Загадка Phenix

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 19.04.2014

В 2013 году во Франции вышла книга "Phenix. The experience feedback", автор - Жоель Гвидез (Joel Guidez). Одна из глав книги посвящена одной из самых главных загадок быстрого натриевого реактора "Phenix" - четырём инцидентам с падением реактивности.

Четыре инцидента

В 1989-1990 годах на реакторе "Phenix" четырежды внезапно резко падала реактивность, что приводило к срабатыванию аварийной защиты. Над загадкой "Phenix" бились комиссии и рабочие группы. После 1990 года инциденты более не повторялись.

Первая серия инцидентов произошла во время 47-ой кампании - 6 и 24 августа и 14 сентября 1989 года. Инциденты проявились как кратковременные (не более 200 мс) осциляции сигнала от внутрикорпусных нейтронных детекторов. Амплитуды осцилляции были значительными - от 20% до 50% от номинальных значений.

Во всех трёх случаях реактор был остановлен автоматически, по превышению уставки на отрицательное изменение реактивности.

9 сентября 1990 года произошёл четвёртый инцидент такого же типа. После этого, эксплуатация "Phenix" была временно прекращена, а от французских атомщиков потребовалось выяснить причины внезапных падений реактивности.

Первые три инцидента случились на мощности 580 МВт(тепловых), четвёртый - на мощности 500 МВт(тепловых). Всем им предшествовал период стабильной работы на мощности протяжённостью от 4 до 14 эффективных суток.

По шкале INES инцидентам был присвоен уровень "2". Они стали самыми серьёзными инцидентами в истории реактора "Phenix". После 1990 года инциденты не повторялись.

Инциденты с внезапным падением реактивности на других быстрых натриевых реакторах в мире не происходили. На индийском реакторе FBTR имел место инцидент с появлением позитивной реактивности на малых уровнях мощности.

Анализ событий на "Phenix" оказался затруднён из-за неполноты информации. Более всего данных имеется по третьему инциденту. Записанных данных по первым двум инцидентам практически нет.

Удалось установить, что, хотя характер изменений реактивности в инцидентах был схож, амплитуды изменения мощности различались значительно. Так, 14.09.1989 (третий инцидент) максимальный провал мощности составил 28%, а 09.09.1990 - 45%. Максимальный провал мощности в ходе первого инцидента был схож с максимальным провалом при четвёртом, максимальный провал при втором - с третьим.

Во всех четырёх случаях после провалов наблюдался рост мощности. Первый провал был самым глубоким, после чего мощность возрастала, но оставалась меньшей, чем исходная. Далее вновь наблюдался провал мощности (менее глубокий, чем первый) с последующим ростом. На момент срабатывания аварийной защиты реактивность была положительной.

О реальных масштабах изменений реактивности в ходе инцидентов можно судить по расчётным данным, полученным в предположении, что изменение сигнала от нейтронных детекторов коррелировало с реальным изменением мощности.

Расчёты показывают, что реактивность падала до несколько сотен pcm ниже нуля (-322 pcm в первом, самом глубоком минимуме для четвёртого инцидента) и возрастала до десятков pcm выше нуля (+37 pcm в четвёртом инциденте) к моменту сброса стержней АЗ.

Предельно схематичное поведение сигнала во время инцидента.
Масштабы не выдержаны, форма кривых также несколько искажена.
Точный график для одного из инцидентов приводится в
"Phenix. The experience feedback" на стр. 254.

Артефакт и падение стержня

Одна из первых выдвинутых по горячим следам теорий, призванных объяснить инциденты - теория артефакта.

Синусоидальная форма осцилляций сигнала нейтронных детекторов позволила предположить, что речь шла не о реальном изменении реактивности и мощности, а о наведённых помехах. Тем более, что в истории "Phenix" было два сброса АЗ в 1976 и 1978 годах вследствие отказов в некоторых измерительных каналах.

При проверке было подтверждено - действительно, каналы измерения нейтронного потока в реакторе "Phenix" чувствительны к сторонним электромагнитным возмущениям. Помехи возникали, в том числе, при сварных работах.

Кроме того, из старых записей в оперативной документации стало известно - колебания сигнала, немного похожие на наблюдавшиеся в инцидентах, возникали при переключении диапазонов реактиметра. Эта операция производилась в ходе штатных тестов стержней СУЗ. Правда, амплитуда колебаний была существенно меньшей, чем при инцидентах.

