Reacția de zirconiu cu abur este o reacție chimică exotermică între zirconiu și vapori de apă, care are loc la temperaturi ridicate. În particular, reacția poate avea loc în miezul unui reactor nuclear cu un agent de răcire și / sau un moderator de apă atunci când este supraîncălzit [1] în condițiile contactului elementelor structurale cu zirconiu cu apă.
Aliajele de zirconiu sunt cele mai comune materiale structurale ale ansamblurilor de combustibil. sub forma căreia se utilizează combustibil nuclear în reactoare. În cazul unui accident grav cu încălcarea eliminării căldurii, combustibilul poate fi încălzit la temperaturi ridicate datorită eliberării de căldură reziduală a reactorului închis. În zona activă a unor reactoare care nu sunt chiar la fierbere, se formează abur care, după ce ajunge la 861 ° C, reacționează cu zirconiu. Ca rezultat, hidrogenul este produs într-o cantitate de aproximativ 0,491 litri pe gram de zirconiu reacționat și se eliberează o cantitate mare de căldură - 6530 kJ / kg [2].
Reacția se desfășoară conform ecuației:
unde Q este căldura în evoluție (6530 kJ / kg)
Reacția începe la aproximativ 861 ° C, iar la 1200 ° C începe să se dezvolte foarte rapid (deoarece căldura în evoluție continuă să încălzească zirconiul) și devine auto-susținută [1] [2] [3].
Pentru a calcula reacția abur-zirconiu, se utilizează forma integrală a ecuației Baker-Just [4] (pag. 37):
W 2 = 3. 33 ⋅ 10 7 ⋅ t ⋅ exp (- 45500 / R T). = 3.33 \ cdot 10 ^ \ cdot t \ cdot \ exp (-45500 / RT),> [mg / cm2]
Rata de reacție depinde substanțial de temperatura, cantitatea de abur furnizată pe suprafața de reacție și timpul de reacție. Și în condiții reale, cantitatea de abur furnizată este mult mai mică decât cea calculată, deoarece furnizarea de abur la suprafață este dificilă. Reacția implică doar straturi de vapori care sunt aproape de suprafață, iar hidrogenul care formează ca urmare a reacției împiedică vaporii să ajungă la suprafață. O peliculă de ZrO2 se formează pe suprafață. care inhibă de asemenea reacția [2].
În plus față de eliberarea hidrogenului și a căldurii, reacția este însoțită de fragilizarea învelișului elementelor combustibile și de scăderea grosimii inițiale datorată oxidării zirconiului. Aproximativ 10-12 minute de la începerea reacției de abur și zirconiu auto-susținută, placarea cu combustibil este oxidată la o grosime de 0,10-0,15 mm cu încălzire până la punctul de topire.
În experimentele deja în stadiu incipient s-a observat o deformare gravă a elementelor combustibile, cu un ușor exces de temperatură de topire a zirconiului în canalele de răcire, se formează blocaj.
Chiar și la o rată de reacție relativ scăzută, cantitatea de căldură eliberată este comparabilă cu căldura reziduală a reactorului de închidere, astfel că încălzirea combustibilului ca urmare a reacției este mult îmbunătățită [2].
Ca urmare, intrarea într-o mare parte a reacției poate forma hidrogen zirconiu, numerotarea în mii de metri cubi. Acest lucru este extrem de periculos din punct de vedere al incendiului și exploziei, precum și din punctul de vedere al formării bulelor de gaz instalație de reactor în buclă, împiedicând circulația agentului de răcire, care poate exacerba accidentul datorită încetării combustibilului cu decolare de căldură [5].
Sisteme de urgență și accidente
Apariția unei reacții abur-zirconiu este posibilă numai atunci când miezul este supraîncălzit, aceasta este o problemă comună a siguranței reactoarelor. În cazul unei astfel de situații grave de urgență, există sisteme de securitate.
Mijlocul principal de a evita formarea unui reactor cu buclă bule de gaz sunt instalație sistem de îndepărtare a gazelor cu abur de urgență. La TMI-2 astfel de sistem este absent, astfel acumulat în diferite părți ale echipamentului și chiar în reactor gaze necondensabile, în principal hidrogen, a împiedicat apariția unui circuit al circulației naturale după ce a fost scoasă forțat pompa principală în circulație, în care accidentul sa transformat într-o foarte grea [6].
Un alt sistem de securitate important, pasiv, este închis ermetic. În reactoarele cu apă sub presiune este foarte mare, zeci de mii de metri cubi, astfel încât să ajungă la concentrații explozive de hidrogen din versiuni reactor și alte echipamente, este extrem de dificil în ea. La momentul accidentului de la TMI-2, de exemplu, chiar dacă o treime din combustibil oxidat bacurilor au fost observate numai foc hidrogen local, care nu a dus la consecințe grave. În reactoarele de fierbere dimensiunea de izolare substanțial mai mică. Acest lucru se datorează faptului că principala problemă a accidentului, care se calculează de izolare - un accident cu pierderi de lichid de răcire - este rezolvată în bacurilor fierberea reactoarelor cu apă într-un alt mod, folosind bubblers cisternă volumetrice unde aburul este evacuat în cazul unui accident. La modele timpurii de izolare (Mark 1, Mark 2) fierberea reactoarelor cu apă pentru a rezolva problema groapă reactor uscat acumulare de hidrogen umplut cu un gaz inert (de exemplu, azot pur), în mai târziu, deoarece Mark 3 - echipat cu un sistem de postcombustie hidrogen [7] [8] . Când un accident Fukushima a suferit unități de alimentare cu tipul de izolare Mark 1. Acumularea de hidrogen în bacurilor secundar a dus la o explozie în ea la unitățile 1 și 3. Unitatea 2 explozie a avut loc în vecinătatea-cisternă bubblers. La unitatea de putere 4 explozie de hidrogen a avut loc în apropierea piscina combustibil.
O inovație binecunoscută, concepută pentru a rezolva problema acumulării de hidrogen în cazul accidentelor grave, este recombinatorii de hidrogen catalitic (sistem de siguranță pasivă). Acestea pot fi instalate pe blocuri existente (acestea sunt deja instalate pe un set peste tot în lume), ele sunt incluse în noile proiecte din setul obligatoriu de elemente. Recombinații sunt dispozitive mici care sunt instalate în multe locuri pe pereții etanși și oferă o reducere a concentrației de hidrogen în accidente cu eliberarea sa. Recombinatorii nu necesită surse de energie și comenzi de comutare - atunci când se atinge o mică concentrație de hidrogen (0,5-1,0%), procesul de absorbție de către recombinatori începe spontan [9] [10].
Articole similare
-
Raport privind activitatea de laborator a "reacției de recuperare
-
Pantogam excită! Cine a dat pantofilor copilului ce fel de reacție
-
Cum de a dezvolta viteza de reacție și mișcare, de a face o pregătire funcțională
Trimiteți-le prietenilor: