5 мая 2011

Две аварии

В данной работе мы сделали попытку сравнить:

  • реакторы РБМК-1000 и GR BWR Mark 1 на ЧАЭС и Фукусимской АЭС;
  • сценарии развития аварий;
  • масштаб и развитие выбросов РАВ;
  • радиационную обстановку;
  • что можно было бы  использовать из опыта работ на ЧАЭС для Фукусимской АЭС;
  • представить перспективы и прогнозы на будущее.

С 4 мая по 30 мая 1986 г. группа специалистов Радиевого института, в которой участвовал и я, вела работы по ограничению последствий аварии на Чернобыльской АЭС. Перед  нами была поставлена задача: на месте оценить обстановку, понять, что происходит в разрушенном  горящем реакторе, прояснить радиационную обстановку на площадке ЧАЭС и прилегающей местности, обеспечить Правительственную комиссию объективной информацией для принятия решений. Кое-чем из этого опыта стоит поделиться.

На рис.1 показаны схемы реакторов РБМК и фукусимского реактора GR BWR Mark 1. В табл.1 приведены сравнительные характеристики активных зон этих двух типов реакторов.


&

Рис. 1

&

Табл. 1 Характеристики активной зоны
GR BWR Mark фирмы Дженерал Электрик – реактор с кипящей водой. Он представляет собой стальную «кастрюлю», вертикальный чехол диаметром примерно 5 м, в котором находится активная зона: низкообогащенный уран - обогащение 3-3,2%, типичное выгорание топлива в реакторе при выгрузке 20-25 ГВт. сут./т, а то, что может быть выброшено – около 10 ГВт.сут./т.
 
Кроме стальной оболочки реактор заключен ещё в герметичный бетонный чехол каплевидной формы (рис.1), защищающий реакторный объем. Ещё одной ступенью защиты являются бетонные стены здания прямоугольной формы. В нем находится бассейн-барботёр. У реактора РБМК также имеется бассейн-барботёр – большая ванна, в которую при необходимости можно сбросить охлаждающую воду. И она может предотвратить распространение радиоактивности.

В одном из блоков АЭС на Фукусиме - №3 (всего в аварийном состоянии 4 блока) 6% урановых сборок были заменены на сборки МОХ- топлива (уран с плутонием). Оболочки из циркалоя (сплава, в основном, состоящего из циркония). При разогреве оболочек топлива до 1200 oC идёт самоподдерживающаяся реакция циркония с водой, которая приводит к выделению водорода:

  Zr+2 H2O -> ZrO2 + 2 H2

 На Чернобыльской АЭС в аварию было вовлечено около 190 т двуокиси урана, примерно 170 т циркония и 1700 т графита. В аварии на Фукусиме можно предполагать, что разгерметизировано не больше 80 т топлива и 40 т циркалоя (это наша грубая оценка).
 
В табл.2 проанализированы причины аварий на ЧАЭС и Фукусиме.
 

&

Табл. 2 Сравнительные характеристики аварии
На ФАЭС ситуация была, конечно, существенно отличной от ЧАЭС.

На ЧАЭС произошел неуправляемый разгон реактора. Всё радиоактивное топливо в процессе работы на мощности практически мгновенно было разрушено. В результате выброс продуктов деления и самого топлива во внешнюю среду был очень большим.

Японцы заглушили свои реакторы сразу после 9-балльного землетрясения. Землетрясение такой мощности не разрушило реактор, что, кстати,  говорит о высоком качестве строительства этой АЭС. Заглушенные реакторы штатным образом начали охлаждаться водой. Через 3 дня тепловая мощность не превышала 1% от стартовой тепловой мощности, то есть по масштабу тепловыделения эта авария имела гораздо меньший эффект, чем на ЧАЭС.
 
Землетрясение вызвало мощную волну цунами, которая достигала высоты более 10 метров. Эта разрушительная волна цунами, которую строители в принципе не могли предусмотреть, разрушила и залила помещение дизель-генераторов, которые аварийно обеспечивали циркуляцию воды. Почему аварийные дизель-генераторы были размещены у самой кромки океана, мне не совсем понятно.
 
Выход из строя аварийных дизель-генераторов привел к прекращению процесса расхолаживания топлива. В стальной оболочке вокруг реактора началось парообразование, повысилось давление. Когда оно существенно  превысило штатный уровень, операторы были вынуждены начать стравливать пар в бассейн-барботёр.

На рис.2 показаны последствия разрушения реактора 4 блока на Чернобыльской АЭС. Красным цветом отмечены места разноса реакторного топлива после взрыва реактора.
 

