Пошук та дослідження прихованих скупчень паливовмісних матеріалів зруйнованого 4-го блока Чорнобильської атомної електростанції

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут проблем безпеки атомних електростанцій

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

21.06.01 - екологічна безпека

Пошук та дослідження прихованих скупчень паливовмісних матеріалів зруйнованого 4-го блока Чорнобильської атомної електростанції

Лагуненко Олександр Степанович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем безпеки атомних електростанцій Національної академії наук України.

Науковий керівник доктор технічних наук, старший науковий співробітник Пазухін Едвард Михайлович, Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України, заступник керівника відділення ядерної та радіаційної безпеки.

Офіційні опоненти

доктор фізико-математичних наук, професор Желтоножський Віктор Олександрович, Інститут ядерних досліджень НАН України, провідний науковий співробітник.

доктор біологічних наук, старший науковий співробітник Кашпаров Валерій Олександрович, Український науково-дослідний інститут сільськогосподарської радіології, директор.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н. О.А. Кучмагра

Анотація

чорнобильський лава уран

Лагуненко А.С. Пошук та дослідження прихованих скупчень паливовмісних матеріалів зруйнованого 4-го блока Чорнобильської АЕС. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 21.06.01 - Екологічна безпека. Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України, м. Київ, 2008.

Дисертація присвячена дослідженню характеристик прихованих скупчень паливовмісних матеріалів (ПВМ), чинників і подій, що визначали процеси утворення цих скупчень під час активної стадії аварії.

У дисертації проведено аналіз даних про ПВМ зруйнованого 4-го блока ЧАЕС, проаналізована інформація про умови і чинники, що визначали утворення і розтікання лавоподібних ПВМ (ЛПВМ).

Показано, що поліхромні ЛПВМ не є однорідними і залежно від кольору включень мають різний хімічний і радіохімічний склади, вміст урану коливається від 5 % (синій колір) до 8 % (коричневий колір), збіднення по цезію в синьому типі включень приблизно в 2 рази менше, ніж у коричневому і жовтому, що вказує на те, що у формуванні потоку поліхромної лави брали участь, як мінімум, два незалежні осередки утворення лав.

Розроблена фізична модель і виконаний тепловий розрахунок процесу утворення ЛПВМ на верхніх відмітках зруйнованого 4-го блока ЧАЕС. Виконані розрахунки показали, що для здійснення процесу лавоутворення в умовах протікання активної стадії Чорнобильської аварії було необхідно не менш як 16 збірок або близько 1 т відпрацьованого ядерного палива. Це дає підставу стверджувати, що на цей час на верхніх відмітках зруйнованого 4-го блока знаходиться не менш як 15 т ЛПВМ.

Запропоновано сценарій утворення зон з високим вмістом урану в приміщенні 305/2. Проведено оцінку динамічної в'язкості ЛПВМ в діапазоні температур 1000-1500 °С. Показано, що в той момент, коли лава проникала через пролом в прим. 304/3, її температура була 1500-1600 °С, а верхня межа можливих значень в'язкості лави знаходилася в діапазоні 10^-2 - 10^-1 Па • с.

Обґрунтована можливість утворення глибоких порожнин в масиві підреакторної плити, заповнених ПВМ з високим вмістом урану. Розроблена модель зони з високим вмістом урану в південній частині південно-східного квадранта приміщення 305/2. Розраховані масові параметри цієї зони. Результати розрахунків розподілу густини потоків нейтронів по межах зони з високим вмістом урану в приміщенні 305/2 чисельно і по характеру змін задовільно збігаються з результатами прямих вимірювань. Показано, що в масиві підреакторної плити в квадранті 46/47, И/К присутні скупчення ПВМ з вірогідною максимальною концентрацією урану 30 % і більш.

Ключові слова: лава, моделювання, паливовмісні матеріали, сценарій, проба, уран, ядерне паливо.

Аннотация

Лагуненко А.С. Поиск и исследование скрытых скоплений топливосодержащих материалов разрушенного 4-го блока Чернобыльской АЭС. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - Экологическая безопасность. Институт проблем безопасности атомных электростанций НАН Украины, г. Киев, 2008.

Диссертация посвящена исследованию характеристик скрытых скоплений топливосодержащих материалов (ТСМ), факторов и событий, определявших процессы образования этих скоплений во время активной стадии аварии.

В диссертации проведен анализ данных о ТСМ разрушенного 4-го блока ЧАЭС, рассмотрена и проанализирована информация о сценарии образования чернобыльских лав, условиях и факторах, определявших их растекание.

Исследованы образцы полихромных лавообразных ТСМ (ЛТСМ), отобранных из лавового образования, находящегося в помещении 305/2 - «сталагмита». Показано, что полихромные ЛТСМ не являются однородными и в зависимости от цвета включений имеют различный химический и радиохимический составы. Так, содержание урана колеблется от 5 % (синий цвет) до 8 % (коричневый цвет), обеднение по осколочному цезию в синем типе включений примерно в 2 раза меньше, чем в коричневом и желтом. Выгорание отработанного ядерного топлива (ОЯТ) во всех типах включений составляет (12,7 ± 0,6) МВт • сут/кг урана. Наличие образцов с различным обеднением по цезию, отобранных из одного лавового образования, указывает на то, что в формировании потока полихромной лавы участвовали, как минимум, два независимых очага лавообразования.

Показана высокая вероятность присутствия лавовых скоплений в северо-восточной части шахты реактора (отметка +29.200) и на полу южной части северного бокса сепараторов (помещение 804/4, отметка +30.900). Именно в области, находящейся под «волосами Елены», во время активной стадии аварии происходил процесс возникновения скопления лавы - источника формирования полихромных ЛТСМ, визуально наблюдаемых в нижней части реакторного пространства.

Разработана версия модели и выполнен тепловой расчет процесса образования ЛТСМ на верхних отметках разрушенного 4-го блока ЧАЭС. При математическом моделировании процесса лавообразования были заданы условия, имитирующие возможные условия варки лавы в области, находящейся на отметке +30.900 (южная часть помещения 804/4). Выполненные расчеты показали, что для осуществления процесса лавообразования в условиях протекания активной стадии чернобыльской аварии было необходимо 16 сборок или около 1 т ОЯТ. Это дает основание утверждать, что в настоящий момент на верхних отметках разрушенного 4-го блока находится не менее 15 т ЛТСМ.

