За последние десятилетия атомная энергетика и использование расщепляющихся материалов прочно вошли в жизнь человечества. В настоящее время в мире работает около 450 ядерных реакторов. Атомные станции позволили существенно снизить «энергетический голод» и оздоровить экологию в ряде стран. Так, во Франции более 75% электроэнергии выдают атомные станции. При этом количество углекислого газа, поступающего в атмосферу, удалось сократить в 12 раз.
Атомные станции и радиационно (ядерно) опасные объекты, классификация, характеристика, основные источники ионизирующих излучений на атомной станции.
В условиях безаварийной работы АЭС, атомная энергетика — пока самое экономичное и экологически чистое производство энергии, и альтернативы ей в ближайшем будущем не предвидится. Радиоактивные вещества широко используются также и в других областях экономики. В медицине и военном деле.
Вместе с тем, расширение сферы применения источников радиоактивности ведет к увеличению риска возникновения аварий с выбросом радиоактивных веществ и загрязнением окружающей среды.
В результате таких аварий могут возникать обширные зоны радиоактивного загрязнения местности. Происходить облучение персонала радиационно (ядерно) опасных объектов (РОО и ЯОО) и населения. Это будет характеризовать создающуюся ситуацию как чрезвычайную. Подобные аварии будут носить характер радиационных и ядерных.
Радиационно (ядерно) опасные объекты и ох характеристика.
К радиационно опасным объектам (РОО) относятся объекты, на которых хранятся, перерабатываются, используются или транспортируются радиоактивные вещества. При аварии на которых может произойти облучение ионизирующими излучениями людей, сельскохозяйственных животных и радиоактивное загрязнение окружающей среды. В состав РОО по ряду критериев входят и так называемые ядерно опасные объекты. Представляющие наибольшую опасность при авариях.
Ядерно опасные объекты и их классификация.
Под ядерно опасными объектами понимаются объекты, имеющие значительное количество ядерноделящихся материалов (ЯДМ) в различных физических состояниях и формах. Потенциальная опасность функционирования которых заключается в возможности возникновения в аварийных ситуациях самоподдерживающейся цепной ядерной реакции (СЦЯР). Например, возникновение СЦЯР с разной степенью вероятности возможно на всех объектах ядерно-топливного цикла (ЯТЦ). Кроме горно-обогатительных комбинатов.
Схема ядерного топливного цикла.
К ядерно опасным объектам относится:
— Большинство объектов ядерного топливного цикла и в первую очередь атомные станции.
— Ядерные энергетические установки (реакторы) различного назначения.
— Научно-исследовательские реакторы.
— Объекты ядерно-оружейного комплекса.
Атомные станции как объекты повышенной радиационной опасности.
Атомная энергетика в нашей стране дает около 13% электроэнергии от общего объема ее производства и пока альтернативы ей нет. Строительство атомных станций будет продолжаться, а потому вопрос об обеспечении их безопасной эксплуатации и мер по защите населения от радиоактивного облучения имеет важное значение.
Главным элементом атомной станции (АС) является ядерная энергетическая установка (ЯЭУ). Реактор, работа которого основана на получении тепловой энергии за счет реакции деления ядерного топлива. В качестве которого в большинстве реакторов используется уран-235.
Однако цепная реакция деления в природном уране, состоящем из трех изотопов: урана-234, урана-235 и урана-238, невозможна из-за низкого содержания в нем основного делящегося изотопа — урана-235. Его доля составляет всего 0,7%.
Вызвать цепную реакцию можно путем повышения в природном уране доли содержания урана-235 (обогащение до 25%). Либо путем замедления основной массы образующихся в реакторе нейтронов до тепловых скоростей. Используя способность слабо обогащенного урана-235 к более активному захвату тепловых нейтронов. И тот, и другой способы применяются в атомных реакторах.
При этом реакторы, в которых используется замедление нейтронов, называются реакторами на медленных (тепловых) нейтронах, а реакторы с использованием сильно обогащенного урана — реакторами на быстрых нейтронах.
Классификация атомных станций.
В качестве ядерного топлива в реакторах на медленных нейтронах используется диоксид урана с содержанием урана-235 около 2-4%. А в реакторах на быстрых нейтронах — сильно обогащенный уран либо плутоний-239. В реактор ядерное топливо помещается в виде сборок твэлов (тепловыделяющих элементов) — циркониевых трубок, заполненных таблетками диоксида урана.
