Авария на блоке №2 АЭС “Pickering” (Канада), связанная с разрушением технологического канала
Характеристика энергоблока АЭС
АЭС “Пикеринг” содержит 8 одинаковых энергоблоков электрической мощностью 542 МВт каждый на основе реакторов CANDU (Canada Deuterium-Uranium). Реактор работает на естественном (необогащенном) уране (UO2) с использованием тяжелой воды (D2O) под давлением в качестве ТН и тяжелой воды при нормальном давлении в качестве замедлителя и, как целое, размещается в цилиндрической ГО диаметром 42.7 м из предварительно напряженного бетона.
Особенностью конструкции реактора CANDU является горизонтальное и сквозное расположение 390 технологических каналов (ТК) для ТН в корпусе-каландре из нержавеющей стали. С каждой стороны реактора половина канальных труб (195) соединены в выходной коллектор, образуя две петли, причем внутри каландра ТН в соседних трубах, принадлежащих разным петлям, движется в противоположных направлениях. Аналогично с каждой стороны имеется по 195 входных трубопроводов, связанных с входным коллектором, а также по 3 подогревателя и по 4 вертикальных центробежных ГЦН.
Замедлитель D2O общей массой 280 т, находящийся при температуре 65°С, заполняет межтрубное пространство каландра таким образом, чтобы над уровнем D2O сохранялась газовая подушка, создаваемая гелием и выполняющая роль компенсатора объема.
Контур с ТН содержит 160 т D2O . Давление и температура ТН на выходе из реактора составляют соответственно 9 МПа и 290°С, а температура ТН на входе – 250°С.
Внутренние части ТК, представляющие собой трубы длиной 6.3 м с внутренним диаметром 103 мм и толщиной стенки 5.2 изготовлялись из циркалоя-2 (Zr с добавками ~ 1.5% Sn, ~ 0.1% Fe, ~ 0.1% Cr и ~ 0.05% Ni), который после описываемой ниже аварии заменен на более прочный сплав Zr + 2.5% Nb.
С обеих сторон каждая из канальных труб удлинена на 2.4 м отрезками труб из нержавеющей стали, которые проходят через торцевую биологическую защиту реактора и имеют на концах разъемные соединения с соответствующим коллектором. Эти соединения (муфты) располагаются в подшипниках скольжения на торцах каландра и снимаются при организации дистанционной перегрузки топлива без останова реактора.
В каждом ТК размещаются по 12 ТВС длиной 495 мм, содержащих по 28 твэлов диаметром 15.2 мм.
Специальная перегрузочная машина устроена так, что два ее моста устанавливаются с обеих сторон реактора, рабочая зона машины наводится на нужный канал, после снятия разъемного соединения в ней создается давление, равное давлению в реакторе, а затем плунжер одной половины машины вдвигает в канал новую, а магазин другой половины принимает вытолкнутую из канала отработавшую ТВС.
В каландре каждая канальная труба концентрично располагается в трубе из циркалоя-2 диаметром 131 мм с толщиной стенки 1.5 мм (каландровая труба), которая служит для изоляции горячей канальной трубы от холодного замедлителя, а кольцевое пространство между трубами заполнено циркулирующим азотом для уменьшения перетечек тепла от горячего ТН к холодному замедлителю.
Развитие аварии 01.06.1963 г.
Блок №2 был введен в эксплуатацию в 1971 г. и до события непрерывно работал 342 дня. 01 августа 1983 г. блок работал на полной мощности, когда в 11 ч. 10 ним. (11.10) на БЩУ появились несколько аварийных сигналов, свидетельствующих, в частности, об уменьшении расхода на уплотнение ГЦН и понижении давления в выходном коллекторе контура.
Оператор обнаружил увеличение подпитки обеих- петель охлаждения, быстрое понижение уровня в баке запаса ТН и немедленно запросил о перекачке D2O с блока ЯЗ. Через 2 мин. сработали детекторы влажности в помещении обслуживания западного моста перегрузочной машины, в заполненной водой полости между каландром и бетонной камерой, выполняющей роль тепловой и биологической защиты, стала быстро повышаться точка росы и вышли из строя обе телекамеры, возможно из-за запотевания линз. Визуально через окна было обнаружено наличие пара в обоих помещениях обслуживания перегрузочной машины.
В 11.20 с блока №3 стала поступать D2O, но уровень в баке запаса продолжал медленно падать. С этого времени было начато ручное регулирование мощности, которая с помощью ГЦН второй петли через 4 мин. была доведена до 53% от полной.
В 11.25 был сделан запрос на дополнительную подачу D2O с блока №4 и начато дальнейшее снижение мощности реактора, а еще через 5 мин. появились сигналы о пульсирующем изменении потока воды через уплотнение ГЦН и в выходном коллекторе, что указывало на трудности поддержания и контроля давления в условиях уменьшения количества ТН из-за одновременного понижения температуры, уменьшения мощности реактора и наличия течи.
