ОЦІНКА ВИБУХОПОЖЕЖНОЇ НЕБЕЗПЕКИ В ПРОЦЕСІ ЗБЕРІГАННЯ ВІДПРАЦЬОВАНОГО ЯДЕРНОГО ПАЛИВА

Анотація

На сьогодні на ЧАЕС основною спорудою загальностанційної системи зберігання відпрацьованого ядерного палива є сховище відпрацьованого ядерного палива № 1 (СВЯП-1) «мокрого типу» призначене для прийому і зберігання ВЯП. У світлі «післяфукусімських» подій завдання підвищення вибухопожежної та пожежної безпеки є пріоритетним напрямком діяльності ДСП ЧАЕС. СВЯП-1 повинно відповідати сучасним вимогам нормативних документів з безпеки як за нормальних умов експлуатації, так і під час аварійних ситуацій. У числі аварійних ситуацій, настання яких імовірне на сховищі СВЯП-1, має бути розглянутий випадок виникнення та розвитку пожежі у внутрішньому просторі залізобетонних блоків. Такий стан зумовлюється надзвичайною важливістю даного радіаційно-небезпечного об'єкта. Вибух на СВЯП-1 може статися, головним чином, через порушення правил експлуатації та пожежної безпеки, а також у разі несправностей чи відмов окремих систем. Таким чином, проблема забезпечення вибухопожежної та пожежної безпеки на СВЯП-1 є вкрай актуальною.

Метою цієї роботи було розрахункове дослідження утворення радіолітичного водню та його вибуху в приміщеннях СВЯП-1.

Методи дослідження. Вимірювання, порівняння, системний аналіз, фізико-математичне моделювання.

Основні результати дослідження. Основною метою забезпечення вибухопожежної та пожежної небезпеки СВЯП-1 є запобігання неконтрольованому розвитку ядерних реакцій і поширенню радіації. При опроміненні води випромінюванням з низькою густиною іонізації (наприклад, γ-променями) переважає реакція утворення радикалів, в той час як для випромінювання з високою густиною іонізації (наприклад, α- і β-частинки, осколки поділу) стає більш важливою реакція утворення молекул. В ядерному реакторі, де є різні види випромінювання (γ-промені і протони високої енергії, що утворюються під час взаємодії з нейтронами), обидві ці реакції протікають одночасно. Радикали Н і ОН – надзвичайно реакційноздатні речовини, що швидко з'єднуються з продуктами, які утворюються в результаті реакції. Під час радіолізу води, що міститься у відкритих посудинах та насичена повітрям і не містить будь-яких активних акцепторів радикалів ОН в помітних концентраціях, вихід водню, що спостерігається, зазвичай дорівнює 0,1–0,2 молекула/100 еВ, тобто помітно менший від початкового виходу утворення водню. Чим більша посудина за висотою, тим більша ймовірність цієї реакції порівняно з імовірністю видалення водню з рідкої фази. Якщо ж організувати нерівноважну відкриту систему шляхом примусового видалення водню з води, наприклад, барботажем інертного газу, то швидкість його видалення буде перевищувати швидкість хімічного розкладання. У цьому випадку вихід водню зросте і на межі виявиться рівним початковому виходу (якщо, звичайно, у воді немає домішок органічних речовин, радіоліз яких призводить до утворення молекулярного водню). Тому для розрахунку швидкості утворення радіолітичного водню у воді басейну-сховища використовується початковий вихід, тобто розраховується максимально можлива швидкість утворення водню. Оскільки радіоліз води в басейні відбувається в основному в результаті впливу гамма-випромінювання (бета- і альфа-випромінювання затримуються оболонками тепловиділяючих збірок і їх енергія переходить в тепло), то початковий вихід радіолітичного утворення водню дорівнює 0,45 молекула/100 еВ. За нормальної експлуатації СВЯП-1 в приміщенні басейнів витримки накопичення радіолітичного водню виключається завдяки роботі витяжної системи вентиляції надводного простору. Основними факторами, що визначають умови для утворення вибухонебезпечної газової суміші на основі водню, є кількість ВЯП, що зберігається, та обсяг води і повітря в просторі, де зберігається ВЯП. Розрахунок виконано від всіх джерел γ-випромінювання з рівномірним розподілом за об'ємом джерела. Для розрахунку був використаний основний радіонуклідний склад палива в нижньому пучку тепловиділяючого елемента у разі витримки 20 років і глибиною вигоряння 24 МВт×добу/кг. Розрахункове значення потужності поглиненої дози водою за обсягом від всього ВЯП, становить I=1,098×10²⁴ еВ/(м³×год). Відмови обладнання комплексу системи зберігання, що викликані як зовнішніми, так і внутрішніми подіями, які призводять до відмов системи вентиляції надводного простору басейнів витримки, можуть привести до накопичення радіолітичного водню в повітряному обсязі приміщень СВЯП-1 в умовах відмови систем вентиляції. Перерва в роботі системи вентиляції, за час якої теоретично можливе досягнення нижньої межі вибухонебезпечної концентрації водню, може тривати 12 діб. Для забезпечення вибухопожежобезпеки в залі басейнів необхідно, щоб концентрація радіолітичного водню в повітрі була нижчою за нижню концентраційну межу вибуховості водню в суміші з повітрям (~4% об.) з коефіцієнтом запасу 10. Таким чином, концентрація водню не повинна перевищувати 0,4% об. допустимої концентрації водню в повітрі приміщень щоб виключити утворення вибухонебезпечної суміші з киснем. Для випадку розміщення всього ВЯП (21284 од.) у відсіках басейнів витримки 1–5, W(H₂)=1,34 Нм³/год. Таким чином, припустимий обґрунтований час бездіяльності системи вентиляції становитиме не більше 7 діб. Для того, щоб концентрація радіолітичного водню над поверхнею басейну не перевищувала 0,4% об., здування повинне бути в 250 разів більше швидкості утворення водню, тобто витрата повітря, що продувається над басейном (вентиляція) для забезпечення вибухопожежобезпеки має дорівнювати g=250 W(H₂), м³/год. Температура самоспалахування водню у присутності водяної пари становить 970 K, а вибухонебезпечні властивості водневої суміші характеризуються межами спалаху 4,12–75% об'єму. Ступінь пошкодження будівельних конструкцій будівлі СВЯП-1 буде визначатися тими деформаціями і руйнуваннями, які вони отримали під час вибуху водню. Формування ударних навантажень під час аварійного вибуху безпосередньо визначається кількістю (обсягом), стехіометрчним співвідношенням водню з парою і межами займання водню.

Висновки. Таким чином, наведена методика оцінки утворення радіолітичного водню та можливого його вибуху в приміщеннях СВЯП-1 дає змогу в рамках консервативного підходу оцінювати вибухопожежну безпеку і наслідки аварійного вибуху радіолітичного водню.