Радиационная и пожарная опасность натриевого теплоносителя

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. 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. 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.

1. Nuclear power reactors in the world. Vienna : International Atomic Energy Agency. 2022. 102 p.

2. 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: 10.1088/1755-1315/666/2/022018

3. Dhillon B.S. Safety, reliability, human factors, and human error in nuclear power plants. CRC Press, 2017. Pp. 62–88. DOI: 10.1201/b22260

4. Титов 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: 10.22227/0869-7493.2021.30.05.66-75

5. Nayak A., Kulkarni P. Severe accidents in nuclear reactors. Woodhead Publishing, 2021. 394 p.

6. Kumar S. Reliability and probabilistic safety assessment in multi-unit nuclear power plants. Academic Press, 2021. 260 p.

7. Petrangeli G. Nuclear safety. Butterworth-Heinemann, 2019. 586 p.

8. 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/S0040363614050087

9. Orlov 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.2007.03.008

10. Асхадуллин 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/S0040364416040013

11. Thomson J.R. High integrity systems and safety management in hazardous industries. Butterworth-Heinemann, 2021. 360 p.

12. Englander M., Stohr J.A. Chimie et industrie. 1956. Vol. 75. Issue 2. Pp. 53–60

13. 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.

14. 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.

15. 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: 10.55176/2414-1038-2020-1-102-119

16. Кузина 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: 10.55176/2414-1038-2019-3-233-251

17. Сутягина Р.О., Алексеев В.В., Сутягин И.А. Обзор существующих систем очистки в области жидкометаллических теплоносителей Препринт ФЭИ – 3295. Обнинск, 2021. 53 с.

18. 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.

19. Баженов В.А., Булдаков Л.А., Василенко И.Я. Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества. Л., 1990. С. 425–459.

20. 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.

21. Микеев А.К. Противопожарная защита АЭС. М. : Энергоатомиздат, 1990. 432 с.

22. Микеев А.К. Пожары на радиационно-опасных объектах. Факты, выводы, рекомендации. М. : ВНИИПО, 2000. 346 с.

23. Соловьев С.П. Аварии и инциденты на атомных электростанциях / под общ. ред. С.П. Соловьева; учеб. пос. Обнинск : ИАТЭ, 1992. 300 с.

24. Жаворонков И.С., Ильюшонок А.В. Обеспечение пожарной безопасности атомных электростанций // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2018. Т. 2. № 3. С. 343–350.