Источник нейтронов, основанный на подкритической сборке, управляемой линейным ускорителем электронов

1. «Правила ядерной безопасности подкритических стендов ПБЯ ПКС-2005» НП-059-05;
2. «Общие положения обеспечения безопасности исследовательских ядерных установок» НП-033-01;
3. «Требования к содержанию отчета по обоснованию безопасности исследовательских ядерных установок» НП-049-03;
4. «Требования к составу и содержанию документов, обосновывающих обеспечение ядерной и радиационной безопасности исследовательских реакторов, критических и подкритических стендов и/или лицензируемых видов деятельности» РД-04-26-97.

При этом необходимо отметить, что  упомянутые ПБЯ ПКС-2005 распространяются «на проектируемые, сооружаемые  и эксплуатируемые ПКС, независимо от их типа, за исключением электроядерных генераторов нейтронов, включающих подкритическую реакторную установку, внешний источник нейтронов в виде ускорителя заряженных частиц и нейтронно-производящей мишени» (п.1.2), к которым относится проектируемая установка.

Поэтому приведенная ниже оценка безопасности основана на рассмотрении тех общих  требований указанных документов в части обоснования безопасности ПКС, которые могут быть применены к проектируемой установке.

2. Требования, направленные на обеспечение ядерной безопасности ПКС

В соответствии с п.1.2.2 НП-033-01 «ИЯУ удовлетворяет требованиям безопасности, если ее радиационное воздействие на работников (персонал), население и окружающую среду при нормальной эксплуатации, нарушениях нормальной эксплуатации, включая проектные аварии, не приводит к превышению установленных доз облучения работников (персонала) и населении, нормативов по выбросам (сбросам) и содержанию РВ в окружающей среде, а также ограничивается при запроектных авариях». Это требование можно рассматривать как основной критерий безопасности для ИЯУ.

Наиболее ответственной частью подкритической установки с точки зрения ядерной безопасности является подкритическая сборка, содержащая ядерное топливо. Требования к конструкции ПКС изложены в р.2.2.1 НП-059-05. В Табл. 2.2-1 приведена оценка соответствия проектируемой установки этим требованиям.

 

 

 

Табл. 2.2-1 Оценка соответствия проектируемой установки требованиям НП-059-05

№ п/п	Содержание пункта	Оценка соответствия
	2.2.1.1. Конструкция подкритической  сборки должна исключать: 1) не предусмотренные проектом изменения объема и конфигурации активной зоны и (или) отражателя, приводящие к увеличению Кэфф;	Незапланированное изменение геометрии  исключено конструкцией установки (отсутствуют подвижные компоненты активной зоны и отражателя, которые могут самопроизвольно перемещаться).
	2) возможность несанкционированного  перемещения ее узлов и деталей;
	3) вывод ее в критическое состояние  из-за уменьшения утечки нейтронов  из активной зоны при приближении  к ней технологического оборудования или персонала;	Конструкция подкритической сборки исключает  повышение Кэфф более 0.98, т.к. толщины отражателей нейтронов выбраны из этого условия
	4) несанкционированный взвод (выброс) РО СУЗ и экспериментальных  устройств;	В проектируемой установке РО СУЗ отсутствуют.
	5) заклинивание и непреднамеренное  расцепление РО СУЗ с исполнительными  механизмами РО СУЗ.
	2.2.1.2. В проекте ПКС должен  быть проведен анализ реакции  конструкции подкритической сборки  на возможные внутренние и  внешние воздействия природного или техногенного происхождения, возможные отказы или неисправности с целью выявления возможных нарушений пределов и (или) условий безопасной эксплуатации, при этом должны быть определены наиболее вероятные и опасные отказы и их возможные последствия.	См.р.1.3, 1.4
	2.2.1.3. В составе подкритической  сборки должен быть предусмотрен  внешний (пусковой) источник нейтронов,  интенсивность которого должна  быть выбрана таким образом,  чтобы введение этого источника  в подкритическую сборку сопровождалось  увеличением показаний приборов каналов контроля плотности потока нейтронов не менее чем в 2 раза.	При загрузке топлива контроль Кэфф будет осуществляться с использованием источника нейтронов, основанном на радиоактивности, в рабочем режиме – с использованием ускорителя электронов.
	2.2.1.4. В проекте ПКС для тепловыделяющих  элементов (тепловыделяющих сборок) различного обогащения, тепловыделяющих  элементов (тепловыделяющих сборок), отличающихся нуклидным составом, поглотителей нейтронов должна  быть предусмотрена соответствующая маркировка (отличительные знаки)	Топливо, используемое в проектируемой установке, имеет соответствующую маркировку. Будет использоваться топливо одного обогащения.
	2.2.1.5. Должна быть проанализирована  возможность затопления помещения подкритической сборки водой. Если затопление помещения не исключено и ведет к увеличению Кэфф подкритической сборки, то помещение должно быть оборудовано сигнализатором появления воды и устройством для ее автоматического удаления в случае срабатывания сигнализатора появления воды.	Затопление помещения ПКС не приведет к увеличению Кэфф, т.к. активная зона ПКС расположена в бассейне высотой 2,5 м и окружена биологической защитой.

