

Рисунок 36. Отношение критической массы растворов U(93 %)O2F2 в цилиндре к их критической массе в сфере (без отражателя и с водяным отражателем) в зависимости от отношения высоты цилиндра к его диаметру.

Рисунки 37, 38 и 39 взяты, с некоторыми изменениями, из отчета Лос-Аламосской национальной лаборатории LA-10860 35. Эти три рисунка содержат точки, соответствующие приведенным в таблице 9 значениям плотности делящегося материала (или атомному отношению) и оцененной сферической критической массы для двадцати двух восстановленных аварий. Рисунок 38 содержит кривые для систем с обогащением урана, соответствующим 2.0, 3.0, 5.0, 30.3 и 93.0 процентам. На этот рисунок также наложены точки для аварий 9, 15 и 22.

Поскольку кривые на рисунке 38 относятся к водяным отражающим системам, эти точки были смещены вниз, поскольку реальные аварии происходили в условиях относительного отсутствия отражателей.

Можно было бы выполнить дополнительную подгонку к реальной концентрации делящегося материала и к оцененной критической массе в сфере. Например, при оценке можно было бы учесть влияние поглощения нитратом и органический, в противоположность водному, базовый состав. Разумеется, требуется решить, имеют ли смысл такие подгонки и приведут ли они к таким оцененным значениям, которые будут находиться в лучшем согласии с кривыми, представленными на рисунках 37, 38 и 39. Проведение таких подгонок не может быть оправданным. Отсутствие технических деталей, представленных в описаниях аварий, препятствует обоснованному уточнению оценок. Недостаток технической информации также мешает любой попытке осмысленного, более детального нейтронного компьютерного моделирования.

Рисунок 37. Критические массы гомогенных сфер.

Аварии с делящимся материалом, содержащим уран; цифры внутри кружка означают номер аварии.

Выводы

Принимая во внимание эффекты частичного отражения и свойственные оценкам погрешности, можно сделать вывод, что положения 19 точек из 22 точек, нанесенных на рисунках 37, 38 и 39, в достаточной степени подтверждают согласие между условиями возникновения аварий, которые приводятся в их описаниях, и известными условиями возникновения самоподдерживающейся цепной реакции. Оцененные значения для аварий 1, 7 и 9 кажутся отчасти сомнительными в том отношении, что для возникновения критичности при гипотетических условиях этих аварий в отсутствие отражения потребовалась бы большая масса, чем та, что приведена в сообщениях об авариях. Однако оценки для аварий 1 и 7 оказались бы в разумном согласии с реальными величинами, если было бы учтено наличие частичного отражения во время аварии. Следует заметить, что в этих двух случаях «недостающая» масса не больше по величине, чем в других восстановленных авариях (особенно в авариях 12, 14 и 17), в которых сообщенная величина массы превышает величину, являющуюся известным условием возникновения критичности. Расхождение в случае аварии 9 также согласуется с большой неопределенностью массы, указанной в отчете об аварии. Нельзя выделить никаких систематических особенностей, которыми отличались бы между собой аварии в РФ, США, Объединенном Королевстве и в Японии.

Рисунок 39. Критические массы гомогенных плутониевых сфер с водяным замедлителем. Точки между кривыми относятся к раствору Pu(NO3)4 с избыточным содержанием HNO3 с концентрацией 1 моль/л и содержанием 240Pu, равным 3,1 %, в системе с водяным отражателем. Аварии показаны кружками с номерами.

Аварии с делящимся материалом, содержащим плутоний; цифры внутри кружка означают номер аварии.

Выход числа делений

В таблице 10 приведены для 22 аварий оцененные значения выделенной энергии делений. В настоящей редакции была сделана попытка распределить выход числа делений в пике по категориям так, чтобы они совпадали с описанными в предыдущих двух редакциях этого отчета и определениями, приведенными в приложении. Эти определения для удобства читателя повторены здесь.

Пик (мгновенный всплеск мощности): начальный импульс мощности при мгновенном резком увеличении мощности, ограниченный механизмом самогашения. См. мгновенное резкое увеличение мощности.

Мгновенное резкое увеличение мощности: резкое выделение ядерной энергии в результате мгновенной критической конфигурации делящегося материала. Обычно за резким пиком мощности следует плато, которое может прерываться меньшими пиками.

Из данных, полученных в экспериментах по резкому увеличению мощности в растворах, таких, как многие из экспериментов CRAC 5 и SILENE 4, ясно, что имеется плавный переход от резких выбросов мощности, при которых максимальная реактивность не достигает мгновенной критической реактивности, к таким выбросам мощности, при которых она слегка превышает мгновенную критическую реактивность. Не существует значительного различия между изменениями мощности во времени при двух резких выбросах мощности, один из которых происходит при максимальной реактивности 0,90 р, а другой — при максимальной реактивности 1,10 р. В обоих случаях обнаруживается начальный пик, за которым с интервалом приблизительно от 10 до 20 секунд следуют повторяющиеся пики меньшей энергии, в конце концов переходящие в квазиплато. Только тогда, когда максимальная реактивность достигает приблизительно 0,50 р или меньшего значения, традиционный пик не присутствует.

Другим результатом экспериментов CRAC 5 и SILENE 4, который можно сопоставить с перечисленными в таблице 10 значениями выхода числа делений при авариях, является удельный выход первого выброса мощности, т. е. пика мощности. В экспериментах, в которых максимальная реактивность достигала приблизительно 0,50 р или больших значений, удельный выход делений в пике составлял всегда примерно 1,0 X 1015 делений на литр, за исключением очень быстрых выбросов мощности, таких, в которых обратный период был много больше, чем 100 с-1. Для этих очень быстрых выбросов мощности были измерены значения удельного выхода числа делений вплоть до нескольких единиц на 1015 делений на литр. Значения выхода числа делений в пике при авариях, которые приводятся в таблице 10, согласуются со значениями удельного выхода, полученными в экспериментах CRAC 5 и SILENE 4, в которых ни одно значение не превышает нескольких единиц на 1015 делений на литр. Однако, описаны три случая, когда значения выхода в пике (аварии 4, 6 и 8) выпадают из этого правила и значительно ниже 1015 делений на литр. Это либо указывает на медленный выброс мощности, в котором пик в классическом смысле отсутствует, либо оценка величины выхода просто некорректна. Поскольку нет никакого неопровержимого свидетельства в пользу той или другой интерпретации, эти элементы таблицы были оставлены такими, какими они были представлены в предыдущих редакциях.

Почти в половине случаев аварий, перечисленных в таблице 10, не имелось никакого резкого пика мощности. Это следует интерпретировать как указание на медленный выброс мощности, т. е. такой выброс, когда интервалы времени между пиками мощности составляют минуты или более, а следовательно, обратный период равен 10 мс-1 или менее. Заметим, что авария 20 была в металлической системе. Хотя не существует никаких экспериментов с металлическим плутонием, дающих основу для сравнения, в двух авариях с возникновением СЦР в эксперименте с металлическим плутонием в Лос-Аламосе (1945 и 1946 годы) были подобные же значения удельного выхода в пике.