firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/0869-7493.2023.32.02.33-43firesmi-1221Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯSAFETY OF TECHNOLOGICAL PROCESSES AND EQUIPMENTРадиационная и пожарная опасность натриевого теплоносителяRadiation and fire hazard of sodium coolanthttps://orcid.org/0000-0002-8047-5174ПрытковЛ. Н.PrytkovL. N.

адъюнкт, научный сотрудник Научно-исследовательского отделения Учебно-научного комплекса пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ

Adjunct, Researcher of Research Department of Educational and Scientific Complex of Fire Extinguishing and Emergency Rescue Operations

prytkov.l.n@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6709-4334БарбинН. М.BarbinN. M.

д-р техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского отделения Учебно-научного комплекса пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ

Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Leading Researcher of Research Department of Educational and Scientific Complex of Fire Extinguishing and Emergency Rescue Operations

nmbarbin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6903-575XТитовС. А.TitovS. A.

научный сотрудник Научно-­исследовательского отделения Учебно-научного комплекса пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ

Researcher of Research Department of Educational and Scientific Complex of Fire Extinguishing and Emergency Rescue Operations

tsa-nhl@mail.ruУральский институт Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствийРоссияUral Institute of State Fire Service of the Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural DisastersRussian Federation2023280420233223343Copyright © Прытков Л.Н., Барбин Н.М., Титов С.А., 20232023Прытков Л.Н., Барбин Н.М., Титов С.А.Prytkov L.N., Barbin N.M., Titov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1221Введение

Введение. Атомные электростанции Российской Федерации вырабатывают около 20 % доли общей электро­энергии. На базе реакторов на быстрых нейтронах в качестве теплоносителя, где применяется натрий, Госкорпорацией «Росатом» реализуется проект «Прорыв», нацеленный на реализацию замкнутого ядерного топливного цикла за счет применения энергетического потенциала природного урана. Изучение и обобщение информации о пожарной и радиационной опасности натриевого теплоносителя является актуальной задачей для обеспечения безопасности при эксплуатации реакторов данного типа.

Цели и задачи

Цели и задачи. Целью статьи является аналитическое исследование информации о радиационной и пожарной опасности натриевого теплоносителя, опубликованной в отечественной и зарубежной научной литературе. Для ее достижения проведен анализ реакторов на быстрых нейтронах, эксплуатирующихся в мире, рассмотрены теплоносители, применяемые в быстрых реакторах. Проведен системный анализ радионуклидов, присутствующих в натриевом теплоносителе, представлены сравнительные диаграммы по показателям радиационных свойств радионуклидов, определены наиболее опасные для человека радионуклиды, присутствующие в натриевом теплоносителе. Проанализированы пожарная опасность металлического натрия и особенности тушения пожаров, связанных с утечкой натриевого теплоносителя в первом и втором контуре реакторной установки.

Результаты и их обсуждение. На данный момент в мире эксплуатируется 1 опытно-промышленный реактор на быстрых нейтронах, находящийся в России, 1 экспериментальный реактор в Индии и в Китае. В качестве теплоносителя на данных реакторах применяется натрий. В результате анализа литературы из открытых источников установлено, что основными источниками образования примесей в металлическом тепло­носителе являются защитный газ, конструкционные и технологические материалы установки и продукты ядерных реакций. Проведенный системный анализ свойств радионуклидов, присутствующих в металлическом теплоносителе, позволил определить наиболее опасные из них для жизни и здоровья человека. Пожарная опасность натриевого теплоносителя обусловлена в основном его химической активностью. Основными способами тушения разлитого натрия является изолирование от кислорода за счет засыпания лужи металличе­ского натрия порошком огнегасящим МГС, порошкообразным оксидом алюминия или уменьшение концентрации кислорода в воздухе ниже 4 % за счет объемного газового пожаротушения азотом, углекислотой или инертными газами.

Выводы

Выводы. В результате проведенного анализа радионуклидов, присутствующих в натриевом теплоносителе реактора на быстрых нейтронах, установлено, что наиболее опасными для человека являются 24Na, 137Cs, 125Sb, 22Na, 239Pu, 54Mn, 110mAg, 131I. По результатам анализа пожарной опасности радиоактивного натрия установ­лены наиболее распространенные огнетушащие вещества и описаны особенности тушения пожаров, возникающих при возгорании натриевого теплоносителя.