 

1. Перечень исходных событий

Ниже рассмотрены возможные  исходные события (ИС) для анализа проектных аварийных ситуаций. ИС выбраны на основе «Перечня исходных событий для расчетного анализа проектных аварий на ИЯУ» (Приложение 4 к «Требованиям к содержанию отчета по обоснованию безопасности исследовательских ядерных установок» НП-049-03) с учетом специфики проектируемой установки.

Все ИС можно объединить по их общим  признакам в следующие группы:

1. Исходные события, приводящие к введению избыточной реактивности

Введение избыточной реактивности может произойти в по следующим  причинам:

• Неисправности, отказы и выход из строя технологических систем и экспериментальных устройств, а также ошибки персонала.
• Незапланированное изменение геометрии или состояния компонент активной зоны и отражателя, приводящие к увеличению реактивности.

Такие ситуации могут возникнуть на исследовательских реакторах, где используются средства воздействия на реактивность (раствор поглотителя нейтронов, механические ОР)

• Ошибки персонала при загрузке ядерного топлива (установка топлива в непроектную позицию, загрузка топлива более высокого обогащения).

 

2. Исходные события, приводящие к нарушению теплоотвода 

Нарушение либо полное прекращение  теплоотвода от подкритической установки  может произойти по следующим  причинам:

• Блокировка зазоров для прохода теплоносителя через мишень или ТВС.
• Отключение или отказ циркуляционных насосов контура охлаждения.
• Отказы регулирующей или запорной арматуры (клапана, задвижки, вентиля) контура охлаждения.
• Попадание в систему теплоносителя веществ, ухудшающих теплоотдачу с поверхности твэлов.
• Ухудшение теплоотдачи с поверхности теплообменников.

Все эти причины приводят в ухудшению  теплоотвода от оборудования подкритической установки (мишень, подкритическая сборка) и его возможному перегреву.

• Увеличение тепловыделения в мишени.

Такая ситуация может возникнуть в случае несанкционированного увеличения мощности пучка электронов, подаваемого на мишень от ускорителя.

• Разрывы и течи в трубопроводах, коллекторах, баках, теплообменниках и т.п. контура охлаждения.
• Разрыв или течь водяного бака подкритической сборки.

Эти события приводят к потере теплоносителя, в результате чего ухудшается либо совсем прекращается охлаждение оборудования установки, что приводит к его  перегреву и возможному разрушению.

 

3. Исходные события при работе с ядерным топливом

Такие нарушения связаны с выполнением транспортно-технологических операций с топливом/мишенью либо с перемещением грузов в пределах зала, где размещена установка, и включают:

• Падение свежей ТВС при загрузке в активную зону.
• Падение отработавшей ТВС при перегрузке ПКС.
• Падение мишени в активную зону при ее установке/замене.
• Падение тяжелых предметов в активную зону при их перемещении в зале.
• Отказы транспортно-технологического оборудования при перегрузке.

 

4. Природные явления и события техногенного происхождения

В этой группе рассматриваются внешние по отношению к установке явления и события, которые могут приводить к отказам по общей причине. К ним относятся:

• Проектное землетрясение.
• Пожар.
• Воздушная ударная волна, вызванная взрывом.
• Природные явления (наводнение, ураган, смерч, другие явления).
• Падение самолета.
• Полное или частичное прекращение внешнего электроснабжения.