Реконструирована последовательность событий, происходивших в пом. 305/2 и в самой шахте реактора в первые минуты аварии, а также разработана графическая версия реконструкции картины разрушений, наблюдавшихся в шахте реактора и в подаппаратном помещении в начале второй стадии аварии. Предложен сценарий образования зон с высоким содержанием урана в помещении 305/2.

Процесс растекания чернобыльских лав оказал существенное влияние на формирование массива ТСМ, находящихся в помещении 305/2. А основным параметром, определявшим интенсивность процесса растекания лав или слива их из пом. 305/2, является вязкость лав. На основе аналогии с природными вулканическими лавами проведена оценка динамической вязкости ЛТСМ в диапазоне температур 1000-1500 С. Показано, что в тот момент, когда лава проникала через пролом в пом. 304/3, ее температура была 1500-1600 °С, а верхняя граница возможных значений вязкости лавы находилась в диапазоне 10^-2 - 10^-1 Па • с.

Обоснована возможность образования глубоких полостей в массиве подреакторной плиты, заполненных ТСМ с высоким содержанием урана. Разработана модель такой зоны в южной части юго-восточного квадранта помещения 305/2. Рассчитаны массовые параметры этой зоны. В соответствии с полученными данными количество топлива, заключенного в рассматриваемом фрагменте, - 10 т по урану, в зоне - 8,5 т. Расчет плотности потока нейтронов (ППН) для рассматриваемой модели был осуществлен с применением программного продукта MCNP-4С. Результаты расчетов распределения ППН по границам зоны с высоким содержанием урана в помещении 305/2 численно и по характеру изменений удовлетворительно совпадают с результатами прямых измерений. Показано, что в массиве подреакторной плиты в квадранте 46/47, И/К присутствует скопление ТСМ с вероятной максимальной концентрацией урана 30 % и более.

Ключевые слова: лава, моделирование, топливосодержащие материалы, сценарий, проба, уран, ядерное топливо.

Annotation

Alexander Lagunenko. Search and research of hidden fuel-containing material clusters in ruined Chernobyl NPP Unit 4. - Manuscript copy.

Technical science Candidate's thesis for specialty 21.06.01 - Ecological safety. Institute for Safety Problems of Nuclear Power Plants of Ukraine's NAS, Kyiv, 2008.

The dissertation is devoted to research of characteristics of hidden fuel-containing material (FCM) clusters, factors and events defining the processes of these clusters production during accident active stage.

This dissertation analyzes the data on ruined ChNPP Unit 4 FCM characterizing the objects being researched, such as hidden FCM clusters, as well as information on conditions and factors defining lava-like FCM (LFCM) production and spread was analyzed.

It is shown that the polychromic LFCM are not homogeneous ones and, depending on the impurity color, have various chemical and radiochemical compositions. So, the uranium content is fluctuated within the range of 5 % (dark blue color) to 8 % (brown color), depletion on cesium in impurities of dark blue type is approximately twice less than that in brown and yellow, what indicates the fact that, at least, two independent lava formation sources had participated in origination of polychromic lava flow.

Physical model was developed and thermal calculation of LFCM formation process on upper marks of destroyed ChNPP Unit 4 was carried out. These estimates have shown that to realize a lava formation process within the conditions of Chernobyl accident active stage at least 16 fuel assemblies or approximately 1 ton of spent nuclear fuel would be needed. This gives a ground to state that, currently, on the upper marks of destroyed Unit 4 not less than 15 tons of LFCM are localized.

A scenario was offered, how areas with high uranium content in premises 305/2 had produced. The evaluation of LFCM dynamic viscosity within the temperature range of 1000-1500 °С was made. It is demonstrated that in the moment when lava was penetrating via a breach in premise 304/3 it had the temperature 1500-1600 °С, and upper boundary of possible values of lava viscosity was within the range of 10^-2 - 10^-1 Pa • s.

Thy probability of deep cavity formation in sub-reactor solid plate filled with FCM with high uranium content was grounded. A model of area with high uranium content in southern part of premise 305/2 south-east quadrant was developed. The mass parameters of above area were estimated. The results of estimation of neutron flux density distribution along the boundaries of area with high uranium content in premise 305/2, numerically and due to changes character, coincide satisfactorily with direct measurements results. It is shown that sub-reactor solid plate, in quadrant 46/47, И/К, includes FCM clusters with probable maximum uranium concentration making 30 % and more.

Key words: lava, modeling, fuel-containing materials, scenario, sample, uranium, nuclear fuel.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В історії людської цивілізації ніколи в минулому не відбувалися катастрофи типу чорнобильської і не виникали такі екологічно небезпечні об'єкти, як зруйнований 4-й блок Чорнобильської АЕС.

Згідно зі Стратегією перетворення об'єкта "Укриття", затвердженою рішенням Урядовій комісії з питань комплексного рішення проблем ЧАЕС № 2 від 12 березня 2001 року, 4-й блок повинен бути переведений в екологічно безпечний стан.

Саме ядерне паливо 4-го блока, його стан, форми його існування в об'єкті "Укриття" (ОУ), його просторове розташування і визначають той негативний вплив, який надає ОУ на навколишнє середовище. Тому перетворення ОУ на екологічно безпечну систему вимагає достовірної інформації про кількість, розташування і стан ядерного палива, що знаходиться в ОУ.

Оцінка загальної кількості ядерного палива в ОУ була зроблена на підставі досліджень по випаданнях радіоактивності на території СРСР і зарубіжних країн, і в даний час вона дає підставу вважати встановленим, що всередині ОУ, що закрив 4-й блок, залишилося більше 95 % ядерного палива від початкового завантаження реактора.

До теперішнього часу не відоме точне розташування вже розвіданих скупчень паливовмісних матеріалів (ПВМ) і місцезнаходження приблизно половини ядерного палива первинного завантаження 4-го енергоблока.