Introduction

Introduction. Nuclear power plants in the Russian Federation produce about 20 % of the total electricity.On the basis of fast neutron reactors using sodium as a coolant, Rosatom State Corporation is implementing the “Breakthrough” project aimed at the implementation of a nuclear fuel cycle using the energy potential of natural uranium. Study and generalization of information about fire and radiation hazards of sodium coolant is an urgent task to ensure safety in the operation of this type of reactors.

Goals and objectives

Goals and objectives. The purpose of the article is an analytical study of information about sodium coolant radiation and fire hazard, published in domestic and foreign scientific literature. To achieve it, an analysis of fast neutron reactors operating in the world was carried out, the coolants used in fast reactors were considered. System analysis of radionuclides present in sodium coolant has been carried out, comparative diagrams according to radionuclide radiation properties are presented, the most dangerous radionuclides for humans present in the sodium coolant have been identified. The fire hazard of sodium metal and peculiarities of extinguishing fires associated with the leakage of sodium coolant in the primary and secondary circuits of the reactor plant are analyzed.

Results and its discussion. At the present time, there is 1 experimental-industrial fast neutron reactor in operation in the world, located in Russia, and 1 experimental reactor in India and China. Sodium is used as a coolant in these reactors. As a result of the literature analysis from open sources, it was found that the main sources of impurities in the metal coolant are protective gas, structural and technological materials of the installation, and products of nuclear reactions. A systematic analysis of the properties of radionuclides present in the metal coolant made it possible to determine the most dangerous of them for human life and health. The fire hazard of sodium coolant is mainly due to its chemical activity. The main ways of extinguishing spilled sodium is isolation from oxygen by covering the puddle of metallic sodium with powdered fire-extinguishing MHS, powdered aluminum oxide or reduction of oxygen concentration in the air below 4 % by volume gas extinguishing with nitrogen, carbon dioxide or inert gases.

Conclusions

Conclusions. As a result of the analysis of radionuclides present in the sodium coolant of a fast neutron reactor, it was found that the most dangerous for people are 24Na, 137Cs, 125Sb, 22Na, 239Pu, 54Mn, 110mAg, 131I. Based on the results of the analysis of the fire hazard of radioactive sodium, the most common fire extinguishing agents are established and the features of extinguishing fires that occur when a sodium coolant ignites are described.

