Как устроена система безопасности АЭС: стержни, спринклер, контейнмент

Физика реактора начинается с цепной реакции деления ядер урана. Деление происходит, когда в тяжелое ядро урана-235, содержащее 92 протона и 143 нейтрона, проникает свободный нейтрон. Он вносит избыток энергии в ранее покоящееся ядро, переводя его в возбужденное энергетическое состояние. Из подобного состояния любая материя стремится как можно скорее выйти. Раскол ядра на части – один из путей возвращения к минимуму энергии. Избыток энергии сбрасывается по нескольким каналам. 80% – это кинетическая энергия осколков, на которые разбилось ядро. Именно эта часть разогревает активную зону ядерного реактора и преобразуется затем в драгоценное электричество. 

Оставшаяся часть – это энергия, которую уносит из ядра ионизирующее излучение: гамма-излучение и свободные элементарные частицы. Среди этих частиц присутствуют 2–3 свободных нейтрона, которые инициируют следующие реакции деления. Чтобы цепная реакция не приобрела лавинообразный неуправляемый характер, достаточно лишь регулировать число свободных нейтронов в активной зоне.

Это делается с помощью специальных поглощающих стержней, как правило, заполненных карбидом бора, и борной кислоты, которая присутствует в контуре охлаждения реактора. Попадая в ядро атома бора, нейтрон «застревает» в нем и больше не участвует в ядерных реакциях. Уровень погружения поглощающих стержней в активную зону, а также концентрации борной кислоты в охлаждающем контуре автоматически регулируются системой управления и защиты (СУЗ) под пристальным контролем команды операторов, которые в зависимости от требуемой мощности реактора могут регулировать цепную реакцию с помощью электрического сигнала с пульта. 

Если при чрезвычайной ситуации на станции пропадет электричество, то поглощающие стержни автоматически погрузятся в активную зону. Для этого их подвешивают над реактором и фиксируют электромагнитами. При обесточивании стержни под действием силы тяжести неизменно опустятся в зону, где делится урановое топливо. Воспроизводство нейтронов прекратится, цепная реакция замедлится и остановится.

Кроме внешнего контроля над числом нейтронов конструкция активной зоны ВВЭР – наиболее распространенного типа энергетических реакторов – предусматривает так называемое саморегулирование. Если количество нейтронов возрастает, число реакций деления увеличивается. Закономерно растет общая температура топлива и конструкционных материалов активной зоны. Вслед за ней увеличивается температура теплоносителя – воды, что ведет к изменению ее плотности. Вода с пониженной плотностью лучше поглощает нейтроны, и количество реакций деления уменьшается. Данный эффект, который называется отрицательной обратной связью, возникает благодаря комплексным изменениям нейтронно-физических характеристик активной зоны, просчитанных и подобранных на этапе разработки реактора.

Радиоактивные продукты деления и образующееся в его ходе ионизирующее излучение не покидают корпус реактора благодаря четырем барьерам безопасности. Барьеры напоминают фильтры на водоочистительной станции, которые поэтапно задерживают крупные, средние, а затем и вовсе неразличимые глазом примеси. «Фильтры» в реакторе по очереди останавливают продукты радиораспада – от самых медленных и тяжелых осколков деления до самых легких и быстрых частиц.

Первым барьером служит сама топливная таблетка – спрессованный в характерную форму твердый диоксид урана. Таблетки перед сборкой в тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) спекаются при температуре 1650 °С, после чего они приобретают керамические свойства и задерживают некоторые нуклиды. Радионуклиды и частицы распада, которые проходят первый барьер, сталкиваются со вторым – оболочкой ТВЭЛ. Оболочку изготавливают из сплавов циркония ядерной чистоты, практически лишенного примесей, как правило, с небольшой добавкой ниобия. Чистота сплава обеспечивает повышенную коррозионную стойкость циркония. В нормальных режимах эксплуатации (без разгерметизации ТВЭЛ) все продукты деления остаются внутри ТВЭЛ. 

Третий и четвертый барьеры призваны окончательно запечатать нуклиды и частицы внутри реактора и не дать им ни единого шанса вырваться наружу. Корпус реактора толщиной 20 см и первый контур с теплоносителем, доставляющим тепло из активной зоны к парогенератору, – это третий защитный барьер. Четвертым является так называемый контейнмент – внешняя герметичная оболочка активной зоны, выполненная из железобетона. Толщина стенки контейнмента – 1 м: это надежная защита от возможного выхода радиоактивных веществ (или материалов) в окружающую среду даже в случае серьезной аварии.

