Damp-zirconium reaktion

Damp zirconium reaktion er en eksoterm kemisk reaktion mellem zirconium og vanddamp, der forekommer ved høje temperaturer. Især kan reaktionen forekomme i kernen af ​​en atomreaktor med en vandkølingsvæske og/eller moderator, når den overophedes [1] under betingelser for kontakt mellem zirconium-strukturelementer og vand.

Zirconiumlegeringer er det mest almindelige konstruktionsmateriale til brændstofsamlinger , i form af hvilket nukleart brændsel bruges i reaktorer. I tilfælde af et alvorligt uheld med forringet varmeafledning kan brændslet opvarmes til høje temperaturer på grund af nedlukningsreaktorens henfaldsvarme . I kernen af ​​selv ikke-kogende reaktorer dannes damp, som, når den når 861 ° C , reagerer med zirconium. Som følge heraf dannes der brint i en mængde på omkring 0,491 liter pr. gram reageret zirconium, og der frigives en stor mængde varme - 6530 kJ / kg [2] .

Reaktionens forløb

Reaktionen forløber efter ligningen:

I dette tilfælde frigives en betydelig mængde varme : 6530 kJ / kg.

Reaktionen starter ved cirka 861 °C, og ved 1200 °C begynder den at udvikle sig meget hurtigt, da den frigivne varme yderligere opvarmer zirconiumet og bliver selvbærende [1] [2] [3] .

For at beregne damp-zirconium-reaktionen bruges integralformen af ​​Baker-Just-ligningen [4] (s. 37):

[mg/cm2 ] ²,

hvor:

 - forholdet mellem massen af ​​zirconium, der er indgået i reaktionen, [mg] og reaktionens overfladeareal [cm 2 ];  — tid, s ;  er temperaturen af ​​reaktionsoverfladen, K ;  cal /( mol K ) er den universelle gaskonstant .

Reaktionshastigheden afhænger i det væsentlige af temperaturen, mængden af ​​damp, der tilføres til den reagerende overflade, og reaktionstiden. Desuden er mængden af ​​tilført damp under virkelige forhold meget lavere end den beregnede, da tilførslen af ​​damp til overfladen er vanskelig. Kun damplag tæt på overfladen deltager i reaktionen, mens den brint, der dannes som følge af reaktionen, forhindrer tilførsel af damp til overfladen. Der dannes en ZrO 2 film på overfladen , som også hæmmer reaktionen [2] .

Konsekvenser

Ud over frigivelsen af ​​brint og varme er reaktionen ledsaget af et tab af styrke af brændstofstavens beklædning og et fald i deres oprindelige tykkelse på grund af oxidationen af ​​zirconium. Cirka 10-12 minutter efter starten af ​​den selvbærende damp-zirconium-reaktion oxideres brændselselementets beklædning til en tykkelse på 0,10-0,15 mm under opvarmning til smeltetemperaturen.

Under eksperimenterne blev der allerede på et tidligt stadium observeret en alvorlig deformation af brændselselementerne, med et lille overskud af zirconiums smeltetemperatur, dannes propper (blokader) i kølevæskekanalerne.

Selv ved en relativt lav reaktionshastighed er mængden af ​​frigivet varme som følge af den sammenlignelig med henfaldsvarmen fra en nedlukningsreaktor. Således er stigningen i brændstofopvarmning som følge af reaktionen meget betydelig [2] .

Som et resultat af indtræden i reaktionen af ​​en stor del af zirconiumet kan der dannes en mængde brint, opgjort i tusindvis af kubikmeter. Dette er ekstremt farligt, både ud fra et eksplosions- og brandfaresynspunkt og ud fra et synspunkt om dannelsen af ​​gasbobler i reaktoranlæggets kredsløb, som hæmmer cirkulationen af ​​kølevæsken, hvilket kan forværre ulykken på grund af ophør af varmefjernelse fra brændstoffet [5] .

Nødsystemer og ulykker

Forekomsten af ​​en damp-zirconiumreaktion er kun mulig, når kernen er overophedet; dette er et generelt spørgsmål om reaktorsikkerhed. I tilfælde af en sådan alvorlig nødsituation er der sikkerhedssystemer.

De vigtigste midler til at forhindre dannelsen af ​​gasbobler i reaktoranlæggets kredsløb er nøddamp- og gasfjernelsessystemer. Der var ikke noget sådant system ved TMI-2 , derfor akkumulerede ikke-kondenserbare gasser i forskellige dele af udstyret og i selve reaktoren, hovedsagelig brint, forhindrede forekomsten i det naturlige cirkulationskredsløb efter den tvungne nedlukning af hovedcirkulationspumperne, som følge heraf voksede ulykken til en yderst alvorlig ulykke [6] .

