Калин Материаловедческие проблемы екологии в области ядерной енергетики 2010

ре, примерно 55 % йода в виде смеси пара и твердых частиц, изотопы цезия, стронция и плутония. На долю благородных газов приходилось около половины от суммарной активности.

Вокруг расследования причин чернобыльской аварии сложилось не меньше мифов, чем вокруг самой катастрофы. Результатом работы комиссии явились сразу два заключения. Одно (под названием «Информация об аварии на Чернобыльской АЭС и ее последствиях») было подготовлено для МАГАТЭ. Другое – для внутреннего пользования

– под названием «Заключение правительственной комиссии по расследованию причин аварии на Чернобыльской АЭС».

Так что же было на самом деле? На 4-м блоке ЧАЭС 25-го апреля 1986 г. была запланирована на 00:00 часов остановка четвертого ядерного реактора РБМК-1000 (это делается для очистки и замены материала реактора). Остановка реактора также планировалась для проведения штатных испытаний парового котла в так называемом по- вторно-кратковременном режиме. Во время процесса остановки, в самом его конце в реакторе начался аварийный процесс. В реакторе появилась положительная реактивность, мощность начала резко возрастать. Заметив это, оператор нажал кнопку АЗ (аварийной защиты), но она была ослаблена малым ОЗР (общий запас реактивности), и поэтому процесс разгона реактора продолжался. При этом заклинило в силу несовершенной конструкции поглощающие стержни (СУЗ). В результате произошел неконтролируемый разгон реактора на мгновенных нейтронах. Давление в котле возросло настолько, что насос не смог включиться и произошел выброс пара из активной зоны.

Взрыв!

Реактивность это универсальная характеристика состояния реактора, происходящих в нем физических процессов. Реактивность реактора, работающего на постоянном уровне мощности, равна нулю (критический реактор). Если реактивность больше нуля (надкритический реактор), то мощность реактора растет, т.е. он разгоняется. Если реактивность меньше нуля (подкритический реактор), то мощность падает и реактор глохнет. Управление мощностью реактора осуществляется через управление его реактивностью. Органы регулирования (стержни, содержащие поглотитель нейтронов), перемещаясь в активной зоне реактора, изменяют его реактивность. Реактивность может меняться и сама вследствие различных процессов, происходящих в реакторе: выгорания урана, отравления ксеноном, изменения температуры и других параметров (давление пара, расход воды и т.д.).

101

Общий запас реактивности (ОЗР). В отличие от реактивности, которая является реальной характеристикой состояния реактора, запас реактивности характеризует потенциальное состояние реактора. Меняется он в широких пределах от 1 и выше. Любой отрицательный эффект уменьшает ОЗР, а любой положительный – увеличивает.

На рис. 19 для сравнения показаны изменения мощности и общего запаса реактивности 4-го блока ЧАЭС за день и в день аварии. Таким образом, если бы стержни регулирования в реакторе РБМК были сконструированы правильно, то никакой опасности малый ОЗР не представлял бы.

Рис. 19. Изменения мощности и общего запаса реактивности 4-го блока ЧАЭС за день (25.04.86) и в день (26.04.86) аварии

Последствия такого взрыва были ужасны. Струя радиоактивного вещества после взрыва достигла высоты 2 км и загрязненное облако стало распространяться на север через Белоруссию в Скандинавские страны. Затем, повернув на юг, облако прошло через Западную Европу на Балканы. Радиоактивные вещества распространялись в виде аэрозолей, которые постепенно осаждались на поверхность земли.

102

Прошедшие в момент прохождения облако дожди вымывали радиоактивные вещества и на поверхности образовывались радиоактивные пятна. Коллективная доза только от 137Cs для населения Скандинавии и Западной Европы в течение первого года после аварии составила 80 000 чел-Зв, а для СССР – 200 000 чел-Зв.

Полная ожидаемая эффективная коллективная доза оценивается более 1 млн чел-Зв и распределяется следующим образом (табл. 24).

Таблица 24

Распределение полной эффективной коллективной дозы, %

Загрязнению подверглось более 200 000 км², примерно 70 % это территории Белоруссии, России и Украины (табл. 25). В России наиболее пострадали Брянская, Калужская, Тульская и Орловская области. Наиболее загрязненными оказались юго-западные районы Брянской области: в послеаварийный период уровень загрязнения более 40 Ки/км2 имели 17,1 тыс. га угодий, которые затем были выведены из системы землепользования.

