Реальная жизнь опровергает заранее продуманные логические схемы и зафиксированные меры предосторожности, проявившиеся слабые и сильные стороны установок, а также выводы, которые были сделаны на основании этих событий...

Авария на TMI (Три Майл Айланд)

Авария, произошедшая 28 марта 1979 г. на втором блоке американской АЭС TMI, имела отголосок во всем мире. В ядерных кругах она вызвала крупномасштабные научные исследования, интенсивный международный обмен и в целом привела к всестороннему пересмотру подхода к безопасности.

Атомная электростанция TMI находится на острове Три Майл Айланд, расположенном в 16 км от города Харрисберга, столицы штата Пенсильвания с населением 90 000 человек. Станция состояла из двух энергоблоков мощностью по 900 МВт(э) с реакторами конструкции Бебкок и Вилкокс, охлаждаемыми водой под давлением. Второй блок АЭС был введен в промышленную эксплуатацию 30 декабря 1978 г.

Авария возникла в среду 28 марта в 4 часа утра в связи с тривиальным происшествием — отказом системы нормальной подпитки парогенератора (рис. 1).

Рис. 1. Схема АЭС Три Майл Айленд

В виду слабой тепловой инерции парогенераторов (малого запаса воды), вызванные этим переходным процессом довольно быстрое повышение температуры и давления в первом контуре привело к открытию предохранительного клапана компенсатора давления, который ограничивает рост давления в первом контуре.

Со стороны второго контура инициируется аварийная остановка турбогенератора и запуск насосов, обеспечивающих аварийную подпитку парогенераторов.

Со стороны первого контура переходный процесс вызывал аварийную остановку реактора и постепенное снижение давления в первом контуре. Теоретически, через 12 с после начала аварии предохранительный клапан компенсатора давления должен был получить команду на закрытие.

Первая фаза аварии протекла согласно проекту. Большинство автоматических устройств сработало.

Однако произошел выход из строя двух устройств:

- предохранительный клапан получил команду на закрытие, но оказался заблокированным в открытом положении. Вода из первого контура продолжала сливаться в барботажный бак компенсатора давления, расположенный в защитной оболочке, с расходом 60 т/ч (в первом контуре содержится примерно 200 тонн воды);
- насосы системы аварийной подпитки парогенераторов нормально запустились через 30 с, но не смогли подать воду на парогенераторы, так как вследствие ошибки при техническом обслуживании клапаны, расположенные между насосами и парогенераторами, находились не в открытом, а в закрытом положении. В таких случаях парогенераторы осушаются за 2—3 мии и охлаждение первого контура прекращается.

Хотя на БЩУ имелась сигнализация неисправного положения этих клапанов, операторы не сразу заметили неполадку и подали ручную команду на открытие клапанов только через 8 мин. Потребовалось 25 мин и большое количество действий со стороны операторов, чтобы стабилизировать ситуацию во втором контуре, на котором в течение всего этого времени сосредоточивалось внимание оперативного персонала.

Тем временем вода первого контура продолжала сливаться в барботажный бак компенсатора давления.

Через 2 мин давление в первом контуре снизилось приблизительно до 110 бар. Система аварийной подпитки первого контура автоматически сработала и стала подавать холодную воду в первый контур.

Указатель положения предохранительного клапана показывал операторам, что КЛАПАН ЗАКРЫТ, но это показание не соответствовало действительности, что решающим образом сказалось на развитии аварии. На самом деле, указатель передавал на БЩУ не положение клапана, а полученную команду, в данном случае на его закрытие.

Операторы, видя быстрое повышение уровня воды в компенсаторе давления и предполагая, что предохранительный клапан закрыт, испугались поступления в первый контур слишком большого количества воды и остановили вручную, менее чем за 5 мин, систему аварийной подпитки первого контура.

У операторов создалось совершенно ошибочное представление о ситуации. Это и объясняет выбор принятых ими мер.

Теперь вода, вытекающая из первого контура, больше не пополнялась. Создалась ситуация течи в первом контуре при полном отсутствии аварийной подпитки. Четверть часа спустя сработала разрывная мембрана барботажного бака компенсатора давления. Вода первого контура стала вытекать непосредственно в защитную оболочку. Компенсатор давления заполнился пароводяной смесью. Показания уровня в нем больше не соответствовали действительности.

Концентрация пара в теплоносителе первого контура возрастала. Все с большим трудом работали главные циркуляционные насосы. В них развивались кавитация и вибрация.

Через 1 ч 13 мни после возникновения аварии, когда вибрации стали слишком сильными, операторы остановили первый главный циркуляционный насос, а 27 мин спустя — второй, надеясь, что в первом контуре установится естественная циркуляция теплоносителя.

На самом деле произошло разделение фаз на жидкость и пар. Пар скоплялся в верхних точках первого контура, а вода в нижних. Циркуляция теплоносителя в первом контуре прекратилась и тем самым прекратился отвод теплоты от активной зоны реактора к парогенераторам, выделяющей еще остаточную энергию в несколько десятков МВт.