Необхідно враховувати також і той факт, що велика (якщо не основна) частина лавоподібних ПВМ (ЛПВМ) прихована під завалами або бетоном, залитим у приміщення 4-го блока в 1986 р. при зведенні ОУ. Тобто основна маса цих скупчень фактично може бути визначена як приховані скупчення, і наші уявлення про них сформувалися на основі аналізу інформації, одержаної з меж цих скупчень, - будь то відбір проб або інструментальні вимірювання.

Пошук та дослідження таких скупчень є вкрай важливим для екологічної, ядерної та радіаційної безпеки ОУ.

Чорнобильські лави можуть розглядатися як штучні, техногенні утворення. Можна сказати, що до теперішнього часу основна маса даних, що належать до чорнобильських лав, систематизована, критично осмислена і представлена у вигляді сценарію утворення ЛПВМ. Проте нові факти, які свідчать про можливість існування окремих прихованих скупчень чорнобильських лав, вимагають уточнення цього сценарію.

Вивчення екологічної обстановки як всередині, так і навколо зруйнованого 4-го блока ЧАЕС необхідне для розробки дій по перетворенню ОУ на екологічно безпечну систему, зокрема при будівництві нового безпечного конфайнменту (НБК).

«Стратегією поводження з ПВМ...» передбачене «…извлечение ТСМ на протяжении жизненного цикла НБК…». Звідси ясно, що при будь-якому перетворенні 4-го блока ЧАЕС необхідно мати якнайповнішу інформацію про фізико-хімічні властивості, ядерно-фізичні параметри, геометрію і місця розташування скупчень ПВМ. Тому протягом останніх років уточнення кількості, розташування, ядерно-фізичних і фізико-хімічних властивостей ТСМ в підреакторних приміщеннях і на верхніх відмітках 4-го блока, є областю постійної уваги ДСП ЧАЕС і ІПБ АЕС НАН України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках планів науково-дослідних робіт ІПБ АЕС НАН України.

Основні результати дисертаційної роботи були використані при виконанні наступних науково-дослідних робіт: «Аналіз поточної безпеки об'єкта “Укриття” і прогнозні оцінки розвитку ситуації» (№ ДР 0101U002567); «Вивчення фізико-хімічних властивостей ядерно-небезпечних матеріалів, що діляться, об'єкта "Укриття", які впливають на ступінь ядерної, радіаційної і радіоекологічної безпеки об'єкта "Укриття"» (№ ДР 0101U002568); «Розробка методик і способів контролю стану підкритичності паливовмісних матеріалів. Модельні і експериментальні дослідження ефективності нейтронного контролю паливовмісних матеріалів в зонах критмасового ризику» (№ ДР 0101U002569).

Мета та задачі дослідження. Мета роботи: пошук та визначення місць розташування прихованих скупчень ПВМ і оцінка їх геометричних і масових параметрів. Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

проаналізовано стан приміщень ОУ і вивчені дані інструментальних вимірювань, які вказують на присутність прихованих скупчень ПВМ;

побудована фізична модель і проведено математичне моделювання процесу утворення ЛПВМ на верхніх відмітках ОУ;

досліджені фізико-хімічні властивості поліхромних ЛПВМ;

досліджені чинники і події, що визначали процеси утворення і розтікання чорнобильських лав;

розроблений сценарій утворення зон з високим вмістом урану в приміщенні 305/2 і побудована модель такої зони.

Об'єкт досліджень: паливовмісні матеріали об'єкта “Укриття”.

Предмет досліджень: фізико-хімічні властивості, геометричні і масові характеристики скупчень ПВМ, умови і параметри, що визначали їх утворення.

Методи досліджень: математичне моделювання, методи радіохімічного аналізу, б-, г-спектрометрія, візуально-аналітичний метод.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в роботі вперше:

визначені координати прихованих скупчень ЛПВМ на верхніх відмітках ОУ;

на підставі результатів дослідження властивостей поліхромних ЛПВМ і візуальних обстежень побудована фізична модель процесу утворення ЛПВМ на верхніх відмітках ОУ;

проведено математичне моделювання процесу утворення ЛПВМ на верхніх відмітках ОУ, розраховані його теплові і часові параметри, проведена оцінка мінімальної кількості відпрацьованого ядерного палива (ВЯП) в скупченнях ЛПВМ на верхніх відмітках ОУ;

визначені місця розташування прихованих скупчень (зон з високим вмістом урану) в масиві ЛПВМ приміщення 305/2;

розроблений сценарій утворення в приміщенні 305/2 зон з високим вмістом урану, обґрунтована модель зони, розраховані її масові характеристики. Достовірність розробленої моделі підтверджена задовільним збігом ядерно-фізичних розрахунків і експериментальних даних.

Практичне значення отриманих результатів. Результати, одержані в роботі дозволяють істотно підвищити ядерну і радіаційну безпеку при створенні НБК і тим самим оптимізувати загальні витрати як при споруді НБК в цілому, так і на стадії вилучення ПВМ з ОУ.

Практичне значення отриманих результатів визначається і тим, що знання координат та масових характеристик прихованих скупчень ПВМ дає змогу провести комплекс технічних та організаційних заходів, що мінімізують ризик виникнення СЛР та її наслідків, що знижують радіаційну небезпеку при експлуатації ОУ.

Результати досліджень, викладені в дисертації, були використані ДСП «Чорнобильська АЕС» при виконанні робіт за контрактом SIP05-3-008-03 «Ремонтно-восстановительные работы по скважинам объекта «Укрытие» под установку датчиков скяб иаск» і розробці «Звіту про стан безпеки об'єкта «Укриття» SIP-P-PM-22-460-SAR-124-01 (довідки про використання результатів дисертаційної роботи, ДСП ЧАЕС, № 02/06-2703 від 18.06.2008 і № 02/06-2704 від 18.06.2008).