В первые недели после аварии наибольшую опасность для населения представлял радиоактивный йод, имеющий сравнительно малый период полураспада (восемь дней). Йод в основном поглощается щитовидной железой человека при дыхании или потреблении зараженных продуктов, главным образом молочных. Особенно восприимчивы к йоду оказались дети, которые получили более высокие дозы по сравнению с взрослым населением. Дозы, полученные щитовидной железой, оцениваются в большинстве случаев ниже 0,3 Зв (150 тыс. чел.), некоторые дети (10 тыс. чел.) получили на щитовидную железу до 2,5 Зв. Эта категория жителей составляют основную группу риска последствий облучения на злокачественные опухоли щитовидной железы.

103

В настоящее время и в ближайшие десятилетия опасность представляют изотопы стронция и цезия с периодом полураспада около 30 лет. Наибольшие концентрации 137Cs обнаружены в поверхностном слое почвы, откуда он попадает в растения и, особенно, грибы, хвойные леса и клубни картофеля. На рис. 20 приведены данные по соотношению вкладов различных изотопов через некоторое время после аварии в создаваемое ими загрязнение.

Рис. 20. Вклад различных изотопов в создаваемое загрязнение через некоторое время после аварии

104

Всего подверглось воздействию радиации в результате взрыва 370 120 чел. В табл. 26 приведены наиболее серьезные из известных случаев радиоактивного заражения людей.

Внастоящее время вокруг разрушенного реактора ЧАЭС, содержащего 200 т облученного и свежего ядерного топлива, смешанного с другими материалами, сооружен саркофаг, выполняющий защитные функции на протяжении последних лет. Существует мнение, что все активное вещество реактора (порядка 1300 млн Ки общей массой около 800 кг) было выброшено в момент парового взрыва, и нынешний бетонный саркофаг имеет чисто символическое (или политическое) значение.

6.5.Экологические последствия радиоактивного облучения

Втабл. 27 приведены общие данные по количеству инцидентов

ипострадавших от радиоактивного поражения.

Вгородах основная часть экологически опасных веществ накапливается на ровных участках поверхности: лужайках, дорогах, крышах. Под воздействием ветра и дождей, а также в результате деятельности людей степень загрязнения сильно снизилась, и сейчас уровень радиации в большинстве мест вернулся к фоновым значениям. В сельскохозяйственных областях в первые месяцы после заражения радиоактивные вещества осаждается на листьях растений и траве, поэтому заражению подвергаются в первую очередь травоядные животные.

105

Таблица 27

Данные по количеству инцидентов на территории СССР (России) за последние 50 лет и численность пострадавших от острой лучевой болезни (ОЛБ) и местными лучевыми поражениями (МЛП)

Затем радионуклиды вместе с дождем или опавшими листьями попадают в почву, а оттуда – в сельскохозяйственные растения, в основном через корневую систему. При этом количество цезия в молоч-

106

ных продуктах может превышать допустимые значения в несколько раз.

Значительному загрязнению подвергаются леса. Известно, что лес обладает высокой задерживающей способностью по отношению к радиоактивным выпадениям. Например, эффективность задержания радионуклидов сосновым лесом составляет порядка 90 %. Из-за того, что в лесной экосистеме цезий постоянно рециркулирует, а не выводится из нее, уровни загрязнения лесных грибов и ягод остаются самыми опасными. Уровень загрязнения рек и большинства озер остается низким. Однако в отдельных бессточных озерах концентрация цезия в воде и рыбе еще в течение десятилетий может представлять опасность.

С другой стороны, снятие антропогенного воздействия положительно сказывается на экосистеме, закрытой для проживания людей. В результате природа восстанавливается быстрыми темпами, вырастают популяции животных, увеличивается многообразие видов растительности.

Втабл. 28 приведены данные по риску потери жизни при работе

вразличных промышленных отраслях.

Как видно из таблицы, риск потери жизни людей, работающих в атомной промышленности, – один из самых минимальных, что, безусловно, не может не радовать.

107

Таким образом:

достигнутый уровень современных ядерных технологий России обеспечивает высокий уровень радиационной безопасности в нормальном режиме функционирования для населения и персонала;

медицинские последствия аварий и инцидентов на объектах атомной энергетики и промышленности для населения и профессионалов неизмеримо меньше последствий, связанных с другими видами промышленной деятельности таких же масштабов (включая аварии на ЧАЭС, Кыштымской аварии 1957 г., санкционированных сбросов в р. Теча 1949 1950 гг.);

анализ данных по радиационным инцидентам и авариям за 50 лет функционирования АЭС в СССР (России) показывает, что в самой атомной отрасли вклад радиационного фактора в потери трудового потенциала пренебрежительно мал в сравнении с нерадиационными факторами профессиональной вредности и травматизмом на производствах отрасли;

современные фактические дозы облучения населения и персонала от функционирования АЭС находятся значительно ниже научно подтвержденных порогов обнаружения вредных эффектов; среди экологических рисков для населения радиационные риски

от использования атомной энергии в мирных целях в сотни раз ниже рисков от техногенных загрязнений химически вредными веществами.

