Теплотехнические причины Чернобыльской аварии

В.М.Федуленко, в 1986 г.  начальник лаборатории теплотехнических расчётов канальных реакторов,  отд. 33  ИАЭ им. И.В.Курчатова

Несколько слов об особенностях  конструкции реактора. Сначала немного истории и об особенностях конструкции реактора РБМК (конечно, того времени, т.е. двадцатипятилетней давности). Как известно, прототипом реактора РБМК стал промышленный реактор – наработчик оружейного плутония (уран-графитовый реактор с водой-теплоносителем). Два таких реактора недалеко от Томска и один – недалеко от Красноярска до сих пор надежно работают (вот уже больше 40 лет) и производят тепло и электроэнергию. Остановлены они будут, скорее всего, после пуска замещающих мощностей по коммунальному теплоснабжению.

В начале 60-х годов в нашем отделе стали рассчитывать и проектировать энергетический канальный реактор РБМ (Реактор Большой Мощности с тепловой мощностью более 3000 МВт),  прототипом которого стал промышленный энергетический  реактор типа АДЭ, производящий оружейный плутоний. С целью повышения давления в контуре циркуляции и повышения к.п.д. реакторной установки (РУ) рассматривались варианты давления в контуре от 50 до 70 атмосфер. Поэтому было принято решение в трубах каналов и оболочек твэлов использовать сплав циркония. В качестве топлива рассматривался диоксид урана.   Энергетическая реакторная установка рассматривалась двухконтурной. В каналах активной зоны с максимальной мощностью допускалось только минимальное подкипание теплоносителя (поверхностное кипение на оболочках твэлов). Из-за большой тепловой мощности реакторная установка оказалась весьма громоздкой с большим расходом воды и «тяжелым» энергетическим «хвостом», то есть теплообменным оборудованием на стыке первого и второго контуров. На III Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии, проходившей  летом в 1964 г., англичане рассказали о проекте своего канального энергетического реактора с тяжелой водой в качестве замедлителя (SGHWR). По их расчётам и экспериментам, в каналах можно было допускать максимальное паросодержание до 20-30 %, что позволяло в реакторе иметь одноконтурную систему циркуляции и направлять сепарированный слегка радиоактивный  пар непосредственно в турбину.  По предложению С. М. Фейнберга было принято решение проектировать реактор РБМ кипящим (РБМК) с отбором пара из сепараторов пара непосредственно на турбины (без использования громоздких теплообменников). Технические условия на проектирование реактора РБМК были составлены осенью 1964 г.. А технические условия на проектирование первого промышленного реактора были  составлены  ещё в 1946 г..
Так вот, в технических условиях на промышленный энергетический  реактор много лет назад было записано, что стержни аварийной защиты должны останавливать реактор за 2-3 секунды. Это требование на промышленных реакторах практически выполнено с момента их строительства, стержни аварийной защиты полностью вводятся в активную зону за время около 5-6 секунд, а «глушится» реактор к 3-ей секунде, когда стержни примерно наполовину входят в активную зону реактора. Недавно в архиве прочитал Проектное техническое задание на 1-ый промышленный реактор, сентябрь 1946 г. (реактор А, ласково его звали «Аннушкой»;  пущен в июне 1948 г, остановлен в 1987 г.). Задание подписано И. В. Курчатовым и В. И. Меркиным. В нём подчёркнуто требование: «Время заполнения аварийных каналов поглотителем должно быть минимальным, желательно, чтобы это время не превышало 0,5 секунды». Речь следует о гидравлических каналах аварийной защиты, которые должны были заполняться поглощающей нейтроны жидкостью. Требование жёсткое и вряд ли выполнимое. Но всё же…
В другом документе «Техническое задание на составление проекта установки АД», ноябрь 1949 г, подчёркнуто, что «время заполнения аварийных каналов поглотителем должно быть минимальным  и не превышать 1,5 секунды». Здесь говорится о стержнях-поглотителях аварийной защиты. Утверждено Техническое задание академиком  А. П. Александровым.
