Höyry-zirkoniumreaktio

Höyryzirkoniumreaktio on eksoterminen kemiallinen reaktio zirkoniumin ja vesihöyryn välillä , joka tapahtuu korkeissa lämpötiloissa. Erityisesti reaktio voi tapahtua ydinreaktorin sydämessä vesijäähdytysaineen ja/tai hidastimen kanssa, kun se ylikuumenee [1] olosuhteissa, joissa zirkoniumrakenneosat ovat kosketuksissa veden kanssa.

Zirkoniumlejeeringit ovat yleisin rakennemateriaali polttoainenippuihin , joiden muodossa ydinpolttoainetta käytetään reaktoreissa. Vakavassa onnettomuudessa, jossa lämmönpoisto on heikentynyt, polttoaine voi kuumeta korkeisiin lämpötiloihin sammutusreaktorin jälkilämmön vuoksi. Myös kiehumattomien reaktorien sydämessä muodostuu höyryä, joka saavuttaessaan 861 °C reagoi zirkoniumin kanssa. Tämän seurauksena vetyä muodostuu noin 0,491 litraa grammaa kohden reagoinutta zirkoniumia ja vapautuu suuri määrä lämpöä - 6530 kJ / kg [2] .

Reaktion kulku

Reaktio etenee yhtälön mukaisesti:

Tässä tapauksessa vapautuu huomattava määrä lämpöä : 6530 kJ / kg.

Reaktio alkaa noin 861 °C:ssa ja 1200 °C:ssa se alkaa kehittyä erittäin nopeasti, koska vapautuva lämpö lämmittää lisäksi zirkoniumia ja muuttuu itsestään ylläpitäväksi [1] [2] [3] .

Höyry-zirkoniumreaktion laskemiseen käytetään Baker-Just-yhtälön [4] (s. 37) integraalimuotoa:

missä:

Reaktionopeus riippuu olennaisesti lämpötilasta, reagoivalle pinnalle syötetyn höyryn määrästä ja reaktioajasta. Lisäksi todellisissa olosuhteissa syötettävän höyryn määrä on paljon pienempi kuin laskettu, koska höyryn syöttö pintaan on vaikeaa. Vain pintaa lähellä olevat höyrykerrokset osallistuvat reaktioon, kun taas reaktion seurauksena muodostuva vety estää höyryn pääsyn pintaan. Pintaan muodostuu ZrO 2 -kalvo , joka myös estää reaktion [2] .

Seuraukset

Vedyn ja lämmön vapautumisen lisäksi reaktioon liittyy polttoainesauvan kuoren lujuuden menetys ja niiden alkuperäisen paksuuden pieneneminen zirkoniumin hapettumisen vuoksi . Noin 10-12 minuuttia itsestään ylläpitävän höyry-zirkoniumreaktion alkamisen jälkeen polttoaine-elementin kuori hapetetaan 0,10-0,15 mm:n paksuuteen kuumentamalla sen sulamislämpötilaan.

Kokeiden aikana, jo varhaisessa vaiheessa, havaittiin polttoaine-elementtien vakava muodonmuutos, jossa zirkoniumin sulamislämpötila oli hieman yli, jäähdytysnestekanaviin muodostuu tulppia (tukoksia).

Jopa suhteellisen alhaisella reaktionopeudella sen seurauksena vapautuva lämmön määrä on verrattavissa sammutetun reaktorin jälkilämpöön. Näin ollen reaktion seurauksena lisääntyvä polttoaineen kuumeneminen on erittäin merkittävää [2] .

Sen seurauksena, että suuri osa zirkoniumia tulee reaktioon, voi muodostua tuhansina kuutiometreinä laskettu määrä vetyä. Tämä on erittäin vaarallista sekä räjähdys- ja palovaaran kannalta että reaktorilaitoksen piiriin muodostuvien kaasukuplien kannalta, jotka estävät jäähdytysnesteen kiertoa, mikä voi pahentaa onnettomuutta. johtuen polttoaineen lämmönpoiston päättymisestä [5] .

Hätäjärjestelmät ja onnettomuudet

Höyry-zirkoniumreaktion esiintyminen on mahdollista vain sydämen ylikuumeneessa; tämä on yleinen reaktorin turvallisuuden kysymys. Tällaisessa vakavassa hätätilanteessa on turvajärjestelmät.

Pääasialliset keinot estää kaasukuplien muodostuminen reaktorilaitoksen piirissä ovat hätähöyry- ja kaasunpoistojärjestelmät. TMI-2 : ssa ei ollut tällaista järjestelmää , joten laitteiston eri osiin ja itse reaktoriin kerääntyneet kondensoitumattomat kaasut, pääasiassa vety, estivät esiintymisen luonnollisessa kiertopiirissä pääkiertovesipumppujen pakkopysäytyksen jälkeen, jonka seurauksena onnettomuus kasvoi erittäin vakavaksi [6] .

