Исследование разрушения космических ЯЭУ в аварийных ситуациях и обоснование систем и средств обеспечения безопасности
, ,
Открытое акционерное общество «Красная Звезда», Москва, Россия
Ядерная энергия в космосе
Современный взгляд на обеспечение энергией космических аппаратов, предназначенных для решения задач освоения ближнего космоса, исследования дальних планет Солнечной системы, энергоснабжения напланетных автоматических и обитаемых станций, предполагает использование ядерных источников энергии (ЯИЭ) в том числе и реакторных ядерных энергетических установок (ЯЭУ). Использование космических ЯЭУ имеет ряд неоспоримых технических преимуществ по сравнению с другими типами источников энергии космических аппаратов (КА).
К таким преимуществам относятся: возможность обеспечения больших, вплоть до десятков мегаватт, мощностей в агрегатах сравнительно небольших габаритов, независимость, в отличие от энергоустановок на солнечных батареях, от положения на орбите и расстояния от Солнца.
Однако применение ядерных источников энергии (ЯИЭ), включая реакторные ядерные энергоустановки (ЯЭУ) в качестве бортовых источников электропитания космических аппаратов (КА) требует обеспечения ядерной и радиационной безопасности для населения и окружающей среды за счет технических средств и конструкции ЯЭУ. Требуется также оценивать состояние ядерного реактора и его радиоактивных материалов после аварий, связанных с ударным воздействием на конструкцию.
Безопасность космических ЯИЭ.
Национальные и международные нормы и правила.
Безопасность применения космических ЯИЭ определяется международными соглашениями, национальными законами, нормами и правилами.
Международные договоры, соглашения и конвенции и федеральные законы РФ устанавливают правовые аспекты использования ЯИЭ в космическом пространстве.
Принципы, касающиеся использования ЯИЭ в космическом пространстве, одобрены ООН в декабре 1992 года. В них оговариваются критерии безопасного использования, публикации по оценке безопасности до запуска КА с ЯИЭ, уведомление о возвращении, консультации, помощь государствам.
Федеральный закон об использовании атомной энергии (статья 43) имеет прямое отношение к космическим ЯИЭ и не ограничивает их использование при обеспечении безопасности.
Аварийные ситуации с ЯЭУ
Наиболее опасные аварийные ситуации (АС) с космическими ЯЭУ сводятся, главным образом, к ударным воздействиям на конструкцию ядерного реактора с последующим частичным или катастрофическим разрушением его конструкции.
Взрыв ракеты носителя (РН) на старте приводит к "обстрелу" обломками конструкции "холодного" не наработавшего радиоактивность реактора.
Следствием отказа двигателей первой ступени РН становится падение "холодного" реактора в составе ЯЭУ и КА на поверхность Земли.
Отказы двигателей верхних ступеней и разгонных блоков приводят к падению на поверхность Земли частично обгоревшего реактора без наработанной активности. Но в обоих случаях имеет место ударное сжатие ядерного топлива активной зоны (АЗ), что теоретически, при реализации особых условий, может способствовать возникновению цепной реакции деления.
Следующие сценарии аварийных ситуаций с ЯЭУ связаны с проблемой космического мусора (КМ), ставшей весьма актуальной с конца 80 годов прошлого века.
Столкновения с КМ могут вызывать локальные повреждения реактора, пробой контура теплоносителя, катастрофическое разрушение конструкции, досрочный спуск и падение на Землю реактора с радиационно-безопасной орбиты, повреждения системы управления КА или ЯЭУ и связанные с этим последствия для ядерной и радиационной безопасности.
Локальные и катастрофические разрушения реактора могут привести к появлению радиоактивных частиц в околоземном пространстве или выпадению таких частиц на поверхность Земли.
Пробой основного контура теплоносителя однозначно выводит из строя ЯЭУ, а в случае ЯЭУ мегаваттного класса с газовым теплоносителем пробой вызовет появление постороннего вектора тяги, что может привести к неуправляемому полету КА с ЯЭУ.