В технических условиях на реактор РБМК-1000 было записано такое же требование, как и на промышленные реакторы. Однако в процессе работы над проектом реактора оказалось, что осуществить ускоренный ввод стержней СУЗ в активную зону за 2-3 сек затруднительно. Пошли по другому пути. Как оказалось, трагическому.
В промышленных реакторах контур охлаждения стрежней СУЗ разомкнут, охлаждающая вода, пройдя реактор, не возвращается обратно в контур. Поэтому в нём сравнительно легко организовать охлаждение каналов СУЗ путём так называемого плёночного охлаждения, при котором стержни под собственным весом «падают» практически в пустой канал, так как охлаждающая вода стекает в виде плёнки по поверхности трубы. В реакторе РБМК контур замкнут, каналы СУЗ заполнены водой полностью, плёночное охлаждение организовать затруднительно, поэтому стержни СУЗ вводятся принудительно и с меньшей скоростью (вода тормозит движение стержней вниз, поэтому сброс стержней под собственным весом исключён). Конструкторы пошли по упрощённому пути:  физический «вес» стержней, т.е. способность поглощать тепловые нейтроны, увеличили, а скорость принудительного ввода уменьшили так, что в активную зону стержни вводились за 18 секунд, т.е. почти в три-четыре раза медленнее, чем в промышленных реакторах. Для группы стержней аварийной защиты замедление ещё большее, почти в 5 раз.  Когда об этой особенности реактора услышали американцы в Вене в МАГАТЭ в 1986 г. из уст В. А. Легасова (он рассказывал о Чернобыльской катастрофе), то очень удивились, заявив, что еще в 1953 г. ими было выдвинуто категорическое требование к скорости ввода аварийных стержней в 2-3 секунды, чтобы исключить любую возможность неуправляемого разгона реактора на мгновенных нейтронах. Это требование на промышленных реакторах реализовано с момента их проектирования и пуска, т.е. с 1947-48 гг.
Ещё об одной роковой особенности аварийной защиты реактора. Однажды в середине 70-х годов в институте Курчатова обсуждался проект строительных конструкций Чернобыльской А.Э.С. Речь зашла о бетонных конструкциях подреакторного помещения: уж слишком оно показалось глубоким. В результате обсуждения было принято предложение сэкономить бетон и уменьшить глубину подреакторного пространства почти на 2 метра. В результате пришлось уменьшить длину вытеснителей стержней СУЗ до 4,5 м, так как полная их длина (7 м) уже не помещалась в подреакторном пространстве, если поглощающие нейтроны стержни СУЗ введены в активную зону на всю их длину. Решение было обоснованным: вытеснители стержней СУЗ были введены в проект для экономии нейтронов, а эффективность их оптимальна, если вытеснители (в случае вывода поглощающих стержней полностью из активной зоны) располагаются в центральной её части. Верхние и нижние края вытеснителей, располагаясь на периферии, неэффективны, так как там мало тепловых нейтронов.
(В скобках поясним, что вытеснители  выполнены из графита в оболочке из сплава алюминия. Графит значительно меньше поглощает тепловые нейтроны, чем вода, поэтому вытеснители призваны вытеснять воду из каналов СУЗ, когда поглощающие стержни выведены в верхнее положение и не участвуют в регулировании мощности реактора. Их задача – экономить тепловые нейтроны. О безопасности не вспомнили).
Это решение привело к тому, что в нижней  части активной зоны в каналах СУЗ оказался столб воды около 1,2 м высотой, в верхней части около 2 м высотой, когда поглощающая часть стержней СУЗ выведена из активной зоны. Такая ситуация часто возникает в переходных режимах на всех реакторах, особенно после кратковременных остановок, или при переводе реактора РБМК с бóльшей мощности на меньшую. В это время снижается запас реактивности вследствие «отравления» активной зоны продуктами деления урана (в основном,  ксеноном), стержни из реактора выводятся в верхнее положение. Чтобы поддержать мощность на меньшем уровне или вывести её на необходимый уровень при пуске, нужно уменьшить «бесполезное» поглощение тепловых нейтронов, что и делается путем извлечения стержней СУЗ из активной зоны.

Еще записи на эту же тему:

Метки:


Страницы: 1 2 3 4

Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2017 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.