Мертвая вода

Поврежденный энергоблок "Фукусимы-1". Фото ©AFP

Мертвая вода

Почему на "Фукусиме" продолжает расти радиоактивный фон

Начиная с 11 марта, когда в Японии произошло мощнейшее землетрясение, сопровождающееся цунами, СМИ каждый день сообщают о ситуации на АЭС "Фукусима-1", где 12 марта произошло сразу несколько взрывов. В минувшие выходные появилась новость о том, что уровень радиоактивности воды во втором энергоблоке аварийной АЭС превышает норму в 10 миллионов раз. Через некоторое время выяснилось, что это сообщение было ошибочным, а превышение по сравнению с нормальным радиоактивным фоном составляет всего 100 тысяч раз.

И хотя новая цифра на два порядка меньше изначальной, она все равно пугает. Да и вообще, большей части телезрителей и читателей новостей в интернете точное значение этого сообщения не ясно. Насколько опасно такое превышение для людей? Грозит ли жителям Японии и остальной части планеты серьезная угроза? И почему на неработающей АЭС постоянно растет уровень радиоактивного излучения? Попробуем разобраться с этими вопросами.

Что произошло

Атомные электростанции - это, на сегодняшний день, единственная разумная альтернатива углеводородной энергетике и, кроме того, один из самых надежных видов установок для получения энергии. Современные АЭС сконструированы таким образом, что могут выдержать землетрясение, цунами, падение самолета и многие другие катастрофы. При строительстве АЭС инженеры ориентируются на возможные источники опасности в данной конкретной местности и соответствующим образом рассчитывают надежность станций. Однако предсказать почти 9-балльное землетрясение вкупе с разрушительным цунами строители не смогли - и в итоге на АЭС "Фукусима" произошло сразу несколько аварий.

На момент землетрясения на "Фукусиме" работали только три энергоблока - с первого по третий. Реакторы в четвертом, пятом и шестом энергоблоках были заглушены для проведения плановой проверки. Сразу после возникновения подземных толчков работающие реакторы были автоматически заглушены - благодаря этому удалось избежать повторения Чернобыльской трагедии. АЭС находится недалеко от берега моря, и от возможных цунами ее защищала специальная стена, способная сдержать волну высотой до 5,7 метра. Высота водяной стены, обрушившейся на "Фукусиму-1" 11 марта, составила 14 метров.

Морская вода серьезно повредила электросети, снабжающие станцию энергией (плюс они были частично выведены из строя в результате землетрясения), и в итоге на "Фукусиме-1" отключилось электроснабжение. Некоторое время станция продержалась на дизельном генераторе, но потом отказал и он. Электричество необходимо АЭС, в частности, для того, чтобы поддерживать в рабочем состоянии систему охлаждения. Чтобы понять, зачем нужно охлаждение и чем грозит его отказ, необходимо разобраться в устройстве реактора "Фукусимы".

Теория

На японской АЭС работают водо-водяные реакторы - один из самых распространенных типов реакторов в мире. Источником энергии на таких АЭС (как, впрочем, и на всех остальных) являются реакции ядерного распада - на "Фукусиме-1" распадался уран, находившийся в форме диоксида урана. Таблетки диоксида урана уложены стопками друг на друга внутри так называемых топливных стержней толщиной примерно с карандаш. Помимо таблеток диоксида урана топливные стержни включают различные вспомогательные детали, в том числе защитную циркониевую оболочку, предохраняющую топливо от повреждений (это оболочка понадобится для дальнейших объяснений). Вся эта конструкция целиком носит название тепловыделяющего элемента, или ТВЭЛа, так как ядерный распад сопровождается выделением очень большого количества тепла. ТВЭЛы, объединенные вместе называют тепловыделяющими сборками (ТВС), и именно в таком виде они находятся в реакторах.

При распаде нестабильные тяжелые ядра урана "разваливаются" на ядра более легких элементов, часть из которых также неустойчивы и впоследствии делятся на еще более мелкие ядерные "обломки". Помимо ядер более легких элементов в процессе распада выделяются нейтроны - элементарные частицы, входящие вместе с протонами в состав ядер всех элементов (исключением является только изотоп водорода протий).