&

Рис. 2 Чернобыль – сценарий и последствия аварии
 
На рис.3 схематично показано, в каком состоянии находятся аварийные блоки Фукусимской АЭС сейчас (рисунки взяты из публикации французской компании "Арева" в интернете). Кризису теплоотдачи на ФАЭС подверглись 4 блока. Из стальной емкости реакторов 1, 2, 3 вода опустилась довольно низко, поскольку операторы стравливали воду и пар в бассейн-барботер. Часть топлива обнажилась, разрушились его оболочки. В атмосфере пара произошла паро-циркониевая реакция, стал выделяться водород. Операторы были вынуждены стравить его в зал реактора. Водород в смеси с кислородом воздуха образовал взрывоопасную смесь, которая привела к взрывам, и часть летучих продуктов деления попала в атмосферу. Так аварийная ситуация развивалась на первом и третьем блоках. На втором блоке произошло практически то же самое. Но взрыв водорода произошел в барботере.


&
Рис. 3

На четвертом блоке вся активная зона в момент катастрофы была вынута из реактора и находилась в бассейне выдержки, где обычно производится её переформирование, установка новых сборок и т.д. Поскольку здесь никакие насосы охлаждения тоже не работали, уровень воды упал, часть зоны обнажилась. В каком состоянии она находится  сейчас, точных данных нет. Но там тоже был пожар, и очевидно, что при пожаре часть летучих продуктов деления улетела.
 
В таблицах 3а, б представлены  данные по выбросам РАВ на ЧАЭС, приведенные В.А.Легасовым в докладе МАГАТЭ в августе 1986 г. В пересчете, который В. А Легасов сделал на 26 апреля 1986 г. (20-22 МКи), содержатся некоторые противоречия. В таблице 3б количество достаточно короткоживущего 133Xe который попал в атмосферу, указано как 45 МКи.


&
Табл. 3а,б

Что касается масштаба выброса радиоактивности на Фукусиме, по данным Японского Атомного Промышленного Форума (JAIF), с которым у нас хорошие взаимосвязи, на 15 марта 2011 г., выброшено было около 0,7 МКи, причем в основном это были высоколетучие и газообразные продукты, радиоактивные благородные газы: ксенон, криптон и летучие продукты типа йода и цезия. На 22 апреля оценённый объём выброса достиг 1,4 МКи, поскольку оголенное горючее находится в открытом виде. Повышение выброса до 1,4 МКи привело к присвоению Фукусимской аварии самого высокого уровня – 7 ступени опасности по классификационной шкале МАГАТЭ. На аварийных реакторах ничего нового при этом не произошло, повысились только интегральные объемы выброса (свыше 1 МКи).

Какая радиационная обстановка на площадке ФАЭС сейчас? На рис.4 показано изменение мощности экспозиционной дозы от момента землетрясения 11.03.2011 и до 22 апреля (показания дозиметров в разных точках площадки).

Максимальная МЭД была примерно 40 мР/час. Мгновенные значения в выбросах газа доходили до 100 мР/час.
 

&

Рис. 4 Радиационная обстановка вблизи АЭС
 
На рис.5 представлен график мощности экспозиционной дозы на площадке ЧАЭС в апреле-мае 1986 г. (по данным измерений Радиевого института и ИАЭ). Здесь уже шкала  представлена в Р/час. Радиевоый институт начал работы в Чернобыле 4-го мая, поэтому до этого момента данные на рисунке расчётные. Внизу красной линией показана радаиционная обстановка, которая наблюдается на АЭС в Фукусиме сегодня. Как видно, по уровню загрязненности площадки АЭС РАВ Фукусимская авария  существенно уступает  Чернобыльской.


&

Рис. 5 Радиационная обстановка вблизи АЭС

По мере продвижения нашей колонны машин к Чернобылю, мы производили измерения мощности дозы. По данным на 4 мая в Ленинградской области, в Гатчине (945 км от Чернобыля) МЭД с обычного для Ленинградской области фонового значения 12-15 мкР/час повысилась до 70 мкР/час, то есть в 5 раз выше фона (табл.4, слайд 11). Во Пскове было 150 мкР/час, в Гомеле – 200, в Киеве – 510, в Иванкове – 800, в Чернобыле – 2500.  Во второй части табл.4 представлены современные данные о МЭД после Фукусимской аварии. Надо учитывать, что в Японии и у нас на Курильских островах уровень фона в 2-3 раза ниже, чем в Ленинградской области (4-5 мкР/час). Сегодня в Хабаровске – 12 мкР/час, во Владивостоке – 11, Южно-Сахалинске – 9, в Токио (260 км) – 6, в Мито, городке примерно в 160 км от Фукусимы, МЭД в 8-10 раз выше природного фона. В городе Фукусима, который находится примерно в 10 км от станции, - 130 мкР/час. То есть (пока) масштабы загрязнения территории на порядок меньше по сравнению с  аварией на ЧАЭС.