Особистий внесок здобувача в роботи, які виконані в співавторстві і включені в дисертацію, полягав в розробці фізичної і математичної моделей утворення ЛПВМ на верхніх відмітках ОУ, розробці сценарію утворення зон з високим вмістом палива на нижніх відмітках ОУ, розрахунку координат прихованих скупчень ПВМ, визначенні їх масових і геометричних параметрів, аналізі візуальної інформації і верифікації результатів аналізу проб ПВМ, в особистій участі у всіх етапах робот, аналізі і інтерпретації отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, що увійшли до дисертації, докладалися і обговорювалися на IV міжнародній науково-практичній конференції «Об'єкт «Укриття» 15 років: минуле, сьогодення, майбутнє», 27-30 листопада 2001 року, Славутич, Україна, інформаційний центр-представництво ЧАЕС в м. Славутич; XVI міжнародної конференції з фізики радіаційних явищ і радіаційного матеріалознавства, 6 - 11 вересня 2004, Алушта, Крим.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 8 статтях у фахових наукових виданнях та 2 тезах доповідей міжнародних наукових конференцій.

Структура та обєм дисертації. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел (102 наймен.) і 11 додатків. Дисертація викладена на 148 сторінках, містить 73 рисунка, 42 таблиці.

2. Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета і завдання досліджень, відмічений зв'язок роботи з науковими планами і темами, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведені відомості про особистий внесок здобувача, апробацію наукових результатів, наявність публікацій, структуру і об'єм дисертаційної роботи.

Перший розділ присвячений аналізу даних про ПВМ зруйнованого 4-го блока ЧАЕС, основна увага в ньому приділена матеріалам, які характеризують об'єкти дослідження, а саме, приховані скупчення ПВМ.

Значна частина розділу присвячена аналізу стану приміщень ОУ і стану ПВМ, що знаходяться в них, проведеному на основі візуальних спостережень, виконаних при обстеженні приміщень ОУ дослідницькими групами.

Розглянуті результати бурових робіт і свердловинних вимірювань. Приведені верифіковані дані аналізу проб ПВМ, відібраних з приміщень ОУ.

У окремих підрозділах розглянута і проаналізована інформація про сценарій утворення чорнобильських лав, умови і чинники, що визначали їх розтікання, а також про ядерно-фізичні параметри ПВМ приміщення 305/2.

Аналіз представлених в розділі даних дозволив авторові даної роботи реконструювати загальну картину зруйнованого 4-го блока і розташування ПВМ в ньому і представити результати аналізу в графіці, а також визначити межі розповсюдження ЛПВМ в приміщенні 305/2.

Аналіз даних візуальних спостережень дає можливість зробити висновок про те, що на відмітках вище +24.000 присутні скупчення лави, приховані в завалах метало- і залізобетонних конструкцій.

Необхідно відзначити, що результати виконаних раніше розрахунків ядерно-фізичних параметрів масиву ПВМ приміщення 305/2 ні за яких умов не співпадали з експериментальними даними. Це дозволило зробити припущення про те, що в масиві ЛПВМ приміщення 305/2 можуть знаходитися локальні зони з високим вмістом палива, тобто такі зони, концентрація урану в яких значно перевищує дані експертних оцінок середньої концентрації урану в масиві ЛПВМ південно-східного квадранта приміщення 305/2. Враховуючи те, що оцінка масових і геометричних характеристик цього масиву була виконана також і на підставі існуючого сценарію утворення ЛПВМ, цей сценарій вимагає уточнення.

У другому розділі приведені результати дослідження зразків поліхромних ЛПВМ, відібраних з лавового утворення, що знаходиться в приміщенні 305/2, - «сталагміта». Розглянуті можливі місця і умови утворення поліхромних ЛПВМ, розроблена версія моделі і виконаний тепловий розрахунок процесу утворення ЛПВМ на верхніх відмітках зруйнованого 4-го блока ЧАЕС.

Візуальне обстеження показало, що цей вид чорнобильських лав містить фрагменти різного кольору, що злиті воєдино, - в основному, коричневого, жовтого і яскраво-синього кольору.

Результати дослідження зразків поліхромних ЛПВМ синього кольору показали, що вміст урану в них складає (5,7 ± 0,2) % (мас.).

Також було встановлено, що вміст кальцію і магнію в ЛПВМ складає відповідно 4,7 % і 3,6 % (мас.) при молярному відношенні ~ 0,8.

Вміст урану в ЛПВМ коричневого кольору склав 7,6 %, жовтого кольору - 7 % відповідно.

Для верифікації отриманих результатів було обчислено вигоряння ВЯП, що міститься у вивчених зразках поліхромних ЛПВМ. Вигоряння розраховувалося двома способами: по відношенню ізотопів ¹³⁴Cs і ¹³⁷Cs і по співвідношенню ізотопів плутонію - в середньому - (12,7 ± 0,6) МВт • доба/кг урану.

Середнє розрахункове значення для залишкового вмісту цезію в поліхромних ЛПВМ коричневого і жовтого кольору складає ~ 40 %, тобто не перевищує величину, характерну для коричневих і чорних ЛПВМ в підреакторних приміщеннях 4-го блока. У синій модифікації поліхромних ЛПВМ цезію залишилося значно більше, ніж у зразках ЛПВМ коричневого і жовтого кольору: у синій модифікації залишилося ~ 65 % (мас.). Наявність зразків з різним збідненням по цезію, відібраних з одного лавового утворення, указує на те, що у формуванні потоку поліхромної лави брали участь, як мінімум, два незалежні осередки лавоутворення. Це припущення підтверджується і самим зовнішнім виглядом «сталагміта»: як показують спостереження, окремі компоненти лави не встигли перемішатися і утворили ніби звиті разом окремі струмочки.

Все це приводить до висновку, що поліхромні ЛПВМ як модифікація чорнобильських лав утворилися вище за верхній торець залізобетонної плити (відмітка +24.000), що похило стояла в реакторному просторі, за своїм особливим механізмом: при меншому часі дії високої температури (менший виліт цезію) і за участю серпентиніта (більший зміст магнію).

