Болятко Екология ядерной и возобновляемой енергетики 2010

Наиболее тяжелые аварии в ЯТЦ происходили на реакторах Чернобыльской АЭС (1986) и Три Майл Айленд (1979), реакторах на предприятиях по наработке плутония (Уиндскейл, 1957) и на радиохимических комбинатах («Маяк», 1957). Аварии в Уиндскейле и на Три Майл Айленд относят к происшествиям 5-го уровня, аварию на комбинате «Маяк» – к происшествиям 6-го уровня, а чернобыльскую аварию рассматривают как максимальную аварию 7-го уровня.

Авария в Уиндскейле с загоранием графита в реакторе произошла 10 октября 1957 г. в Уиндскейле (Великобритания) на реакторе, предназначенном для наработки плутония. При отжиге графита, когда была выключена система газового охлаждения первого контура, реактор разогрелся до температуры, при которой начала выделяться аккумулированная в графите энергия (энергия Вигнера). Лишь используя воду, реактор удалось охладить. Произошли пожар и разрушение твэлов в активной зоне (АЗ) реактора. Причинами аварии явились ошибки персонала и недостаток контрольноизмерительных приборов.

Произошел значительный выброс радиоактивности через трубу высотой 120 м. Активность 131I в аварийном атмосферном выбросе составила 2 104 Ки (700 ТБк), что составляло 12 % от накопленной в реакторе; активность 137Cs в аварийном атмосферном выбросе составила 103 Ки (300 ТБк).

Загрязнение воздуха по 131I достигало 20 Бк/л, что на три порядка превышает допустимую объёмную активность для населения, а объёмная активность отдельных проб молока достигала 5,8 104 Бк/л, что также значительно превышало допустимую норму (7,7 Бк/л). Были зарегистрированы также случаи высокого облучения сельскохозяйственных животных.

Загрязненной оказалась площадь в 520 км2. Средняя эффективная доза облучения персонала на промплощадке составила 45 мЗв, а средняя эффективная доза облучения населения на обширной загрязненной территории – 0,2 мЗв. В связи с загрязнением сельскохозяйственной продукции (молока, мяса) были введены строгие ограничения на использование сельскохозяйственной продукции, полученной на загрязненных территориях вплоть до её полного уничтожения. Полученная в результате аварии коллективная эффективная доза оценивается в 2 103 чел-Зв.

141

Авария на комбинате «Маяк», Челябинской обл., произошед-

шая 29 сентября 1957 г., была вызвана химическим взрывом цистерны, в которой хранились высокоактивные РАО переработки твэлов (около 80 т ацетатно-нитратных солей). Причинами взрыва явились нарушение системы водоснабжения (охлаждения) цистерны с образованием гремучей смеси и её перегрев за счет радиоактивного распада продуктов деления. Мощность взрыва была такова, что 160-тонная бетонная крышка была отброшена на 25 м, а высота столба выброса составила около 1 км [5]. Было выброшено 20 МКи, из которых 18 мКи осело на промплощадке, а остальные 2 мКи были разнесены юго-западным ветром и образовали Восточ- но-Уральский радиоактивный след (ВУРС) протяженностью 345 км

иплощадью около 23 000 км2.

Вобласти следа, охватившего часть территории Челябинской, Свердловской и Курганской областей, проживало 272 тыс. человек.

Выброс состоял большей частью из относительно короткоживущих радионуклидов, вклад долгоживущих радионукдидов (90Sr) не превышал 6 %. При этом поверхностная активность на зараженной

местности в отдельных местах на внутренней части следа достигала 4000 Ки/км2 (при норме 1 Ки/км2).

10 тыс. человек, проживающих на территории внутренней части следа, были эвакуированы, коллективная доза эвакуированных со-

ставила 1,3 103 чел-Зв (при средней эффективной дозе 0,6 Зв). Суммарная коллективная доза населения в результате аварии составила около 3 103 чел-Зв.

Авария на Три Майл Айленде с потерей теплоносителя произошла 28 марта 1979 г. на АЭС «Три Майл Айленд» (США), имела отголосок во всём мире, вызвала крупномасштабную аналитическую работу, интенсивный международный обмен информацией и в целом привела к всестороннему пересмотру подхода к безопасности АЭС.

Станция состоит из двух энергоблоков по 905 МВт с реакторами, охлаждаемыми водой под давлением (PWR). Второй блок, на котором произошла авария, был введен в промышленную эксплуатацию 30 декабря 1978 г. АЭС находится на острове, расположенном на реке Саскуэханна, в 16 км от города Гаррисберга с населением 90 тыс. человек, являющегося столицей штата Пенсильвания. В радиусе 25 км от АЭС проживало 500 тыс. человек.

142

Неисправности во втором контуре привели к остановке питательных насосов и прекращению подачи воды в оба парогенератора. В результате ошибок в действиях персонала и отказов в работе контрольно-измерительных приборов были остановлены оба циркуляционных насоса первого контура, произошло вскипание воды при её контакте с топливом. Под влиянием тепловыделения в активной зоне и прекращения подпитки уровень воды в корпусе реактора постепенно снижался, что привело к оголению активной зоны. В результате подъёма температуры на оболочках твэлов выше 1300 °C началась химическая реакция циркония с водяным паром с выделением водорода и его воспламенением. Произошло оплавление и разрушение значительной части активной зоны (45 % топлива вместе с материалами оболочек твэлов и внутрикорпусными конструкциями).

Первый контур реактора подвергся сильному радиоактивному загрязнению. Аварийный атмосферный выброс был оценен в 3 МКи (1 105 ТБк) ИРГ и 20 Ки (0,7 ТБк) йода 131I. Следует заметить, что предусмотренных мер по обеспечению безопасности (стальной корпус реактора и бетонный контайнмент) оказалось достаточно, чтобы предотвратить опасную для населения утечку радиоактивности. Воздействие внешнего облучения облака выброса было кратковременным, а для предотвращения внутреннего облучения населения была предпринята эвакуация из пострадавшего района детей и беременных женщин и введены ограничения на использование сельскохозяйственных продуктов. В результате индивидуальная эффективная доза за границами объекта не превысила 1 мЗв, а коллективная доза оценивается лишь в 33 чел-Зв.

Авария на Чернобыльской АЭС – «реактивностная» авария с разрушением активной зоны на четвёртом блоке (СССР) – произошла 26 апреля 1986 г. В 1 ч 23 мин произошел взрыв реактора, разрушивший сам реактор и здание четвёртого блока. Это была самая тяжёлая авария, которая когда-либо случалась на реакторной установке, эксплуатируемой в мирных целях.

ЧАЭС расположена вблизи северной границы Украины, на расстоянии около 100 км к северу от Киева, в 3 км от сравнительно крупного города Припять (49 тыс. чел.), в котором жили сотрудники станции со своими семьями. Всего в 30-километровой зоне вокруг АЭС проживало около 130 тыс. чел. Четвёртый блок являлся

143

одним из 14 эксплуатируемых блоков с реакторами РБМК-1000 с графитовым замедлителем мощностью 1000 МВт, охлаждение которого осуществляется легкой кипящей водой.

Четвёртый блок ЧАЭС был введен в эксплуатацию в декабре 1983 г. Перед остановкой на плановый ремонт 25 апреля 1986 г. должен был быть проведён специальный эксперимент по испытанию работы одного из турбогенераторов. Проверялась возможность подачи электропитания на систему аварийного расхолаживания реактора от работающего на выбеге турбогенератора во время потери внешнего электроснабжения энергоблока. Такие эксперименты уже проводились, но каждый раз сталкивались с трудностями по электротехнической части.

Эксперимент должен был проводиться на мощности около 700 МВт (тепл.). 25 апреля приступили к снижению мощности, и к часу дня реактор вышел на половинную мощность 500 МВт (эл.), то есть 1600 МВт (тепл.), и один из турбогенераторов был отключен. В этот момент диспетчер энергосистемы потребовал от персонала станции, чтобы они остановили снижение мощности и продолжали снабжать электросеть на половинной мощности. Кроме того без каких-либо понятных оснований была отключена система аварийного охлаждения реактора. В таком режиме реактор, в нарушение регламента испытаний, проработал в течение 9 ч; за это время отравление активной зоны ксеноном возросло до своего максимального значения, а в целях компенсации этого эффекта из активной зоны постепенно извлекались регулирующие стержни.

