Reacția abur-zirconiu

Reacția cu vapori de zirconiu este o reacție chimică exotermă între zirconiu și vaporii de apă care are loc la temperaturi ridicate. În special, reacția poate avea loc în miezul unui reactor nuclear cu un lichid de răcire cu apă și/sau un moderator atunci când este supraîncălzit [1] în condițiile contactului elementelor structurale din zirconiu cu apa.

Aliajele de zirconiu sunt cel mai comun material structural pentru ansamblurile combustibile , sub forma cărora combustibilul nuclear este utilizat în reactoare. În cazul unui accident grav cu îndepărtarea de căldură afectată, combustibilul poate fi încălzit la temperaturi ridicate din cauza căldurii de descompunere a reactorului de oprire. În miezul reactoarelor, chiar și fără fierbere , se formează abur care, la atingerea temperaturii de 861 ° C , reacționează cu zirconiul. Ca urmare, se formează hidrogen într-o cantitate de aproximativ 0,491 litri per gram de zirconiu reacţionat și se eliberează o cantitate mare de căldură - 6530 kJ / kg [2] .

Cursul reacției

Reacția se desfășoară conform ecuației:

În acest caz, se eliberează o cantitate semnificativă de căldură : 6530 kJ / kg.

Reacția începe la aproximativ 861 °C, iar la 1200 °C începe să se dezvolte foarte rapid, deoarece căldura degajată încălzește suplimentar zirconiul și devine auto-susținut [1] [2] [3] .

Pentru a calcula reacția abur-zirconiu, se utilizează forma integrală a ecuației Baker-Just [4] (p. 37):

[mg/cm2 ] ²,

Unde:

 - raportul dintre masa de zirconiu care a intrat în reacție, [mg] și aria suprafeței reacției [cm 2 ];  — timp, s ;  este temperatura suprafeței de reacție, K ;  cal /( mol K ) este constanta universală a gazului .

Viteza de reacție depinde în mod substanțial de temperatură, cantitatea de abur furnizată pe suprafața de reacție și timpul de reacție. Mai mult, în condiții reale, cantitatea de abur furnizată este mult mai mică decât cea calculată, deoarece furnizarea de abur la suprafață este dificilă. Doar straturile de vapori apropiate de suprafață participă la reacție, în timp ce hidrogenul format ca urmare a reacției împiedică furnizarea de vapori la suprafață. La suprafață se formează o peliculă de ZrO 2 , care de asemenea inhibă reacția [2] .

Consecințele

Pe lângă eliberarea de hidrogen și căldură, reacția este însoțită de o pierdere a rezistenței învelișului barei de combustibil și de o scădere a grosimii lor inițiale din cauza oxidării zirconiului. La aproximativ 10-12 minute după începerea reacției abur-zirconiu auto-susținut, placarea elementului de combustibil este oxidată la o grosime de 0,10-0,15 mm cu încălzire la temperatura de topire.

În timpul experimentelor, deja într-un stadiu incipient, s-a observat o deformare gravă a elementelor de combustibil, cu un ușor exces al temperaturii de topire a zirconiului, se formează dopuri (blocații) în canalele de răcire.

Chiar și la o viteză de reacție relativ scăzută, cantitatea de căldură eliberată ca urmare a acesteia este comparabilă cu căldura de descompunere a unui reactor de oprire. Astfel, creșterea încălzirii combustibilului ca urmare a reacției este foarte semnificativă [2] .

Ca urmare a intrării în reacția unei mari părți a zirconiului, se poate forma o cantitate de hidrogen, calculată în mii de metri cubi. Acest lucru este extrem de periculos, atât din punct de vedere al pericolului de explozie și incendiu, cât și din punct de vedere al formării de bule de gaz în circuitul instalației reactorului, care împiedică circulația lichidului de răcire, ceea ce poate agrava accidentul. datorită încetării eliminării căldurii din combustibil [5] .

Sisteme de urgență și accidente

Apariția unei reacții abur-zirconiu este posibilă numai atunci când miezul este supraîncălzit; aceasta este o problemă generală a siguranței reactorului. În cazul unei astfel de urgențe severe, există sisteme de securitate.

Principalele mijloace de prevenire a formării bulelor de gaz în circuitul centralei reactorului sunt sistemele de evacuare de urgență a aburului și a gazelor. Nu a existat un astfel de sistem la TMI-2 , prin urmare, gazele necondensabile acumulate în diferite părți ale echipamentului și în reactor în sine, în principal hidrogen, au împiedicat apariția în circuitul de circulație naturală după oprirea forțată a pompelor principale de circulație, drept urmare accidentul a devenit unul extrem de grav [6] .