Характер руйнувань конструкцій в районі верхньої плити біологічного захисту (схеми «Е») і розташування візуально спостережуваних пошкоджених технологічних каналів з ВЯП, що похило стоять, дають підставу для припущення про присутність лавового скупчення в північно-східній частині шахти реактора (відмітка +29.200), а також для припущення про те, що на підлозі південної частини північного боксу сепараторів (приміщення 804/4, відмітка +30.900) присутні ЛПВМ. Таким чином, саме в області, що знаходиться під «волоссям Олени», під час активної стадії аварії відбувався процес виникнення ще одного скупчення лави - джерела формування поліхромних ЛПВМ, візуально спостережуваних в нижній частині реакторного простору.

Фізична модель процесу утворення лави була побудована за логікою сценарію утворення ЛПВМ, прийнятого в ІПБ АЕС, з деякими припущеннями, що ідеалізують реальні процеси і необхідними для здійснення моделювання.

При моделюванні процесу лавоутворення були задані умови, що імітують можливі умови варива лави в області, що знаходиться на відмітці +30.900 (південна частина приміщення 804/4).

Температурне поле в системі, що складається із збірок, об'єму серпентиніта і «нижньої підстави» можна описати нестаціонарним рівнянням теплопровідності з внутрішніми джерелами тепла:

, (1)

де , - температурні залежності питомої ізобарної теплоємності; густини і теплопровідності i-го елементу системи, Дж/(кг • К), кг/м³, Вт/(м • К); - температура, С; - декартові координати, м; - внутрішнє джерело тепла в i-му елементі системи, Вт/м³; - номер області; n - кількість областей.

При i=1 розглядається область з окислу урану, який є збіркою у вигляді циліндра. У цій області є внутрішнє джерело тепла - , фазові переходи не відбуваються, тобто немає стрибка теплофізичних властивостей, і не виділяється теплота фазового переходу.

При i=2 розглядається область з цирконію, яка представляє тонкостінну циліндрову оболонку. У цій області внутрішнє джерело тепла відсутнє - , але при цьому має місце фазовий перехід 1-го роду при плавленні цирконію, тобто спостерігається стрибок теплофізичних властивостей і поглинається теплота фазового переходу.

При i=3 розглядається область серпентиніту, яка представляє половину циліндра великих розмірів. У цій області внутрішнє джерело тепла відсутнє - , але при цьому мають місце два фазові переходи при розкладанні і плавленні продуктів розкладання серпентиніту, тобто при цьому спостерігаються два стрибки теплофізичних властивостей при відповідних температурах і при цьому поглинається теплота фазового переходу.

При розглядаються області сталевої пластини, шару теплоізолятора, бетонних огорож і т.д. У цих областях . У області сталевої пластини може відбуватися фазовий перехід 1-го роду при її плавленні, тобто стрибок властивостей і стік тепла.

Відповідно до вищевикладеного математичне формулювання температурної залежності теплофізичних властивостей матеріалів з урахуванням теплоти фазових перетворень може бути представлене у вигляді:

 (2)

де індекс m - відноситься до фазового переходу; індекс i= - відноситься до номера області, а індекс k= - відноситься до номера фазового переходу у області i; - інтервал згладжування при фазовому переході; індекси _-0 і ₊₀ означають, що властивості беруться ліворуч і праворуч від температури фазового переходу; - теплота фазового переходу 1-го роду (наприклад, теплота плавлення або твердіння).

Початкові умови:

(3)

Граничні умови :

на межі системи з навколишнім середовищем (бетон - повітря і серпентиніт - повітря)

(4)

на бічних поверхнях системи - адіабатні умови

 (5)

Постановка (1)-(5) дозволяє організувати крізний розрахунок 2D температурних полів по областях.

Для розрахунку просторово-часового розподілу температур застосовувалося ентальпійне формулювання рівняння теплопровідності:

, (6)

де H_i - ентальпія, яка із збільшенням температури є монотонно зростаючою функцією. У ентальпію також входить теплота фазового переходу.

Параметрична чисельна модель процесу лавоутворення була розроблена із застосуванням програмного продукту ANSYS версії 7.0, адаптованого для вирішення поставленого завдання.

Розрахунок теплоти (), необхідною для здійснення процесу лавоутворення виконувався по формулі:

, Дж

де - час закінчення лавоутворення, год; - об'ємна густина внутрішнього джерела в збірці, Вт/м³; , Вт/кгU - залежність від часу залишкової потужності тепловиділення палива реактора РБМК-1000; - маса збірки, кг.

Для співставності результатів розрахунків за кількістю тепла і часу лавоутворення використовувалися наступні питомі величини:

Дж/кг лави - питома теплота або теплота необхідна для утворення 1 кг лави,

де - об'єм лави, що утворилася, м³; = 3,5 м - довжина збірки, м; - площа зони лави в розрахунковому перетині, м² (визначається при розрахунку); =4030 кг/м³ - густина лави, що містить 9 % окислів урану. Теоретична густина лави розраховувалася адитивно.

, г - час необхідний для утворення 1 т лави.

Результати розрахунку наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Результати розрахунку

Кол. збірок	Кол. вузлів	Tmax*, C	, год	, год	, м2 , м3	, мм/год	, Дж	, год	, Дж/кг
12	13464	1420,7	-	-	-	-	-	-	-
16	14991	1624,2	15,875	577,12	0,32232 1,1281	1,0747	1,12•1010	126,93	2,48•106
32	18621	2138,8	5,075	785,12	4,6098 16,134	19,102	2,83•1010	12,07	4,34•105
60	25368	2884,8	4,25	695,12	10,132 35,462	23,062	4,84•1010	4,87	3,39•105
96	32514	3627,3	4,24	589,12	13,742 48,097	62,122	6,85•1010	3,04	3,54•105
* Tmax - максимальна температура процесу; - час початку процесу лавоутворення; - час закінчення процесу лавоутворення; - площа зони лави в розрахунковому перетині; - об'єм зони лави; - максимальна швидкість утворення лави; - теплота необхідна для утворення лави; - час необхідний для утворення 1 т лави; - теплота необхідна для утворення 1 кг лави.

З даних табл. 1 витікає, що мінімальна кількість збірок, необхідна для початку процесу утворення лави, дорівнює 16.

Необхідно відзначити, що розрахунки були проведені для 2D температурних полів, тобто без урахування тепловтрат по торцях циліндрової тепловиділяючої області. При цьому погрішність двовимірної чисельної моделі внаслідок нехтуванням тепловтратами по торцях системи, зібраної із 16 збірок склала ~ 16 %.