Около одиннадцати часов вечера снижение мощности было продолжено, но операция прошла неудачно. Мощность резко упала до 30 МВт (тепл.). Пришлось извлечь еще большее количество регулирующих стержней, чтобы хоть сколь-нибудь повысить мощность, которую 26 апреля около часа утра удалось стабилизировать на уровне 200 МВт (тепл.). Поскольку мощность не достигла плановой для испытаний, из активной зоны продолжали извлекать регулирующие стержни. Число эффективных стержней уже составляло менее 30, однако никто не придал значение этому обстоятельству, и было решено проводить запланированный эксперимент по установленной программе.

Согласно этой программе были включены ещё два циркуляционных насоса, и расход в активной зоне превысил все допустимые

144

пределы. Поскольку мощность была далека от значения, при котором должен был проводиться эксперимент, давление пара и уровень воды в барабанах-сепараторах в нормальных пределах удерживать было трудно. Тогда, в нарушение регламента, операторы заблокировали систему аварийной защиты. В 1 ч 22 мин, из-за большого количества накопившегося ксенона, в активной зоне оставалось 6–8 регулирующих стержней, тогда как немедленная и обязательная остановка реактора требовалась уже при наличии

15стержней.

Врезультате многочисленных нарушений регламента эксплуатации реактора в 1 ч 23 мин произошел мгновенный разнос мощности реактора (за 4 с мощность возросла в 100 раз). Всплеск мощности вызвал сильное энерговыделение в топливных таблетках. В результате произошел тепловой взрыв. Крышка реактора (2000 т) приподнялась, разрушая технологические каналы и трубопроводы, направляющие пар в коллекторы, а также сминая регулирующие стержни.

Вскоре произошел второй взрыв, возможно, вызванный вспышкой газообразного водорода, образовавшегося в результате реакции воды с цирконием оболочек твэлов и каналов и смешавшегося с воздухом после вскрытия активной зоны. Другой его причиной мог явиться эффект реактивности, связанный со всеобщим вскипанием воды в результате резкого падения давления при разрыве технологических каналов. Эти взрывы разрушили реактор и часть здания четвёртого блока. Была полностью разрушена система охлаждения

изначительная часть активной зоны реактора.

Установлено, что причинами аварии явились многочисленные грубые нарушения персоналом регламента эксплуатации реактора, а также конструктивные недостатки самого реактора.

Атмосферный выброс возник мгновенно 26 апреля в момент вскрытия активной зоны в виде облака частиц графита, осколков топлива и твэлов, дыма, продуктов деления и продуктов активации. Вследствие очень высокой температуры первого облака, газы и аэрозоли поднялись на сравнительно большую высоту – от 1 км до 1,5 км, что несколько ограничивало их местное воздействие, но способствовало распространению радиоактивных продуктов по всей Европе. После этого высота выбросов снизилась до 200–400 м.

145

Можно выделить несколько временнÏх отрезков выброса, который длился около 20 дней. Из общего количества примерно одна треть была выброшена практически мгновенно 26 апреля в момент теплового и водородного взрывов и вскрытия активной зоны. Остальные две трети были выброшены между 27 апреля и 5 мая. Состав выбросов менялся, но во всех содержались йод, цезий, благородные газы (ИРГ). Начиная со 2 мая, активная зона, по мере её засыпки материалами с вертолётов, охлаждалась всё хуже и температура в ней повышалась, что продолжалось до 6 мая, когда удалось остановить горение графита. Выбросы тем не менее продолжались, хотя и с меньшей (примерно в 100 раз) интенсивностью. Содержание в выбросе наиболее важных дозообразующих нуклидов приведено в табл. 4.11.

Таблица 4.11 Нуклидный состав выброса при аварии на ЧАЭС

Следует отметить, что приведенные в табл. 4.11 данные носят оценочный характер и базируются, в основном, на материалах Международного Чернобыльского проекта 1991 г., в котором приведены уточненные спустя пять лет после аварии данные. По сравнению с этими данными, цифры, приведенные в докладе экспертов

СССР в МАГАТЭ в 1986 г., значительно занижены. Например, выброс ИРГ в четыре раза (50 МКи), а суммарный выброс остальных нуклидов примерно в три раза (50 МКи вместо 140 МКи). Данные по выбросу стронция и плутония находятся в достаточно хорошем согласии.

