Паровой взрыв — это взрыв , вызванный сильным кипением или превращением воды или льда в пар , происходящий, когда вода или лед либо перегреваются , либо быстро нагреваются мелкими горячими обломками, образовавшимися внутри них, либо нагреваются в результате взаимодействия расплавленных металлов (как в взаимодействие топлива и теплоносителя (FCI) расплавленных твэлов ядерного реактора с водой в активной зоне ядерного реактора после расплавления активной зоны ). Сосуды под давлением, такие как водо-водяные (ядерные) реакторы , работающие при давлении выше атмосферного , также могут создавать условия для парового взрыва. Вода с огромной скоростью превращается из твердого состояния или жидкости в газообразное состояние, резко увеличиваясь в объеме. Паровой взрыв разбрызгивает пар, кипящую воду и нагревающую ее горячую среду во всех направлениях (если они не ограничены иным образом, например, стенками контейнера), создавая опасность ошпаривания и возгорания.
Паровые взрывы обычно не являются химическими взрывами , хотя ряд веществ вступают в химическую реакцию с паром (например, цирконий и перегретый графит (чистый углерод , C) реагируют с паром и воздухом соответственно с выделением водорода (H 2 ), который может сильно взорваться в воздухе (O 2 ) с образованием воды или H 2 O), что может привести к химическим взрывам и пожарам. Некоторые паровые взрывы представляют собой особые виды взрыва расширяющегося пара кипящей жидкости (BLEVE) и основаны на высвобождении накопленного перегрева. Но многие крупномасштабные события, включая аварии на литейном производстве, демонстрируют свидетельства распространения фронта энерговыделения через материал (см. описание FCI ниже), где силы создают фрагменты и смешивают горячую фазу с холодной летучей фазой; а быстрая передача тепла спереди поддерживает распространение.
Если паровой взрыв происходит в замкнутом резервуаре с водой из-за быстрого нагрева воды, волна давления и быстро расширяющийся пар могут вызвать сильный гидроудар . Это был механизм, который в Айдахо, США, в 1961 году заставил корпус ядерного реактора SL-1 подпрыгнуть на высоту более 9 футов (2,7 м) в воздухе, когда он был разрушен в результате аварии, связанной с критичностью . В случае СЛ-1 топливо и твэлы испарились от мгновенного перегрева.
События этого общего типа возможны также в случае постепенного плавления топлива и твэлов водо-водяного ядерного реактора. Смесь расплавленных структур ядра и топлива часто называют «Кориумом». Если такой кориум вступает в контакт с водой, могут произойти взрывы пара в результате бурного взаимодействия расплавленного топлива (кориума) и воды в качестве охлаждающей жидкости. Такие взрывы рассматриваются как взаимодействие топлива и теплоносителя (FCI). [ нужна ссылка ] [1] [2] Тяжесть парового взрыва, основанного на взаимодействии топлива и теплоносителя (FCI), сильно зависит от так называемого процесса предварительного смешивания, который описывает смешивание расплава с окружающей пароводяной смесью. В целом, премиксы, богатые водой, считаются более благоприятными, чем среды, богатые паром, с точки зрения инициирования и силы парового взрыва. Теоретический максимум силы парового взрыва от 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 подходящим объемом воды, что в принципе обусловлено макс. возможная масса испаренной воды при мгновенном теплообмене между расплавленной каплей, фрагментирующейся в ударной волне, и окружающей водой. На основе этого очень консервативного предположения Теофанус провел расчеты на провал сдерживания альфа. [3]Однако эти оптимальные условия, используемые для консервативных оценок, не встречаются в реальном мире. Во-первых, вся расплавленная активная зона реактора никогда не будет находиться в предварительной смеси, а только в виде ее части, например, в виде струи расплавленного кориума, ударяющейся в водную ванну в нижней камере реактора и фрагментирующейся там за счет абляции. и обеспечение тем самым образования предварительной смеси вблизи струи расплава, падающей через ванну с водой. Альтернативно, расплав может поступать в виде густой струи на дно нижней камеры, где он образует лужу расплава, перекрытую лужей воды. В этом случае на границе раздела ванны расплава и ванны воды может образоваться зона предварительного смешивания. В обоих случаях ясно, что в предварительном смешивании участвует далеко не весь расплав реактора, а лишь небольшой процент. Дальнейшие ограничения возникают из-за насыщенного характера воды в реакторе, т.