Авария с потерей теплоносителя ( LOCA ) — это вид отказа ядерного реактора ; если не управлять ею эффективно, последствия LOCA могут привести к повреждению активной зоны реактора. Система аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ) каждой атомной станции существует специально для борьбы с LOCA.
Ядерные реакторы вырабатывают тепло внутри себя; для отвода этого тепла и преобразования его в полезную электроэнергию используется система охлаждения . Если этот поток охлаждающей жидкости уменьшается или полностью теряется, система аварийного отключения ядерного реактора предназначена для остановки цепной реакции деления . Однако из-за радиоактивного распада ядерное топливо будет продолжать вырабатывать значительное количество тепла. Тепло распада, производимое при остановке реактора с полной мощности, изначально эквивалентно примерно 5–6 % от тепловой мощности реактора. [1] Если все независимые охлаждающие линии ECCS не работают так, как задумано, это тепло может повысить температуру топлива до точки повреждения реактора.
В рабочих условиях реактор может пассивно (то есть при отсутствии каких-либо систем управления) увеличивать или уменьшать выходную мощность в случае аварии с потерей теплоносителя или появления пустот в системе охлаждения (например, при кипении воды). Это измеряется коэффициентом пустотности теплоносителя . Большинство современных атомных электростанций имеют отрицательный коэффициент пустотности, указывающий на то, что при превращении воды в пар мощность мгновенно уменьшается. Двумя исключениями являются советский РБМК и канадский CANDU . С другой стороны, кипящие реакторы спроектированы так, чтобы внутри корпуса реактора были паровые пустоты.
Современные реакторы спроектированы так, чтобы предотвращать и выдерживать потерю охладителя, независимо от их коэффициента пустотности , используя различные методы. Некоторые из них, такие как реактор с шаровыми твэлами , пассивно замедляют цепную реакцию при потере охладителя; другие имеют обширные системы безопасности для быстрого отключения цепной реакции и могут иметь обширные пассивные системы безопасности (такие как большой тепловой радиатор вокруг активной зоны реактора, пассивно активируемые резервные системы охлаждения/конденсации или пассивно охлаждаемая структура сдерживания), которые снижают риск дальнейшего повреждения.
Большая часть работы направлена на предотвращение серьезного события в ядре. Если такое событие произойдет, ожидается, что три различных физических процесса увеличат время между началом аварии и временем, когда может произойти большой выброс радиоактивности. Эти три фактора предоставят дополнительное время операторам станции для смягчения последствий события:
Авария на АЭС «Фукусима-1» в 2011 году произошла из-за аварии с потерей охладителя. Цепи, обеспечивающие электропитание насосов охладителя, вышли из строя, что привело к потере охлаждения активной зоны, что было критически важно для удаления остаточного тепла распада, которое вырабатывается даже после остановки активных реакторов и прекращения ядерного деления. Потеря охлаждения активной зоны реактора привела к трем расплавлениям ядер, трем взрывам водорода и выбросу радиоактивного загрязнения.
Взрывы водорода можно напрямую объяснить окислением циркония паром в оболочках твэлов в результате потери охлаждающей жидкости.
В большинстве реакторов в качестве материала для оболочек топливных стержней используется циркониевый сплав из-за его коррозионной стойкости и низкого сечения поглощения нейтронов. Однако одним из основных недостатков циркониевых сплавов является то, что при перегреве они окисляются и вступают в неконтролируемую экзотермическую реакцию с водой (паром), что приводит к образованию водорода: . Такие реакции привели к взрывам водорода во время ядерной катастрофы на АЭС «Фукусима-1».
Остаточное тепло распада вызывает быстрое повышение температуры и внутреннего давления оболочки твэла, что приводит к пластической деформации и последующему разрыву. Во время аварии с потерей теплоносителя оболочки твэлов на основе циркония подвергаются высокотемпературному окислению, фазовому превращению и деформации ползучести одновременно. [3] Эти механизмы были тщательно изучены исследователями с использованием моделей критерия разрыва. В одном исследовании исследователи разработали критерий разрыва для оболочек твэлов из циркалоя-4 и определили, что влияние паровой среды на разрушение оболочек пренебрежимо мало при низких температурах. Однако по мере повышения температуры разрыва происходит быстрое окисление оболочек из циркалоя-4, что приводит к резкому снижению их пластичности. Фактически, при более высоких температурах деформация разрыва практически падает до нуля, что означает, что окисленная оболочка становится настолько хрупкой локально, что, как прогнозируется, она разрушится без какой-либо дальнейшей деформации или напряжения.
Количество кислорода, поглощаемого циркониевым сплавом, зависит от времени воздействия пара (H 2 O) до разрыва. При быстрых разрывах из-за высоких скоростей нагрева и внутренних давлений окисление незначительно. Однако окисление играет важную роль в разрушении при низких скоростях нагрева и низких начальных внутренних давлениях.
Подложки из циркониевого сплава могут быть покрыты для улучшения их стойкости к окислению. В одном исследовании исследователи покрыли подложку Zirlo фазой Ti 2 AlC MAX, используя гибридную технологию дугового/магнетронного распыления с последующей обработкой отжигом. Затем они исследовали механические свойства и стойкость к окислению в условиях чистого пара при 1000 °C, 1100 °C и 1200 °C при различном времени окисления. Результаты показали, что покрытие подложки Zirlo Ti 2 AlC привело к увеличению твердости и модуля упругости по сравнению с голой подложкой. Кроме того, была значительно улучшена стойкость к высокотемпературному окислению. Преимущества Ti 2 AlC по сравнению с другими материалами для покрытия заключаются в том, что он имеет превосходную стабильность при нейтронном облучении, более низкий коэффициент теплового расширения, лучшую стойкость к тепловому удару и более высокую стойкость к окислению при температуре. [4] Таблица 1 дает хорошее представление об улучшенных механических свойствах в результате покрытия и улучшенной стойкости к пластической деформации.
В другом недавнем исследовании оценивались покрытия Cr и FeCrAl (нанесенные на Zircaloy-4 с использованием технологии атмосферного плазменного напыления) в условиях имитации потери охлаждающей жидкости. [5] Покрытие Cr продемонстрировало превосходную стойкость к окислению. Образование компактного слоя Cr 2 O 3 на покрытии Cr действовало как барьер для диффузии кислорода, который защищал подложку Zr от окисления, тогда как покрытие FeCrAl деградировало из-за взаимной диффузии между покрытием и подложкой Zr при высокой температуре, тем самым позволяя Zr все еще окисляться.