Виконані розрахунки двовимірних температурних полів показують, що для здійснення процесу лавоутворення в умовах протікання активної стадії чорнобильської аварії було необхідно 16 збірок або близько 1 т ВЯП. Це дає підставу стверджувати, що зараз на верхніх відмітках зруйнованого 4-го блока знаходиться не менш як 15 т ЛПВМ.

У третьому розділі представлено сценарій утворення зон з високим вмістом урану в приміщенні 305/2. Представлені результати оцінки геометрії можливої критмасової зони в південній частині південно-східного квадранта приміщення 305/2, розраховані масові параметри цієї зони, оцінена достовірність розробленої моделі.

Процес розтікання чорнобильських лав міг зробити істотний вплив на формування масиву ПВМ, що знаходяться в приміщенні 305/2. А основним параметром, що визначав інтенсивність процесу розтікання лав або зливу їх з приміщення 305/2, є в'язкість лав.

У даний час, експериментальні дані по в'язкості чорнобильських лав існують тільки для невеликого діапазону температур. Тому для оцінки їх в'язкості доводиться удатися до порівняльного аналізу (аналогіям).

За своїм елементним складом (за винятком, природно, таких елементів, як уран і цирконій) ЛПВМ 4-го блока ЧАЕС можна порівняти з природними вулканічними лавами.

На основі експериментальних даних були одержані рівняння, придатні для розрахунку в'язкості природних лав залежно від вмісту в них різних компонент для температур в діапазоні 1250-1450 С:

з₁₄₅₀ = 0,677x₁ - 4,615х₂ + 2,802х₃ + 0,76х₄ - 1,161х₅ - 0,868х₆ + 0,241х₇ - 7,03х₈,

з₁₄₀₀ = 1,165х₁ - 5,34х₂ + 5,36х₃ + 0,056х₄ - 2,565х₅ - 1,586х₆ - 0,448х₇ - 10,45х₈,

з₁₃₅₀ = 2,002х₁ - 13,189х₂ + 8,79х₃ + 0,151х₄ - 3,48х₅ - 2,15х₆ - 0,63х₇ - 19,74х₈,

з₁₃₀₀ = 4,14х₁ - 29,01х₂ + 12,608х₃ + 0,54х₄ - 4,58х₅ - 3,655х₆ + 1,236х₇ - 42,27х₈,

з₁₂₅₀ = 5,35х₁ - 12,176х₂ + 16,46х₃ + 2,45х₄ - 10,02х₅ + 6,008х₆ + 10,33х₇ - 75,82х₈

де, з - в'язкість при температурі T (^oC), 10^-3 Па • с;

х₁ - SiO₂, х₂ - TiO₂, х₃- Al₂O₃, х₄ - Fe₂O₃, х₅ - FeO, х₆ - MgO, х₇ - CaO, х₈ - Na₂O.

Якщо застосувати ці рівняння до ЛПВМ, то стає можливим оцінити величину їх в'язкості.

Наведені розрахунки придатні тільки для визначення порядку вели-ини динамічної в'язкості ЛПВМ. Тому у даному випадку відмінності між типами ЛПВМ не є істотними.

Представлені експериментальні дані і дані, одержані при розрахунку динамічної в'язкості коричневих ЛПВМ. Порівняння цих даних дозволяє оцінити величину в'язкості для всіх модифікацій ЛПВМ у діапазоні температур 1000-1500 С.

Результати дослідження зразків бетону, відібраних на поверхні стін приміщення 304/3 біля пролому в приміщення 305/2, показали, що в них міститься значно більше ¹²⁵Sb, ніж це характерно для базового паливного складу (у 4 рази!). Цей факт і стан металоконструкцій, що знаходяться в цьому приміщенні, дозволили зробити припущення, що в той момент, коли лава проникала крізь пролом в приміщення 304/3, її температура була 1500 - 1600 °С, а в'язкість лави складала приблизно 10^-2 Па • с.

У той же час оцінка радіаційного чинника, указує на те, що динамічна в'язкість ЛПВМ в діапазоні температур 1000 - 1500 °С могла бути і на два порядки нижче.

Таким чином, дані, наведені на рис. 9, є верхньою межею можливих значень динамічної в'язкості ЛПВМ, що є важливим для сценарію утворення зон з високим вмістом урану.

Для побудови сценарію утворення зон з високим вмістом урану була реконструйована послідовність подій, що відбувалися в приміщенні 305/2 і в самій шахті реактора в перші хвилини аварії, а також розроблена графічна версія реконструкції картини руйнувань, що спостерігалися в шахті реактора і в підапаратному приміщенні на початку другої стадії аварії.

Викладений у третьому розділі сценарій утворення таких зон дозволив обґрунтувати можливість утворення глибоких порожнин в масиві підреакторної плити (ПП), заповнених ПВМ з високим вмістом урану (рис. 10). Можна припустити також, що при формуванні цих зон відбувалася сепарація по концентрації палива і по вертикалі.

З великою вірогідністю можна припустити, що в процес лавоутворення були залучені, перш за все, збірки з порівняно високим вигорянням (збірки з низьким вигорянням виділяють менше тепла), і паливо з високим вигорянням покидало осередки лавоутворення швидше, ніж паливо з низьким вигорянням. У цьому випадку зразки (з приміщення 305/2) з великим змістом урану, в середньому, повинні мати менше вигоряння.

Відповідно до запропонованої гіпотези була зроблена оцінка масових і геометричних параметрів ПВМ в зоні, розташованій у проломі в приміщення 304/2.

На горизонтальному перетині масиву ЛПВМ в південно-східному квадранті приміщення 305/2 виділена передбачена область розташування зони з високим вмістом урану. Представлений фрагмент ПП, що включає цю зону.