е. там нет воды с заметным переохлаждением. В случае проникновения туда фрагментирующей струи расплава это приводит к усилению испарения и увеличению содержания пара в премиксе, что с содержания >70% в пароводяной смеси вообще предотвращает взрыв или, по крайней мере, ограничивает его. сила. Другим обратным эффектом является затвердевание расплавленных частиц, которое зависит, среди прочего, от диаметра расплавленных частиц. То есть мелкие частицы затвердевают быстрее, чем более крупные. Кроме того, модели роста нестабильности на границах раздела текучих сред (например, Кельвина-Гельмгольца, Рэлея-Тейлора, Конте-Майлза и т. д.) показывают корреляцию между размером частиц после фрагментации и соотношением плотности фрагментирующей среды (вода -паровая смесь) от плотности фрагментированной среды, что также можно доказать экспериментально. В случае кориума (плотность ~ 8000 кг/м³) образуются капли гораздо меньшего размера (~ 3–4 мм), чем при использовании в качестве имитатора кориума оксида алюминия (Al2O3) с плотностью чуть менее половины плотности кориума с каплями. размеры в пределах 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 бассейнах с насыщенной водой глубиной до 2 м, привели к успеху только в отношении паровых взрывов. когда в качестве имитатора кориума использовался Al2O3. Несмотря на различные усилия экспериментаторов, в экспериментах с кориумом в ФАРО так и не удалось вызвать паровой взрыв. (Продолжение будет...)
В этих случаях прохождение волны давления через предварительно диспергированный материал создает силы потока, которые еще больше фрагментируют расплав, что приводит к быстрой передаче тепла и, таким образом, поддерживает волну. Считается , что большая часть физических разрушений в результате чернобыльской катастрофы — реактора РБМК-1000 с графитовым замедлителем и легководным охлаждением — произошла из-за такого парового взрыва.
При ядерной катастрофе наиболее серьезным последствием парового взрыва является раннее разрушение здания защитной оболочки . Двумя возможными вариантами являются выброс расплавленного топлива под высоким давлением в защитную оболочку, вызывающий быстрый нагрев; или паровой взрыв внутри корпуса, вызывающий выброс ракеты (например, верхней части) в защитную оболочку и через нее. Менее драматичным, но все же важным является то, что расплавленная масса топлива и активной зоны реактора проплавляется через пол реакторного здания и достигает грунтовых вод ; может произойти паровой взрыв, но обломки, вероятно, будут удержаны и, фактически, будучи рассеяны, вероятно, будут легче охлаждаться. Подробности см. в WASH-1400 .
Паровые взрывы часто встречаются там, где горячая лава встречается с морской водой или льдом. Такое явление еще называют прибрежным взрывом . Опасный паровой взрыв также может возникнуть, когда жидкая вода или лед сталкиваются с горячим расплавленным металлом. Когда вода превращается в пар, она разбрызгивает вместе с собой горящий горячий жидкий металл, вызывая чрезвычайную опасность серьезных ожогов для всех, кто находится поблизости, и создавая опасность пожара.
Биоочистка паровым взрывом — это промышленное применение для повышения ценности биомассы. Он включает в себя давление на биомассу паром до 3 МПа (30 атмосфер) и мгновенное снижение давления для достижения желаемого преобразования биомассы. Промышленное применение этой концепции было показано на примере проекта по производству бумажного волокна. [4] [5]
Взрыв водяного пара создает большой объем газа без образования вредных для окружающей среды остатков. Управляемый взрыв воды используется для получения пара на электростанциях и в современных паровых турбинах . В новых паровых двигателях используется нагретое масло, которое заставляет капли воды взрываться и создавать высокое давление в контролируемой камере. Затем давление используется для запуска турбины или преобразованного двигателя внутреннего сгорания. Взрывы горячего масла и воды становятся особенно популярными в концентрированных солнечных генераторах, поскольку воду можно отделить от масла в замкнутом контуре без какой-либо внешней энергии. Взрыв воды считается экологически чистым , если тепло генерируется возобновляемым ресурсом.