Что нам пока не понятно?

Состояние и температура ОЯТ в бассейне 4-го реактора Фукусимы, на котором произошел пожар. Пока не понятно, что там происходит. Остальные реакторы мало того, что были сразу после землетрясения заглушены, залиты водой под завязку, ухудшения ситуации там ожидать, по-видимому,  уже нечего.
Непонятны причины взрыва и пожара 15-го марта в барботёре на 2-м реакторе. Рано или поздно это, конечно, прояснится. Пока нет полных данных по изотопному составу выпавших на местности радиоактивных продуктов. А это очень важно, потому что позволяет предсказать, как будет себя вести мощность дозы со временем. По двум спектрам гамма-излучений, которые нам прислали японские коллеги, создается впечатление, что в основном там летучие продукты, то есть температура была не такая отчаянная, как на чернобыльском реакторе.

Очень важна, особенно для Японии, радиационная обстановка в море вблизи побережья Фукусимы. Они сливали в море часть воды, которую закачивали из моря для охлаждения реакторов. Конечно, это было не очень остроумное решение, но, по-видимому, на тот момент другой возможности у них не было.

Сейчас специалисты Радиевого института на научно-исследовательском корабле Дальневосточной академии наук уже ведут измерения в районе побережья Фукусимы в Тихом океане и вдоль Курильской гряды. Будет определяться концентрация нуклидов в пробах, будут производиться и другие исследования. По-видимому, какая-то часть биоты будет заражена продуктами деления. Но объем Тихого океана большой, поэтому опасность заражения не столь критична. А, во-вторых, существует такая технология сохранения продуктов, как консервирование. После Чернобыльской аварии большой объем продуктов из этого региона мы вывозили и помещали на хранение, с тем, чтобы использовать их после распада короткоживущих, наиболее активных изотопов. Думаю, что так же поступят и японцы.

Что можно использовать из опыта работ на ЧАЭС для решения задач Фукусимы ?


Во-первых, у нас разработан метод определения температуры раскаленного ОЯТ в аварийном реакторе по изотопному составу выброса (зная исходный состав ОЯТ по Сs134 / Cs137, по соотношению других продуктов в выбросе). Это оценка температуры ОЯТ по гамма-спектру изотопов, попадающих в шлейф выброса.

В свое время мы разработали вертолетные методы определения концентраций на площадке АЭС путём сканирования коллимированным детектором с вертолёта - снятие карты загрязнения площадки АЭС. Рядом на рис.6 представлена картина загрязнения территории площадки ЧАЭС, полученная данным методом. Разным цветом обозначены разные уровни загрязнения.


&
Рис. 6

После Чернобыльской аварии у нас сохранились "радиационно-стойкие" роботы, созданные нами для обследования распределения и состояния повреждённого ОЯТ. Они позволяют увидеть распределение источников гамма-излучения на площадке. Роботы работали в машинном зале 4 блока ЧАЭС через 2 года после аварии. С их помощью мы получили картину распределения остатков топлива по залу после взрыва.

Нашим институтом накоплен также достаточно большой опыт применения экспедиционных методик контроля радиоактивного загрязнения моря, которые используются уже и сегодня. Кроме того, я думаю, что идеи ВНИПИЭТ по созданию «Укрытия-2» (второй очереди известного "саркофага") японцам тоже могут пригодится.

Заключение

Фукусимскую атомную станцию конечно же закроют, и будет образована некая небольшая зона отчуждения. Но об отказе от атомной энергетики в условиях Японии речи быть не может.

 Наиболее серъёзной для Японии может стать проблема радиоактивности  морепродуктов – но эта проблема временная. Короткоживущие радиоактивные изотопы распадутся, и продукты после этого можно будет использовать.

За время моей профессиональной деятельности мне приходилось бывать в Японии и работать с японскими специалистами. Я знаю тех, кто сейчас занимается проблемами, возникшими в связи с Фукусимской аварией. Уверен, что они с этими проблемами справятся. А когда будут делать новые реакторы, потребуется учесть недочеты, выявившиеся в результате аварии. Нет сомнения, что японский народ проявит свои лучшие качества – мужество, трудолюбие и талант в обстановке этой масштабной катастрофы. Авария на АЭС – только небольшая часть этого бедствия. Надо пожелать им успехов в скорейшей ликвидации её последствий.

Схемы японских реакторов взяты из: Outstanding AREVA Presentation on Fukushima-Daiichi

Автор:  А.А.Римский-Корсаков, д.ф.-м.н., науч. рук. ФГУП НПО «Радиевый институт им.В.Г.Хлопина»