 

5. Исходные события для хранилища ядерного топлива

Примерный перечень исходных событий  для хранилищ ядерного топлива приведен в пункте 4.2 [3]. Он включает:

• Сейсмические и другие природные явления, свойственные данному району (наводнения, ураганы и др.). При анализе сейсмических явлений необходимо рассматривать МРЗ.
• Навигационные аварии, опрокидывание, крен, дифферент для плавучих хранилищ ЯТ
• Полное прекращение энергоснабжения.
• Падение самолета для АС теплоснабжения (по специальным требованиям заказчика и для любых объектов атомной энергетики).
• Воздушная ударная волна, обусловленная взрывом, возможным на данном и/или соседнем предприятии, проходящем транспорте и т.п.
• Пожар.
• Падение предметов, которые могут изменить расположение ТВС и нарушить целостность ТВС и оболочек твэлов.
• Падение отдельных ТВС, пеналов, чехлов с ТВС, упаковок при транспортно-технологических операциях.
• Ошибки персонала.
• Затопление хранилищ водой (за исключением хранилища класса 1).
• Течь из бассейна выдержки или разрыв трубопроводов, приводящие к снижению уровня воды.
• Летящие предметы, образующиеся в результате аварий (например, в результате разрушения систем, работающих под давлением).
• Образование взрывоопасных смесей в хранилище отработавшего топлива.
• Аварии на реакторе, влияющие на безопасность комплекса систем хранения и обращения с ЯТ.
• Аварии в системах, не связанных с хранением или обращением с топливом, приводящие к повреждению оборудования для хранения и транспортировки ЯТ.
• Зависание отработавшего топлива в центральном зале или зале бассейна выдержки или других помещениях при перегрузках.
• Отказы оборудования комплекса систем хранения и обращения с ЯТ.
• Уменьшение концентрации гомогенных поглотителей нейтронов в воде бассейна выдержки.
• Нарушение крепления упаковок во время транспортировки ЯТ.

Этот перечень может быть сокращен с учетом конкретного оборудования системы хранения и обращения  с ЯТ.

2. Оценка безопасности исходных событий

При рассмотрении ИС, включенных в  примерный перечень для оценки безопасности, учитывались следующие характеристики и особенности конструкции проектируемой установки:

1. Максимальный К_эфф не превышает значения 0.98, поэтому в ее конструкции отсутствуют ОР СУЗ и др. средства воздействия на реактивность.
2. Установка эксплуатируется при низких параметрах теплоносителя – Р_тн=1 - 4 кгс/см², Т_вх=20ºC - 30ºС.
3. Максимальная температура топлива не превышает 250ºС, оболочки твэл - 80ºС.
4. Установка имеет раздельные системы охлаждения мишени и подкритической сборки.
5. Экспериментальные каналы расположены вне пределов активной зоны.
6. Конструкция установки позволяет осуществлять перегрузку топлива и установку/выемку мишени и образцов без снятия крышки над активной зоной.
7. Активная зона расположена в водяном баке, который имеет достаточный объем для отвода тепла при потере принудительной циркуляции теплоносителя.
8. Детали и узлы установки, работающие в условиях облучения, изготавливаются из радиационно-стойких материалов.

В Табл. 2.4-1 приведен примерный перечень исходных событий и дана качественная оценка безопасности.

 

 

 

Табл. 2.4-1 Примерный перечень исходных событий для проектируемой подкритической установки

