Паровой взрыв — это взрыв, вызванный бурным кипением или вспышкой воды или льда в пар , происходящий, когда вода или лед либо перегреваются , либо быстро нагреваются мелкими горячими обломками, образующимися внутри них, либо нагреваются при взаимодействии расплавленных металлов (как при взаимодействии топлива и теплоносителя, или FCI, расплавленных топливных стержней ядерного реактора с водой в активной зоне ядерного реактора после расплавления активной зоны ). Паровые взрывы являются примерами взрывного кипения . Сосуды под давлением, такие как реакторы с водой под давлением (ядерные) , которые работают выше атмосферного давления , также могут обеспечить условия для парового взрыва. Вода переходит из твердого или жидкого состояния в газ с чрезвычайной скоростью, резко увеличиваясь в объеме. Паровой взрыв распыляет пар, кипящую воду и горячую среду, которая их нагревала, во всех направлениях (если они не ограничены иным образом, например, стенками контейнера), создавая опасность ошпаривания и ожогов.
Паровые взрывы обычно не являются химическими взрывами , хотя ряд веществ вступают в химическую реакцию с паром (например, цирконий и перегретый графит (нечистый углерод , C) реагируют с паром и воздухом соответственно, выделяя водород (H 2 ), который может бурно взрываться на воздухе (O 2 ), образуя воду или H 2 O), так что могут последовать химические взрывы и пожары. Некоторые паровые взрывы, по-видимому, являются особыми видами взрыва расширяющегося пара кипящей жидкости (BLEVE) и зависят от высвобождения накопленного перегрева. Но многие крупномасштабные события, включая аварии на литейном производстве, демонстрируют доказательства распространения фронта высвобождения энергии через материал (см. описание FCI ниже), где силы создают фрагменты и смешивают горячую фазу с холодной летучей; а быстрая передача тепла на фронте поддерживает распространение.
Высокие скорости парообразования могут возникать при других обстоятельствах, таких как отказ барабана котла или на фронте закалки (например, когда вода снова поступает в горячий сухой котел). Хотя они потенциально разрушительны, они обычно менее энергичны, чем события, в которых горячая («топливная») фаза расплавлена и поэтому может быть мелко фрагментирована в летучей («охлаждающей») фазе. Вот несколько примеров:
Паровые взрывы естественным образом производятся некоторыми вулканами , особенно стратовулканами , и являются основной причиной человеческих жертв при вулканических извержениях. Они часто встречаются там, где горячая лава встречается с морской водой или льдом. Такое явление также называется литоральным взрывом . Опасный паровой взрыв может также возникнуть, когда жидкая вода или лед сталкиваются с горячим расплавленным металлом. Когда вода взрывается, превращаясь в пар, она выплескивает вместе с собой раскаленный жидкий металл, вызывая чрезвычайный риск серьезных ожогов у любого, кто находится поблизости, и создавая опасность пожара.
Когда контейнер под давлением, такой как водяная сторона парового котла, разрывается, это всегда сопровождается некоторой степенью парового взрыва. Обычная рабочая температура и давление для морского котла составляют около 950 фунтов на квадратный дюйм (6600 кПа) и 850 °F (454 °C) на выходе из пароперегревателя. Паровой котел имеет интерфейс пара и воды в паровом барабане, где вода в конечном итоге испаряется из-за подводимого тепла, обычно масляных горелок. Когда водяная труба выходит из строя по любой из множества причин, это заставляет воду в котле расширяться из отверстия в область печи, которая всего на несколько фунтов на квадратный дюйм выше атмосферного давления. Это, скорее всего, потушит все пожары и расширится на большой площади поверхности по бокам котла. Чтобы уменьшить вероятность разрушительного взрыва, котлы перешли от конструкций « жаротрубных », где тепло добавлялось путем пропускания горячих газов через трубы в водоеме, к « водотрубным » котлам, в которых вода находилась внутри труб, а топочная зона находилась вокруг труб. Старые «жаротрубные» котлы часто выходили из строя из-за низкого качества сборки или отсутствия обслуживания (например, коррозия жаротруб или усталость корпуса котла из-за постоянного расширения и сжатия). Отказ жаротруб заставляет большие объемы пара высокого давления и высокой температуры возвращаться обратно по жаротрубам за доли секунды и часто сносит горелки с передней части котла, тогда как отказ сосуда высокого давления, окружающего воду, привел бы к полной и всеобъемлющей эвакуации содержимого котла в результате большого парового взрыва. На морском котле это, безусловно, разрушило бы двигательную установку судна и, возможно, соответствующую часть судна.
