Паро цирконієвої реакція - екзотермічна хімічна реакція між цирконієм і водяною парою, яка йде при високих температурах. Зокрема, реакція може відбуватися в активній зоні ядерного реактора з водяним теплоносієм і / або сповільнювачем при її перегрів [1] в умовах контакту цирконієвих конструкційних елементів з водою.
Сплави цирконію є найбільш поширеним конструкційним матеріалом тепловиділяючих збірок. у вигляді яких використовується ядерне паливо в реакторах. У разі тяжкої аварії з порушенням відведення тепла паливо може розігрітися до високих температур за рахунок залишкового тепловиділення зупиненого реактора. В активній зоні навіть некіпящей реакторів при цьому утворюється пара, який після досягнення 861 ° C вступає в реакцію з цирконієм. В результаті утворюється водень у кількості близько 0,491 літра на грам прореагировавшего цирконію і виділяється велика кількість тепла - 6530 кДж / кг [2].
Реакція протікає відповідно до рівняння:
де Q - теплота, що виділяється (6530 кДж / кг)
Реакція починається приблизно при 861 ° C, а при 1200 ° C починає розвиватися дуже швидко (так як виділяється теплота додатково розігріває цирконій) і стає самоподдерживающейся [1] [2] [3].
Для розрахунку паро цирконієвої реакції використовується інтегральна форма рівняння Бейкера - Джаст [4] (стор. 37):
W 2 = 3. 33 ⋅ 10 7 ⋅ t ⋅ exp (- 45500 / R T). = 3,33 \ cdot 10 ^ \ cdot t \ cdot \ exp (-45 500 / RT),> [мг / см 2] ²,
Швидкість реакції істотно залежить від температури, кількості підводиться до реагуючої поверхні пара і часу реакції. Причому в реальних умовах кількість підводиться пара значно нижче, ніж розрахункове, так як підведення пари до поверхні утруднений. У реакції беруть участь лише близькі до поверхні шари пара, при цьому утворюється в результаті реакції водень перешкоджає підводу пара до поверхні. На поверхні утворюється плівка ZrO2. яка також гальмує реакцію [2].
Крім виділення водню і тепла, реакція супроводжується охрупчивание оболонок твелів і зменшенням її початкової товщини за рахунок окислення цирконію. Приблизно за 10-12 хвилин після початку самоподдерживающейся паро цирконієвої реакції оболонка твела окислюється на товщину 0,10-0,15 мм з розігрівом до температури її плавлення.
При експериментах вже на ранній стадії спостерігалася серйозна деформація твелів, при невеликому перевищенні температури плавлення цирконію в каналах теплоносія утворюються пробки (блокади).
Навіть при порівняно невеликій швидкості протікання реакції кількість тепла, що виділяється порівняно із залишковим тепловиділенням зупиненого реактора, таким чином посилення нагріву палива в результаті реакції дуже істотно [2].
В результаті вступу в реакцію великої частини цирконію може утворюватися кількість водню, що обчислюються тисячами кубометрів. Це надзвичайно небезпечно як з точки зору вибухо-і пожежонебезпеки, так і з точки зору освіти в контурі реакторної установки газових бульбашок, що перешкоджають циркуляції теплоносія, що може погіршити аварію через припинення теплос'ема з палива [5].
Аварійні системи і аварії
Виникнення паро цирконієвої реакції можливо лише при перегріванні активної зони, це є загальним питанням безпеки реакторів. У разі ж виникнення такої важкої аварійної ситуації, існують системи безпеки.
Основним засобом недопущення утворення в контурі реакторної установки газових бульбашок є системи аварійного паро- газовидалення. На ТМI-2 така система була відсутня, тому що зібралися в різних частинах обладнання і в самому реакторі неконденсірующаяся гази, в основному водень, перешкодили виникненню в контурі природної циркуляції після вимушеного виключення головних циркуляційних насосів, в результаті чого аварія переросла у вкрай важку [6].
Іншою важливою системою безпеки, пасивної, є Гермооболонка. У водо-водяних реакторів вона дуже великого розміру, десятки тисяч м³, тому досягти вибухонебезпечної концентрації, при скиданні водню з реактора та іншого обладнання, в ній вкрай важко. Під час аварії на ТМI-2, наприклад, незважаючи на третину окислившегося палива, в гермооболонці спостерігалися лише локальні загоряння водню, які не привели до серйозних наслідків. У киплячих реакторах розмір гермооболочки істотно менше. Це пояснюється тим, що проблема основний аварії, на яку розраховуються гермооболочки - аварія з втратою теплоносія - вирішується в Гермооболонка киплячих реакторів по-іншому, за допомогою об'ємного бака-барботёра, куди скидається пар в разі аварії. У ранніх конструкціях контейнментом (Mark 1, Mark 2) киплячих реакторів для вирішення проблеми скупчення водню суха шахта реактора заповнюється інертним газом (наприклад, чистим азотом), в більш пізніх, починаючи з Mark 3 - оснащується системою допалювання водню [7] [8] . При аварії на АЕС Фукусіма постраждали енергоблоки з контейнментом типу Mark 1. Скупчення водню у вторинній гермооболонці призвело до вибуху в ній на енергоблоках 1 і 3. На енергоблоці 2 вибух стався в районі бака-барботёра. На енергоблоці 4 вибух водню стався в районі басейну витримки палива.
Відомим нововведенням, призначеним для вирішення проблеми скупчення водню при важких аваріях, є каталітичні рекомбінатори водню (пасивна система безпеки). Їх можна встановлювати і на вже працюючих блоках (на безлічі по всьому світу вони вже встановлені), в обов'язковий набір елементів вони входять в нових проектах. Рекомбінатори - невеликі пристрої, які у великій кількості встановлюються по всьому гермооб'ёму і забезпечують зниження концентрації водню при аваріях з його виділенням. Рекомбінатори не вимагають джерел енергії і команд на включення - при досягненні невеликій концентрації водню (0,5-1,0%) процес його поглинання рекомбінаторамі починається спонтанно [9] [10].