Файл: Быховский, А. В. Горячие аэрозольные частицы при техническом использовании атомной энергии.pdf

ОБРАЗОВАНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ Г Л А В А 5 АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

НА ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ

5.1. ОБЩЕЕ РАССМОТРЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ

РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ НА ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ

Ядерный реактор представляет собой, как известно, комплексный источник различных факторов радиацион­ ной опасности для обслуживающего персонала [423]. Методы расчета защиты от проникающих излучений ре­ актора— нейтронного потока и у-излучения — в настоя­ щее время достаточно хорошо разработаны [424], бла­ годаря чему защитные барьеры вокруг ядерных реак­ торов при нормальных условиях эксплуатации обеспе­ чивают снижение потоков нейтронов и у-квантов ниже предельно допустимых уровней. Значительно больший масштаб радиационной опасности может быть связан с утечкой из реактора образующихся в нем радиоактив­ ных веществ. Достаточно указать, например, что в ак­ тивной зоне ядерного реактора АЭС мощностью 500 Мет (эл.) накапливается до 109 кюри радиоактивных изото­ пов, что эквивалентно 10—12 тыс. г радия [425].

Напомним, что при рассмотрении процессов образо­ вания радиоактивных аэрозолей в атомной промышлен­ ности и ядерной энергетике ядерным реакторам должна быть отведена особая роль, обусловленная тем, что именно ядерные реакторы, производящие в больших ко­ личествах высокоактивные продукты деления горючего и нейтронной активации с высокой удельной актив­ ностью, достигающей несколько десятков и сотен кюри на грамм, являются первичным источником образования горячих аэрозольных частиц при техническом использо­ вании атомной энергии. Извлеченные из отработанного топлива плутоний и продукты деления, а также произ­ веденные в реакторе искусственные изотопы наведенной активности при дальнейшей обработке и использовании также могут явиться источником возникновения радио­ активных частиц, часто проникающих за пределы герме­

13?

тизированного оборудования и загрязняющих воздух рабочих помещений.

Радиоактивные аэрозоли, образующиеся при эксплу­ атации ядерных реакторов, отличаясь в зависимости от типа реактора сложностью дисперсного и многокомпонентностью радиоизотопного составов, для данного реак­ тора характеризуются относительным постоянством структуры [247, 276, 426—428].

Отечественный и зарубежный опыт убедительно сви­ детельствует о том, что масштаб радиационной опасно­ сти радиоактивных аэрозолей при нормальных условиях работы ядерной энергетической установки (а тем более исследовательских реакторов) невелик [423]. Этот вы­ вод, по мнению автора монографии [423], справедлив и для работы ядерного реактора с негерметичными обо­ лочками твэлов [260, 427, 429—430]. Результаты иссле­ дований, проведенных с участием авторов при нормаль­ ной эксплуатации уран-графитового реактора Первой атомной электростанции в Обнинске [267, 268] и ядер­ ного реактора типа ИРТ-2000 в Тбилиси [431], подроб­ но изложенные ниже, подтверждают вывод о сравни­ тельно небольшой роли радиоактивных аэрозолей в мас­ штабе радиационной опасности ядерного реактора как источника проникающих излучений и радиоактивного загрязнения приземного слоя атмосферы.

Следует заметить, что за более чем 20-летний период эксплуатации исследовательских и промышленных ядер­ ных реакторов в Советском Союзе не произошло ни од­ ной крупной аварии, сопровождавшейся значительным загрязнением внешней среды и переоблучением больших групп населения близрасположенных районов. Считается общепринятым, что вероятность приводящих к круп­ ной аварии неконтролируемых отклонений в работе ядерного реактора весьма незначительна. Это обуслов­ лено прежде всего рациональным выбором систем управ­ ления, соответствующих защитных мер и радиационно­ го контроля [423].

Тем не менее опыт свидетельствует о том, что воз­ никновение огромных количеств радиоактивных аэрозо­ лей, в том числе горячих частиц, наиболее опасно при крупной аварии ядерного реактора, при которой может быть нарушена целостность активной зоны и защитных конструкций [432, 433]. Авария промышленного уранграфитового ядерного реактора с воздушным охлажде­

139

нием в Уиндскейле в октябре 1957 г. подтвердила, что такая возможность существует [249]. В результате пе­ регрева часть твэлов из урана сгорела и из-за отсутст­ вия защитной оболочки в атмосферу было выброшено свыше 20 ккюри долгоживущего 1311, а также значитель­ ные количества 132Те и 137Cs (табл. 5.1).

