Саркофаг: властивості ядерних матеріалів
На даний момент провести точні оцінки кількості ядерних матеріалів всередині Саркофагу є вкрай складним і мало можливим. Це пояснюється тим, що частина палива, яке знаходиться всередині Саркофагу. поки ще не вдалося виявити. Вчені-дослідники не змогли дістатися до ряду місць в об'єкті, де можуть знаходитися значні кількості палива. Відсутність точних даних про кількість ядерних матеріалів всередині ОУ та їх стані обумовлює статус даного об'єкта як ядерно-небезпечного.
Дослідження і контроль стану об'єкту Укриття, який здійснює персонал ЧАЕС, покликані відповісти на такі питання:
- - чи є дійсно Саркофаг ядерно-небезпечним об'єктом?
- - чи можливо, при будь-якому збігу випадкових подій, виникнення критичності в будь-якому з скупчень паливовміщуючі матеріали (ПММ)?
- - якщо небезпека критичності існує, то яку загрозу це може представляти для персоналу і навколишнього середовища?
- - які контрзаходи слід застосувати для зниження цього ризику?
Що б зрозуміти суть піднятих проблем необхідно знати головне - що собою представляють ядерні матеріали, які, ось уже більше 20-ти років, перебувають під Саркофагом. На даній сторінці ми спробуємо дати коротку характеристику цим, за своїм унікальним, речовин. Інформація представлена нижче була отримана фахівцями ІПБ АЕС (МНТЦ «Укриття»), а також фахівців Курчатовський інститут при дослідженні об'єкта «Укриття».
Тривимірна модель геометричних параметрів розтікання розплавів паливних мас (за матеріалами статті С.Подберезного "Моделювання реального стану об'єкта Укриття в 3D вимірі" ІПБ АЕС НАН України)
Під ядерно-небезпечними матеріалами фахівці розуміють речовина, яке містить ядерне паливо зруйнованого реактора Чорнобильської АЕС. Матеріали, до складу яких входить ядерне паливо ще називають паливовмісними матеріалами.
ТСМ - пошкоджене внаслідок запроектної аварії ядерне паливо колишнього 4-го енергоблоку ЧАЕС, незалежно від його фізико-хімічного стану, тепловиділяючі збірки басейну витримки касет 4-го блоку, а також будь-які матеріали (фрагменти активної зони, суміші, розплави, розчини, хімічні з'єднання, пил і ін.), в складі яких в помітній кількості міститься ядерне паливо (тобто його концентрація становить понад 1 вагового%).
В результаті натурних досліджень було встановлено, що опромінене ядерне паливо усередині Саркофаг знаходиться у вигляді наступних модифікацій ТСМ:
- фрагменти активної зони, велика частина яких, як передбачається в даний час, викинута під час вибуху на верхні поверхи блоку, зокрема, в центральний зал
- - дрібнодіспергіроване паливо (пил), гарячі паливні частки; розміри їх змінюються від часток мікрона до сотень мікрон, вони спостерігаються практично у всіх приміщеннях об'єкта «Укриття» (зовнішній вигляд паливних частинок);
- - застиглі лавоподібні паливовміщуючі маси (ЛПВМ), які утворилися під час активної стадії аварії при високотемпературному взаємодії палива з конструкційними матеріалами блоку;
- - вторинні уранові мінерали, що утворилися з розчинів ПВМ (в основному водних) у вигляді кристалічних новоутворень.
Фрагменти активної зони являють собою частини елементів конструкції і матеріалів активної зони (АЗ) реактора РБМК-1000. До фрагменти АЗ відносяться фрагменти ТВК, ТВС, ТВЕЛ, включаючи окремі паливні таблетки і їх фрагменти.
Фрагменти активної зони реактора (матеріали архіву МНТЦ "Укриття")
Під час аварії велика кількість фрагментів активної зони було викинуто з шахти реактора на верхні поверхи 4-го блоку і на навколишнє його територію. Тепловиділяючі збірки (ТВЗ), ТВЕЛи, паливні таблетки і їх окремі частини були виявлені на майданчиках вентиляційної труби, на даху деаераторної етажерки, машзалу, ВСРО, дахах споруд 3-го блоку, в центральному залі.
При сплеску потужності за рахунок виділення газоподібних продуктів поділу по межах зерен, з яких спресована паливна таблетка, утворилися паливні частинки (розміри становили десятки і сотні мікрон). Викид цих частинок стався, в основному, при первинному вибуху.
Під час вибуху і в період активної стадії аварії відбувалося також окислення ядерного палива і утворення «малих» паливних частинок (середній діаметр 3 - 4 мкм). Він збігається з розміром зерен (кристалітів) діоксиду урану. Такі частинки виносилися потоками нагрітого повітря, і їх випадання істотні аж до відстаней в декілька десятків кілометрів від блоку. Більше інформації про паливних частинках представлено на сторінці «Типи радіонуклідного забруднення».
Лавоподібні паливовміщуючі маси являють собою гетерогенні стеклообразниє маси коричневого або чорного кольору з включеннями різної природи. На перших етапах вивчення ЛПВМ їх називали чорною або коричневою керамікою.
Лавоподібні матеріали (коричнева кераміка) в басейні-барботері. (Матеріали архіву МНТЦ "Укриття")
Шлакообразний, гранульовані ТСМ - утворилися при контакті «коричневої кераміки» з водою. (Матеріали архіву МНТЦ "Укриття")
Колір чорної кераміки обумовлений дисперсними включеннями оксидів урану і, в основному, радіаційними дефектами. Після переплавки вона набуває блідого темно-зелений колір, характерний для силікатних стекол з домішками заліза. Колір коричневої кераміки обумовлений, в основному, оксидами заліза і урану.
Лавоподібні матеріали, що містять ядерне паливо, виявлені в багатьох підреакторних приміщеннях. У їх складі міститься значна частина урану, який перебував до аварії в активній зоні, і значна частина радіонуклідів, які були напрацьовані в реакторі за час експлуатації.
Під час активної стадії аварії центром освіти і поширення ЛПВМ стало подаппаратное приміщення, точніше, його південно-східна частина. Під дією тепла, що виділяється розплавлялися матеріали активної зони, будівельні конструкції, метал, бетонні блоки, що потрапили в шахту реактора і т.п. До складу розплаву входило і паливо. У міру збільшення маси розплав поширювався по підлозі приміщення, досягав країв паросбросних клапанів, переливався всередину і потрапляв в нижні приміщення, створені для локалізації пара при проектній аварії. Ці приміщення - це паророзподільних коридор і два поверхи басейну-барботера.
Фахівці виділяють три основні потоки ЛПВМ. великий вертикальний, малий вертикальний і великий горизонтальний.
Вторинні уранові мінерали являють собою кристалічні паливовміщуючі новоутворення, в складі яких були виділені уранові мінерали: резерфордін, епіянтінніт, студитів.