Техника приготовления, называемая быстрым кипячением, предполагает использование небольшого количества воды для ускорения процесса кипячения. Например, этот метод можно использовать, чтобы расплавить ломтик сыра на котлете для гамбургера. Кусочек сыра кладут поверх мяса на горячую поверхность, например, на сковороду, и на поверхность рядом с котлетой выливают небольшое количество холодной воды. Затем используется сосуд (например, кастрюля или крышка сковороды), чтобы быстро герметизировать реакцию парового выброса, распыляя большую часть пропаренной воды на сыр и котлету. Это приводит к выделению большого количества 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. [6]
Высокая скорость образования пара может возникнуть и при других обстоятельствах, например, при выходе из строя барабана котла или на фронте закалки (например, когда вода снова поступает в горячий сухой котел). Хотя они потенциально опасны, они обычно менее энергичны, чем события, при которых горячая («топливная») фаза расплавляется и поэтому может быть мелко фрагментирована внутри летучей («хладагента») фазы. Ниже приведены некоторые примеры:
Паровые взрывы естественным образом производятся некоторыми вулканами , особенно стратовулканами , и являются основной причиной человеческих жертв при извержениях вулканов.
В январе 1961 года из-за ошибки оператора реактор СЛ-1 мгновенно разрушился в результате парового взрыва. Были опасения, что Чернобыльская ядерная катастрофа 1986 года в Советском Союзе вызовет мощный паровой взрыв (и, как следствие, ядерные осадки по всей Европе ) из-за плавления лавообразного ядерного топлива через подвал реактора в направлении контакта с остатками воды для тушения пожара и грунтовых вод . Угроза была предотвращена отчаянным прокладыванием туннелей под реактором с целью откачать воду и укрепить нижележащий грунт бетоном .
Когда разрывается контейнер под давлением, такой как водная часть парового котла , за этим всегда следует некоторый паровой взрыв. Обычная рабочая температура и давление для судового котла составляют около 950 фунтов на квадратный дюйм (6600 кПа) и 850 ° F (454 ° C) на выходе из пароперегревателя. Паровой котел имеет границу раздела пара и воды в паровом барабане, где вода окончательно испаряется за счет подвода тепла, обычно это горелки, работающие на жидком топливе. Когда водяная труба выходит из строя по любой из множества причин, это приводит к расширению воды в котле из отверстия в зону топки, давление которой всего на несколько фунтов на квадратный дюйм превышает атмосферное давление. Это, вероятно, потушит все возгорания и распространится на большую площадь поверхности по бокам котла. Чтобы снизить вероятность разрушительного взрыва, котлы перешли от « жаротрубных » конструкций, в которых тепло добавлялось за счет прохождения горячих газов через трубы в водоеме, к « водотрубным » котлам, в которых вода находится внутри. трубок, а область печи находится вокруг трубок. Старые «жаротрубные» котлы часто выходили из строя из-за плохого качества сборки или отсутствия технического обслуживания (например, из-за коррозии жаровых труб или усталости корпуса котла из-за постоянного расширения и сжатия). Выход из строя жаровых труб заставляет большие объемы пара под высоким давлением и высокой температурой спускаться по жаровым трубам за доли секунды и часто сдувает горелки с передней части котла, тогда как выход из строя сосуда под давлением, окружающего воду, может привести к до полной и полной эвакуации содержимого котла при большом паровом взрыве. На морском котле это наверняка разрушило бы двигательную установку корабля и, возможно, соответствующую оконечную часть корабля.
В более бытовых условиях паровые взрывы могут быть результатом попытки потушить горящее масло водой в процессе, называемом «слоповер» . Когда масло на сковороде загорается, естественным желанием может быть потушить его водой; однако это приведет к перегреву воды из горячего масла. Образующийся пар будет быстро и сильно рассеиваться вверх и наружу, образуя брызги, также содержащие воспламенившееся масло. Правильный метод тушения такого возгорания — использовать влажную тряпку или плотно закрыть кастрюлю крышкой; оба метода лишают огонь кислорода , а ткань еще и охлаждает его. В качестве альтернативы можно использовать специально разработанный нелетучий антипирен или просто противопожарное одеяло .