Un alt sistem de siguranță important, pasiv, este izolarea . În reactoarele cu apă sub presiune , este foarte mare, de zeci de mii de m³, deci este extrem de dificil să se obțină o concentrație explozivă atunci când hidrogenul este descărcat din reactor și din alte echipamente. În timpul accidentului de la TMI-2, de exemplu, în ciuda unei treimi din combustibilul oxidat, în izolație au fost observate doar aprinderi locale de hidrogen, ceea ce nu a dus la consecințe grave. În reactoarele cu apă clocotită, dimensiunea rezervorului este semnificativ mai mică. Acest lucru se explică prin faptul că problema accidentului principal, pentru care se calculează imobilizări - un accident cu pierdere de lichid de răcire - se rezolvă în rezervoarele reactoarelor cu apă clocotită într-un mod diferit, cu ajutorul unui rezervor de barbotare volumetric, unde se evacuează aburi în caz de accident. În proiectele timpurii de reținere (Marc 1, Mark 2) ale reactoarelor cu apă clocotită, pentru a rezolva problema acumulării hidrogenului, puțul uscat al reactorului este umplut cu un gaz inert (de exemplu, azot pur), în proiecte ulterioare, începând de la Mark. 3, este echipat cu un sistem de post-ardere a hidrogenului [7] [8] . În timpul accidentului de la centrala nucleară Fukushima , au fost avariate unități de putere cu reținere Mark 1. Acumularea de hidrogen în reținerea secundară a dus la o explozie în acesta la unitățile de putere 1 și 3. La unitatea de putere 2, explozia a avut loc în zona rezervorului de barbotare. La unitatea de alimentare 4, a avut loc o explozie de hidrogen în zona piscinei de combustibil.

O inovație binecunoscută menită să rezolve problema acumulării de hidrogen în timpul accidentelor grave sunt recombinatoarele catalitice de hidrogen (sistem de siguranță pasivă). Ele pot fi instalate și pe unități deja funcționale (sunt deja instalate pe multe din întreaga lume), sunt incluse în setul obligatoriu de elemente în proiecte noi. Recombinatoarele sunt dispozitive mici care sunt instalate în multe din întregul izolator și asigură o reducere a concentrației de hidrogen în cazul unor accidente cu eliberarea acestuia. Recombinatoarele nu necesită surse de energie și comenzi pentru a porni - când se atinge o concentrație mică de hidrogen (0,5–1,0%), procesul de absorbție a acestuia de către recombinatoare începe spontan [9] [10] .

Note

  1. ↑ 1 2 Karl-Heinz Neeb. Radiochimia centralelor nucleare cu reactoare de apă uşoară . - Berlin, New York: Walter de Gruyter , 1997. - 733 p. — ISBN 3-11-013242-7 .
  2. ↑ 1 2 3 4 Samoilov O. B., Usynin G. B., Bakhmetiev A. M. Siguranța centralelor nucleare. - M. : Energoatomizdat, 1989. - 280 p. - 5900 de exemplare.  - ISBN 5-283-03802-5 .
  3. ↑ Siguranța și securitatea depozitării comerciale a combustibilului nuclear uzat: raport public . — Washington, DC: National Academies Press , 2006. — 75 p. — ISBN 0-309-16519-9 .
  4. ↑ Louis Baker, Jr. și Louis C. Just. Studii ale reacțiilor metal-apă la temperatură ridicată III Studii experimentale și teoretice ale reacțiilor zirconiu-apă . Laboratorul Național Argonne (mai 1962). Arhivat din original pe 9 ianuarie 2016.
  5. ↑ Libmann J. Elemente de securitate nucleară . - Franța: Les Éditions de Physique , 1996. - 543 p. — ISBN 2-86883-286-5 .
  6. ↑ J. Samuel Walker. Three Mile Island: O criză nucleară din perspectivă istorică . - Berkeley și Los Angeles: University of California Press , 2004. - 305 p. — ISBN 0-520-24683-7 .
  7. ↑ George A. Greene. Transferul de căldură în siguranța reactorului nuclear . - San Diego: Academic Press , 1997. - 357 p. — ISBN 0-12-020029-5 .
  8. ↑ Jan Beyea, Frank Von Hippel. Limitarea topirii unui reactor  // Bulletin of the Atomic Scientists  . - 1982. - Vol. 38 , nr. 7 . - P. 52-59 . — ISSN 0096-3402 .
  9. ↑ Saito T., Yamashita J., Ishiwatari Y., Oka. Y. Progrese în tehnologiile reactoarelor cu apă ușoară . — New York, Dordrecht, Heidelberg, Londra: Springer , 2011. — 295 p. - ISBN 978-1-4419-7100-5 .
  10. ↑ Keller V.D. Recombinere catalitice pasive de hidrogen pentru centrale nucleare  // Inginerie termică . - M . : MAIK "Nauka / Interperiodika" , 2007. - Nr. 3 . - S. 65-68 . — ISSN 0040-3636 .