ГЛАВА 6
ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ЖИДКОСОЛЕВЫХ РЕАКТОРОВ
§ 19. ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЖСР
Безопасность ядерного реактора обычно рассматривают с двух точек зрения: ядерной и радиационной безопасности реактора. Оценка ядерной безопасности предполагает анализ тех характеристик реактора, которые определяют масштаб возможных изменений мощности реактора и температуры и давления в первом контуре теплоносителя вследствие изменений реактивности, возникающих при различных аварийных ситуациях в системе. Под радиационной безопасностью понимаются меры, принимаемые для защиты обслуживающего персонала и населения от неконтролируемой утечки радиоактивности при любом режиме работы реактора, включая аварийный. Радиационная безопасность определяется надежностью системы удержания радиоактивных материалов в системе и степенью гарантии этого удержания в случае предельно возможных аварий.
Анализ ядерной и радиационной безопасности ЖСР, приведенный в последующих параграфах, выполнен на основе проекта реактора MSBR-1000 (см. гл. 4), для которого наиболее подробно разработаны все детали конструкции и исследованы различные режимы работы.
ЖСР в отношении ядерной безопасности имеют ряд характерных особенностей по сравнению с твердотопливными реакторами. Во-первых, передача тепла от топлива к промежуточному теплоносителю происходит вне активной зоны реактора. Поэтому разрушение поверхности раздела между топливом и теплоносителем здесь не приводит к серьезным нарушениям режима работы активной зоны и изменениям реактивности. Во-вторых, топливо в ЖСР выполняет одновременно функцию теплоносителя первого контура, поэтому в принципе исключается весь комплекс проблем, которые возникают в твердотопливных реакторах при авариях, приводящих к потере теплоносителя. Наконец, непрерывный вывод продуктов деления, особенно нейтронных ядов, а также возможность непрерывной подпитки топливом сводит к минимуму начальный запас реактивности, компенсируемый поглощающими стержнями. Для MSBR этот запас реактивности не превышает 1%.
Рассмотрим возможные аварийные ситуации, которые могут привести к изменению реактивности ЖСР (72].
Увеличение концентрации делящихся материалов в топливной соли. Количество делящихся материалов в системе переработки топлива в MSBR не превышает 1% полной загрузки реактора. Если в результате какой- либо аварии эти делящиеся материалы попадут в активную зону, то скачок реактивности при этом не превысит значения Δk/k=0,4%. При этом практически любые мыслимые скорости изменения реактивности вследствие такой ситуации могут быть компенсированы системой регулирования.
Если в результате каких-либо неисправностей в системе переработки топлива концентрация U в соли, возвращающейся в реактор, возрастает в 2 раза, то скорость изменения реактивности при заданной скорости потока топливной соли в контуре переработки топлива (50 см3/с) не превысит значения 5·10-5% /с.
Изменение эффективной доли запаздывающих нейтронов. В реакторе с циркулирующим топливом часть эмиттеров запаздывающих нейтронов распадается вне активной зоны. Эффективная доля запаздывающих нейтронов при номинальном режиме мощности MSBR-1000 составляет 0,18% при полной доле запаздывающих нейтронов для 233U β=0,305% [52]. В результате аварийного прекращения циркуляции топлива реактивность за счет запаздывающих нейтронов возрастет на 0,12%, причем это возрастание происходит за счет нейтронов с временем запаздывания более 5 с. Поэтому компенсация стержнями регулирования этого изме нения реактивности не вызовет каких-либо затруднений.
Изменение состава и плотности топливной соли и перераспределение ее в активной зоне. В реакторе типа MSBR плотностной коэффициент реактивности топливной соли отрицателен и составляет
—0,03 (см. табл. 13). Это связано с тем, что уменьшение плотности топливной соли приводит к уменьшению поглощения нейтронов в Th. Поэтому увеличение в соли объема газовых пузырьков приведет к возрастанию реактивности. При номинальном режиме работы MSBR-1000 объемная доля гелиевых пузырьков в соли составляет 0,2—1,0%. Вклад этих пузырьков в реактивность не превышает 0,03%. Полная декомпрессия топливной соли приведет к увеличению этого объема в 2—3 раза, что, в свою очередь, увеличит реактивность на 0,1%. Кроме того, при декомпрессии топливной соли в нее будет попадать He из графитовых стержней. Однако скорость диффузии He в графите невелика, и даже при скорости декомпрессии 0,2 бар/с изменение реактивности, связанное с дегазацией графита, не превысит 5 · 10-3 %/с.