Фрагмент ПП (відмітки +8.200 - +9.700) включає порожнину із скупченням ПВМ, що утворилася в результаті взаємодії розплаву з високою концентрацією палива з бетоном плити. Зверху (відмітки +9.700 - +10.500) скупчення прикрите шаром ЛПВМ, над шаром ЛПВМ (відмітки +10.500 - +11.000) знаходиться шар бетону, залитого в 1986 р. при зведенні ОУ («свіжий» бетон), нижче за скупчення (відмітки +8.000 - +8.200) - шар важкого бетону (плита перекриття).

Фрагмент був розбитий на комірки розміром 0,50,50,5 м. Кожній комірці привласнювався номер х,у,z. Для кожної комірки розраховувався масовий склад і густина середовища. При розрахунках були прийняті наступні умови:

на відмітках +8.700 - +9.700 в порожнині знаходяться ПВМ, масовий вміст урану в яких лінійно зростає по глибині від 5 до 30 %;

хімічний склад ПВМ ідентичний середньому складу чорної кераміки приміщення 304/3, за винятком вмісту урану. Розрахунковий склад і густина композицій залежно від вмісту урану приведені в табл. 2;

вміст урану в комірці периферійної зони удвічі менший, ніж в сусідній по горизонталі комірці;

нижня частина порожнини до відмітки +8.700 заповнена металом, елементний склад якого був розрахований на підставі оцінки кількості і типів конструкційних сталей, залучених в процес лавоутворення (табл. 3);

нижчий від порожнини шар важкого бетону, верхній шар ЛПВМ і шар «свіжого» бетону, що прикривають порожнину, однорідні по складу і густині, густина важкого бетону приймалася рівною 2,4 г/см³ і деструктурованого - 2,0 г/см³.

Розрахунки масового складу і густина ПВМ були проведені для кожної з 468 комірок фрагмента.

Таблиця 2. Розрахунковий хімічний склад і густина ЛПВМ

Вміст урану, %	Розрахунковий хімічний склад ЛПВМ % (мас.)	Густина, г/см3
	UO2	SiO2	CaO	TiO2	ZrO2	Na2O	BaO	Al2O3	MnO	Fe2O3	FeO	MgO	Cr2O3	розрахункова	з урахуванням пористості
5	5,7	64,4	6,1	0,2	5,3	5,6	0,1	6,7	1,7	0,2	0,2	3,5	0,2	3,48	2,5
20	22,7	52,6	5,0	0,2	4,3	4,6	0,1	5,5	1,4	0,2	0,2	2,9	0,2	4,83	3,5
30	34,1	44,9	4,3	0,1	3,7	3,9	0,1	4,7	1,2	0,2	0,1	2,5	0,2	5,73	4,1
40	45,4	37,1	3,5	0,1	3,1	3,3	0,1	3,9	1,0	0,1	0,1	2,1	0,1	6,63	4,8
50	56,8	29,4	2,8	0,1	2,4	2,6	0,1	3,1	0,8	0,1	0,1	1,6	0,1	7,52	5,4

Таблиця 3. Розрахунковий елементний склад «калюж» металу

Елемент	титан	залізо	хром	нікель	молібден	вуглець
Вміст, % (мас.)	0,5	82,92	12,25	4	0,25	0,08

Відповідно до одержаних даних кількість палива, що міститься в даному фрагменті, - 10 т по урану, в зоні - 8,5 т. Слід зазначити, що розрахунки, виконані відповідно до оцінок 2000 р., показують, що в такому фрагменті містилося би близько 6 т урану.

Розрахунок густини потоку нейтронів (ГПН) для даної моделі був здійснений із застосуванням програмного продукту MCNP-4С. Просторовий розподіл зовнішніх джерел нейтронів при цьому вибирався рівномірним за всім об'ємом речовини, що ділилася (ПВМ), а їх сумарна активність була прийнята рівною 5,5 н/(с • г урану).

Результати розрахунків показують, що максимальна ГПН в даній моделі спостерігається в комірці (7,4,2) і складає величину: Ц_макс(7,4,2) = 1381 н/(см² • с).

Середні ГПН в шарах ПП і у всьому її об'ємі мають при цьому значення: Ц₁ = 177 н/(см² • с), Ц₂ = 587 н/(см² • с), Ц₃ = 564 н/(см² • с), = 442 н/(см² • с).

Значення ГПН віднесені до серединного перетину шару (див. рис. 16). Тобто для 1-го шару - відмітка +8.450, для 2-го шару - відмітка +8.950, для 3-го шару - відмітка +9.450.

Середня ГПН в шарі ЛПВМ, що містить 5 % урану, має значення Ц_ЛПВМ5%U = 280 н/(см² • с), а середні ГПН в зонах, що містять бетон 1986 р., деструктурованый бетон, що містить 2,5 % урану, і важкий бетон складають Ц_{бетон1986} = 48 н/(см² • с), Ц_{дест.бетон} = 192 н/(см² • с), Ц_{важк.бетон} = 20 н/(см² • с) відповідно.

Як це витікає з аналізу даних, представлених на рис. 17 - 20, одержано задовільний збіг розрахункових даних і результатів прямих вимірювань ГПН.

З наведених в розділі даних також очевидно витікає, що в масиві ПП в квадранті 46/47, И/К присутні скупчення ПВМ з вірогідною максимальною концентрацією урану 30 % і більш.

Висновки

Виходячи з аналізу одержаних даних, можна сформулювати наступні висновки:

В результаті проведеного пошуку вперше показано, що на верхніх відмітках зруйнованого 4-го блока ЧАЕС існує дві ділянки, розташованих в безпосередній близькості від схеми «Е», де можуть знаходитися приховані скупчення ЛПВМ. Координати цих ділянок: відмітка +29.200, осі 45 - 47, ряди М - Н; відмітка +30.900, осі 45 - 46, ряди Н - П.

Крім того, цей пошук дозволив визначити межі розповсюдження ЛПВМ в приміщенні 305/2, і встановити, що цей масив ЛПВМ містить непереплавлені компоненти, зокрема елементи будівельних конструкцій і фрагменти активної зони реактора.

Показано, що поліхромні ЛПВМ не є однорідними і залежно від кольору включень мають різний хімічний і радіохімічний склади. Вміст урану в поліхромних ЛПВМ коливається від 5 % (синій колір) до 8 % (коричневий колір). Збіднення по цезію в синьому типі включень приблизно в 2 рази менше, ніж у коричневому і жовтому. Вигоряння ВЯП у всіх типах включень складає (12,7 ± 0,6) МВт • доба/кг урану.