6.6. Анализ аварий в активной зоне АЭС

Изучение состояния активной зоны после аварии среднего уровня (4 5 по шкале МАГАТЭ) в реакторах типа ВВЭР и РБМК показывает, что 30 % верхней части активной зоны полностью разрушается, образовав полость объемом до 10 м3. На дне полости глубиной до 1 м лежат осколки, состоящие из частиц размерами до 1000 мкм фрагментированного топлива, покрытых тонким слоем пены из расплава U-Zr. Максимальная температура в процессе взрыва приближалась к температуре плавления топлива (3100 К), однако средняя температура слоя не превышала 2200 К. Было обнаружено наличие интенсивного взаимодействия между UО2 с оболочками твэлов и другими конструкционными материалами.

108

Основные направления исследовательских работ в этом направлении в мире сейчас следующие:

выявление основных причин, приводящих к тяжелым авариям активной зоны и ее расплавлению; изучение взаимодействия расплава активной зоны с конструк-

ционными элементами реактора и влияние этого взаимодействия на защитную оболочку; исследование поведения аэрозолей и продуктов деления в пре-

делах защитной оболочки и удержания выхода радиоактивных веществ в окружающую среду.

6.6.1. Развитие аварии с плавлением активной зоны

Различают два типа аварий – при низком и высоком давлении.

В первом случае авария возникает при разрыве крупного трубопровода, давление в первом контуре при этом не превышает 5 МПа. В этом случае реактор будет автоматически остановлен, и активные системы аварийной защиты (АЗ) будут нормально функционировать от аварийных источников питания.

Во втором случае может возникнуть серьезная авария. При большой потере теплоносителя системы АЗ оголяются, и начинается их сильный разогрев за счет остаточного тепловыделения внутри твэлов (реактор к тому времени уже заглушен). Если давление в системе превышает 7–15 МПа, происходит плавление АЗ. Авария в этом случае характеризуется тем, что процессы протекают при высоком давлении в системе первого контура. При этом может выйти из строя вся система дизель-генераторов. Питание электроэнергией реактора и парогенераторов со стороны второго контура может полностью прекратиться. Вода в парогенераторах будет постепенно испаряться за счет теплоты распада, удаляемой из первого контура. Примерно через 1,5 ч вся вода испарится, и парогенераторы потеряют способность отводить тепловую энергию от первого контура. Это приведет к тому, что температура и давление в первом контуре будут увеличиваться. Если предположить, что во время этого периода нельзя отремонтировать или восстановить подачу электрической энергии или организовать подачу подпиточной воды насосами в парогенераторы со стороны второго контура, наступает авария с расплавлением активная зоны.

При большой скорости испарения может произойти взрыв и выброс радиоактивных материалов в атмосферу.

109

После разрушения опорной плиты расплавленные материалы активной зоны будут постепенно стекать и охлаждаться водой, оставшейся в нижней части корпуса реактора. После испарения этой воды материалы активной зоны снова будут плавиться.

Экспериментально показано, что при 2200 С расплав прорывается через частично окисленные оболочки и заполняет каналы для охлаждения, а максимальная температура металлооксидного двухфазного расплава в момент проплавления корпуса реактора может составлять 2400 С.

6.6.2. Поведение материалов активной зоны при развитии тяжелой аварии

Было установлено, что существуют три типа разрушения твэлов.

1.При высокой скорости разогрева в плавящемся сплаве цирка-

лой-2 (1,5% Sn, 0,1% Fe, 0,1% Cr, 0,05% Ni и <0,01% N) на внешней поверхности оболочки образуется тонкий неокисленный слой нароста, обусловленный быстрым разогревом в паре или в инертной среде. Тонкий слой оксида смывается с поверхности расплавленным циркалоем. Когда температура превышает 2400 К, происходит интенсивное плавление топлива и образование связанной массы осколков низкой пористости.

2.При средних скоростях разогрева в атмосфере пара на поверхности оболочки образуется стабильный слой оксида. Однако при 2170 К в нем появляются маленькие отверстия, через которые начинается пульсирующий выход расплава.

3.При небольших скоростях разогрева оболочек в паре оксиды удерживают расплав. При этом достигается температура 2770 К без видимого плавления. Мощный слой оксидов удерживает конструкцию от разрушения. Хрупкая структура сохраняется при медленном охлаждении, но мгновенно рассыпается при резком, образуя рыхлый слой осколков.

При тяжелых разрушениях твэлов выходит до 50 летучих ПД в зависимости от типа разрушения. Интенсивность окисления циркалоя зависит от диффузии кислорода через слой оксида. Как только температура оболочек твэлов достигает температуры плавления, последующее поведение активной зоны будет определяться взаимодействием между циркалоем и UO2.

110