В случае нарушения герметичности оболочки первого контура возможно загорание натрия. Различают горение струй натрия и горение неподвижного натрия. Горение неподвижного натрия происходит при скоплении в боксах вылившегося из контура натрия. Горение натриевых струй может быть при течи натрия через неплотности в стенках оборудования и трубопроводов, а также при выбросе натрия из бака реактора в процессе гипотетической аварии разрушения активной зоны. Для уменьшения вероятности натриевых пожаров необходимы соответствующие защитные меры. Разработка таких мер требует исследований возможных причин загорания натрия и условий, в которых развивается натриевый пожар. В первую очередь исследовалась возможная скорость горения натрия, рост давления газов в процессе горения, а также физические свойства выделяющихся аэрозолей.
В процессе горения натрия происходят две основные химические реакции с выделением тепла:
4Na + O2 → 2Na2O (окись натрия);
2Na + O2→Na2O2 (перекись натрия), из которых первая является до минирующей. При горении не наблюдается интенсивного пламени, однако выделяется большое количество густого белого дыма окиси натрия.
Наиболее эффективной мерой по предотвращению натриевых пожаров является заполнение боксов, в которых размещается оборудование натриевых контуров, инертным газом. Содержание кислорода в атмосфере боксов не должно превышать 2%.
А. ГОРЕНИЕ НЕПОДВИЖНОГО НАТРИЯ
Обычно загорание натрия происходит при температуре не ниже 250 °С (в случае перемешивания натрия возможно загорание при 200 °С). Поскольку горение натрия происходит на свободной поверхности объема, целесообразно оценивать интенсивность горения на единице поверхности. Средняя скорость сгорания натрия составляет 25 кг/(м2 · ч).
На рис. 16.23 приведено распределение температур в натрии и в газе около поверхности, на которой происходит горение. На рис. 16.24 представлена зависимость изменения давления при горении натрия в заданном объеме бокса. В начале процесса горения происходит рост давления, вызванный увеличением температуры, однако по мере уменьшения содержания кислорода в атмосфере бокса давление падает. Чем больше объем бокса, тем меньше рост давления при заданном количестве натрия. Основной расчетной программой, используемой для исследования процессов горения неподвижного натрия, является SOFIRE [46].
Б. ГОРЕНИЕ НАТРИЕВЫХ СТРУЙ
Температура воспламенения натрия при его истечении или разбрызгивании значительно меньше, чем в условиях стационарного объема. Если разбрызгивание натрия происходит в виде крупных капель, температура воспламенения равна приблизительно 120 °С. Однако чем меньше размеры капель, тем ниже температура воспламенения.
Максимальное давление в боксе в значительной степени зависит от теплоотвода через стены. В соответствии с расчетными оценками давление газа может достигать 1 МПа. Однако, как показывают результаты экспериментальных исследований, реальные давления значительно ниже предельных, полученных расчетным путем. На рис. 16.25 представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований горения струи натрия в воздушной атмосфере при различных количественных соотношениях натрия и кислорода (если принять постоянным соотношение масс Na и O2, развиваемое в процессе горения давление не зависит от габаритов бокса). Если доля кислорода относительно велика, в результате горения образуется перекись натрия, при уменьшении содержания кислорода продуктом реакции является окись натрия.
Рис. 16. 23. Температуры натрия и газа около поверхности горения [441.
1 — натрий, 2 — газ
Рис. 16. 24. Зависимость изменения давления газа внутри бокса, в котором происходит горение неподвижной массы натрия, от объема бокса (соотношение объемов боксов для верхней и нижней кривых равно 1 · 2) (45)
Рис. 16. 25. Изменение давления в боксе при горении струи натрия в воздушной атмосфере при различных значениях молярного отношения Na/O2 [46]:
О — результаты экспериментов с интенсивным впрыском натрия, проведенных Хемфри [481; x — результаты экспериментов со сбросом давления, проведенных Кроликовски 149]; кривая иа графике соответствует предельным значениям давления, полученным Лейбовицем [471; исходное состояние системы давление воздуха 0,1 МПа, температура воздуха 24 °С, температура натрия 400-430 oС
Рост давления, наблюдаемый при малых соотношениях Na/O2, приостанавливается вследствие тепловых потерь, поскольку содержание кислорода в атмосфере бокса становится недостаточным для поддержания горения.
Данные, приведенные на рис. 16.25, получены при исследовании разбрызгивания натрия, происходящего по двум различным причинам. В одном случае выброс натрия из контура происходит вследствие взрыва, а в другом — из-за аварийной разгерметизации контура. Поскольку в первом случае происходит большее размельчение капель жидкого натрия, интенсивность горения и рост давления значительно больше, чем во втором случае.
Расчеты режимов горения натрия, распыленного в воздухе, проводятся по программам SPRAY [50] и SOMIX [51].