Нейтроны вылетают из ядер с огромной скоростью и несут в себе много энергии. Если такой нейтрон столкнется с пока еще целым ядром урана, он может спровоцировать его спонтанное деление, которое, в свою очередь, также приведет к выбросу нейтронов. Последовательное выделение все большего и большего числа нейтронов и, соответственно, распад все новых ядер урана называют цепной реакцией.

Для того чтобы началась цепная реакция, недостаточно только наличия радиоактивных изотопов урана - если топлива мало или концентрация собственно нестабильных ядер в нем низка, то вероятность встречи вылетающих нейтронов с новыми ядрами оказывается низкой и большая их часть просто рассеивается в среде. Для того чтобы повысить шансы на столкновения нейтронов с ядрами, пространство между ТВСами в водо-водяных реакторах заполняют водой – образовавшиеся в результате распада ядер урана нейтроны сталкиваются с входящими в состав воды ядрами кислорода и водорода и при каждом столкновении чуть-чуть замедляются. Таким образом, H₂O не дает нейтронам улететь за пределы реактора, не выполнив свою работу.

Среда, в которой происходит цепная реакция ядерного распада, очень быстро нагревается, и это тепло служит для нагрева большого количества воды, превращающейся в пар. Пар подается на турбину, связанную с генератором электроэнергии. Вращающий лопасти турбины пар образуется не из той же воды, которая замедляет нейтроны - такая схема слишком опасна, так как вода-замедлитель неизбежно накапливает радиоактивные изотопы. "Грязная" вода передает тепло от реакций распада воде, циркулирующей в смежном контуре и прямо не контактирующей с реакционной средой. Отводить тепло от ТВСов необходимо не только для получения энергии - если их оставить оголенными и не охлаждать, то в реакторе начинает протекать пароциркониевая реакция, в которой участвует та самая защитная оболочка ТВСов.

Цирконий очень легко взаимодействует с водяным паром, а продуктами такого взаимодействия являются оксид циркония и водород. Если в реакторе накопится достаточно много водорода, то рано или поздно он прореагирует с кислородом воздуха и произойдет взрыв.

Практика

Именно такой сценарий реализовался на энергоблоках "Фукусимы-1". Из-за сбоя в подаче электроэнергии на систему отвода тепла от активной зоны температура в реакторах начала расти, и находящаяся между ТВСами вода стала постепенно испаряться. Когда ТВСы оголились, на них начала протекать пароциркониевая реакция, окончившаяся взрывом. Источником тепла в остановленных реакторах являются спонтанно распадающиеся ядра урана и нестабильные изотопы более легких элементов, образующиеся в ходе распада. Так как период полураспада многих из этих изотопов измеряется месяцами и даже годами, отработанное топливо может "тлеть" очень долго.

Помимо накопления водорода и взрывов из-за подъема температуры в энергоблоках "Фукусимы" начали плавиться сами топливные стержни, и сейчас уран находится там не в форме компактных таблеток, а более или менее равномерно распределен по реакционной смеси. Казалось бы, какая разница, как именно распределен уран, если его количество не изменилось? Однако это неверное представление.

Когда радиоактивное топливо уложено в небольшие стержни, операторы могут легко управлять ходом ядерной реакции - в случае каких-либо сбоев в активную зону в непосредственной близости от ТВСов погружаются регулирующие стержни из материала, хорошо поглощающего нейтроны (в водо-водяных реакторах такой способ контроля используется обычно в случае аварий - при нормальной работе станции существуют другие механизмы управления интенсивностью реакций распада). Чаще всего регулирующие стержни расположены над активной зоной - они удерживаются на высоте за счет поля, создаваемого электромагнитами, и в случае отключения питания просто падают вниз. На "Фукусиме-1" стержни находились под активной зоной, однако, по всей видимости, аварийные системы сработали штатно и успели заглушить реакцию в энергоблоках.