Исходное событие	Качественная оценка безопасности
Введение избыточной реактивности
Введение положительной реактивности технологическими системами или экспериментальными устройствами вследствие неисправностей, отказов и выхода их из строя, а также ошибок персонала.	В проектируемой установке отсутствуют  системы и устройства воздействия  на реактивность, отказы которых могут  привести к введению положительной  реактивности. Ошибки персонала могут  привести к введению положительной  реактивности только при перегрузке топлива (см.п.1.3)
Незапланированное изменение геометрии или состояния компонент активной зоны и отражателя, приводящее к увеличению реактивности.	Незапланированное изменение геометрии  исключено конструкцией установки (отсутствуют подвижные компоненты активной зоны и отражателя, которые могут перемещаться самопроизвольно).
Ошибки персонала при загрузке ядерного топлива.	Ошибки исключаются выполнением  организационно-технических мероприятий (пошаговое выполнение операций при  загрузке с контролем Кэфф, наличие соответствующей маркировки топлива)
Нарушение теплоотвода
Блокировка зазоров для прохода теплоносителя через мишень или ТВС.	Емкость бака, в котором расположена  активная зона, обеспечивает отвод  тепла от топлива при отсутствии принудительной циркуляции теплоносителя. В случае блокировки каналов охлаждения мишени предварительные оценки показали, что даже при 75% блокировке энергонапряженного канала максимальная температура воды и диска мишени составляют 32ºС и 120ºС соответственно. Кроме того предусматривается отключение ускорителя за время 1 мс.
Отключение или отказ циркуляционных насосов контура охлаждения.	Насосы имеют резервирование на случай отказа. В случае отказа всех насосов отвод тепла от топлива  обеспечивается запасом воды в баке. Целостность мишени при отказе всех насосов обеспечивается срабатыванием аварийной защиты и отключением ускорителя за время 1 мс.
Отказы регулирующей или запорной арматуры (клапана, задвижки, вентиля) контура охлаждения.	Запорная и регулирующая арматура имеет резервирование на случай отказа. В случае отказа всей арматуры – см.п.2.2.
Попадание в систему теплоносителя веществ, ухудшающих теплоотдачу с поверхности твэлов.	В системе теплоносителя используется обессоленная вода, установлены фильтры грубой и тонкой очистки.
Ухудшение теплоотдачи с поверхности теплообменников.	Теплообменники имеют резервирование, кроме того поверхность теплообмена  выбирается с запасом на ухудшение  рабочих характеристик при эксплуатации .
Разрывы и течи в трубопроводах, коллекторах, баках, теплообменниках и т.п. контура охлаждения.	При отказах рабочей нитки системы  охлаждения подключается резервная  нитка. Даже в случае отказа резервной  нитки повреждение топлива вследствие незначительного тепловыделения в  нем не происходит. Отвод тепла от топлива в активной зоне происходит за счет нагрева воды в баке, где оно расположено.
Разрыв или течь водяного бака подкритической сборки.	Отвод тепла от топлива происходит за счет его рассеивания в конструкциях активной зоны, поскольку остаточное тепловыделение в топливе незначительно.
Увеличение тепловыделения в мишени при увеличении мощности пучка электронов.	Теплогидравлические исследования проведены  на предельных параметрах ускорителя. При увеличении мощности пучка производится отключение ускорителя действием аварийной защиты. Система охлаждения мишени обеспечивает достаточный запас до достижения температуры плавления мишени при кратковременном увеличении тепловыделения до момента срабатывания аварийной защиты.
Нарушения при работе с ядерным топливом
Падение свежей ТВС при загрузке в активную зону.	Конструкция перегрузочного устройства позволяет вести перегрузку топлива, не снимая крышку установки. Учитывая небольшой вес ТВС и возможную  высоту падения в пределах активной зоны , это ИС не приведет к значительному повреждению активной зоны и нарушению ядерной и радиационной безопасности.
Падение отработавшей ТВС при перегрузке ПКС.	См. п.3.1
Падение мишени в активную зону при ее установке/замене.	Замена мишени производится при установленной крышке активной зоны, см.п.3.1.
Падение тяжелых предметов в активную зону при их перемещении в зале.	Активная зона закрыта массивной  крышкой, кроме того, предметы, перемещаемые в зале во время эксплуатации установки (исследуемые образцы, научное оборудование и др.), транспортируются по земле либо краном по специально разработанным маршрутам, исключающим их транспортировку над активной зоной.
Отказы транспортно-технологического оборудования при перегрузке.	Отказы оборудования не приводят к нарушению ядерной и радиационной безопасности, т.к. перегрузка производится при закрытой крышке активной зоны и выхода активности не происходит.
Природные явления и события техногенного происхождения
Проектное землетрясение.	Здания, сооружения и оборудование установки проектируются с учетом сейсмичности площадки.
Пожар.	В зале ПКС отсутствуют трубопроводы и емкости с горючими материалами, повреждение управляющих систем при пожаре приводит к отключению ускорителя, активная зона заключена в бетонную биологическую защиту.
Воздушная ударная волна, вызванная взрывом.	В районе размещения ПКС отсутствуют  условия для создания взрывной волны, которая может привести к разрушению установки.
Природные явления (наводнение, ураган, смерч, другие явления).	Здания, сооружения и оборудование установки проектируются с учетом метеоусловий и возможных природных явлений, характерных для площадки размещения.
Падение самолета.	Активная зона ПКС имеет небольшие  размеры и незначительное количество ядерного материала, вероятность такого ИС очень незначительна.
Полное или частичное прекращение внешнего электроснабжения.	Прекращение электроснабжения приводит к отключению ускорителя, при этом теплоотвод от топлива обеспечивается (см. п.2.1 – 2.8).
Исходные события проектных аварий для хранилища ядерного топлива
Сейсмические и другие природные явления, свойственные данному району (наводнения, ураганы и др.)	См. анализ по п.4.
Полное прекращение энергоснабжения.
Падение самолета
Воздушная ударная волна, обусловленная взрывом, возможным на данном и/или соседнем предприятии, проходящем транспорте и т.п.
Пожар.
Падение предметов, которые могут изменить расположение ТВС и нарушить целостность ТВС и оболочек твэлов.	Хранилище топлива закрыто крышкой, что предотвращает падение предметов на ТВС и их повреждение.
Ошибки персонала.	См.п.1.3
Затопление хранилищ водой.	Хранилище отработавшего топлива  - бассейнового типа с уровнем воды, исключающим увеличение Кэфф.
Течь из бассейна выдержки или разрыв трубопроводов, приводящие к снижению уровня воды.	Конструкция хранилища исключает  возможность снижения уровня в нем.
Летящие предметы, образующиеся в результате аварий (например, в результате разрушения систем, работающих под давлением).	В районе размещения хранилища ядерного топлива отсутствуют системы, работающие под высоким давлением, либо вращающиеся механизмы, в результате разрушения которых могут образоваться летящие предметы, обладающие значительной кинетической энергией.
Образование взрывоопасных смесей в хранилище отработавшего топлива.	В хранилище ядерного топлива отсутствуют  условия для образования взрывоопасных  смесей.
Отказы оборудования комплекса систем хранения и обращения с ЯТ.	См.п.3.5
Нарушение крепления упаковок во время транспортировки ЯТ.	При транспортировке ЯТ будет использоваться стандартное оборудование, отвечающее требованиям по ядерной и радиационной безопасности для транспортных упаковок.