Резервуары, содержащие сырую нефть и некоторые коммерческие нефтяные фракции, такие как некоторые виды дизельного топлива и керосина , могут подвергаться выкипанию , чрезвычайно опасной ситуации, при которой слой воды под открытым верхом резервуара начинает кипеть, что приводит к значительному увеличению интенсивности пожара, сопровождаемому сильным выбросом горящей жидкости в окружающие области. Во многих случаях нижележащий слой воды перегревается , и в этом случае часть его проходит через взрывное кипение. Когда это происходит, резкость расширения еще больше усиливает выброс горящего топлива. [1] [2] [3]
События этого общего типа также возможны, если топливо и топливные элементы водоохлаждаемого ядерного реактора постепенно плавятся. Смесь расплавленных структур активной зоны и топлива часто называют «кориумом». Если такой кориум вступает в контакт с водой, могут произойти паровые взрывы из-за бурного взаимодействия между расплавленным топливом (кориумом) и водой в качестве охладителя. Такие взрывы рассматриваются как взаимодействия топлива и охладителя (FCI). [ необходима цитата ] [4] [5] Сила парового взрыва, основанного на взаимодействии топлива и охладителя (FCI), сильно зависит от так называемого процесса предварительного смешивания, который описывает смешивание расплава с окружающей смесью воды и пара. В целом, богатые водой премиксы считаются более благоприятными, чем богатые паром среды с точки зрения инициирования и прочности парового взрыва. Теоретический максимум прочности парового взрыва из заданной массы расплавленного кориума, который никогда не может быть достигнут на практике, обусловлен его оптимальным распределением в виде капель расплавленного кориума определенного размера. Эти капли окружены соответствующим объемом воды, который в принципе получается из максимально возможной массы испаренной воды при мгновенном теплообмене между расплавленной каплей, дробящейся в ударной волне, и окружающей водой. На основе этого весьма консервативного предположения Теофаноусом были проведены расчеты для отказа альфа-контейнеризации. [6]Однако эти оптимальные условия, используемые для консервативных оценок, не встречаются в реальном мире. Во-первых, вся расплавленная активная зона реактора никогда не будет в предварительном смешивании, а только в форме ее части, например, как струя расплавленного кориума, ударяющаяся о водный бассейн в нижнем коллекторе реактора, фрагментируясь там путем абляции и тем самым позволяя образовать предварительную смесь вблизи струи расплава, падающей через водный бассейн. В качестве альтернативы расплав может поступать в виде толстой струи на дно нижнего коллектора, где он образует бассейн расплава, покрытый бассейном воды. В этом случае зона предварительного смешивания может образовываться на границе между бассейном расплава и бассейном воды. В обоих случаях ясно, что далеко не весь расплавленный инвентарь реактора участвует в предварительном смешивании, а скорее лишь небольшой процент. Дополнительные ограничения возникают из-за насыщенной природы воды в реакторе, т. е. там нет воды с заметным переохлаждением. В случае проникновения туда фрагментирующей струи расплава это приводит к увеличению испарения и повышению содержания пара в предварительной смеси, что при содержании > 70% в смеси вода/пар полностью предотвращает взрыв или, по крайней мере, ограничивает его силу. Другим обратным эффектом является затвердевание расплавленных частиц, которое зависит, помимо прочего, от диаметра расплавленных частиц. То есть, мелкие частицы затвердевают быстрее, чем крупные. Кроме того, модели роста неустойчивости на границах раздела между текущими средами (например, Кельвина-Гельмгольца, Рэлея-Тейлора, Конте-Майлза, ...) показывают корреляцию между размером частиц после фрагментации и отношением плотности фрагментирующей среды (смеси вода-пар) к плотности фрагментированной среды, что также может быть продемонстрировано экспериментально. В случае кориума (плотность ~ 8000 кг/м³) получаются гораздо более мелкие капли (~ 3 - 4 мм), чем при использовании оксида алюминия (Al2O3) в качестве имитатора кориума с плотностью чуть менее половины плотности кориума с размерами капель в диапазоне 1 - 2 см. Эксперименты по фрагментации струи, проведенные в JRC ISPRA в типичных условиях реактора с массой расплавленного кориума до 200 кг и диаметром струи расплава 5 - 10 см в диаметре в бассейнах с насыщенной водой глубиной до 2 м, привели к успеху в отношении паровых взрывов только при использовании Al2O3 в качестве имитатора кориума. Несмотря на различные усилия со стороны экспериментаторов, так и не удалось вызвать паровой взрыв в экспериментах с кориумом в FARO. (Продолжение следует ...)
