С потерей теплоносителя аварии ( АПТ ) представляет собой режим отказа для ядерного реактора ; без эффективного управления результаты LOCA могут привести к повреждению активной зоны реактора. Система аварийного охлаждения активной зоны (САОР) каждой атомной станции существует специально для борьбы с LOCA.
Ядерные реакторы производят тепло внутри; Чтобы отвести это тепло и преобразовать его в полезную электрическую энергию, используется система охлаждения. Если этот поток теплоносителя уменьшается или полностью прекращается, система аварийного останова ядерного реактора предназначена для остановки цепной реакции деления. Однако из-за радиоактивного распада ядерное топливо будет продолжать выделять значительное количество тепла. Остаточное тепло производится с помощью остановки реактора от полной мощности первоначально эквивалентно примерно от 5 до 6% от тепловой мощности реактора. Если все независимые цепи охлаждения САОЗ не работают должным образом, это тепло может повысить температуру топлива до точки повреждения реактора.
В рабочих условиях реактор может пассивно (то есть при отсутствии каких-либо систем управления) увеличивать или уменьшать свою выходную мощность в случае LOCA или пустот, появляющихся в его системе теплоносителя (например, из-за кипения воды). Это измеряется коэффициентом пустотности охлаждающей жидкости. Большинство современных атомных электростанций имеют отрицательный коэффициент пустотности, что означает, что когда вода превращается в пар, мощность мгновенно падает. Двумя исключениями являются советский РБМК и канадский CANDU. С другой стороны, реакторы с кипящей водой имеют паровые пустоты внутри корпуса реактора.
Современные реакторы спроектированы таким образом, чтобы предотвращать и выдерживать потери теплоносителя, независимо от их коэффициента пустотности, с использованием различных методов. Некоторые из них, такие как реактор с галечным слоем, пассивно замедляют цепную реакцию при потере теплоносителя; другие имеют обширные системы безопасности для быстрого отключения цепной реакции и могут иметь обширные системы пассивной безопасности (такие как большой теплоотвод вокруг активной зоны реактора, пассивно активируемые резервные системы охлаждения / конденсации или пассивно охлаждаемая защитная оболочка), снизить риск дальнейшего повреждения.
Большая работа идет на предотвращение серьезного профильного события. Если такое событие должно было произойти, ожидается, что три различных физических процесса увеличат время между началом аварии и временем, когда может произойти большой выброс радиоактивности. Эти три фактора предоставят операторам завода дополнительное время для смягчения последствий события:
Ядерная катастрофа на Фукусима-дайити в 2011 году произошла из-за аварии с потерей теплоносителя. Цепи, которые снабжали электроэнергией насосы теплоносителя, вышли из строя, что привело к потере теплоносителя, которая имела решающее значение для отвода остаточного тепла распада, которое образуется даже после того, как активные реакторы остановлены и ядерное деление прекратилось. Потеря охлаждения активной зоны реактора привела к трем ядерным авариям, трем взрывам водорода и выбросу радиоактивного загрязнения.
Водородные взрывы могут быть напрямую связаны с окислением циркония водяным паром в оболочках твэлов в результате потери теплоносителя.
В большинстве реакторов в качестве материала оболочек твэлов используется сплав циркония из-за его коррозионной стойкости и низкого поперечного сечения поглощения нейтронов. Тем не менее, одним из основных недостатков циркониевых сплавов является то, что, когда перегрет, они окисляются и производят беглого экзотермической реакции с водой (паром), что приводит к образованию водорода:. Именно такие реакции привели к водородным взрывам при ядерной катастрофе на Фукусима-дайити.
Остаточное тепло распада вызывает быстрое повышение температуры и внутреннего давления оболочки твэла, что приводит к пластической деформации и последующему разрыву. Во время аварии с потерей теплоносителя оболочки твэлов на основе циркония одновременно подвергаются высокотемпературному окислению, фазовому превращению и деформации ползучести. Эти механизмы были тщательно изучены исследователями, использующими модели критериев взрыва. В одном исследовании ученые разработали критерий разрыва оболочек твэлов из циркалоя-4 и определили, что влияние паровой среды на разрушение оболочек незначительно при низких температурах. Однако при повышении температуры разрыва происходит быстрое окисление оболочки из циркалоя-4, приводящее к резкому снижению ее пластичности. Фактически, при более высоких температурах деформация разрыва в значительной степени падает до нуля, что означает, что окисленная оболочка локально становится настолько хрупкой, что, согласно прогнозам, она выйдет из строя без какой-либо дальнейшей деформации или деформации.
Количество кислорода, поглощаемого циркониевым сплавом, зависит от времени воздействия пара (H 2 O) перед разрывом. При быстром разрыве из-за высоких скоростей нагрева и внутреннего давления окисление незначительно. Однако окисление играет важную роль в разрушении из-за низких скоростей нагрева и низких начальных внутренних давлений.
На подложки из циркониевого сплава может быть нанесено покрытие для повышения их стойкости к окислению. В одном исследовании исследователи покрыли подложку из цирло MAX фазой Ti 2 AlC с использованием гибридной техники дугового / магнетронного распыления с последующей обработкой отжигом. Впоследствии они исследовали механические свойства и стойкость к окислению в условиях чистого пара при 1000 ° C, 1100 ° C и 1200 ° C при разном времени окисления. Результаты показали, что покрытие подложки из цирло Ti 2 AlC привело к увеличению твердости и модуля упругости по сравнению с подложкой без покрытия. Кроме того, была значительно улучшена стойкость к высокотемпературному окислению. Преимущества Ti 2 AlC перед другими материалами покрытия заключаются в том, что он имеет превосходную стабильность при нейтронном облучении, более низкий коэффициент теплового расширения, лучшую стойкость к тепловому удару и более высокую стойкость к окислению при температуре. Таблица 1 дает хорошее представление об улучшенных механических свойствах в результате покрытия и повышенном сопротивлении пластической деформации.
Твердость (ГПа) | Модуль упругости (ГПа) | ОН | H 3 / E 2 (ГПа) | |
---|---|---|---|---|
Субстрат | 5,39 ± 0,1 | 129,92 ± 3,1 | 0,04 | 0,01 |
Материал с покрытием Ti 2 AlC | 14,24 ± 0,1 | 230,8 ± 3,1 | 0,06 | 0,05 |
В другом недавнем исследовании оценивались покрытия Cr и FeCrAl (нанесенные на циркалой-4 с использованием технологии атмосферного плазменного напыления) в условиях имитации потери теплоносителя. Покрытие Cr показало превосходную стойкость к окислению. Формирование компактного слоя Cr 2 O 3 на Cr-покрытии действует как барьер для диффузии кислорода, который защищает Zr-подложку от окисления, тогда как FeCrAl-покрытие разрушается из-за взаимной диффузии между покрытием и Zr-подложкой при высокой температуре, что позволяет Zr по-прежнему окисляется.