CC BY
29
УДК 621.039
ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТЬ ОБЪЕКТА "УКРЫТИЕ" С. И. Азаров, Р. Р. Перимов
Институт ядерных исследований НАН Украины
Представлены результаты исследования процессов возникновения пожаров и взрывов на объекте "Укрытие". Приведены данные по оценке и прогнозированию пожароопасного состояния объекта.
Введение
В объект (под названием "объект "Укрытие") разрушенного реактора № 4 Чернобыльской АЭС (ЧАЭС) входит совокупность сооружений, состоящих из поврежденного запроектной аварией 4-го энергоблока ЧАЭС и вновь возведенных защитных конструкций и ограждений, которые закрывают выброшенные из активной зоны реактора открытые источники радиоактивности суммарной активностью свыше 20 МКи (1,3 МКи — 137С8, 0,7 МКи -90Бг и 0,03 МКи — трансурановые элементы), изоляция которых в силу ряда причин не может быть надежной и долговечной [1-6].
По своему назначению и выполняемым функциям объект "Укрытие" (далее — объект) является уникальным сооружением и не имеет аналогов в мировой практике. Объект не может быть отнесен ни к одному из известных объектов в атомной промышленности, так как не соответствует международным требованиям по ядерной, радиационной и общетехнической безопасности.
Объект "Укрытие" является совокупностью сложных технических сооружений, локализующих значительное количество делящихся радиоактивных, горючих материалов и взрывоопасных веществ, высвобожденных в результате аварии на 4-м блоке ЧАЭС в 1986 г. Объект может рассматриваться как система, содержащая источники ядерной, радиационной и общетехнической опасности и имеющая один защитный барьер — внешнее укрытие (оболочку) без внутренних противопожарных преград, пожарных разрывов и огнепреграждающих барьеров.
Экспертная оценка объекта по пожарной опасности, проведенная на основе наиболее консервативного подхода, показала [2, 3]:
• значительную пожарную нагрузку (около 2 тыс. т горючих материалов);
• снижение ряда барьеров опасности и уровня пассивной пожарной защиты ограждающих конструкций, не способных локализовать по-
жар, их неопределенный предел огнестойкости и срок службы; • имеющиеся случаи возгорания в помещениях объекта.
Таким образом, можно констатировать, что объект представляет собой разрушенный запроектной аварией 4-й блок ЧАЭС; в нем существует вероятность возникновения и развития пожара, который может явиться причиной разрушения физических барьеров, нарушения герметичности и выхода радиоактивных продуктов сгорания за его пределы [4-12].
Целью данной работы является сбор, анализ и экспертная оценка информации о взрыво- и пожарно-техническом состоянии помещений объекта "Укрытие".
Анализ состояния пожарной опасности объекта "Укрытие"
За период 1986-2002 гг. на объекте произошло семь пожаров и возгораний, которые были вызваны в основном нарушениями правил пожарной безопасности при проведении огневых работ [5]. Наиболее опасными из них были пожары в помещениях 402/3; 403/3-4 и 805/3, которые рассмотрим более подробно [6-9].
Пожар в помещениях объекта характеризуется определенными событиями, путями протекания и последствиями. Наличие на объекте значительного количества горючих материалов, хранящихся неорганизованно в не изолированных в пожарном отношении условиях (при отсутствии герметичных огнепреграждающих барьеров и пожарных разрывов), а также неопределенность в пределах огнестойкости строительных конструкций при воздействии внутренних и внешних исходных событий может привести к возгоранию. Наличие оставшейся после аварии разветвленной системы приточно-вытяжной вентиляции лифтовых шахт и лестничных клеток, а также кабельных шахт, туннелей и каналов способствует быстрому распространению огня по помещениям и развитию пожара.
Пожар в помещении 402/3 (двигателей главных циркуляционных насосов) начался в 1 ч 40 мин. Размеры помещения 13x54x19 м, средняя пожарная нагрузка более 600 МДж/м2. Поверхностное загрязнение горючих материалов в зоне пожара для а-излучающих радионуклидов от 100 до 300 част./(см2 • мин). Горели изоляция кабеля силовых сборок из поливинилхлорида, полимерное покрытие полов из пластиката П-57-40, машинное масло Т-22 и лакокрасочное покрытие стен. Огонь распространялся в сторону помещения 403/3-4 (шахты опускных трубопроводов) по направлению к 3-му энергоблоку ЧАЭС [10, 11].
