Чернобыльский саркофаг: ядерные материалы

Саркофаг: свойства ядерных материалов

Основная опасность Саркофага обуславливается наличием внутри сооружения долгоживущих радиоактивных веществ, с суммарной активностью около 20 МКи. Радиоактивные вещества являются открытыми источниками ионизирующего излучения, с наличием ядерных материалов, количество которых, по самым консервативным оценкам, составляет около 200 тон (по данным Национального доклада Украины - 2006 года).

На данный момент провести точные оценки количества ядерных материалов внутри Саркофага является крайне сложным и мало возможным. Это объясняется тем, что часть топлива, которое находится внутри Саркофага, пока еще не удалось обнаружить. Ученые-исследователи не смогли добраться к ряду мест в объекте, где могут находиться значительные количества топлива. Отсутствие точных данных о количестве ядерных материалов внутри ОУ и их состоянии обуславливает статус данного объекта как ядерно-опасного.

Исследования и контроль состояния Саркофага, который осуществляет персонал ЧАЭС, призваны ответить на такие вопросы:

•   - является ли действительно Саркофаг ядерно-опасным объектом?
•   - возможно ли, при любом стечении случайных событий, возникновение критичности в любом из скоплений топливосодержащие материалы (ТСМ)?
•   - если опасность критичности существует, то какую угрозу это может представлять для персонала и окружающей среды?
•   - какие контрмеры следует применить для снижения этого риска?

Что бы понять суть поднятых проблем необходимо знать главное – что собой представляют ядерные материалы, которые, вот уже больше 20-ти лет, находятся под Саркофагом. На данной странице мы попытаемся дать краткую характеристику этим, по своему уникальным, веществам. Информация представленная ниже была получена специалистами ИПБ АЭС (МНТЦ «Укрытие»), а также специалистов Курчатовского института при исследовании объекта «Укрытие».

Трехмерная модель геометрических параметров растеканий расплавов топливных масс (по материалам статьи С.Подберезного "Моделирование реального состояния объекта Укрытие в 3D измерении" ИПБ АЭС НАН Украины)

 Под ядерно-опасными материалами специалисты понимают вещество, которое содержит ядерное топливо разрушенного реактора Чернобыльской АЭС. Материалы, в состав которых входит ядерное топливо еще называют топливосодержащими материалами.

ТСМ – поврежденное в результате запроектной аварии ядерное топливо бывшего 4-го энергоблока ЧАЭС, независимо от его физико-химического состояния, тепловыделяющие сборки бассейна выдержки кассет 4-го блока, а также любые материалы (фрагменты активной зоны, смеси, расплавы, растворы, химические соединения, пыль и др.), в составе которых в заметном количестве содержится ядерное топливо (т.е. его концентрация составляет более 1 весового %).

В результате натурных исследований было установлено, что облученное ядерное топливо внутри Саркофага находится в виде следующих модификаций ТСМ:

• фрагменты активной зоны, большая часть которых, как предполагается в настоящее время, выброшена при взрыве на верхние этажи блока, в частности, в центральный зал
• - мелкодиспергированное топливо (пыль), горячие топливные частицы; размеры их изменяются от долей микрона до сотен микрон, они наблюдаются практически во всех помещениях объекта «Укрытие» (внешний вид топливных частиц);
• - застывшие лавообразные топливосодержащие массы (ЛТСМ), которые образовались во время активной стадии аварии при высокотемпературном взаимодействии топлива с конструкционными материалами блока;
• - вторичные урановые минералы, образовавшиеся из растворов ТСМ (в основном водных) в виде кристаллических новообразований.

Фрагменты активной зоны представляют собой части элементов конструкции и материалов активной зоны (АЗ) реактора РБМК-1000. К АЗФ относятся фрагменты ТВК, ТВС, ТВЭЛ, включая отдельные топливные таблетки и их фрагменты.

Фрагменты активной зоны реактора (материалы архива МНТЦ "Укрытие")

 Во время аварии большое количество фрагментов активной зоны было выброшено из шахты реактора на верхние этажи 4-го блока и на окружающую его территорию. Тепловыделяющие сборки (ТВС), ТВЭЛы, топливные таблетки и их отдельные части были обнаружены на площадках вентиляционной трубы, на крыше деаэраторной этажерки, машзала, ВСРО, крышах сооружений 3-го блока, в центральном зале.