На основі одержаних даних по складу поліхромних ЛПВМ проведено математичне моделювання процесу їх утворення. Виконані розрахунки показали, що для здійснення процесу утворення поліхромних ЛПВМ в умовах протікання активної стадії Чорнобильської аварії було необхідно близько 1 т ВЯП.

Проведені розрахунки дають підставу стверджувати, що на цей час на верхніх відмітках зруйнованого 4-го блока знаходиться не менш як 15 т ЛПВМ. Цей факт необхідно обов'язково враховувати при розробці технології вилучення ВЯП з ЦЗ, а також при зведенні НБК і перетворенні ОУ на екологічно безпечну систему.

Реконструйовано послідовність подій, що відбувалися в приміщенні 305/2 і в самій шахті реактора на активній стадії аварії. На основі цих даних, результатів аналізу проб, відібраних з підреакторних приміщень, результатів бурових робіт і свердловинних вимірювань побудовано сценарій утворення зон з високим вмістом палива в приміщенні 305/2.

Показано, що процес розтікання чорнобильських лав зробив істотний вплив на формування масиву ПВМ, що знаходяться в приміщенні 305/2. Проведено оцінку динамічної в'язкості ЛПВМ в діапазоні температур 1000 - 1500 С. Установлено, що в той момент, коли лава проникала через пролом в приміщення 304/3, її температура була 1500 - 1600 °С. Показано, що при цих температурах верхня межа можливих значень в'язкості лави знаходилася в діапазоні 10^-2 - 10^-1 Па • с.

Показано можливість існування декількох осередків утворення чорнобильських лав, кожний з яких мав свої температури і утворював характерні для цього осередки лави з певним складом. У окремих осередках лавоутворення могли реалізуватися умови, при яких взаємодія фрагментів активної зони з конструкційними матеріалами відбувалася при температурі, що перевищує температуру плавлення UO₂.

Розроблено модель зони з високим вмістом урану в південній частині південно-східного квадранта приміщення 305/2. Розраховано масові параметри цієї зони. Результати розрахунків розподілу густини потоків нейтронів по межах зони з високим вмістом палива в приміщенні 305/2 по характеру змін задовільно збігаються з результатами прямих вимірювань.

Представлені в дисертації дані про характеристики прихованих скупчень ПВМ дають змогу здійснити вибір шляхів доступу до цих скупчень, а також врахувати можливі ризики ядерної і радіаційної небезпеки при поточній експлуатації ОУ, зведенні НБК, переведенні ОУ на екологічно безпечний стан.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Боровой А.А., Лагуненко А.С., Пазухин Э.М. Оценка количества топлива в подаппаратном помещении 305/2 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС // Атомная энергия. - Т. 84, вып. 4. - Москва. - 1998. - С. 356-361.

2. Боровой А.А., Лагуненко А.С., Пазухин Э.М. Радиохимические и некоторые физико-химические характеристики образцов лавы и бетона из подреакторного помещения 304/3 4-го блока ЧАЭС. Их связь со сценарием аварии. // Радиохимия. - 1999. - Т. 41, № 2. - С. 187-192.

3. Пазухин Э.М., Боровой А.А., Ключников А.А., Краснов В.А., Лагуненко А.С., Гаврилов С.Л. Бассейн-барботер и парораспределительный коридор 4-го блока Чернобыльской АЭС. Новые данные // Радиохимия, 2003, т. 45, № 2, С. 184-190.

4. Пазухин Э.М., Лагуненко А.С., Краснов В.А., Билько В.В. Топливо на верхних отметках разрушенного 4-го блока ЧАЭС. Уточнение сценария образования полихромной керамики // Радиохимия, т. 48, № 6, 2006. - С. 470-480.

5. Боровой А.А., Лагуненко А.С., Пазухин Э.М. Новые оценки количества ядерного топлива, находящегося на нижних отметках объекта "Укрытие". // Проблеми Чорнобиля / НАНУ, МНТЦ "Укриття". - Вип. 6, Чорнобиль, 2000. - С. 13-16.

6. Боровой А.А., Ключников А.А., Краснов В.А., Лагуненко А.С., Пазухин Э.М., Гаврилов С.Л. Лавообразные топливосодержащие материалы в бассейне-барботере и парораспределительном коридоре 4-го блока Чернобыльской АЭС // Проблеми Чорнобиля / НАНУ, МНТЦ "Укриття". - Вип. 7, Чорнобиль, 2001. С. 181-193.

7. Высотский Е.Д., Краснов В.А., Лагуненко А.C., Пазухин Э.М. Топливо в помещении 305/2 4-го блока ЧАЭС. Критмассовые зоны. Уточнение сценария образования лавообразных топливосодержащих материалов // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. - 2007. - Вып. 8. - с. 77-86.

8. Бабенко В.А., Высотский Е.Д., Ключников А.А., Лагуненко А.С., Павлович В.Н., Пазухин Э.М. Моделирование массовых и геометрических параметров скопления топливосодержащих материалов в юго-восточной части помещения 305/2 разрушенного 4-го блока ЧАЭС // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. - 2008. - Вып. 9. - С. 36-42.

9. Боровой А.А., Лагуненко А.С., Пазухин Э.М. Чернобыльские лавы - нерешенные проблемы и вопросы // Тези IV міжнародної науково-практичної конференції «Об'єкт «Укриття» 15 років: минуле, сьогодення, майбутнє» 27-30 листопада 2001 р., Славутич, 2001. - С. 116.

10. Ключников А.А, Краснов В.А., Лагуненко А.С., Пазухин Э.М., Рудя К.Г. Новые данные о расположении и механизме образования ЛТСМ на верхних отметках разрушенного 4-го блока ЧАЭС // Тези XVI міжнародної конференції з фізики радіаційних явищ і радіаційного матеріалознавства, 6 - 11 вересня 2004 р., Алушта. - 2004. - С. 207.

Размещено на Allbest.ru