Однако против теории говорила согласованность данных от различных детекторов. Эксперты не смогли предложить гипотезу, каким образом та или иная внешняя помеха единообразно исказила бы сигналы от всех детекторов нейтронного потока, и теория артефакта была отброшена.

Если события 1989-1990 годов не артефакт, то как они возникли? Падение реактивности очень хорошо объясняется изменением положения (введением) стержней СУЗ. Но эта теория, получившая название "Rod slip" (проскальзывание стержня), была быстро отброшена по следующим причинам.

Во-первых, каким образом тогда возможно объяснить, что реактивность в процессе колебаний вернулась к исходному (нулевому) значению и даже стала положительной?

Второе сомнение касалось глубины падения стержня или стержней в активную зону.

Чтобы обеспечить снижение реактивности до -322 pcm (минимальное значение для четвёртого инцидента), потребовалось бы ввести один стержень СУЗ на 160 мм или шесть стержней на 32 мм. Как показали расчёты, ввод шести стержней на такую глубину за характерное время инцидентов (50 мс) происходил бы с ускорением 2,6g. Импульсу, способному придать стержням такое ускорение, просто неоткуда было взяться.

Газовые теории

Отбросив простые теории, французские атомщики перешли к сложным. Например, рассматривался сценарий с влиянием на реактивность потоков газа в активной зоне.

Сначала расчётным путём было выяснено, что впрыск газа в центре активной зоны "Phenix" приводит к возникновению положительной реактивности, а на периферии - к отрицательной.

При закачке на периферию примерно 150 литров газа (и, соответственно, создании заполненного газом - то есть, пустого с точки зрения нейтроники - объёма), расчётный спад в реактивности выходил в пределах от -210 до -360 pcm.

Для дальнейшей проверки гипотезы была построена гидравлическая модель.

Эксперименты показали - создать внутри зоны газовый объём не получается. Впрыскиваемый газ распределялся по натрию из-за высоких скоростей теплоносителя и сильной турбулентности натриевого потока. Более того, впрыскиваемый газ распределялся не по всей активной зоне, а только максимум по её трети.

К неудачным результатам экспериментов добавилось и следующее обстоятельство. Французы не смогли найти разумное объяснение, откуда в активной зоне мог появиться газ, и почему подобного не происходило ранее. Таким образом, газовая теория отправилась в архив.

Хотя полностью газовая теория была отброшена не сразу. В ещё одном сценарии инцидентов предполагалось, что внутри активной зоны по неизвестным причинам образовался газовый объём, чьё движение привело к смещению топлива. Теория в итоге была признана несоответствующей действительности - в основном, по тем же причинам, что и теория о пустотном эффекте. Почему два десятилетия газа не было, потом он появился, а затем снова пропал?

Механические и магнитные теории

Большой популярностью пользовались многочисленные теории, называвшие в качестве исходного события то или иное механическое воздействие, приведшее к сдвигу с раскрытием активной зоны.

Примеров возможных воздействий было перебрано более десятка. Среди них была даже такая экзотика, как коробление днища корпуса реактора.

Общие слабые места механических теорий таковы. Механическое воздействие могло бы привести к простому смещению сборок, но вряд ли способствовало бы раскрытию активной зоны - растопорщиванию кассет наружу. А именно такое явление, согласно расчётам, требовалось для объяснения характера изменения реактивности в инцидентах.

Второе слабое место - откуда взялась энергия, необходимая для сдвига активной зоны? Расчётный анализ не смог обнаружить в первом контуре потенциальных источников требуемой энергии.

Неудачи заставили французских атомщиков принять во внимание таинственные магнитогидродинамические эффекты. На реакторе производилась постепенная замена топливных кассет с оболочками из нержавеющей стали на кассеты с оболочками из ферритной стали. Это якобы привело к изменению магнитных свойств активной зоны.

К сожалению, ни одного внятного сценария влияния магнитогидродинамических эффектов на реактивность придумать не удалось. В активной зоне был установлен комплект аппаратуры для измерения магнитных характеристик. Никаких изменений выявлено не было. Замена сборок продолжилась после 1990 года, никаких особенных последствий от неё не обнаружилось.

Гидрид кальция

В 2000 году французы в рамках одной из исследовательских программ провели расчёты тестовых стержней, содержащих гидрид кальция. Это вещество играло роль нейтронной ловушки и локально смягчало спектр нейтронов.

Расчёты показали - в твэлах бланкета, содержащих обеднённый уран и расположенных рядом с тестовыми стержнями с гидридом кальция, значительно увеличивалось деление на ²³⁹Pu. Соответственно, росли мощность таких твэлов и их температура.