Методы и средства обеспечения безопасности космических ЯЭУ
Для снижения риска возврата на Землю радиоактивных материалов, включение реакторных ЯЭУ должно осуществляться только после достижения рабочей, радиационно-безопасной орбиты.
В случае эксплуатации КА с ЯЭУ на сравнительно низких орбитах и возникновения аварийной ситуации с возможным риском входа в плотные слои атмосферы можно использовать следующие методы:
– увод на высокую орбиту со временем существования, достаточным для высвечивания накопленной активности;
– сохранение целостности элементов ЯИЭ, содержащих радиоактивность, для изотопных источников – это ампула с изотопом, а для реакторных ЯЭУ – активная зона или реактор;
Например, для 29 выведенных из эксплуатации ЯЭУ «Бук», которые находятся на орбитах 900 – 1000 км и одной ЯЭУ КА "Космос 1900" (на орбите 700 – 750 км), применялась двигательная установка увода, которая либо в конце ресурса, либо при возникновении АС обеспечивала увод ЯИЭ на орбиту высотой 800 – 1000 км.
Орбита высотой 800 км считается радиационно-безопасной и обеспечивает время существования ЯЭУ порядка 300 лет, что достаточного для распада радиоактивных материалов АЗ. Увод производился после гашения реактора с помощью органов регулирования. В качестве дублирующей системы радиационной безопасности применялась система аэродинамического диспергирования сборки твэлов. Отделение сборки производилось и на орбите захоронения, что в 2 раза увеличивает время существования конструкции, содержащей радиоактивность. При этом за счет сравнительно малого размера сборки, снижается вероятность ее поражения КМ.
В ЯЭУ второго поколения большой мощности ядерная безопасность на всех этапах жизненного цикла и при наступлении АС обеспечивается за счет эксплуатации на радиационно-безопасных орбитах и применения системы стержней безопасности (СБ). Конструкция СБ обеспечивает подкритичность реактора при любых сценариях АС.
Моделирование ударного разрушения космических ЯЭУ и прогнозирование радиационных последствий
В методах и средствах обеспечения безопасности ЯЭУ значительное место занимают методики прогнозирования последствий АС, связанных с ударными воздействиями на конструкцию реактора.
Теоретические исследования и моделирование удара по конструкции ЯЭУ проводятся Звезда» при методическом обеспечении Институтом теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН (ИТПМ СО РАН). Целью этих исследований является создание программных средств расчета процесса частичного и катастрофического разрушения конструкции ЯЭУ и реактора.
Созданные методики расчета позволили оценить конечное состояние материалов реактора, ядерного топлива и систем безопасности, при наступлении рассмотренных в данной работе АС.
В результате численных экспериментов, проведенных в ИТПМ СО РАН на геометрических моделях, разработанных в Звезда» получено, что в результате аварий, связанных с падением на поверхность Земли обгоревших при спуске в атмосфере реакторов ЯЭУ и первого, и второго поколений реализуется подкритичное состояние АЗ. Подкритичное состояние обеспечивается за счет разрушения отражателя нейтронов и за счет остающихся в разрушенной массе топлива поглощающих материалов СБ.
Результаты расчетов катастрофических последствий высокоскоростного удара КМ по находящимся на радиационно-безопасных орбитах ЯЭУ "Бук" и "Тополь" показали, что количество и размеры радиоактивных осколков, выпадение которых на поверхность Земли возможно, не вызывает серьезных последствий для природы и населения, при крайне малой вероятности такого события.
Направления дальнейших исследований и разработок
К настоящему времени созданы методики расчета ударного воздействия на конструкцию ЯЭУ в одномерной и двумерной постановке, что позволяет рассчитывать последствия ударов по нормали к объекту. Другие варианты взаимодействия: удар под углом, локальные повреждения с отрывом или разрушением части конструкции, требуют создания трехмерных методик расчета и соответствующих им моделей конструкции. Эта работа Звезда» и ИТПМ СО РАН начата в 2010 году и проводится в настоящее время.