Под влиянием тепловыделения в активной зоне вода продолжала кипеть; из-за прекращения подпитки уровень воды в корпусе реактора постепенно снижался, что привело к оголению активной зоны. Охлаждение топлива становилось все менее эффективным. Температура на оболочках твэлов быстро повышалась, сначала достигла 850°C. Прн таких температурах цирконий вступает в химическую реакцию с водяным паром н образует окись циркония с выделением теплоты, в результате чего процесс ускорился. При достижении температуры плавления оболочек твэлов началось сильное высвобождение продуктов деления из топлива в теплоноситель первого контура, а через теплоноситель — под защитную оболочку.

Операторы включили одни из главных циркуляционных насосов, который стал подавать охлажденную через парогенераторы воду на уже сильно нагретое топливо, что вызвало в корпусе распыление части топлива, находившейся над уровнем воды.

Через 3 ч 12 мин после начала аварии давление в первом контуре опасно выросло за счет мгновенного вскипания воды при ее контакте с топливом. Операторы вновь открыли запорный клапан сброса пара из компенсатора, который, открывшись, стал пропускать еще более радиоактивный пар.

Защитную оболочку изолировали, что прекратило перенос радиоактивности из дренажей в спецкорпус. С момента возникновения аварии прошло 3 ч 20 мин.

Для удаления из первого контура большей части водорода и неконденсируемых газообразных продуктов деления, препятствующих его заполнению, потребовалось еще 12 ч. Это удалось достичь поочередным открытием и закрытием системы предохранительных клапанов компенсатора давления, а также запуском системы аварийной подпитки и главных циркуляционных насосов.

Через 9 ч 50 мин после начала аварии локальный взрыв (приблизительно 320 кг водорода) вызвал пик давления около 2 бар под защитной оболочкой, не причинив ей особых повреждений.

В среду 28 марта 1979 г., к восьми часам вечера авария как таковая была ликвидирована, хотя в течение еще нескольких дней на станции все сильно опасались взрыва водорода в корпусе реактора.

Повреждение топлива оказалось гораздо сильнее, чем повреждения, предусмотренные при проектировании на случай самой тяжелой аварии, а именно, аварии с потерей теплоносителя первого контура за счет внезапного разрыва трубопровода с двусторонним истечением теплоносителя.

Точные последствия аварии для активной зоны были установлены лишь в 1985 г., т. е. 6 лет спустя, когда между нижней частью внутрикорпусных структур и корпусом реактора удалось пропустить телевизионную камеру: было расплавлено 45% топлива вместе с материалами оболочек твэлов и внутрикорпусными устройствами — всего 62 т, образовавшие так называемый «корнум» (рис. 2).

Рис. 2. Конечное состояние активной зоны блока 2 АЭС Три Майл Айлямд

Часть кориума (примерно 20 т), образовавшаяся в верхней части топлива, пробила себе путь между периферийной топливной сборкой и выгородкой активной зоны и, проплавив ее, перетекла на самое дно корпуса, которое, к счастью, она не проплавила.

Несмотря на расплавление топлива и сильный перенос активности под защитную оболочку, прямые радиационные последствия для окружающей среды оказались незначительными. Защитная оболочка почти безукоризненно выполнила свою роль. Только откачка насосами воды из дренажей привела к радиоактивным, ограниченным во времени, выбросам.

Выбросы были оценены как незначительные, их последствия были весьма ограниченными. Некий условный индивидуум, проживающий на границе объекта с подветренной стороны, был бы облучен дозой ниже 1 мЗв, т.е. порядка величины годовой дозы, вызванной природным облучением.

Уроки, извлеченные из аварии на станции TMI:

Оказалось, что возможно возникновение аварий гораздо более тяжелых, чем авария с потерей теплоносителя первого контура в результате внезапного гильотинного разрыва трубопровода максимального диаметра, которая была выбрана в качестве максимальной проектной аварии. Такие аварии могут быть вызваны мелкими, но многочисленными отказами или ошибкой человека.

Это не поставило под сомнение общее качество проекта энергоблоков. Принцип глубоко эшелонированной защиты, который требует изучения тяжелых аварий, приводит к необходимости иметь надежную систему локализации. В данном случае защитная оболочка практически полностью обеспечила защиту населения, а также персонала станции TMI.

Человек представляет собой важнейшее звено в обеспечении безопасности.

Напрашивались следующие вопросы:

- Как избежать плавления активной зоны, которое может возникнуть в результате неизученного заранее сценария?
- Как лучше всего подготовиться к кризисной ситуации?
- Как лучше предохранить защитную оболочку, являющейся составляющей последнего «барьера?
- Как наилучшим образом выявить сценарии, являющиеся предшественниками тяжелых аварий, и своевременно принять необходимые корректирующие меры?

***