Возгорание в помещении 805/3 воздуховодов вытяжной вентиляции (объемом 2880 м3, со средней пожарной нагрузкой более 400 МДж/м2) произошло в результате воздействия тепла от электролампы внешнего освещения на масляное пятно на досках. Полностью сгорели шпальные выкладки объемом 1 м3, кабели типа ЗХПВ-10 длиной 20 м с изоляцией из ПВХ (общая масса горючей изоляции ~3500 кг). Средняя скорость распространения пламени по поверхности кабеля составляла 0,5 м/мин, а максимальная температура в зоне пожара превышала 1073 К [12-14].
Удельный вес горючих материалов в общей пожарной нагрузке был следующий: 36% — древесина, 42% — полимерные материалы (пластикат ПВХ), 15% — изоляция кабелей, а остальное — строительный мусор.
На тушение пожаров было направлено девять отделений общей численностью 282 чел., из которых 47 сотрудников получили дозу внешнего облучения более 20 бэр. Работы по локализации и ликвидации пожаров продолжались в течение 7 ч.
В качестве пожарной нагрузки в помещениях объекта могут быть [7-9]:
• изоляция сохранившихся после аварии кабелей систем контроля, управления и обеспечения безопасности бывшего 4-го блока, кабельные потоки вновь проложенных систем обеспечения научно-исследовательских и строительно-монтажных работ на объекте;
• 170 т графитовых блоков и их обломков;
• около 14000 т твердых материалов, сброшенных с вертолетов (1500 т свинцовой дроби, 5220 т свинцовых чушек, 3532 т мраморной крошки, 1167т доломита, 42 т карбида бора, 489 т каучука, 1890 т цеолита), и 140 т полимеризирующихся жидкостей;
• десятки тонн пирофорной топливной пыли (так называемые "горячие частицы") и графитовой пыли с характерными размерами частиц от долей до сотен микрометров;
• лакокрасочные материалы стен, монтажных пространств, защитных кожухов оборудования и емкостей технологического оборудования;
• сотни тонн горючего строительного мусора (парашютные купола и стропы, комбинезоны, мешки и ветошь, картонные и деревянные ящики и др.);
• десятки тонн горючего "сухого" остатка органических компонентов пылеподавляющих составов на основе водного раствора поливинилового спирта (ПС-32, ВЛ-85-03), водной дисперсии бутадиенстирольного латекса (СКС-65гп) и со-полимерной акрилатной дисперсии.
С другой стороны, пожарную нагрузку на объекте можно классифицировать следующим образом: первичные и вторичные горючие материалы. Первичные были рассмотрены выше. Ко вторичным горючим материалам относятся газообразные продукты радиолиза воды, полимерных материалов, а также взвешенная и осевшая пыль (около 30 т радиоактивной пыли).
Если с анализом пожарно-технических характеристик первичных горючих материалов не возникает проблем, то со вторичными много неясностей.
Мало известен механизм и скорость образования газообразных смесей и пылевых частиц, а также параметры, влияющие на их горючесть и взры-ваемость.
В связи с тем, что внешняя защитная оболочка объекта негерметична, внутрь него постоянно поступает вода извне. Оценка верхней границы среднегодового поступления воды в помещения объекта из атмосферы с дождем и снегом такова: на поверхности бывшего центрального зала находится около 3000 м3 воды, в деаэраторной этажерке — 1800 м3 и в машинном зале — 6000 м3. Из воды, взаимодействующей с топливосодержащими материалами (ТСМ), может выделяться радиолитический водород. Вероятность этого процесса зависит, с одной стороны, от дисперсности ТСМ, находящихся в различных структурных и композиционных формах, степени влагонасыщенности и мощности дозы излучения, а с другой — от наличия на объекте остатков реакторного графита, изоляции кабеля, пластиката, строительного мусора и других материалов, которые под воздействием радиации могут образовывать взрывоопасные газы.
Анализ пожаровзрывоопасности веществ и материалов, находящихся в помещениях объекта "Укрытие", проводился в последовательности, указанной на схеме (рисунок).
Было рассмотрено три варианта образования радиолитического водорода при взаимодействии ТСМ с водой [15]:
• ядерное топливо залито водой;
• топливная пыль находится под водой;
• в поровом пространстве ТСМ находится вода, массовая доля которой известна.