Как АЭС защищены от террористических угроз? Все действующие станции охраняются войсками национальной гвардии Российской Федерации – вооруженными и оснащенными спецтехникой профессионалами. Линия охраны каждой АЭС выстроена по всему периметру. Попасть внутрь зданий станции можно только через контрольные пункты, предъявив пропуск с фотографией, который есть в электронной базе сотрудников. Любой нарушитель пропускного режима будет немедленно задержан. Кроме того, на проходной досматривают сумки и пакеты, чтобы исключить пронос (провоз) на территорию АЭС запрещенных предметов (оружие, боеприпасы и пр.). На каждом КПП установлены приборы обнаружения металлических предметов и видеонаблюдение.

Контейнмент, кроме защиты окружающей среды от радиации и активной зоны реактора от внешних угроз, обеспечивает также герметичность внутреннего объема ядерного реактора. При проектировании оболочки инженеры рассчитали невозможную гипотетическую ситуацию, когда вся поданная в реактор вода испарится. В этом случае контейнмент выдержит колоссальное давление – до 5 килограммов на квадратный сантиметр.

Давление пара снижается с помощью спринклерной системы (системы разбрызгивания), установленной внутри защитной оболочки под куполом. В случае аварии система активируется, и на активную зону разбрызгивается раствор борной кислоты и других веществ, под действием которых пар быстро конденсируется. За счет конденсации пара давление внутри контейнмента снижается до нормального за считаные секунды. 

Кроме спринклерной системы, под куполом реактора устанавливается система удаления водорода. Объем контейнмента довольно большой – 65 000-67 000 м³, потому риск скопления в нем водорода взрывоопасной концентрации пренебрежимо мал и без дополнительного оборудования. Рекомбинаторы ставят, чтобы еще больше снизить эту вероятность. Водород не скапливается в замкнутом объеме, и возможность его взрыва практически полностью исключена.

Спринклерная система разбрызгивания борной кислоты дублируется системой аварийного охлаждения активной зоны, которая автоматически активируется в случае максимальной проектной аварии – разрыва первого контура охлаждения реактора. В систему входят емкости с борной кислотой, расположенные над реактором. Бор отлично поглощает нейтроны, а значит, может экстренно погасить цепную реакцию деления ядер урана. Каждая емкость – толстостенный сосуд из двухслойной стали объемом 60 м³. Такого количества раствора хватит, чтобы охладить реактор до подключения системы аварийного расхолаживания и охлаждения, которая обеспечивает долговременный отвод тепла при любых аварийных ситуациях, в том числе и при полном обесточивании АЭС.

На дне шахты реактора расположена так называемая ловушка расплава – последний рубеж обороны при аварийных ситуациях. Она включается в работу, если, несмотря на систему отвода тепла, температура в реакторе продолжает расти и доходит до 2500 °С – температуры плавления конструкций. Это может произойти только в самых тяжелых авариях, вероятность которых почти нулевая: шанс примерно такой же, как шанс падения на Землю крупного метеорита, который способен уничтожить все человечество.

Ловушка расплава – это 750-тонное устройство, предназначенное для локализации расплавленной активной зоны реактора в пределах гермооболочки. По сути, это холодный тигель – огнеупорная емкость: подобные емкости используют для нагрева и плавления веществ. Ловушка заполнена «жертвенным» материалом из оксидов железа и борной кислоты, который впитывает в себя расплавленную активную зону и позволяет мгновенно заглушить реакцию деления и остудить расплав до затвердевания. Это значит, что расплавленное топливо в ловушке останется в стабильном безопасном состоянии. Ловушка расплава – это уникальная российская разработка, благодаря которой наши станции считаются самыми безопасными в мире.

Средства на обеспечение безопасности расходуются с этапа выбора площадки для строительства до вывода станции из эксплуатации. Огромное внимание этому вопросу уделяется в рамках культуры безопасности, которая действует на всех этапах жизненного цикла АЭС. Важно продумать и создать как активные системы безопасности, требующие участия человека и наличия источника электропитания, так и пассивные – те, что смогут работать без вмешательства человека даже в случае полного обесточивания станции. Соотношение этих систем позволяет максимально исключить человеческий фактор во внештатных ситуациях.

Помимо создания всех этих подсистем, на станции заботятся о постоянном контроле радиационной обстановки. Данные приборов, измеряющих фон, всегда доступны на сайте www.russianatom.ru. Кроме того, на каждой станции постоянно мониторят состояние оборудования и датчиков. Все АЭС снабжены резервными источниками электричества и воды. Эти меры обходятся недешево: стоимость системы безопасности доходит до 40% от общей стоимости станции. Но огромные затраты окупаются спокойствием людей и бесперебойной работой самого безопасного источника энергии на планете. Об этом говорит опыт стабильной эксплуатации водо-водяных реакторов в течение более 1400 реакторо-лет – это суммарная длительность работы реакторов этого типа.