О реакторах, радиации, выбросах и Фукусиме

Не думал, что придется в итоге писать это. Несколько раз начинал и стирал. Постараюсь поведать просто о том, что происходит и может произойти на АЭС в Фукусиме, поскольку с субботы понимания у аудитории не прибавляется. Буду рад аргументированным дополнениям, взглядам и фактам, поскольку истерии и «да чё там, фсепрапала» более, чем достаточно слышал и читал (даже в наших топиках).

С самого начала заявлю и буду повторять по тексту — ядерного взрыва в Фукусиме нет, не было, и быть не может. Для сомневающихся добавлю, что в Чернобыле ядерного взрыва тоже не было. Это не делает ситуацию ничуть не легче и не проще, поскольку выброс радиации и распространение радионуклидов есть. Но. Все упирается в уровень радиации, а он на японской АЭС куда меньше, чем при аварии в Чернобыле.

Новостные агентства и жадные до «жареного» журналисты дают противоречивую картину, поэтому стоит начать с некоторых основ функционирования ядерных реакторов, описать особенности зданий самой АЭС Фукусима и прекратить поток безграмотных рассуждений.

Реакторы на АЭС Фукусима называются BWR (boiling water reactors) или, в российском/советском варианте ВВЭР (Водо-Водяной Энергетический Реактор). Для широкой аудитории наиболее понятным бытовым аналогом этого реактора послужит обычная кухонная скороварка. Разницей, пожалуй, будет лишь то, что нагрев воды происходит не конфоркой плиты снизу, а ядерными топливными элементами внутри. Да, ядерное топливо нагревает воду, вода превращается в пар, пар крутит турбину, турбина создает электричество. Затем пар охлаждают, конденсируют снова в воду, вода направляется внутрь реактора и процесс повторяется. Реактор данного типа работает при температурах около 250-290 градусов Цельсия и давлении порядка 75 атмосфер.

Топливом служит оксид урана. Оксид, по сути, керамический материал с высокой температурой плавления — около 3000 градусов Цельсия. Дело в том, что металлический уран плавится при 660 градусах, а при более 500 градусах он начинает распухать (физически расширяться). Оксид урана (точнее двуокись) и есть то самое топливо, которое содержится в ТВЭЛах — тепловыделяющих элементах.

Топливо производится в виде маленких гранул, которые помещаются в трубки из рекристализованного циркония. Цирконий имеет температуру плавления 2200 градусов, трубки эти герметично запаяны, в дальнейшем их собирают в ТВС — тепловыделяющие сборки. Сборки как раз и загружают в ядро (или активную зону) реактора.

Так вот, эти трубки и выступают в качестве первого контура защиты (давайте воспользуюсь английским словом containtment). Они отделяют радиоактивное топливо от внешней среды.
Далее трубки-сборки помещены в «скороварку» — герметичный контур реактора, заполненный очищенной водой, который позволяет держать температуру и давление и обеспечивать процесс работы — генерацию пара. Это второй контур защиты. Именно за него идет борьба сейчас, когда вы читаете новости про заполнение реакторов морской водой.

Все оборудование реактора со всеми трубами охлаждения, насосами, проводами и т.п. помещается в третий контур (containtment). Фактически это герметичный сосуд из усиленной стали и толстого слоя бетона, цель которого проста до безобразия — удержать ядерное топливо и всю гадость в случае расплавления ядра. Поэтому дно третьего контура выстилают графитом, чтобы в случае попадания расплавленного топлива погасить реакцию и охладить его.

Третий контур окружен, собственно, зданием реактора. Это внешние защитные стены, которые и превратились в облако пыли при взрыве — именно это все видели на кадрах телеканалов.
Теперь немного теории ядерных реакций и работы реактора. Выделение тепла в ТВЭЛах происходит при делении атомов. Реакция сопровождается также выбросом нейтронов. Нейтрон, бомбардируя следующий атом урана, вызывает его расщепление — выделяется тепло и очередные нейтроны. Возникает цепная реакция. Отмечу еще раз два момента. Происходящая реакция не может вызывать ядерный взрыв, это не атомная бомба! И если поместить ТВЭЛы вместе, то очень быстро они перегреются и расплавятся.