Схема анализа пожаровзрывоопасных веществ и материалов в помещениях объекта "Укрытие"
Скорость выхода радиолитического водорода определялась по формуле [16]:
¿(И 2)
^И2 =-
Л
- О И, 0и • 100КА,
(1)
где ОИ
2
рода;
0и -
Здесь
радиационно-химический выход водо-
удельная мощность источника излучения;
число Авогадро.
где Чи
0-и 1иЕ0 хи02Ри02 ,
I
удельная активность 1-го изотопа;
(2)
Е0 — средняя энергия распада;
объемное содержание ядерного топлива; плотность ядерного топлива.
и02
Р и02
Расчеты по формулам (1, 2) показывают, что суммарный выход радиолитического водорода не превышает 1,4 • 10-4 м3/ч с площади поверхности воды 1 м2 над слежавшейся топливной пылью и 5,5 • 10-4 м3/ч над слоем ядерного топлива. Для воды, содержащейся в порах и трещинах ТСМ массой 1 т, скорость образования водорода не превышает 0,98 • 10-3м3/ч.
В помещениях объекта "Укрытие" также находится около 2000 т органических полимерных материалов (полиэтилен, поливиниловый спирт, поли-винилхлорид и др.), в которых при радиационном облучении происходят процессы образования молекул с небольшой массой. Эти продукты различаются по массе, стабильности и реакционной способности. В зависимости от этих параметров они в виде газа или пара будут выделяться из полимерных материалов, претерпевать дальнейшие превра-
щения или реагировать с другими молекулами. Среди выделяющихся продуктов радиолиза полимерных материалов могут оказаться взрывоопасные газы и токсичные вещества, представляющие опасность загорания или взрыва [14-17].
Скорость радиационного выделения летучих продуктов при радиолизе полимеров определялась следующим образом [17]:
¿[Ж ] ¿г
¿[Я] ¿г
- Ож1 г - К [Ж][Я ] = К [Я][Ж ]
(3)
где Ж — количество выделившихся летучих продуктов;
ОЖ — радиационно-химический выход газов;
— суммарная мощность поглощенной дозы в полимере; Я — радикал;
К [Я ] — константа скорости реакции. Результаты расчетов показали, что скорость образования взрывоопасных газов в результате радиолиза полимерных материалов под действием излучения не превышает 2 м3 в год и для обеспечения в помещении объемом 100 м3 концентрации водорода ниже 0,4% об. достаточна кратность обмена газовой фазы 10-3 ч-1.
Для возникновения аварийного взрыва внутри помещений объекта необходимо наличие трех компонентов [3-5]:
• источника воспламенения;
• концентрации взрывоопасного газа в атомарном состоянии от 1 до 10%;
• концентрации кислорода в пропорции, превышающей 11% об. взрывоопасной смеси. Основными причинами воспламенения взрывоопасной смеси в помещениях объекта могут быть [6]:
• нарушение правил пожаробезопасности при выполнении работ;
• самовоспламенение газов, абсорбированных в ТСМ;
• разряд статического электричества. Изменение концентрации взрывоопасных газов
в замкнутом помещении описывается уравнением [12,13]:
¿С( 0 1
—- - Са (г) - Свн (г), М х
(4)
где х — время газообмена в помещении;
С (г) — концентрация взрывоопасных газов в момент времени г;
Са(г ) — концентрация взрывоопасной смеси в зоне аэрации в момент времени г; Сен (г) — концентрация взрывоопасной смеси в помещении в момент времени г.
Решая уравнение (4) при начальных условиях CeH (t) = 0, Ca(t) = Ca = const, при t ^ да, получим:
Cfl (t) = C№ (t)
1 - exp | - -
(5)
Если концентрация взрывоопасной смеси в зоне аэрации в норме, а взрывоопасная концентрация меньше нижнего предела, то максимальная концентрация в помещении
C1
m,
1
2п2- (ax,az)'
(6)
где тг — масса выделяющегося взрывоопасного газа;
ах, аг — коэффициент соответственно поперечной и вертикальной дисперсии. Общий объем взрывоопасной смеси рассчитывался по формуле
V =
взр C
100V,K6
нпв
(t )Zn
(7)
где ¥г — общий объем выделившихся взрывоопасных газов;
Кб — коэффициент безопасности;
СНПВ(?) — нижний предел воспламенения газов
при температуре ?;
2п — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения горючих газов в объеме взрывоопасной смеси.
Категорирование помещений объекта по взрыво-и пожароопасности газовых смесей проводилось по формуле [14]:
B = Vve3P ■ 100%,
V
г св
(8)
где В — степень заполнения свободного объема; ¥се — свободный объем помещения, равный 70-80% геометрично.
Категорирование проводилось с учетом скорости образования взрывоопасной смеси, объема помещения и расхода воздуха на "сдувку"; определялась кратность обмена воздуха в каждом исследуемом помещении объекта "Укрытие" [7, 14].
С другой стороны, по экспертным оценкам специалистов, в помещениях объекта накопилось более 10 т радиоактивной пыли (взвешенные и осевшие частицы топливной и графитовой пыли) [8].
Натурные исследования доступных помещений показали, что радиоактивная пыль находится: • в шахте бывшего реактора и подреакторном помещении (504/2, 305/2);
• в помещениях южных и северных барабан-сепараторов и на крыше деаэраторной этажерки;
• в помещениях вдоль западной стены. Радиоактивные частицы классифицированы
следующим образом [6, 7]:
1. Частицы топливной матрицы (топливные "горячие частицы"), объединенные летучими радионуклидами (цезий, рутений и др.):
а) крупные: размер 10-30 мкм; плотность 10,0 ± 0,8 т/см3,;
б) средние: размер 5-10 мкм;
в) мелкие: размер 1-5 мкм (продукты сгорания графита, окисления топлива, ТСМ и др.).
2. Частицы, радиоактивность которых обусловлена адсорбцией осколочных радионуклидов.
3. Частицы строительного мусора. Проведенный анализ физико-химических процессов показал [2-4], что основной причиной образования радиоактивной пыли являются деградация и разрушение ТСМ, графита и полимерных материалов.
Механизмом пылегенерации могут быть [14, 17]:
• электрические поля, возникающие в среде с инкорпорированными радионуклидами;
• дефектообразование (радиационное разрушение нейтронов при облучении);
Категорирование помещений объекта "Укрытие" по взрыво-и пожароопасности
Номер Пожароопасность Взрывоопасность
отметка помещения Да Нет Да Нет
-0,65 +2,20 012/6 012/7 012/8 012/9 + + + + + + + +
+2,20 +6,00 012/13 012/14 012/15 012/16 + + + + + + + +
+6,00 +8,00 210/5 + + +
210/6 + + +
210/7 + + +
+6,00 +9,00 217/2 303/3 + + + +
+8,00+11,00 305/2 + +
+9,20 +12,50 304/3 + +
+14,00 +32,00 504/2 504/3 504/4 + + + + + +
+35,50 -62,00 914/2 + +
• механические напряжения при охлаждении ТСМ;
• процессы радиолиза воды и паров, воды в порах ТСМ и накопление зарядов у поверхности материала;
• атмосферные влияния (замораживание, испарение, коррозия и др.).
Экспериментально были определены параметры взрыво- и пожароопасности радиоактивной пыли [8]:
• для взвешенной пыли: нижний концентрационный предел воспламенения 29-32 г/м3, температура воспламенения 973-1073 К;
• для осевшей пыли: температура воспламенения 433-503 К, температура самовоспламенения 823-893 К.
На условия возникновения взрыва радиоактивной пыли оказывают влияние [18]:
• химические свойства радиоактивной пыли;
• размер частиц;
• влажность;
• количество кислорода в смеси;
• способ смешивания пылевых радиоактивных частиц с воздухом (турбулентность);
• выход летучих веществ из радиоактивной пыли;
• свойства источника зажигания (пламя, искра,
нагретая поверхность);
• наличие окислителя в составе атмосферы.
В таблице представлена экспертная (консервативная) оценка взрыво- и пожароопасности некоторых доступных помещений объекта "Укрытие" [3-6, 15].
Выводы
1. Проведен анализ состояния взрывопожар-ной обстановки в помещениях объекта "Укрытие". Показано, что пожарную нагрузку в анализируемых помещениях можно классифицировать следующим образом: первичные (пластикат, изоляция кабеля, реакторный графит и др.) и вторичные (газообразные продукты радиолиза воды и полимерных материалов, взвешенная и осевшая пыль и др.) горючие материалы
2. Результаты анализа позволили установить уровень пожарной опасности, источник и пути развития пожара для оценки риска возникновения радиационной аварии и ее радиоэкологических последствий, а также создать базу данных по определению пожарной нагрузки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Азаров С. И. Величины и оценка критериев и факторов, определяющих статус объекта "Укрытие" по пожарной безопасности // Тез. докладов V Международной науч.-техн. конф. "Итоги 10 лет работ по ликвидации последствий аварии на ЧАЭС". — Зеленый Мыс, 1996. — С. 140-141.
2. Азаров С. И., Бабич Е. В., Бачинский В. С. Анализ пожарной опасности объекта "Укрытие" // Науков1 та техшчж аспекти М1жнародного сп1вроб1тництва в Чорнобили Зб. наук. статей. — Славутич: Укратомвидав, 2000. — С. 409-417.
3. Азаров С. И., Назаренко Б. С. Статус объекта "Укрытие" по взрыво- и пожароопасности // Матер1али III наук.-практ. конф. "Пожежна безпека". — КиТв, 1997. — С. 141-142.
4. Азаров С. И., Токаревский В. В. Пожежна безпека об'екта "Укриття" — минуле, дмснють та майбутне//Тез. доп. "Проблеми пожежной безпеки". — КиТв: МВСУкраТни, 1995. — С. 102.
5. Азаров С. И., Токаревский В. В. Проблемы пожарной опасности объекта "Укрытие" // Тез. доп. "Чорнобильська авар1я, ТТ наслщки та проблеми Тх подолання". — КиТв, 1994. — С. 89.
6. Азаров С. И., Токаревский В. В. Пожаровзрывоопасность объекта "Укрытие" //Тез. докл. XIII Всероссийской науч.-практ. конф. "Пожарная безопасность-95". — М., 1995. — С. 43.
7. Бабич Е. В., Азаров С. И. Возможные варианты утилизации отработанного реакторного графита при выводе энергоблоков ЧАЭС из эксплуатации // Науков1 та техшчж аспекти М1жна-родного сп1вроб1тництва в Чорнобилк Вип. 3. — КиТв: Вища школа, 2001. — С. 219-231.
8. Azarov S. I., Tokarevsky V. V. Fire alarm, examining the Chernobyl Sarcophagus // Nuclear engineering international. 1995. V. 40. №491. P. 38-39.
9. Азаров С. И. Анализ поражающих факторов при пожарах в объекте "Укрытие" // Атомная энергия. 2001. Т. 90. Вып. 4. С. 296-304.
10. Азаров С. И., Токаревский В. В. Прогноз радиационной обстановки при пожаре на объекте "Укрытие" // Весц нац. акад. навук Беларуси "Ф1зко-тэхн1чных навук". 1999. № 1. С. 137-141.
11. Азаров С. И., Бабич Е. В. Моделирование развития пожара на объекте "Укрытие" // Ма-тер1али наук.-практ. конф. "Пожежна безпека". Ч.1. — Черкаси, 1999. — С. 156-158.
12. Азаров С. I. Дослщження форм мехашзм1в утворення та розповсюдження радюнуклщ1в в на-вколишньому середовищ1 при авар1ях на об'ект "Укриття" // Тез. доповщей наук. конф. "IX роюв тсля ЧорнобильськоТ'аварп". — КиТв, 1995. — С. 4.
13. Азаров С. И., Токаревский В. В. Оценка радиационной обстановки при пожаре объекте "Укрытие" // Атомная энергия. 1997. Т. 82. Вып. 3. С. 235-237.
14. Азаров С. И., Бабич Е. В., Бачинский В. С. Анализ пожарной опасности объекта "Укрытие" // Науков1 татехшчж аспекти М1жнародного сп1вроб1тництва в Чорнобилк — Славутич: Укратом-видав, 2000. — С. 409-417.
15. Radiolysis of water in "Sarcophagus" / Azarov S. I., Vilenska L. M., Korchevna О. V. — Kiev, 1998. — 23 p.
16. Азаров С. И. Анализ опасных и вредных факторов при пожаре на разрушенном IV энергоблоке ЧАЭС // Ядерная и радиационная безопасность. Т. 4. Вып. 4. 2001.С.58 - 63.
17. Бабич Е. В., Азаров С. И. Определение радиационного газовыделения из полимерных материалов, находящихся в объекте "Укрытие" // 36. наук. пр. 1нституту ядерних доогмджень УкраТни. №2(4). — КиТв, 2001. — С. 101-106.
18. Бесчастнов М. В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. — М.: Химия, 1991. — 431 с.
Поступила в редакцию 08.12.03.