При всплеске мощности за счет выделения газообразных продуктов деления по границам зерен, из которых спрессована топливная таблетка, образовались топливные частицы (размеры составляли десятки и сотни микрон). Выброс этих частиц произошел, в основном, при первоначальном взрыве.

Во время взрыва и в период активной стадии аварии происходило также окисление ядерного топлива и образование «малых» топливных частиц (средний диаметр 3 - 4 мкм). Он совпадает с размером зерен (кристаллитов) диоксида урана. Такие частицы выносились потоками нагретого воздуха, и их выпадения существенны вплоть до расстояний в несколько десятков километров от блока. Больше информации о топливных частицах представлено на странице «Типы радионуклидного загрязнения».

Лавообразные топливосодержащие массы представляют собой гетерогенные стеклообразные массы коричневого или черного цвета с включениями различной природы. На первых этапах изучения ЛТСМ их называли черной или коричневой керамикой.

Лавообразные материалы (коричневая керамика) в басейне-барботере. (материалы архива МНТЦ "Укрытие")

Шлакообразные, гранулированные ТСМ - образовались при контакте «коричневой керамики» с водой. (материалы архива МНТЦ "Укрытие")

Цвет черной керамики обусловлен дисперсными включениями окислов урана и, в основном, радиационными дефектами. После переплавки она приобретает бледный бутылочно-зеленый цвет, характерный для силикатных стекол с примесями железа. Цвет коричневой керамики обусловлен, в основном, окислами железа и урана.

Лавообразные материалы, содержащие ядерное топливо, обнаружены во многих подреакторных помещениях. В их составе содержится значительная часть урана, находившегося до аварии в активной зоне, и значительная часть радионуклидов, которые были наработаны в реакторе за время эксплуатации.

Во время активной стадии аварии центром образования и распространения ЛТСМ стало подаппаратное помещение, точнее, его юго-восточная часть. Под действием выделяющегося тепла расплавлялись материалы активной зоны, строительные конструкции, металл, бетонные блоки, попавшие в шахту реактора и т.п. В состав расплава входило и топливо. По мере увеличения массы расплав распространялся по полу помещения, достигал краев паросбросных клапанов, переливался внутрь и попадал в нижние помещения, созданные для локализации пара при проектной аварии. Эти помещения - это парораспределительный коридор и два этажа бассейна-барботера.

Специалисты выделяют три основных потока ЛТСМ: большой вертикальный, малый вертикальный и большой горизонтальный.

Вторичные урановые минералы представляют собой кристаллические топливосодержащие новообразования, в составе которых были выделены урановые минералы: резерфордин, эпиянтиннит, студитит.

Необходимо отметить, что впервые эти вещества были обнаружены в сентябре 1990 года. Они имеют вид ярко-желтых пятен и разводов относительно плотных мелкозернистых корочек с наросшими на них щетками бесцветных, прозрачных, белых и желтых кристаллов размером порядка десятков и даже сотен микрон.

Рекомендуемая литература по теме ТСМ:

• Свойства и экологическая опасность радиоактивных отходов, локализированных под каскадной стеной объекта «Укрытие». Сборник «Проблемы Чернобыля. МНТЦ «Укрытие». Батий В.Г, Криницин А.П., Панасюк Н.И. и др. Вып.2.- Чернобыль, 1998. –с. 38-40
• Топливосодержащие материалы объекта «Укрытие» сегодня: актуальные физические свойства и возможность прогнозирования их состояния. Жидков А.В. Проблеми Чорнобиля. – 2001 г. – Вип. 7. – С. 23 – 40
• Анализ текущей безопасности объекта «Укрытие» и прогнозные оценки развития ситуации, 1996 г.
• Fission product and transuranic release during Chernobyl accident// Materials of International Conference “The fission of nuclei – 50 years”, Borovoi A.A. Leningrad 1989 г.
• Ключников А.А, Краснов В.А., Рудько В.М., Щербин В.Н. Современное состояние объекта «Укрытие». Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. - 2006р. - Вип. 5. - С. 6 - 65.
• Богатов С.А., Корнеев А.А., Криницын А.П., Симановская И.Я., Стрихарь О.Л., Щербин В.Н. Проблема воды в объекте «Укрытие»/Препринт. Межотраслевой научно-технический центр «Укрытие» НАН Украины.1999г. 27 с.
• Описание объекта «Укрытие» и требования к его преобраованию / МинЧернобыль Украины, Акадения Наук Украины. – Киев: Наук. Думка, 1992. – 50 с.