Возникновение газовых полостей в топливной соли могло бы быть вызвано также локальным закипанием соли. Однако температура кипения соли более чем на 700°С превышает ее максимальную рабочую температуру. Для того чтобы соль быстро разогрелась до температуры кипения, нужны очень большие скачки реактивности. Оценки показывают, что даже полное выкипание топливной соли в сотне центральных каналов приводит к изменению реактивности не более чем на 0,5%, что недостаточно для такого разогрева. Поэтому, если и возникает какое-либо препятствие свободному проходу соли через несколько каналов в реакторе, то топливная соль не будет вскипать даже при учете положительной обратной связи по мощности.
Разрушение графитовых стержней в активной зоне может вызвать вытеснение части топливной соли обломками графита. В центре активной зоны такая ситуация является причиной возрастания реактивности на ~3·10-6 % на каждый кубический сантиметр вытесненной графитом соли. Оценки показывают, что любые возможные разрушения графитовых стержней или нарушение их распределения в активной зоне не приводят к таким изменениям реактивности, с которыми не могла бы справиться система регулирования.
Изменение распределения делящихся материалов в активной зоне может иметь место в случае попадания кислорода в топливную соль. При взаимодействии О2 с U в соли образуются нерастворимые окислы. Такое нарушение «гомогенного распределения топлива приведет к изменению реактивности и локальным перегревам. Поэтому при конструировании ЖСР необходимо принять меры, обеспечивающие надежную изоляцию топливной соли от контактов с воздухом. Например, в соль могут быть добавлены присадки, взаимодействующие с кислородом более активно, чем UF4. В топливной соли реактора MSRE эту роль выполнял ZrF4 (см. § 6). Однако опыт эксплуатации MSRE показал, что система герметизации контура с топливной солью работала настолько надежно, что необходимости введения ZrF4 в состав топливной соли практически не было.
Изменение температуры активной зоны.
Температурный «коэффициент реактивности для всех рассмотренных нами ЖСР отрицателен. Он складывается из коэффициента реактивности топливной соли и коэффициента реактивности замедлителя. Первый из них всегда отрицателен и, что не менее важно, практически безынерционен. Для MSBR-1000 температурный коэффициент реактивности для топливной соли Δk/k=—3,3·10-5 1/°С. Такая достаточно сильная мгновенная отрицательная обратная связь делает реактор устойчивым и саморегулируемым по отношению к изменению мощности даже в условиях меньшей эффективной доли запаздывающих нейтронов по сравнению с твердотопливными реакторами (см. табл. 13). Полный температурный коэффициент реактивности MSBR-1000 отрицателен, но довольно мал и составляет только -0,87·10-5 1/°С. Неопределенности в заложенных при расчете этой величины параметрах могут, в принципе, привести к изменению ее знака. Однако это не слишком опасно, поскольку в графите выделяется только 8% полной мощности реактора, а его теплоемкость составляет около 90% теплоемкости всей активной зоны. Характерное время изменения температуры графитовых стержней около 20 с. Поэтому даже в случае положительного полного температурного коэффициента реактивности влияние положительной обратной связи по температуре проявляется с запаздыванием того же масштаба. Система регулирования окажется вполне способной компенсировать это влияние.
Если температура топливной соли на входе в активную зону по какой-либо причине резко уменьшится, это приведет к увеличению реактивности системы. Максимально низкая температура топливной соли на входе в реактор не может быть ниже температуры ее плавления (500°С). Следовательно, максимальное увеличение реактивности при этом не превысит 0,7%. Это изменение реактивности может произойти за время не меньшее, чем время прохода топливной соли через активную зону, т. е. не менее чем за 5—6 с. Следовательно, скорость изменения реактивности при этом не превысит 0,12%/с, что вполне может быть скомпенсировано стержнями регулирования.
Таким образом, особенности, присущие ЖСР, позволяют обеспечить их ящерную безопасность и надежно исключить возможность такого аварийного разгона, который мог бы при· вести к нарушению герметичности топливного контура.