В течение 40 мин. после возникновения течи операторы успешно уменьшили мощность до 2% от полной и начали расхолаживание реактора через 1 ч. 25 мин. после первых аварийных сигналов. При этом не были задействованы ни автоматические, ни ручные СБ, а давление в 1-м контуре было уменьшено до низкого уровня с целью сокращения протечек и контроля за давлением.
Содержание и причины аварии
В результате расследования аварии было установлено, что утечка D2O происходила из одного канала сначала в кольцевой газовый зазор между каналом и каландровой трубой, а затем через неплотные сильфонные соединения в проходках биологической защиты реактора – в помещение ГО. Утечка происходила со скоростью 19 кг/с и не могла быть быстро ликвидирована, т.к. конструкция реактора основана на предположении о возможности только малых контролируемых течей перед крупным разрушением, в связи с чем перегрузочная машина, с помощью которой можно изолировать канал, не является герметичной.
Так как для изолирования канала от системы охлаждения необходимо было предварительно удалить из него 12 сильно активных ТВС, то в данном случае это пришлось отложить до 12 августа из-за многочисленных сбоев в электрической системе управления перегрузочной машиной, обусловленных попавшей в машину водой.
При удалении ТВС из этого .канала потребовались значительно большие усилия перегрузочной машины, что указывало на возможность деформирования сборок в поврежденной трубе. Более того, выяснилось, что в двух удаленных сборках отсутствовало по одному твэлу. Тем не менее 13 августа канал был изолирован от системы охлаждения путем установки заглушек с обоих концов.
После дренирования канала на восточной стороне канала с помощью введенной в него миниатюрной телекамеры была обнаружена трещина шириной до 20 мм и длиной около 2 м, заканчивающаяся разрывом по окружности с углом раствора 120° . В трещине, идущей вдоль дна трубы, оказались прочно зажатыми и два потерянных твэла.
. Для удаления твэлов труба была разрезана пополам в середине, половинка с твэлами развернута, после чего только с 3-й попытки 01 сентября с помощью гидравлического устройства удалось расширить трещину, освободить твэлы и затолкнуть их в защитный контейнер.
Следует отметить, что аналогичная авария произошла 28 марта 1986 г. на блоке №2 АЭС “Bruce “, приведя к повреждению всех 13 ТВС в канале, появлению продольной трещины длиной 3.8 и на верхней части трубы давления и зажатию 3-х твэлов в трещине.
Наиболее вероятной причиной аварии оказалось то, что с выходной стороны подвеска внутренней трубы, центрирующая ее относительно каландровой трубы, оказалась на 1 м западнее проектного положения, вероятно, со времени монтажа реактора. Вследствие этого через 2-5 лет работы реактора из-за радиационной ползучести произошел контакт внутренней трубы с внешней, и соответствующие участки трубы длительное время находились в контакте с холодным замедлителем.
Вследствие появления градиента температур по сечению каландровой трубы в месте контакта с канальной трубой дейтерий из замедлителя должен диффундировать на внутреннюю поверхность каландровой трубы и во внешнюю поверхность канальной трубы, где концентрация дейтерия достигала 200 ррт, образуя скопления частиц гидрида (дейтерида) циркония в виде вздутий (“волдырей”). Хрупкие гидридные пластинки располагались в радиально-аксиальной плоскости, уменьшая прочность материала по отношению к хрупкому разрушению.
Так как, кроме того, удельный объем гидрида больше, чем у Zr, то в области вздутий должны развиваться большие напряжения, инициирующие развитие трещины. Подтверждением этого может служить и тот факт, что на длине 100 мм трещина в канале прошла через 4 вздутия. И хотя вначале зародившаяся трещина не могла быть сквозной, позднее внутренний пластичный слой трубы охрупчился, и главная трещина распространилась как по толщине, так и на всю длину ~ 2 м.
В пользу предположения о связи гидридных вздутий с положением мест контакта с наружной трубой свидетельствует тот факт, что положению вздутий соответствует наличие некоторых изменений и на внутренней поверхности каландровой трубы, где, вероятно, имело место локальное кипение замедлителя.
В результате лабораторного исследования образцов 12 других канальных труб на 4-х из них тоже обнаружены гидридные отложения, а на 5 – признаки контакта с внешними трубами и смещение положения подвесок.
Обследование состояния блока №1, который, как и блок №2, был введен в эксплуатацию в 1971 г., показало наличие таких же гидридных пузырей и деформаций канальных труб, в результате чего было принято решение о замене всех труб на обоих блоках, а позднее – и на всех остальных из 20 реакторах CANDU в зависимости от срока их службы.
Для выполнения этого решения блок №1 был выведен из эксплуатаций почти на 4 года, блок №2 – более чем на 5 лет, а в 1989 г. на 23 месяца был остановлен блок №3 (введен в 1972 г.) и на 19 месяцев- блок №4 (введен в 1973 г.).
Ожидается, что замена канальных труб из циркалоя-2 на трубы из более прочного сплава Zr + 2.5% Nb позволит уменьшить толщину стенок с 5.2 до 4 мм, тем самым улучшить нейтронные характеристики реакторов и, кроме того, в этом случае резко уменьшается поглощение дейтерия до уровня ~ 5 ррт.