В результате аварии два человека погибли на месте от многочисленных травм, а 28 человек умерло в результате переоблучения за ближайшие два месяца. Кроме того, острые синдромы облучения

146

наблюдались у 237 человек, среди которых были умершие за различные сроки после аварии.

Радиоактивные выпадения явились следствием выброса – обломки графита и фрагменты твэлов выпали непосредственно на промплощадку, крупные частицы (размером около 1 мм) выпали в радиусе до 100 км, а мелкие фракции были разнесены на расстояния более тысячи километров. В целом на территории СССР зоны с уровнями загрязнения свыше 40 Ки/км2 составили 3100 км2, свыше 15 Ки/км2 – 7100 км2, а свыше 1 Ки/км2 – 103000 км2 [5]. Таким образом, последствием аварии явилось сильное и долгосрочное загрязнение обширных территорий на Украине, в Белоруссии и России. Загрязнение, поддающееся измерению, было также зарегистрировано на территории многих европейских стран.

Всех людей, получивших повышенные дозы радиации в связи с Чернобыльской аварией, можно разбить на следующие три группы:

•ликвидаторы (персонал АЭС, пожарные, солдаты, рабочие, учёные) – около 800 тыс. чел.;

•эвакуированные (население 30-километровой зоны, включая г. Припять) – около 80 тыс.чел.;

•проживающие на загрязненных территориях с сильным за-

грязнением (более 15 Ки/км2) – около 270 тыс. чел.

Коллективная доза для третьей группы составила около 104 чел-

Зв, а суммарная коллективная доза для всех пострадавших в результате аварии – 105 чел-Зв.

В результате аварии окружающая среда получила сильное радиационное воздействие. Часть флоры и фауны погибла от острого облучения. Отдельные участки сосновых лесов вокруг АЭС получили летальные дозы радиации (до 100 Гр), изменили окраску и засохли, а из сельскохозяйственного пользования надолго изъято большое количество земель. На обширных загрязненных площадях надолго останется опасной продукция лесов, в первую очередь грибы.

Пока нет проблем с загрязнением питьевой воды, но существует опасность попадания радионуклидов, в первую очередь 90Sr, в грунтовые воды ниже по течению водосбора в районе аварии. Тем не менее в некоторых пресноводных водоёмах, в том числе в зарубежных странах, оказалось существенным загрязнение радиоактивным цезием рыбы и озерного ила [5].

147

Контрольные вопросы и задания

1.Чем отличаются эффективная и эквивалентная дозы излуче-

ния?

2.Как зависит от времени t активность радионуклида?

3.Какие радионуклиды являются основными загрязнителями окружающей среды на начальной стадии ЯТЦ?

4.Назовите основные принципы норм радиационной безопас-

ности (ALARA) НРБ-99/2009.

5.Перечислите барьеры безопасности на АЭС.

6.Какие биосферные радионуклиды, образующиеся в теплоносителе АЭС, являются важными элементами с точки зрения радиоактивного загрязнения окружающей среды?

7.Назовите компоненты, из которых складывается облучение населения, проживающего в районе АЭС, за счет газообразных атмосферных выбросов.

8.Как радиоактивные отходы классифицируют по их удельной активности?

9.Обрисуйте оптимальную схему хранения и переработки высокоактивных ЖРО?

10.Назовите основные возможные виды захоронения РАО.

Список литературы

1.Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите 1990 г. Публикация 60, ч.1, 61 МКРЗ. М.: Энергоатомиздат, 1994. – 192 с.

2.Нормы радиационной безопасности НРБ-99. СП 2.6.1.758-99. М.: Минздрав России, 1999. – 116 с.

3.Сахаров В.К. Радиоэкология. СПб: Издательство «Лань», 2006. –

320 с.

4.Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009. СанПиН

2.6.1.2523-9. М.: Минздрав России, 2009. – 68 с.

5.Панин М.П., Скотникова О.Г. Безопасность человека и окружающей среды в ядерной энергетике. М: МИФИ, 2006. – 204 с.

6.Крышев И.И., Рязанцев Е.П. Экологическая безопасность ядерноэнергетического комплекса России. М.: ИЗДАТ, 2000. – 384 с.