В 2006 году проблема гидрида кальция была включена в анализы реактивностных инцидентов. И вскоре появились первые результаты.

Из эксплуатационных документов удалось установить, что во время инцидентов в зоне находились так называемые "старые сырьевые сборки" - сборки с твэлами из обеднённого UO₂, пребывавшие в реакторе в течение длительного времени и накопившие значительное количество плутония.

Изучить непосредственно данные сборки не удалось, потому что к тому моменту они уже были извлечены и разобраны. Но в период инцидентов они стояли в реакторе вблизи экспериментальных кассет DAC, содержащих гидрид кальция. По некоторым утверждениям, эти кассеты, в частности, использовались для наработки ⁶⁰Co.

Расчётные анализы оказались трудными и требующими исключительно трёхмерных моделей. После трёх лет работы был предложен следующий сценарий.

Старые сырьевые сборки находились в реакторе рядом с экспериментальными кассетами DAC. В твэлах старых сырьевых сборок было повышенное содержание делящихся изотопов плутония, в кассетах DAC имелся гидрид кальция.

Подобное сочетание привело к росту деления на изотопах плутония в старых сырьевых сборках и перегреву поверхностей их твэлов, обращённых к кассетам DAC.

Локальный перегрев вызвал также нагревание кассет DAC. При температуре 890°C началась деформация контейнера с гидридом, приведшая в конечном итоге к полной или частичной блокировке расхода натрия через верхнюю часть экспериментальных кассет.

В результате в зоне образовался нагретый (до 40 кВт, как показывают расчёты по TRIPOLI) участок экспериментальной кассеты с ухудшенным теплоотводом. Далее предполагается, что натрий в этом месте зоны мог вскипеть (пузырьковое кипение).

"Взрывы" пузырьков, как показали расчёты, действительно могли привести к смещению и раскрытию активной зоны. Следовательно, события 1989-1990 годов, наконец, смогли получить целостное объяснение.

Нужно пояснить, что под раскрытием активной зоны в статье понимается явление "core flowering". Расширение одной кассеты создаёт механические напряжения на остальные сборки. В результате активная зона расширяется в радиальном направлении.

Самые глубокие провалы в мощности наблюдались при первом и четвёртом инцидентах. В это время в зоне были установлены свежие DAC-кассеты с наибольшим содержанием гидрида кальция.

Получило своё объяснение и то обстоятельство, что между первым, вторым и третьим инцидентами прошло несколько суток. После каждого из инцидентов содержание плутония в старых сырьевых сборках, стоящих рядом с DAC, уменьшалось (он выгорал), и требовалось определённое время для его наработки.

Этим же фактором объясняется и то, что первый инцидент был сопряжён с максимальным провалом мощности - в этот момент содержание плутония в старых сырьевых сборках было максимальным. Аналогично объясняется и глубокий провал мощности в четвёртом инциденте - он, по сути, был первым в своей серии, и только длительный останов реактора не дал всей серии реализоваться.

На сегодняшний день, гидридная гипотеза считается основной для объяснения загадки "Phenix".

Её экспериментальные проверки продолжаются. Так, в Кадараше провели ряд экспериментов по изучению поведения гидрида кальция при нагреве в реакторе. Специалисты увидели распухание гидрида при температуре 890°C, что соответствует основным положениям гипотезы, однако постановили при этом, что поведение гидрида имеет комплексный характер и сильно зависит от многих факторов.

Большие усилия прилагаются по верификации расчётной модели раскрытия активной зоны - ключевого места в гипотезе. Эти работы проходят в международной кооперации - так, в индийском центре IGCAR запланирован натурный эксперимент со 120 сборками-имитаторами для валидации кодов.

В целом же, можно считать, что загадка "Phenix" решена. А для будущих быстрых натриевых реакторов следует сделать вывод - нужно с большой осторожностью помещать экспериментальные устройства в те части активной зоны, где расходы и нейтронные потоки плохо рассчитываются и слабо контролируются.

Ключевые слова: Безопасность, Быстрые натриевые реакторы, Европа, Франция, Статьи

---

Другие новости:

Станция на платформе - плавучий вариант от MIT

Океан - очень недорогая недвижимость.

В сентябре начнётся финальная стадия вывода из эксплуатации американской плавучей АЭС

Работы продлятся четыре года.

Принято финальное решение по проекту "Fennovoima"

Согласно утверждённому плану, начиная с 2024 года владельцы АЭС будут получать вырабатываемую АЭС электроэнергию по себестоимости.

---

---

---

---

Поиск по сайту: