Окончание... Начало см. ЗДЕСЬ. Сцена пятая
«А напоследок я скажу…»
Прощай! прощай! Светящийся червяк
Мне говорит, что близко утро:
Бессильный свет его уже бледнеет,
Прощай, прощай и помни обо мне!
Уильям Шекспир. «Гамлет»
Объёмно детонирующие смеси привлекают внимание экспертов по взрывобезопасности в связи с уязвимостью промышленных и энергетических объектов, в том числе АЭС, из-за несанкционированного вмешательства в их работу.
Возможно, что после событий на АЭС Фукусима этой проблемой будут интересоваться ещё больше. Несмотря на бытующее мнение, что «Пропало, всё! И все полимеры тоже», хочется отметить, что российская наука, надо отдать ей должное, этой проблемой интересовалась давно и профессионально.
При подготовке этого материала, на глаза попалась одна небольшая, но интересная статья, автор Н.М.Витушкина. Из статьи выяснилось, что в Обнинске проводились исследования связанные с моделированием термогазодинамических процессов, протекающих в контейнменте при аварии, и связанных с распространением водорода.
Оказывается в Теплофизическом Отделении ГНЦ РФ ФЭИ, для описания процессов тепломассопереноса в защитной оболочке АЭС с ВВЭР, разработан код КУПОЛ-М, который применим для расчета любой ЯЭУ, имеющей контейнмент. К сожалению, при решении задач водородной безопасности его возможности ограничены. Поэтому авторам пришлось изменить подходы к физической постановке задачи и численным методам решения задачи. Были использованы новые физико-математические модели, хотя в основе осталась идеология кода КУПОЛ-М.
В результате была разработана и прошла экспериментальную проверку новая версия кода KUPOL-3D, которая позволила с хорошей точностью моделировать распределение водорода и его зоны скопления в смеси с водяным паром и воздухом. Результаты расчётов были проверены сериями экспериментов на установках разного масштаба - TOSQAN (Франция, объем 7 м3), MISTRA (Франция, объем 100 м3), ThAI (Германия, объем 60 м3). В качестве имитатора, в целях безопасности, использовался гелий. Пар и гелий подавались в объём установки снизу.
В результате экспериментов на установке ThAI (Германия, объем 60 м3) было установлено, что через 40 минут после начала напуска гелия в объёме модели контейнмента образовывалась устойчивая атмосфера с концентрацией гелия 25…30% в верхней части объёма и в зоне наддува. Расчётное распределение гелия можно видеть на рисунке ниже.
Расчёты хорошо согласовывались с экспериментальными данными.
Кроме того, была смоделирована авария с выбросом водорода в контейнмент АЭС с ВВЭР-1000. Модель рассчитали для двух объёмов: 1 – подкупольное пространство и 2 – бокс аварийного парогенератора.
Схема расчётной области подкупольного объёма приведена ниже.
Не вдаваясь особенно в подробности, скажем о полученном результате. Он был вполне ожидаемым, так как исследования по поведению объёмно детонирующих смесей давали аналогичные результаты.
Итак, в первые несколько минут после напуска водорода, в подкупольном пространстве образуется локальное облако горючей смеси водорода с водяным паром и воздухом.
Как уже говорилось выше, при обсуждении поведения объёмно детонирующих смесей, на формирование облака влияет взаимодействие со стенами оболочки, наличие внутри оболочки препятствий разного рода и естественная конвекция. Причём, с течением времени это облако поднимается вверх. Динамика распределения водорода хорошо видна на диаграммах, которые приведены ниже.
А вот так себе это представляют специалисты из Франции. Как Вам сходство? Прямо близнецы-братья…. Я только позволил себе дорисовать контуры некоторого оборудования в ЦЗ, для наглядности, так сказать.
Конечно, эти результаты очень интересны и наглядны. Однако, применительно к АЭС Фукусима, более интересны результаты моделирования другого объёма. Достаточно взглянуть на схему второй расчётной области, и ловишь себя на мысли, что сторонники конспирологии, возможно, не так уж и не правы. Прошу, каждый может убедиться самостоятельно.
Если приглядеться, то это, практически, половина ЦЗ любого блока АЭС Фукусима с перегрузочной машиной, в качестве объёмного препятствия. А уж результаты расчётов для этой области впечатляют похлеще, чем расчёты для подкупольного пространства.
Итак, вот диаграммы с динамикой распределения концентрации водорода в этом объёме. Обратите внимание, диаграммы даны в двух плоскостях. Примечательно то, что через шесть минут после начала напуска водорода, в верхней части объёма, начиная с высоты 3…5 метров и выше, образуется смесь водорода с воздухом и равномерной концентрацией около15% по водороду.
А это означает, что в верхней части объёма мы получили облако с концентрацией водорода находящейся в пределах детонации, помните – от 15 до 63,5%.
Вот, почитаешь, такие работы и волей неволей приходит в голову,
«Что может собственных Платонов
И быстрых разумом Невтонов
Российская земля раждать».
Как любит приговаривать мой командир разведроты: «Пустячок, а приятно!»
Однако, вернёмся к водороду и его смесям. В исследовании, о котором мы говорим, есть ещё один интересный момент. Хотя и не новый.
Вообще, иногда, кажется, что Козьма Прутков просто живёт среди нас. Его бессмертное: «Узкий специалист подобен флюсу - полнота его односторонняя», так и вертится в голове при чтении работ, которые затрагивают смежные области.
Греки полагали специализированного профессионала недоделанным человеком, относились к нему с презрением: специалист низводит себя до статуса раба, меняет всечеловеческую универсальность на роль орудия. Греки очень хорошо понимали ценность именно неопределённого, неспециализированного характера своего культурного идеала. Хорошо воспитанный и образованный человек обладает душой такого качества, что может легко преуспеть в любой специальной области. Это — греческий идеал. Варварством же для греков было воспитание человекоорудий, калечение свободных граждан собственного государства, когда они становятся только врачами, только инженерами, военными или кораблестроителями.
Помилуй, Бог! Ничего не хочу сказать плохого об авторах. Это скорее из области старческого брюзжания. Да, взять хотя бы и меня, вот если чего куда прикрутить, чтобы фитюлька улетела, а фигня осталась на месте; или там, к примеру, попасть в бубновый туз, метров с восьмисот – это милости просим. А вот, какие там «спины», «кварки» и прочая живность, а то ещё хуже – «изотопы» - нет, уж, увольте!
Да, так о чём это я. Ах, да….
Решили авторы исследовать дефлаграцию и детонацию. Дело хорошее и интересное. Правда, к смежникам позабыли заглянуть, там про это дело не то, что книжки, тома понаписаны. Ну, да, ладно, нет, так, нет! Не будем наживаться на непрактичности занятых наукой людей.
Так вот, авторам удалось наглядно изобразить практический результат, который, если и возможно увидеть, то не иначе, как с помощью специальной техники. И получилось это при помощи старой доброй диаграммы Шапиро, которая, среди разносторонне образованных, слегка пьяных и до синевы выбритых господ офицеров, называется по-простонародному «треугольник».
Вот она, эта диаграмма. Не будем обсуждать достоинства и недостатки «квадратиков» и «треугольников», которыми помечены некоторые зоны дефлаграции и детонации, просто напомним, что способностью к детонации обладают смеси водорода с кислородом и воздухом при концентрации водорода в смеси в пределах 15…63,5%.
Нас больше интересуют вот те чёрные кружочки, которые символизируют наиболее опасную точку, в свете водородной безопасности, в верхней части объёма контейнмента. Очень жаль, что показаны данные только за шесть минут от начала напуска водорода. Хотя даже этих данных достаточно для того, чтобы обратить внимание на то, что эта точка, через зону дефлаграции, явно сместиться в зону детонации. И произойдёт это достаточно быстро, учитывая то, что картинка, которую мы видим – это всего-то шесть минут.
Кстати, иногда…. Ну, как, иногда. Установлено, что при скоростях распространения пламени 100—300 м/с, но не превышающих скорость распространения звука в данной среде (300—320 м/с), происходит взрывное, или дефлаграционное, горение. При взрывном горении продукты горения могут нагреваться до 1500—3000 °С, а давление в закрытых системах увеличивается до 0,6—0,9 МПа и генерируются ударные волны с давлением 20—100 кПа.
В определенных условиях дефлаграционное (взрывное) горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1—5 км/с.
Так что дефлаграция бывает хуже детонации, даром, что словечко нежное такое.
Вот такие вот игры на свежем воздухе…, с детонацией и дефлаграцией. А между тем, целый рассказ сплёлся, как-то сам собой.
Ну, и напоследок, чтобы устранить некоторые неясности, хотелось бы добавить несколько определений.
В связи с тем, что не всегда верно понимается, какие именно поражающие факторы создают объёмно детонирующие смеси, сделаем некоторые уточнения о бризантности и фугасности ВВ.
Бризантность - это дробление среды, окружающей заряд. Бризантное действие проявляется на расстоянии примерно двух радиусов заряда. Во время взрыва импульс будет максимальным, естественно, в эпицентре, и как раз этот импульс (резкий перепад давления большой амплитуды) дробит (крошит) находящиеся по близости элементы среды. По этой самой причине бризантные ВВ не используют вместо пороха - заряд просто разорвет казенную часть ствола. Численной мерой бризантности является длина смятия свинцового цилиндра с радиусом 1 см взрывом 10 грамм взрывчатого вещества расположенного у конца цилиндра (бризантность ко Касту) ; и отклонение баллистического маятника взрывом заряда ВВ массой 1 грамм. (бризантность по Гессу).
Фугасность - это работа взрыва по перемещению элементов среды. Так, если взрыв произошел на открытой поверхности, то фугасное действие будет минимальным, взрыв практически не произведет работы, то есть работа будет бесполезной (такой же, что от двигателя, работающего вхолостую), будет взрывная волна, которая быстро погаснет.
Если же взрыв происходит в чем-то, например, в стенах здания, то фугасное действие может быть значительным, работа взрыва через взрывную волну может привести к разрушению (не дроблению!) стен, и обрушению здания или его части. Максимальную опасность взрыв несёт, происходя в чем-то.
Именно поэтому заряды гранат облачают в корпус, причём, чем он будет массивней (до некоторого предела, разумеется), тем фугасное действие будет сильнее (такие припасы называют осколочно - фугасными).
Для определения работоспособности немецкий исследователь Трауцль изобрел простой способ. Он взял цилиндрическую свинцовую чушку (высотой и диаметром двадцать сантиметров) и высверлил в ней углубление, в которое поместил десять граммов взрывчатки. Плотно забив заряд песком, он произвел взрыв. Внутри свинцовой чушки образовалась довольно большая полость. Налив туда из мензурки воды, Трауцль определил её объём.
Чем мощнее вещество, тем больше, естественно, получался объём полости, который Трауцль и предложил считать мерой работоспособности взрывчатого вещества. Этот нехитрый метод был рекомендован в качестве стандартного на пятом международном съезде по прикладной химии в Берлине в 1903 году и с успехом применяется и в наше время.
Бризантное и фугасное действие легко показать на примере: если взять кирпич и ударить по нему кувалдой, то этот кирпич сначала расколется (бризантное действие), а обломки отлетят на некоторое расстояние (фугасное действие).
Сравнив величину давления на фронте детонационной волны и скорость детонации конденсированного ВВ, например, тротила с аналогичными параметрами объёмно детонирующей смеси, мы обнаружим, что у тротила эти параметры значительно выше, по давлению на четыре порядка, а по скорости в три раза.
Учитывая всё вышесказанное, а также экспериментальные данные, можно неизбежно придти к выводу, что объёмно детонирующие смеси практически не обладают бризантным воздействием.
Однако, имея гораздо большие, по сравнению с конденсированными ВВ, размеры заряда и существенно большую длительность взрывной волны, объёмно детонирующие смеси обладают гораздо большим фугасным воздействием.
Так, что смесь водорода с кислородом в пробирке и не могла при взрыве повредить пробирку, несмотря на удивление экспериментаторов. Кроме того, хочется заметить, что академик А.Н. Крылов, в своих воспоминаниях как раз таки и описывал фугасное действие паро-газо-водушных смесей в замкнутом объёме. Бризантное воздействие этих взрывов происходило под воздействием вторичных факторов поражения, а именно: осколков.*) «Лечи подобное подобным» - прим. Авт.
При написании данного опуса были использованы следующие открытые источники:
1. Уильям Шекспир, «Гамлет»
2. Книга Екклезиаста
3. Володарский В. М. Леонардо да Винчи и Парацельс о магии и алхимии // Леонардо да Винчи и культура Возрождения. М.: Наука, 2004 г.
4. Гиппократ. Сочинения. / Пер. В. И. Руднева, комм. В. П. Карпова. Избранные книги. М.: Биомедгиз. 1936 г.
5. Владимир Высоцкий. Сочинения в 2-ух томах. Составитель А. Е. Крылов. - М.: Худ.лит., 1991г.
6. Белла Ахмадулина. Лучшая лирика. Авторский сборник, Олимп, 2010 г.
7. Академик А.Н. Крылов. Воспоминания и очерки. Изд. АН СССР, М., 1956 г.
8. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение М. Химия 1991 г.
9. ПРОБЛЕМЫ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ СОЗДАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЖИДКОГО ВОДОРОДА. СТАНДАРТЫ А.М. Домашенко, ОАО "Криогенмаш"
10. Гельфанд Б.Е., Сильников М.В. Объёмные взрывы: монография. СПб. Астерион, 2008 г.
11. Гельфанд Б.Е., Сильников М.В. Фугасные эффекты взрывов. СПб. ООО «Издательство «Полигон», 2002 г.
12. Эпов Б.А. Основы взрывного дела. М., Воениздат, 1974 г.
13. Витушкина Н. М., Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ В ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМАХ ЗАЩИТНЫХ ОБОЛОЧЕК, Обнинск 2007 г.
14. А. В. Нестеренко. Основы термодинамических расчётов вентиляции и кондиционирования воздуха, 3-е издание, изд-во "Высшая школа", М., 1971 г.
15. Woolfolk R. W. and Ablow C. M. In Proc. of Conf. on Mechanisms of Explosion and Blast Waves, Feltman Research Laboratory, Picatinny Arsenal, Dover, N. I., pp. 42, 1973.
16. Desrosier C., Reboux A., Brossard J., Effect of asymmetric ignition on the vapor cloud spatial blast. Progr. Aeron. and Astron., (1991) 134: 21-37.
17. Brossard J., Bailly P., Desrosier C., Renard J., Overpressure imposed by a blast wave. Progr. Aeron. and Astron., (1988) 114: 389-400.
18. Brossard J., Leyer J. C., Desbordes D., Saint Clouds J. P., Hendrickx S., Garnier J. L., Lannoy A., Perrot J. (1984) Air blast unconfined gaseous detonations. Progr. Aeron. and Astron., (1984) 94: 556.
19. Desbordes D., Manson N., Brossard J. (1978) Explosion dans l’air de charges spheriques non confenees de melanges reactifs gazeux. Acta Astronautica 5: 1009.