пожаррадионуклидпримесиогнетушащий составтушение пожаравыброс ради­о­активностиfireradionuclideimpuritiesfire extinguishing compositionfire extinguishingrelease of radioactivityReferencesNuclear power reactors in the world. Vienna : International Atomic Energy Agency. 2022. 102 p.Nuclear power reactors in the world. Vienna, International Atomic Energy Agency, 2022; 102.Barbin N.M., Titov S.A., Kobelev M. Accidents that occurred at nuclear power plants in 1952–1972 // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 666. Issue 2. P. 022018. DOI: 10.1088/1755-1315/666/2/022018Barbin N.M., Titov S.A., Kobelev M. Accidents that occurred at nuclear power plants in 1952–1972. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021; 666(2):022018. DOI: 10.1088/1755-1315/666/2/022018Dhillon B.S. Safety, reliability, human factors, and human error in nuclear power plants. CRC Press, 2017. Pp. 62–88. DOI: 10.1201/b22260Dhillon B.S. Safety, reliability, human factors, and human error in nuclear power plants. CRC Press, 2017; 62-88. DOI: 10.1201/b22260Титов С.А., Барбин Н.М., Кобелев А.М. Анализ аварийных ситуаций, связанных с пожарами на атомных электростанциях // Пожаровзрыво­безопасность/Fire and Explosion Safety. 2021. Т. 30. № 5. С. 66–75. DOI: 10.22227/0869-7493.2021.30.05.66-75Titov S.A., Barbin N.M., Kobelev A.M. The analysis of emergency situations related to fires at nuclear power plants. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2021; 30(5):66-75. DOI: 10.22227/0869-7493.2021.30.05.66-75 (rus).Nayak A., Kulkarni P. Severe accidents in nuclear reactors. Woodhead Publishing, 2021. 394 p.Nayak A., Kulkarni P. Severe accidents in nuclear reactors. Woodhead Publishing, 2021; 394.Kumar S. Reliability and probabilistic safety assessment in multi-unit nuclear power plants. Academic Press, 2021. 260 p.Kumar S. Reliability and probabilistic safety assessment in multi-unit nuclear power plants. Academic Press, 2021; 260.Petrangeli G. Nuclear safety. Butterworth-Heinemann, 2019. 586 p.Petrangeli G. Nuclear safety. Butterworth-Heinemann, 2019; 586.Рачков В.И., Арнольдов М.Н., Ефанов А.Д., Калякин С.Г., Козлов Ф.А., Логинов Н.И. и др. Использование жидких металлов в ядерной, термо­ядерной энергетике и других инновационных технологиях // Теплоэнергетика. 2014. № 5. С. 20. DOI: 10.1134/S0040363614050087Rachkov V.I., Arnoldov M.N., Efanov A.D., Kalyakin S.G., Kozlov F.A., Loginov N.I., et al. Use of liquid metals in nuclear, thermonuclear power engineering and other innovative technologies. Teploenergetika. 2014; 5:20. DOI: 10.1134/S0040363614050087Orlov Y.I., Efanov A.D., Martynov P.N., Gulevsky V.A., Papovyants A.K., Levchenko Yu.D., Ulyanov V.V. Hydrodynamic problems of heavy liquid metal coolants technology in loop-type and mono-block-type reactor installations // Nuclear Engineering and Design. 2007. Vol. 237. Issue 15–17. Pp. 1829–1837. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2007.03.008Orlov Y.I., Efanov A.D., Martynov P.N., Gulevsky V.A., Papovyants A.K., Levchenko Yu.D., Ulyanov V.V. Hydrodynamic problems of heavy liquid metal coolants technology in loop-type and mono-block-type reactor installations. Nuclear Engineering and Design. 2007; 237(15-17):1829-1837. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2007.03.008Асхадуллин Р.Ш., Мартынов П.Н., Рачков В.И., Легких А.Ю., Стороженко А.Н., Ульянов В.В., Гулевский В.А. Контроль и регулирование содержания кислорода в тяжелых жидкометаллических теплоносителях для противокоррозионной защиты сталей // Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54. № 4. С. 595–604. DOI: 10.7868/S0040364416040013Askhadullin R.Sh., Martynov P.N., Rachkov V.I., Legkikh A.Yu., Storozhenko A.N., Ul’yanov V.V., Gulevskiy V.A. Monitoring and control of the oxygen content in heavy liquid-metal coolants for anticorrosion protection of steels. Thermal Physics of High Temperatures. 2016; 54(4):595-604. DOI: 10.7868/S0040364416040013Thomson J.R. High integrity systems and safety management in hazardous industries. Butterworth-Heinemann, 2021. 360 p.Thomson J.R. High integrity systems and safety management in hazardous industries. Butterworth-Heinemann, 2021; 360.Englander M., Stohr J.A. Chimie et industrie. 1956. Vol. 75. Issue 2. Pp. 53–60Englander M., Stohr J.A. Chimie et industrie. 1956; 75(2):53-60.Носов Ю.В., Ровнейко А.В., Ташлыков О.Л., Щеклеин С.Е. Особенности вывода из эксплуатации быстрых реакторов БН-350, -600 // Атомная энергия. 2018. Т. 125. № 4. С. 195–199.Nosov Yu.V., Rovneiko A.V., Tashlykov O.L., Shcheklein S.E. Features of fast reactors decommissioning БН-350, -600. Atomic Energy. 