Стержни позволяют моментально прекратить цепную реакцию, но только в том случае, если топливо находится рядом с ними. После частичного расплавления таблеток диоксида урана управлять ходом распадов при помощи стержней стало невозможно. Именно по этой причине взорвавшиеся реакторы в качестве крайней меры заливали водой с борной кислотой - бор очень эффективно задерживает нейтроны. Но распадаться различные нестабильные изотопы будут еще очень долго.

Накопившийся в реакторах водород был стравлен в помещения энергоблоков, где он и взорвался. Однако при взрывах, по-видимому, были повреждены защитные оболочки реакторов (контайнменты), что создает угрозу выхода радиоактивных веществ за пределы энергоблоков.

Как сообщили автору источники, близко знакомые с ситуацией на "Фукусиме", на сегодня эксперты не могут дать точных прогнозов развития ситуации. Страшного взрыва с выбросом в окружающую среду огромного количества радиоактивных изотопов, как в Чернобыле, уже не будет, однако несколько дней назад появились сообщения, что в энергоблоках станции зарегистрированы нейтронные пучки - признак того, что где-то в реакционной смеси идет цепная реакция.

Еще одна опасность - это хранилища ядерного топлива, в том числе отработанного. Топливо хранится в форме ТВСов, погруженных в бассейны с водой. На "Фукусиме" такие бассейны располагаются в энергоблоках и из-за взрывов и повышения температуры топливные стержни в них тоже расплавились. Недавно появились сообщения, что в почве рядом с АЭС обнаружен плутоний - не исключено, что он вытек из хранилища топлива в третьем энергоблоке - как уточнил источник, именно в третьем блоке - единственном из шести - используется уран-плутониевое топливо.

Последствия

Из-за того, что на данный момент неясно, как дальше будет развиваться ситуация на станции, последствия для людей предсказать тоже непросто. Но на данный момент "Фукусима-1" не представляет большой опасности для жителей Японии. Как рассказал "Ленте.Ру" руководитель Национального радиационно-эпидемиологического регистра, заместитель директора МРНЦ РАМН, член-корреспондент РАМН, доктор технических наук, профессор, содиректор Сотрудничающего центра ВОЗ по радиационной эпидемиологии и подготовке кадров, член Научного комитета ООН по действию атомной радиации, заместитель председателя Российской научной комиссии по радиационной защите Виктор Иванов, точной оценки доз облучения, полученных японцами, которые жили в границах теперешней зоны отчуждения, пока нет. Однако даже среди спасателей, которые работали совсем рядом с реакторами, только 10-15 человек "схватили" дозу больше ста миллизиверт.

Иванов добавил, что на сегодня не существует данных, которые бы подтверждали, что при получении такой дозы у человека повышается риск развития раковых заболеваний. Опасность начинается при дозах от 150 миллизиверт, а смертельной считается доза в 4-6 зиверт (то есть в 4000-6000 миллизиверт).

Иванов рассказал, что он и его сотрудники в Сотрудничающем центре ВОЗ моделируют различные варианты развития событий в Японии и имитируют те или иные дозы радиоактивного излучения, полученные населением, и пока все модели указывают, что действия властей Японии вполне компетентны и позволяют населению не "схватить" дозу более сотни миллизиверт. Однако Иванов отметил, что все эти оценки очень грубые и предварительные - у специалистов пока нет фактических данных о том, сколько времени люди находились поблизости от станции, что они ели, пили и так далее.

Прокомментировал Иванов и информацию о тысячекратном превышении содержания радиоактивного изотопа иода-133 в акватории у АЭС "Фукусима-1". При облучении инкорпорированным (то есть попавшим внутрь организма) иодом в дозе до ста миллигрей риск повышения рака щитовидной железы минимален и пока для жителей Японии риска получить опасную дозу нет. Но это пока.

В общем и целом, можно сказать, что последствия аварии на "Фукусиме-1" на сегодня удалось минимизировать. Однако рано или поздно руководству страны предстоит решать, что дальше делать с аварийной станцией - многие специалисты считают, что надежнее всего закрыть поврежденные энергоблоки бетонными куполами, но установить их можно только с привлечением людей, которые неизбежно получат огромные дозы излучения. Так что самое сложное решение властям Японии только предстоит принять.