Toinen tärkeä turvajärjestelmä, passiivinen, on suojaus . Painevesireaktoreissa se on erittäin suuri, kymmeniä tuhansia m³, joten räjähdysmäisen pitoisuuden saavuttaminen on erittäin vaikeaa, kun vetyä puretaan reaktorista ja muista laitteista . Esimerkiksi TMI-2:n onnettomuuden aikana suojarakennuksessa havaittiin kolmannesta hapettuneesta polttoaineesta huolimatta vain paikallisia vetysytytyksiä, jotka eivät johtaneet vakaviin seurauksiin. Kiehutusvesireaktoreissa suojarakennuksen koko on huomattavasti pienempi. Tämä selittyy sillä, että pääonnettomuuden ongelma, jolle suojarakennukset lasketaan - onnettomuus, jossa on jäähdytysnesteen menetys - ratkaistaan ​​kiehuvavesireaktorin suojarakennuksessa eri tavalla, tilavuuskuplasäiliön avulla, josta höyryä purkautuu onnettomuuden sattuessa. Kiehutusvesireaktorien suojarakennuksen varhaisissa suunnitelmissa (Mark 1, Mark 2) vedyn kertymisongelman ratkaisemiseksi kuiva reaktorin kuilu täytetään inertillä kaasulla (esimerkiksi puhtaalla typellä), myöhemmissä malleissa alkaen Mark. 3, se on varustettu vetyjälkipolttojärjestelmällä [7] [8] . Fukushiman ydinvoimalaitoksen onnettomuudessa vaurioituivat voimayksiköt, joissa oli Mark 1 -suojarakennus . Vedyn kerääntyminen sekundäärisuojarakennukseen johti siihen räjähdykseen voimayksiköillä 1 ja 3. Voimayksiköllä 2 räjähdys tapahtui voimayksiköissä 1 ja 3. kuplitussäiliön alue. Voimayksikössä 4 tapahtui vetyräjähdys polttoainealtaan alueella.

Tunnettu innovaatio, joka on suunniteltu ratkaisemaan vedyn kertymisen ongelmaa vakavien onnettomuuksien aikana, ovat katalyyttiset vetyrekombinaattorit (passiivinen turvajärjestelmä). Ne voidaan asentaa myös jo toimiviin yksiköihin (ne on jo asennettu moniin ympäri maailmaa), ne sisältyvät uusien projektien pakollisiin elementteihin. Rekombinaattorit ovat pieniä laitteita, jotka asennetaan moniin eri puolille suojarakennusta ja jotka vähentävät vetypitoisuutta onnettomuuksien sattuessa sen vapautuessa. Rekombinaattorit eivät vaadi energianlähteitä ja komentoja käynnistyäkseen - kun pieni vetypitoisuus (0,5–1,0 %) saavutetaan, sen imeytymisprosessi alkaa spontaanisti [9] [10] .

Muistiinpanot

1. ↑ 1 2 Karl-Heinz Neeb. Kevytvesireaktoreilla varustettujen ydinvoimalaitosten radiokemia . - Berliini, New York: Walter de Gruyter , 1997. - 733 s. — ISBN 3-11-013242-7 .
2. ↑ 1 2 3 4 Samoilov O. B., Usynin G. B., Bakhmetiev A. M. Ydinvoimalaitosten turvallisuus. - M .: Energoatomizdat, 1989. - 280 s. - 5900 kappaletta.  - ISBN 5-283-03802-5 .
3. ↑ Käytetyn ydinpolttoaineen kaupallisen varastoinnin turvallisuus: julkinen raportti . — Washington, DC: National Academies Press , 2006. — 75 s. — ISBN 0-309-16519-9 .
4. ↑ Louis Baker, Jr. ja Louis C. Just. Metalli-vesi-reaktioiden tutkimukset korkeassa lämpötilassa III Zirkonium-vesi-reaktioiden kokeelliset ja teoreettiset tutkimukset . Argonnen kansallinen laboratorio (toukokuu 1962). Arkistoitu alkuperäisestä 9. tammikuuta 2016. (määrätön)
5. ↑ Libmann J. Ydinturvallisuuden elementit . - Ranska: Les Éditions de Physique , 1996. - 543 s. — ISBN 2-86883-286-5 .
6. ↑ J. Samuel Walker. Three Mile Island: ydinkriisi historiallisesta näkökulmasta . - Berkeley ja Los Angeles: University of California Press , 2004. - 305 s. — ISBN 0-520-24683-7 .
7. ↑ George A. Greene. Lämmönsiirto ydinreaktorin turvallisuudessa . - San Diego: Academic Press , 1997. - 357 s. — ISBN 0-12-020029-5 .
8. ↑ Jan Beyea, Frank Von Hippel. Reaktorin sulamisen rajoittaminen  // Bulletin of the Atomic Scientists  . - 1982. - Voi. 38 , ei. 7 . - s. 52-59 . — ISSN 0096-3402 .
9. ↑ Saito T., Yamashita J., Ishiwatari Y., Oka. Y. Kevytvesireaktoriteknologian kehitys . — New York, Dordrecht, Heidelberg, Lontoo: Springer , 2011. — 295 s. - ISBN 978-1-4419-7100-5 .
10. ↑ Keller V.D. Passiiviset katalyyttiset vetyrekombinaattorit ydinvoimaloihin  // Lämpövoimatekniikka . - M . : MAIK "Nauka / Interperiodika" , 2007. - Nro 3 . - S. 65-68 . — ISSN 0040-3636 .