 

 

 

4. Характеристика района размещения и площадки ИЯУ

Источник нейтронов, основанный на подкритической сборке, управляемой линейным ускорителем электронов, будет сооружен на территории производственной площадки ННЦ ХФТИ, которая находится в лесопарковой зоне на северной окраине города Харькова (микрорайон Пятихатки).

Нейтронный источник – это гибридная  установка, состоящая из сильноточного ускорителя электронов и подкритической сборки, то есть систем, которые существенно различаются по своим функциям, конструкции и особенностям эксплуатации. Большое значение придается непосредственному расположению комплекса оборудования "Источник" и алгоритму взаимного функционирования его частей. Для снижения стоимости строительных работ принято решение разместить управляющий ускоритель в существующем здании ННЦ ХФТИ, сооруженном в 60-е годы XX века для харьковского линейного ускорителя электронов с энергией 2 ГэВ (ЛУЭ-2000). Ускорительные секции будут установлены в существующем бункере ускорителя ЛУЭ-2000, а существующая инфраструктура здания будет использоваться для размещения и обслуживания систем ускорителя.

Подкритическую сборку с ее функциональными системами, экспериментальным залом для нейтронно-физических исследований и соответствующей инфраструктурой предлагается разместить в отдельном здании, которое примыкает к зданию ускорителя. Это должно упростить транспортировку пучка ускоренных электронов на нейтронообразующую мишень, размещенную в центре сборки. Выбрана незастроенная площадка, отвечающая этим требованиям. На Рис. 2.4-1 приведена выкопировка из генерального плана промплощадки ННЦ ХФТИ, включаюшая в себя планировку здания №2 (где находится ускоритель ЛУЭ-2000) и прочих вспомогательных зданий, в которых размещено оборудование, обеспечивающее функционирование ускорителя и проведение физических экспериментов на нем. На плане нанесены предполагаемые пристройки к зданию №2 для источника нейтронов.

Предполагается, что здания источника  нейтронов и экспресс-лаборатории будут подключены к инженерным коммуникациям водоснабжения, водоотведения, электроснабжения, связи, теплоснабжения, оборотного водоснабжения, вентиляции и, при необходимости, к системе спецканализации (ближайшая действующая система спецканализации расположена на расстоянии около 800 м от предполагаемого места застройки).

На предполагаемом участке застройки  отсутствуют подземные и надземные  коммуникации.

В то же время такие коммуникации, за исключением спецканализации, проходят в непосредственной близости от предполагаемого  к строительству здания, что в  значительной мере упрощает все вопросы, связанные с подключением к действующим  коммуникациям и удешевляет необходимые затраты.