Ядерная лава способна расплавить почти любой материал

Результаты эксперимента с кориумной лавой

Самое интересное в научных исследованиях – это сделать открытие совсем не в той сфере, в которой работал. Таким открытием является радиоактивная лава, опасность которой обнаружилась при исследовании аварий на Чернобыльской АЭС и на Фукусиме.

Казалось бы, какая вообще может быть связь между лавой и ядерной энергетикой? Тем не менее, эта связь есть. Не с искусственной лавой, которую люди производят, преимущественно, ради искусства, а с той радиоактивной субстанцией, при встрече с которой можно смело прощаться с жизнью. Происхождение такой лавы преимущественно случайно и последствия её появления исключительно трагические.

Чтобы понять, о чём идёт речь, необходимо вернуться к атомным электростанциям. Объектом нашего внимания является ни что иное как расплавление ядерных топливных элементов реактора. Это происходит, когда реакции расщепления ядра, происходящей в реакторе, становится невозможно обеспечить должное охлаждение и начинает нагреваться всё, включая урановый стержень и бетонный пол самого здания АЭС. Во время катастрофы, такой, как в Чернобыле или на Фукусиме, становится невозможным охлаждение урановых стержней, и жар начинает с высокой скоростью распространяться по станции. Два наиболее важных первичных изотопа, которые используются в реакции расщепления ядра, это уран-235 и плутоний-239. Расщепление становится возможным с помощью поглощения нейтроном изотопов с ещё более коротким периодом полураспада (таких как цезий и стронций), и, собственно, является источником тепла и самой сущностью работы ядерного реактора. Цепная реакция расщепления, разложения и поглощения разъединённых альфа-частиц другими атомами может продолжаться бесконечно; нагрев будет происходить до точки, на которой урановые стержни (сделаны оны преимущественно из обогащённого урана) начнут деформироваться, а если температура поднимется ещё выше — плавиться. Обычно ядерный реактор охлаждается водой, но в непредвиденных обстоятельствах стержни расплавятся полностью, превратившись в лаву.

Разумеется, такая искусственная лава отличается по составу от природной вулканической субстанции. Урановые стержни состоят из циркониевого корпуса и ядерного топлива — диоксида урана — внутри. В случае аварии на АЭС, когда температура превышает максимальный допустимый лимит в 700 градусов, стержень начинает деформироваться. Когда же температура достигает отметки в 1200 градусов, урановые стержни плавятся, превращаясь в субстанцию, состоящую из урана и циркония.

Для того, чтобы сделать ядерный реактор безопаснее, необходимо изучить, как ведёт себя кориум, то есть, смесь, состоящая из ядерного топлива и расплавленных соседствующих материалов. Исследователи из Аргоннской Национальной лаборатории воссоздали кориум для более детального его изучения. В Интернете можно найти великолепные видеоролики, выложенные в сеть именно этой лабораторией. На этих видео можно заметить, что кориум обладает ещё более низкой вязкостью, что неудивительно, ведь температура этой радиоактивной жижи – свыше 2000 градусов, в то время как вулканический расплавленный базальт нагрет в лучшем случае до 1100-1200 градусов. Лаборатория использовала больше тонны лавы из диоксида урана в некоторых своих экспериментах, чтобы узнать, как быстро кориум прорвётся через такую преграду, как бетонные пол и стены ядерного реактора. Оказалось, очень быстро: кориум проплавляет себе путь сквозь бетон со скоростью около 30 см в час. Кроме того, экспериментальным путём исследователи убедились, что охлаждения водой может быть недостаточно: кориум, уничтожая все на своё пути, вырвется наружу в считанные часы.

Обе катастрофы на ядерных электростанциях достигли стадии образования кориума. И Чернобыль, и Фукусима столкнулись с этим явлением. В то время как японцы утверждают, что лава не вышла за пределы здания АЭС (этот факт, кстати, не доказан), на советской электростанции, несомненно, контроль над ситуацией был потерян полностью. Существуют фотографии из Чернобыля, на которых видны трёхметровые потёки застывшего кориума. К счастью, температура плавления бетона, состоящего в основном из известняка, выше температуры плавления урановых стержней, в итоге сам процесс плавления бетона и смешивания его с лавой, охлаждает кориум. Поэтому так много внимания уделяется поиску оптимального состава бетона для постройки ядерных реакторов.

Кориумная лава (на снимке уже застывшая), которая проплавила себе путь сквозь подвал Чернобыльского ядерного реактора в 1986 году

Почему же тогда кориум так опасен? Ведь дальше трех метров за пределы реактора лава продвинуться не в состоянии? Не следует забывать о составе этой субстанции. Даже когда кориум совершенно застынет, он будет очень и очень радиоактивен еще многие столетия.

Измерения радиоактивности и газов, выделяющихся из охлаждённого реактора Фукусимы, показали, что кориум во время катастрофы продвинулся более чем на полметра через заграждающие бетонные стены.

На самом деле стадия образования кориума – явление очень редкое, оно возникает только при условии цепной реакции чрезмерного количества высокоактивных изотопов. Впрочем, существуют теории, что в далеком прошлом на нашей планете имелись естественные ядерные реакторы, которые нагревали Землю за счет расщепления урана, тория и калия.