Для того, чтобы поддерживать реакцию и работу реактора нужно контролировать поток нейтронов — если их слишком мало реакция прекратится, если слишком много, то потеряем контроль. Для регулирования используют так называемые контрольные стержни. Они способны поглащать нейтроны вплоть до полной остановки цепной реакции. В случае нештатной ситуации и угрозы работы реактора они вдвигаются в активную зону реактора автоматически, гася ядерную реакцию и останавливая реактор. На Фукусиме это произошло, не сомневайтесь.

Ядерный реактор на воде (ВВЭР) построен таким образом, что при нормальном функционировании вы извлекаете контрольные стержни. Вода забирает тепло, превращается в пар. Опущу другие технические и технологические особенности, они большой роли для картины не играют.

При возникновении экстренной ситуации стержни задвинуты, реакция прекращена. Проблема в том, что тепловыделение трубок остается и необходимо продолжать охлаждать активную зону реактора, то есть поддерживать циркуляцию охлаждающей жидкости и не допускать повышение давления пара. Охлаждение трубок занимает несколько дней, но даже после этого они могут разогреваться. Расщепление топлива в ТВЭЛах сопровождается, в том числе, образованием радионуклидов. Вредных. Очень. В частности образуется цезий и йод. Радиоактивные.

Теперь к температуре и цирконию с водой. Если охлаждение активной зоны нарушается (а именно это и происходит в Фукусиме), то трубки начинают перегреваться, давление пара растет, уровень воды снижается. Обнаженные трубки из циркония очень быстро достигают температуры 1000 градусов, при этом начинается реакция с водяным паром. Увы, но реакция эта лишь поднимает температуру, причем очень быстро, практически до температуры плавления (порядка 1860 градусов) и начинается еще более страшная реакция — начинает выделяться водород.

Полагаю, что сейчас многие уже подумали — да, этот водяной пар с водородом удаляли из активной зоны, сбрасывая давление, а потом смесь рванула, разрушив внешнее здание реактора. По сути, так и было, ведь смесь водорода с кислородом есть гремучий газ. Так что всякий раз, когда вы видите сообщение «инженеры сбрасывают давление на блоке номер...» знайте, что происходит утечка радиации (незначительная!!!) и возникает угроза нового взрыва вне (!!!) корпуса реактора.

Опустим процесс нарушения энергоподачи на АЭС, который вывел из строя систему охлаждения реакторов на энергоблоках. Что происходит сейчас и почему ухудшается радиационный фон куда важнее. Вода, которая в нормальных условиях используется для работы и охлаждения, очищенная. Делается это по простой причине — каждый элемент примеси в воде (соль, минерал, и т.п.) будет активироваться в активной зоне. Чем чище вода, тем меньше радиации она несет в итоге. Надеюсь, не надо объяснять, сколько примесей в морской воде, которой сейчас заполняют активную зону в отчаянной попытке охладить ТВЭЛы?

Вернусь к рубежам защиты. До тех пор, пока разрушения корпуса реактора (читайте третьего контура) нет, угрозы серьезного выброса не возникает. Даже если ядро в итоге расплавится и топливо растечется ни взрыва, ни резкого выброса не произойдет. Вот только в этом случае заливать воду уже будет никак нельзя, иначе произойдет взрыв пара.

Далее. Сомнений в том, что трубки несколько раз оставались обнаженными (без воды) нет — официально сообщала об этом сама TEPCO. Даже если плавления трубок удалось избежать, что представляется весьма маловероятным, продолжает образовываться водород и выделяются радионуклиды. Отсюда необходимость сбрасывать давление (в атмосферу теперь уже), а это новые взрывы гремучего газа и ухудшение радиационной обстановки.

Поскольку морская вода закачивается, то инженеры плюнули на дальнейшие возможноси использовать энергоблоки — восстановлению реакторы уже не подлежат. Это примерно то же самое, что залить мартеновские печи водой. Как не печально, но нам осталось ждать не так долго. Либо ядра реакторов начнут плавиться и аварийные бригады сдадутся, либо процесс охлаждения выйдет на новый уровень и некая стабилизация наступит.

Ну и напоследок. Беда еще в том, что отработанные ТВС извлекают из активной зоны и охлаждают в специальных бассейнах. Охлаждают долго, до 4-6 лет, потому что они очень (!) радиоактивны. Лишь после этого периода их можно отправлять на переработку. Бассейны для охлаждения находятся вне корпуса реактора и если вода в них вскипит (а чего хуже трубки если трубки разбросало взрывами гремучего газа), то выброс будет куда сильнее :((