зольными частицами крупнее 1 мкм связано не более 5% активности выброса. Осаждение йода на окружаю­ щие пастбища было настолько значительным, что по­ требовало временного запрещения потребления молока от коров в прилегающем районе. Следует указать, что масштаб аварии мог быть существенно ниже, если бы реактор был оборудован фильтрами, способными эффек­ тивно улавливать пары и аэрозоли йода.

Для оценки масштаба радиационной опасности при аварии ядерного реактора существенное значение имеет дисперсный и изотопный состав продуктов деления, вы­ свобождаемых из активной зоны.

S.2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАДИОАКТИВНЫХ ЧАСТИЦ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ АВАРИЯХ ТЕПЛОВЫХ РЕАКТОРОВ

При различных аварийных ситуациях на тепловых ядерных реакторах высвобождение продуктов деления из топлива может быть обусловлено различными меха­ низмами:

140

а) диффузией; б) образованием и диспергированием окислов, со­

держащих внутри кристаллической решетки продукты деления;

в) «выкипанием» продуктов деления из расплавлен­ ного ядерного горючего;

г) полным испарением топлива и содержащихся в нем продуктов деления (в том числе со сгоранием).

Первый механизм — диффузия — довольно подробно изучен (см., например, работу [435]) для условий поме­ щения топлива в атмосфере инертного газа. При нор­ мальных рабочих температурах диффузионный выход выражается незначительной величиной; кроме того, он существен лишь для благородных газов осколочного про­ исхождения, генерирующих в результате своего распа­ да весьма тонкодисперсные аэрозоли. Следовательно, этот механизм несуществен с точки зрения образова­ ния высокорадиоактивных аэрозольных частиц.

Второй и третий механизмы образования радиоак­ тивных частиц наиболее характерны, например, для значительного повреждения оболочки твэла уран-графи- тового реактора с газовым охлаждением реакторов в Уиндскейле, Колдер-Холле и т. д. Топливо из металли­ ческого урана, хотя и теряет свое значение для энерге­ тических реакторов, широко применяется в низкотемпе­ ратурных реакторах, производящих плутоний. Весьма подробный обзор исследований характеристик аэрозоль­ ных продуктов, высвобождающихся при окислении ме­ таллического урана и его соединений, приводится в ра­ боте [436].

Наиболее интенсивное высвобождение осколков де­ ления из металлического урана происходит в воздухе, причем основным параметром, определяющим размер образующихся аэрозольных частиц, является температу­

была прямо пропорциональна скорости окисления, что свидетельствовало об изменении кристаллической ре­ шетки металлов в процессе образования окисла. В ра­ боте [436] указано, что температурное влияние на вы­ ход продуктов и их аэрозольные характеристики весьма велико. Обнаружено, например, что наибольшее число

141

Частиц двуокиси урана размером от 0,015 до 0,5 мкм вы­

При температурах 1000—1200° С аэрозольные частицы образуются при конденсировании испарившейся трех-

Опыты показали, что большая часть 1311 уносится с аэро­ золями, характеризующимися бимодальным распреде­ лением размеров частиц с пиками при 0,0015 и 0,006 мкм, а высвобождение 132Те связано с частицами размером

пара с возрастанием степени выгорания, что объясняется увеличением поверхности урана вследствие возникнове­ ния и распространения в облученном горючем пузырь­ ков, содержащих газообразные и летучие продукты де­ ления, а также дефектов пленки [440]. Наибольший вы­

1132° С) и времени выдержки до 3 ч выделялось до 70% ксенона, криптона, йода и теллура; цезий и рутений оказались слаболетучими, а всех других продуктов деления (цирконий, церий, нептуний, плутоний, уран) выделялось менее 0,5%• Рутений вел себя ка^к неле­ тучий элемент, пока не заканчивалось окисление всего урана, после чего он становился летучим вследст­ вие образования Ru04. В опытах с окислением урана, облученного интегральным потоком 4 -ІО20 нейтрон/см2, соответствующим степени выгорания 1340 Мвт-сутки/т, обнаружено увеличение доли выхода ксенона, йода и цезия, а также рутения и молибдена.

Аналогичные результаты получены в Ок-Ридже в экс­ перименте, имитирующем разрушение твэлов при 1200° С

142