Производство электроэнергии на АЭС неизбежно связано с образованием большого количества радионуклидов химических элементов преимущественно с атомными массами 85 и 135.
Продукты деления в большинстве своем удерживаются в объеме топливной композиции или под оболочкой твэлов, что предотвращает свободный выход радионуклидов в теплоноситель.
Однако в процессе длительной работы реактора возможны нарушения целостности оболочек твэлов в результате воздействия на оболочку ряда факторов со стороны как топлива, как и теплоносителя.
Топливная композиция подвержена сложному формоизменению, связанному с действием на нее осколков деления и термоциклических нагрузок. В результате деформации твэлов появляются значительные напряжения в оболочке, иногда приводящие к ее разрушению и выходу продуктов деления в теплоноситель.
Кроме того, многие продукты деления по своей химической природе при высоких температурах являются газами (криптон, ксенон, йод и др., всего 33 нуклида), способными диффундировать через оболочку, особенно при наличии микротрещин.
Основной причиной разрушения оболочек твэлов является коррозия под напряжением, вызванная воздействием некоторых продуктов деления, особенно йода и цезия, концентрация которых возрастает по мере выгорания топлива. Летучие компоненты мигрируют в порах топлива и осаждаются на более холодных оболочках твэлов. Критическое напряжение при разрушении материала оболочек в результате коррозии под напряжением может достигать 400—500 МПа, в то время как при напряжении 250—350 МПа разрушение может наступить уже через 500 ч.
Немаловажным фактором, влияющим на целостность оболочки, являются эрозионные, кавитационные и вибрационные воздействия со стороны теплоносителя, связанные с его большими скоростями, особенностями конструкции тепловыделяющей сборки и большими тепловыми нагрузками на оболочку.
Как правило, на ранней стадии разрушения оболочек твэлов происходит выделение газообразных продуктов деления. Далее с развитием и ростом степени разрушения увеличивается площадь контакта топлива с теплоносителем, а скорость выхода продуктов деления возрастает в сотни раз.
При больших разрушениях возможны вынос ядерного топлива и образование продуктов деления во всем объеме теплоносителя.
Причинами нарушения целостности оболочек твэлов могут быть также перегрев оболочки выше допустимой температуры (например, при снижении расхода циркуляционной воды), наводораживание материала оболочки и увеличение в связи с этим хрупкости металла, а также механические повреждения при изготовлении, транспортировке и загрузке тепловыделяющих сторон.
Источником поступления продуктов деления в циркуляционную воду может также быть загрязнение поверхности твэлов ураном при изготовлении. Обычно загрязненность поверхности твэла при изготовлении не превышает 5Х10 4 мкг/см2 по урану-235. Основным источником поступления продуктов деления топлива в циркуляционную воду следует считать различного вида неплотности оболочек твэлов, как газовые, так и повреждения, создающие контакты горючего с циркуляционной водой.
При нарушении герметичности оболочек в канальных реакторах с трубчатыми твэлами (АМБ, ЭГП-6) радиоактивные газы поступают в кладку реактора, что может быть замечено по увеличению активности в газовых контурах. Большое избыточное давление внутри канала исключает поступление радионуклидов в циркуляционную воду, но при разрыве трубок тепловыделяющих сборок, в особенности в активной зоне, происходят разрушение топливной композиции и поступление в кладку реактора вместе с паром большого количества радионуклидов, которые выводятся вместе с дренажными водами кладки реактора за его пределы.
В реакторах со стерженьковыми твэлами (ВВЭР, РБМК) разгерметизация оболочек приводит к поступлению радионуклидов в циркуляционную воду, при этом их содержание может быть большим.
Поступление продуктов деления топлива в циркуляционную воду приводит к значительному повышению ее активности, что представляет большую опасность для обслуживающего персонала, особенно на одноконтурной АЭС, где высокий уровень активности пара неизбежно приведет к созданию опасной радиационной обстановки в машинном зале.
Обычно удельная активность циркуляционной воды лежит в пределах 104—106 Бк/кг (например циркуляционная вода реакторов с трубчатыми твэлами), в то время как при разгерметизации оболочек твэлов она поднимается до 108—1010 Бк/кг и более. Поэтому не допускается работа реактора типа ВВЭР, имеющего твэлы с микротрещинами в количестве, превышающем 1 %, а с прямым контактом топлива с водой — 0,1 % общего количества твэлов активной зоны. Так как поступающие в циркуляционную воду реактора типа РБМК газообразные продукты деления уносятся паром, нормы количества негерметичных твэлов снижаются на порядок [6].
Таблица 8.1. Радионуклиды осколочного происхождения
В табл. 8.1 приведены наиболее часто встречающиеся в воде реакторов со стерженьковыми твэлами радионуклиды осколочного происхождения.