Если в замкнутом резервуаре с водой из-за быстрого нагрева воды происходит паровой взрыв, волна давления и быстро расширяющийся пар могут вызвать сильный гидравлический удар . Именно этот механизм в Айдахо, США, в 1961 году заставил корпус ядерного реактора SL-1 подпрыгнуть более чем на 9 футов (2,7 м) в воздух, когда он был разрушен в результате аварии с критичностью . В случае SL-1 топливо и топливные элементы испарились от мгновенного перегрева.
В январе 1961 года ошибка оператора привела к мгновенному самоуничтожению реактора SL-1 в результате парового взрыва. Возникали опасения, что в 1986 году в Советском Союзе произойдет крупный паровой взрыв (и последующий общеевропейский ядерный выброс ) из-за расплавления лавообразного ядерного топлива в подвале реактора в направлении контакта с остаточной водой для тушения пожаров и грунтовыми водами . Угроза была предотвращена путем лихорадочной прокладки туннеля под реактором с целью откачки воды и укрепления нижележащего грунта бетоном .
При ядерном расплавлении наиболее серьезным последствием парового взрыва является ранний отказ здания защитной оболочки . Две возможности — выброс расплавленного топлива под высоким давлением в защитную оболочку, вызывающий быстрый нагрев; или паровой взрыв внутри корпуса, вызывающий выброс ракеты (например, верхней головки) в защитную оболочку и через нее. Менее драматично, но все же существенно то, что расплавленная масса топлива и активной зоны реактора расплавляется через пол здания реактора и достигает грунтовых вод ; паровой взрыв может произойти, но обломки, вероятно, будут локализованы и, фактически, будучи рассеянными, вероятно, будут легче охлаждаться. Подробности см. в WASH-1400 .
Расплавленный алюминий вступает в сильную экзотермическую реакцию с водой, что наблюдается при некоторых пожарах в зданиях. [7] [8]
В более домашней обстановке паровые взрывы могут быть результатом попытки потушить горящее масло водой, в процессе, называемом slopover . Когда масло в кастрюле горит, естественным импульсом может быть тушение его водой; однако, это приведет к тому, что горячее масло перегреет воду. Образующийся пар будет быстро и бурно рассеиваться вверх и наружу в виде брызг, также содержащих воспламененное масло. Правильный метод тушения таких пожаров — использовать либо влажную ткань, либо плотную крышку на кастрюле; оба метода лишают огонь кислорода , а ткань также охлаждает его. В качестве альтернативы можно использовать нелетучий специально разработанный огнезащитный состав или просто противопожарное одеяло .
Паровая взрывная биоочистка — это промышленное применение для повышения ценности биомассы. Она включает в себя сжатие биомассы паром до 3 МПа (30 атмосфер) и мгновенный сброс давления для получения желаемого преобразования в биомассе. Промышленное применение концепции было показано для проекта бумажного волокна. [9] [10]
Взрыв водяного пара создает большой объем газа, не производя при этом вредных для окружающей среды отходов. Управляемый взрыв воды использовался для генерации пара на электростанциях и в современных типах паровых турбин . Более новые паровые двигатели используют нагретое масло, чтобы заставить капли воды взорваться и создать высокое давление в контролируемой камере. Затем давление используется для работы турбины или преобразованного двигателя внутреннего сгорания. Взрывы горячего масла и воды становятся особенно популярными в концентрированных солнечных генераторах, поскольку вода может быть отделена от масла в замкнутом контуре без какой-либо внешней энергии. Взрыв воды считается экологически чистым, если тепло вырабатывается возобновляемым ресурсом.
Метод приготовления пищи, называемый мгновенным кипением, использует небольшое количество воды для ускорения процесса кипения. Например, этот метод можно использовать для расплавления ломтика сыра на котлете для гамбургера. Ломтик сыра кладется поверх мяса на горячую поверхность, например, сковороду, и небольшое количество холодной воды выливается на поверхность рядом с котлетой. Затем используется сосуд (например, крышка кастрюли или сковороды) для быстрого запечатывания реакции парового вспышки, рассеивая большую часть испаренной воды на сыре и котлете. Это приводит к большому выделению тепла, передаваемого через испаренную воду, конденсирующуюся обратно в жидкость (принцип, также используемый в производстве холодильников и морозильников ).
Двигатели внутреннего сгорания могут использовать мгновенное кипение для распыления топлива. [11]