Et andet vigtigt sikkerhedssystem, passivt, er indeslutningen . I trykvandsreaktorer er den meget stor, titusindvis af m³, så det er ekstremt vanskeligt at opnå en eksplosiv koncentration, når brint udledes fra reaktoren og andet udstyr. Under ulykken ved TMI-2 blev der f.eks. trods en tredjedel af det oxiderede brændstof kun observeret lokale brintantændinger i indeslutningen, hvilket ikke førte til alvorlige konsekvenser. I kogende vandreaktorer er størrelsen af ​​indeslutningen væsentligt mindre. Dette forklares ved, at problemet med hovedulykken, for hvilken indeslutninger beregnes - et uheld med tab af kølevæske - løses i indeslutningerne af kogende vandreaktorer på en anden måde ved hjælp af en volumetrisk bobletank, hvor der udledes damp i tilfælde af en ulykke. I tidlige designs af indeslutninger (Mark 1, Mark 2) af kogende vandreaktorer, for at løse problemet med brintakkumulering, er den tørre reaktoraksel fyldt med en inert gas (f.eks. ren nitrogen), i senere designs, startende fra Mark 3 er den udstyret med et hydrogenefterbrændingssystem [7] [8] . Under ulykken på Fukushima-atomkraftværket blev kraftenheder med indeslutning af mærket 1 beskadiget. Ophobningen af ​​brint i den sekundære indeslutning førte til en eksplosion i den ved kraftenhed 1 og 3. Ved kraftenhed 2 skete eksplosionen i område af bobletanken. Ved kraftenhed 4 opstod en brinteksplosion i området for brændstofpuljen.

En velkendt innovation designet til at løse problemet med brintakkumulering under alvorlige ulykker er katalytiske brintrekombinatorer (passivt sikkerhedssystem). De kan også installeres på allerede fungerende enheder (de er allerede installeret på mange rundt om i verden), de er inkluderet i det obligatoriske sæt af elementer i nye projekter. Rekombinere er små enheder, der er installeret i mange i hele indeslutningen og giver en reduktion i brintkoncentrationen i tilfælde af uheld med dets frigivelse. Rekombinere kræver ikke energikilder og kommandoer for at tænde - når en lille koncentration af brint (0,5-1,0%) er nået, begynder processen med dets absorption af rekombinatorer spontant [9] [10] .

Noter

1. ↑ 1 2 Karl-Heinz Neeb. Radiokemien af ​​atomkraftværker med letvandsreaktorer . - Berlin, New York: Walter de Gruyter , 1997. - 733 s. — ISBN 3-11-013242-7 .
2. ↑ 1 2 3 4 Samoilov O. B., Usynin G. B., Bakhmetiev A. M. Atomkraftværkers sikkerhed. - M. : Energoatomizdat, 1989. - 280 s. - 5900 eksemplarer.  - ISBN 5-283-03802-5 .
3. ↑ Sikkerhed og sikkerhed ved kommerciel oplagring af brugt nukleart brændsel: offentlig rapport . — Washington, DC: National Academies Press , 2006. — 75 s. — ISBN 0-309-16519-9 .
4. ↑ Louis Baker, Jr. og Louis C. Just. Studier af metal-vand-reaktioner ved høj temperatur III Eksperimentelle og teoretiske undersøgelser af zirconium-vand-reaktionerne . Argonne National Laboratory (maj 1962). Arkiveret fra originalen den 9. januar 2016. (ubestemt)
5. ↑ Libmann J. Elementer af nuklear sikkerhed . - Frankrig: Les Éditions de Physique , 1996. - 543 s. — ISBN 2-86883-286-5 .
6. ↑ J. Samuel Walker. Three Mile Island: A Nuclear Crisis in Historical Perspective . - Berkeley og Los Angeles: University of California Press , 2004. - 305 s. — ISBN 0-520-24683-7 .
7. ↑ George A. Greene. Varmeoverførsel i atomreaktorsikkerhed . - San Diego: Academic Press , 1997. - 357 s. — ISBN 0-12-020029-5 .
8. ↑ Jan Beyea, Frank Von Hippel. Indeslutning af en reaktornedsmeltning  // Bulletin of the Atomic Scientists  . - 1982. - Bd. 38 , nr. 7 . - S. 52-59 . — ISSN 0096-3402 .
9. ↑ Saito T., Yamashita J., Ishiwatari Y., Oka. Y. Fremskridt inden for letvandsreaktorteknologier . — New York, Dordrecht, Heidelberg, London: Springer , 2011. — 295 s. - ISBN 978-1-4419-7100-5 .
10. ↑ Keller V.D. Passive katalytiske brintrekombinatorer til atomkraftværker  // Termisk energiteknik . - M . : MAIK "Nauka / Interperiodika" , 2007. - Nr. 3 . - S. 65-68 . — ISSN 0040-3636 .