Авария с потерей теплоносителя ( LOCA ) — это вид отказа ядерного реактора ; в случае отсутствия эффективного управления последствия LOCA могут привести к повреждению активной зоны реактора. Система аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ) каждой атомной электростанции существует специально для борьбы с LOCA.
Ядерные реакторы генерируют тепло внутри себя; для удаления этого тепла и преобразования его в полезную электроэнергию используется система охлаждения . Если этот поток теплоносителя уменьшается или вообще теряется, система аварийного останова ядерного реактора предназначена для остановки цепной реакции деления . Однако из-за радиоактивного распада ядерное топливо продолжит выделять значительное количество тепла. Остаточное тепло , выделяемое при остановке реактора с полной мощности, первоначально эквивалентно примерно 5–6% тепловой мощности реактора. [1] Если все независимые линии охлаждения САОЗ не работают должным образом, это тепло может повысить температуру топлива до такой степени, что это приведет к повреждению реактора.
В условиях эксплуатации реактор может пассивно (т.е. при отсутствии каких-либо систем управления) увеличивать или уменьшать свою мощность в случае АПТ или появления пустот в системе теплоносителя (например, при кипении воды). Это измеряется коэффициентом пустот охлаждающей жидкости . Большинство современных атомных электростанций имеют отрицательный коэффициент пустотности, что указывает на то, что когда вода превращается в пар, мощность мгновенно снижается. Двумя исключениями являются советский РБМК и канадский CANDU . Реакторы с кипящей водой , с другой стороны, спроектированы так, чтобы внутри корпуса реактора были паровые пустоты.
Современные реакторы спроектированы так, чтобы предотвращать и выдерживать потери теплоносителя, независимо от их коэффициента пустотности , с использованием различных методов. Некоторые из них, такие как реактор с галечным слоем , пассивно замедляют цепную реакцию при потере теплоносителя; другие имеют обширные системы безопасности для быстрого прекращения цепной реакции и могут иметь обширные системы пассивной безопасности (такие как большой тепловой радиатор вокруг активной зоны реактора, пассивно активируемые резервные системы охлаждения / конденсации или пассивно охлаждаемая защитная конструкция), которые минимизировать риск дальнейшего повреждения.
Большая работа проводится для предотвращения серьезного основного события. Если такое событие произойдет, ожидается, что три различных физических процесса увеличат время между началом аварии и временем, когда может произойти крупный выброс радиоактивности. Эти три фактора предоставят операторам станции дополнительное время для смягчения последствий происшествия:
Авария на АЭС «Фукусима-дайити» в 2011 году произошла из-за аварии с потерей теплоносителя. Цепи, обеспечивающие электроэнергией насосы теплоносителя, вышли из строя, что привело к потере охлаждения активной зоны, что имело решающее значение для удаления остаточного остаточного тепла, которое выделяется даже после остановки активных реакторов и прекращения ядерного деления. Потеря охлаждения активной зоны реактора привела к трем ядерным расплавлениям, трем взрывам водорода и выбросу радиоактивного загрязнения.
Водородные взрывы можно напрямую объяснить окислением циркония паром в твэлах в результате потери теплоносителя.
В большинстве реакторов в качестве материала оболочек твэлов 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 вызывают неконтролируемую экзотермическую реакцию с водой (паром), которая приводит к образованию водорода: . Именно такие реакции привели к взрывам водорода во время ядерной катастрофы на Фукусиме-дайити.
Остаточное остаточное тепло 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 одновременно подвергаются высокотемпературному окислению, фазовому превращению и деформации ползучести. [3] Эти механизмы были тщательно изучены исследователями с использованием моделей критерия всплеска. В одном исследовании исследователи разработали критерий разрушения оболочек твэлов Циркалой-4 и определили, что влияние паровой среды на разрушение оболочек незначительно при низких температурах. Однако с увеличением температуры разрушения происходит быстрое окисление оболочек Циркалой-4, приводящее к резкому снижению ее пластичности. Фактически, при более высоких температурах разрывная деформация практически падает до нуля, что означает, что окисленная оболочка локально становится настолько хрупкой, что, по прогнозам, она выйдет из строя без какой-либо дальнейшей деформации или напряжения.
Количество кислорода, поглощенного циркониевым сплавом, зависит от времени воздействия пара (H 2 O) перед разрушением. При быстрых разрывах из-за высоких скоростей нагрева и внутреннего давления окисление незначительно. Однако окисление играет важную роль в разрушении при низких скоростях нагрева и низких начальных внутренних давлениях.
На подложки из циркониевого сплава можно нанести покрытие для повышения их стойкости к окислению. В одном исследовании исследователи покрыли подложку Zirlo фазой Ti 2 AlC MAX, используя технику гибридного дугового/магнетронного распыления с последующей обработкой отжигом. Впоследствии они исследовали механические свойства и стойкость к окислению в условиях чистого пара при 1000 °C, 1100 °C и 1200 °C при различных временах окисления. Результаты показали, что покрытие подложки Zirlo Ti 2 AlC привело к увеличению твердости и модуля упругости по сравнению с голой подложкой. Кроме того, значительно улучшилась стойкость к высокотемпературному окислению. Преимущества Ti 2 AlC перед другими материалами покрытия заключаются в том, что он обладает превосходной стабильностью при нейтронном облучении, более низким коэффициентом теплового расширения, лучшей стойкостью к термическому удару и более высокой стойкостью к температурному окислению. [4] Таблица 1 дает хорошее представление об улучшении механических свойств в результате покрытия и повышении устойчивости к пластической деформации.
В другом недавнем исследовании оценивались покрытия Cr и FeCrAl (осажденные на Циркалой-4 с использованием технологии атмосферно-плазменного напыления) в условиях моделирования потери охлаждающей жидкости. [5] Покрытие Cr показало превосходную стойкость к окислению. Формирование компактного слоя Cr 2 O 3 на Cr-покрытии действовало как барьер диффузии кислорода, который защищал подложку Zr от окисления, тогда как покрытие FeCrAl разрушалось из-за взаимной диффузии между покрытием и подложкой Zr при высокой температуре, что позволяло Zr все равно окисляется.