2018; 125(4):195-199.Kozlov F.A., Alexeev V.V., Zagorul’ko Yu.I., et al. The summary of the sodium coolant technology development in application to LMFBRs // Working material TM on the Coordinated Project (CRP) Analyses and Lessons Learned from the Operational Experience with Fast Reactor Equipment and Systems (Obninsk, February 14–18, 2005). Vienna, IAEA, 2005. Pp. 237–259.Kozlov F.A., Alexeev V.V., Zagorul’ko Yu.I., et al. The summary of the sodium coolant technology development in application to LMFBRs. Working material TM on the Coordinated Project (CRP) Analyses and Lessons Learned from the Operational Experience with Fast Reactor Equipment and Systems. Obninsk, 14–18 February 2005. Vienna, IAEA, 2005; 237-259.Сорокин А.П., Гулевич А.В., Клинов Д.А., Кузина Ю.А., Камаев А.А., Иванов А.П. и др. Исследования высокотемпературной ядерной энерготехнологии для производства водорода и других инновационных применений // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. 2020. № 1. С. 102–119. DOI: 10.55176/2414-1038-2020-1-102-119Sorokin A.P., Gulevich A.V., Klinov D.A., Kuzina Yu.A., Kamaev A.A., Ivanov A.P., et al. Studies of high-temperature nuclear energy technology for hydrogen production and other innovative applications. Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear reactor constants. 2020; 1:102-119. DOI: 10.55176/2414-1038-2020-1-102-119Кузина Ю.А., Сорокин А.П. Теплофизика щелочных жидких металлов. Часть 2: Физхимия, технология и инновационные приложения (ретроспективно-перспективный взгляд) // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. 2019. № 3. С. 233–251. DOI: 10.55176/2414-1038-2019-3-233-251Kuzina Yu.A., Sorokin A.P. Thermal physics of alkaline liquid metals. Part 2: Physical chemistry, technology and innovative applications (retrospective-perspective view). Questions of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear reactor constants. 2019; 3:233-251. DOI: 10.55176/2414-1038-2019-3-233-251Сутягина Р.О., Алексеев В.В., Сутягин И.А. Обзор существующих систем очистки в области жидкометаллических теплоносителей Препринт ФЭИ – 3295. Обнинск, 2021. 53 с.Sutyagina R.O., Alekseev V.V., Sutyagin I.A. Review of existing purification systems in the field of liquid metal coolants Preprint FEI-3295. Obninsk, 2021; 53.Козлов Ф.А., Волчков Л.Г., Кузнецов Э.К., Матюхин В.В. Жидкометаллические теплоносители ЯЭУ. Очистка от примесей и их контроль / под ред. Ф.А. Козлова. М. : Энергоатомиздат, 1983.Kozlov F.A., Volchkov L.G., Kuznetsov E.K., Matyukhin V.V. Liquid-metal coolants of nuclear power plants. Purification from impurities and their control. F. Kozlov (ed.). Moscow, Energoatomizdat Publ., 1983.Баженов В.А., Булдаков Л.А., Василенко И.Я. Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества. Л., 1990. С. 425–459.Bazhenov V.A., Buldakov L.A., Vasilenko I.Ya. Harmful chemicals. Radioactive Substances. Leningrad, 1990; 425-459.Бельтюков А.И., Карпенко А.И., Полуяктов С.А., Ташлыков О.Л., Титов Г.П., Тучков А.М. и др. Атомные электростанции с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. Ч. 1 / под общ. ред. С.Е. Щеклеина, О.Л. Ташлыкова. Екатеринбург, 2013. 548 с.Beltyukov A.I., Karpenko A.I., Poluektov S.A., Tashlykov O.L., Titov G.P., Tuchkov A.M., et al. Nuclear power plants with sodium-cooled fast neutron reactors. Part 1. S.E. Shchekleina, O.L. Tashlykova (ed.). Ekaterinburg, 2013; 548.Микеев А.К. Противопожарная защита АЭС. М. : Энергоатомиздат, 1990. 432 с.Mikeev A.K. Fire protection of nuclear power plants. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1990; 432.Микеев А.К. Пожары на радиационно-опасных объектах. Факты, выводы, рекомендации. М. : ВНИИПО, 2000. 346 с.Mikeev A.K. Fires at radiation-hazardous objects. Facts, conclusions, recommendations. Moscow, VNIIPO, 2000; 346.Соловьев С.П. Аварии и инциденты на атомных электростанциях / под общ. ред. С.П. Соловьева; учеб. пос. Обнинск : ИАТЭ, 1992. 300 с.Solovyov S.P. Accidents and incidents at nuclear power plants : textbook. S.P. Solovyov (ed.). Obninsk, IATE, 1992; 300.Жаворонков И.С., Ильюшонок А.В. Обеспечение пожарной безопасности атомных электростанций // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2018. Т. 2. № 3. С. 343–350.Zhavoronkov I.S., Ilyushonok A.V. Ensuring fire safety of nuclear power plants. Bulletin of the University of Civil Protection of the Ministry of Emergency Situa­tions of Belarus. 2018; 2(3):343-350.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.