148

Глава 5. ЭКОЛОГИЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ

5.1. Гидроэнергия и гидроэлектростанции

5.1.1. Гидроэлектростанции на реках

Человечество более 14 веков назад освоило преобразование потенциальной энергии воды в механическую энергию вращения водяного колеса, которое системой приводов заставляло работать мельницы, воздуходувки в кузницах и т.п. Одно из первых упоминаний в России о водяных мельницах на реках Яузе и Ходынке приводится в завещании князя Дмитрия Донского в 1389 г. Преобразование гидроэнергии на реках в электричество с помощью динамомашин на гидроэлектростанциях (ГЭС) началось в конце XIX века. Тогда же первые в мире опыты передачи электрической энергии постоянным током были проведены Ф.А. Пироцким на Волковом поле в Петербурге: мощность в 6 л.с. на расстояние 1 км.

В настоящее время в мире на ГЭС вырабатывается почти 17 % электроэнергии, в России – около 15 %. Уровень развития гидроэнергетики в разных странах и на разных континентах неодинаков. Больше всего гидроэлектроэнергии производят Соединённые Штаты, за ними идут Россия, Украина, Канада, Япония, Бразилия, КНР и Норвегия.

Неосвоенные гидроэнергетические ресурсы Африки, Азии и Южной Америки открывают широкие возможности строительства новых ГЭС. На Северную Америку, в распоряжении которой находится всего около 13 % мировых ресурсов гидроэнергетики, приходится около 35 % полной мощности действующих ГЭС. В то же время Африка (21 % мировых гидроэнергетических ресурсов) и Азия (39 %) вносят лишь 5 и 18 % соответственно в мировую выработку гидроэлектроэнергии. Из остальных континентов – Европа (21 % ресурсов) дает 31 % выработки, а Южная Америка вместе с Австралией, располагая примерно 15 % ресурсов, – только 11 % производимой в мире гидроэлектроэнергии.

Физические принципы процесса преобразования энергии падающей воды в электрическую энергию хорошо известны. Основными сооружениями гидроэлектростанции являются: плотина,

149

создающая водохранилище и необходимый перепад уровней воды (напор); здание ГЭС, в котором размещено электрическое и механическое оборудование. Водное пространство перед плотиной называется верхним бьефом, а ниже плотины – нижним. Вода под действием силы тяжести движется по водоводам плотины из верхнего бьефа в нижний, вращая рабочее колесо турбины (рис. 5.1). Турбина вращает вал, к которому присоединён ротор генератора, вращающийся в магнитном поле статора. Турбина и генератор вме-

сте образуют гидроагрегат.

Таким образом, на ГЭС происходит преобразование потенциальной энергии воды в кинетическую. Затем механическая (вращательная) энергия ротора превращается в электрическую энергию. Коэффициент полезного действия ГЭС обычно составляет 85–90 %.

Найдём зависимость мощности ГЭС от расхода воды через плотину, G кг/с, и от напора Н, равного разности уровней воды до и после плотины. Максимальная величина потенциальной энергии некоторой массы воды m (перед плотиной) относительно нижнего уровня воды (после плотины) составляет E = m·g·H. При постоянной скорости течения воды с расходом G за время t через плотину протечёт масса воды m = G5 · t, потенциальная энергия которой составит E = G·g· H · t. С учётом КПД ГЭС η = 0,85–0,90 мощность ГЭС будет равна

Самая крупная в мире ГЭС – Санься («Три ущелья») находится

вКитае на реке Янцзы (плотина имеет длину 2309 и высоту 185 м). Её 26 гидроагрегатов развивают мощность 18,2 ГВт, а после ввода

встрой всех 32 блоков – 22,4 ГВт.

Вторая по величине – Итайпу, построенная в 1991 г. на границе Бразилии и Парагвая, на реке Парана. Её 18 гидроагрегатов развивают мощность 14 ГВт. Третьей по вырабатываемой мощности (10,3 ГВт) является Венесуэльская станция Гури, построенная на реке Карони в 1986 г. Четвёртая в мире ГЭС – Тукуруйская – построена на р. Токантинс в Бразилии и имеет мощность 8,4 ГВт (обеспечивает работой 24 генератора). Водосброс плотины является самым мощным в мире – около 120 тыс. м3 воды в секунду. Замыкает пятёрку крупнейших ГЭС американская Гранд-Кули, 33 турбины которой дают мощность 6,8 ГВт. Впечатляют даты запус-

150