В реакторах на тепловых нейтронах для снижения энергии, а следовательно, и скорости нейтронов, используются замедлители нейтронов. Графит (в реакторах типа РБМК) и воду (в реакторах типа ВВЭР). Тепловая энергия, выделяющаяся в результате цепной реакции деления, отводится из реактора прокачкой через его активную зону жидкого или газообразного вещества — теплоносителя.
В последующем это тепло преобразуется в механическую энергию вращения турбины, а затем — в электрическую. Оно может быть использовано также для подогрева воды в коммунальных или производственных сетях теплоснабжения. Современные атомные станции в качестве теплоносителя используют очищенную и обессоленную воду (в реакторах на тепловых нейтронах) и жидкий металл — натрий (в реакторах на быстрых нейтронах).
Контуры атомных станций.
Замкнутый контур, в котором циркулирует теплоноситель, называют контуром теплоносителя или первым контуром АС. Вторым замкнутым контуром АС является контур так называемого рабочего тела. Рабочее тело — это вода, которой теплоноситель через парогенератор передает тепло из реактора. И она в виде пара высокого давления вращает турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию.
В некоторых типах АС вода выполняет одновременно роль и теплоносителя и рабочего тела, циркулируя в одном контуре. Такие станции называются одноконтурными. В двухконтурных станциях высокорадиоактивный теплоноситель и рабочее тело в целях большей безопасности заключены в раздельные контуры, сообщающиеся через теплообменник.
Трехконтурные станции строятся там, где требуется особо высокая степень очистки воды от радиоактивных веществ. Например, при использовании ее в сетях теплоснабжения городов.
Разнос контуров теплоносителя и рабочего тела связан с обеспечением радиационной безопасности. Ибо теплоноситель первого контура, где и возникает большинство аварийных ситуаций, высоко радиоактивен. Поэтому в одноконтурных АС любая протечка радиоактивной воды или выход пара высокого давления — это угроза безопасности для людей и, прежде всего, для персонала станции.
Двухконтурные атомные станции и тем более трехконтурные атомные станции с реакторами ВВЭР являются более безопасными, чем одноконтурные. Так как теплоноситель и элементы второго и третьего контура слабо радиоактивны или не радиоактивны.
Безопасность трехконтурных AC обусловлена также наличием внешнего защитного корпуса. Выполненного из высокопрочных металлов. В нем по типу «матрешки» заключены страховочный корпус и корпус реактора. Это исключает в случае разрушения реактора выход радиоактивности в окружающую среду.
Основные источники ионизирующих излучений на атомной станции.
В процессе работы, атомные станции по мере «выгорания» топлива в твэлах реактора накапливают большое количество радиоактивных продуктов деления. Это связано с тем, что образующиеся при распаде атома урана-235 (плутония-239) радиоактивные «осколки» образуют цепочку превращений. В каждой из которых образуется новый радиоактивный изотоп.
Так как каждый атом делится на неравные по количеству нуклонов осколки. Каждый из которых представляет собой химический элемент. В итоге, в реакторе образуется около 300 радиоактивных изотопов 82 химических элементов. Большинство изотопов, образующихся в процессе превращений, относятся к категории короткоживущих и, следовательно, имеют высокую активность.
Поэтому при возникновении аварии, когда в большинстве твэлов процесс распада не завершен, в реакторе наблюдается высокая активность. В реакторе ЧАЭС к моменту взрыва активность составляла около 2000 МКи. А в выбросах — высокие уровни радиации, спад которых наиболее интенсивно протекает в первые часы после выброса.
Таким образом, основными источниками ионизирующих излучений на АС являются:
— В активной зоне реактора — радиоактивные продукты деления.
— Вне ее — различное оборудование и элементы контура, в процессе работы получающие наведенную радиацию.
Для обеспечения надежной работы АС и радиационной безопасности персонала и населения проектами предусматриваются соответствующие системы безопасности.
Системы безопасности атомных станций.
Ядерная и радиационная безопасность АС обеспечивается комплексом систем безопасности, предназначенных для предотвращения повреждений ядерного топлива и оболочек твэлов:
— Аварий, вызванных нарушением контроля и управления цепной ядерной реакцией деления.
— Нарушений теплоотвода из реактора.
— Других аварийных ситуаций.
К важнейшим из них относятся:
— Системы управления и защиты реактора. Комплекс бариевых стержней — поглотителей нейтронов. Опускаемых в активную зону для управления ходом реакции и остановки реактора.
— Системы аварийного охлаждения. Система насосов для прокачки большой массы холодной воды через активную зону.
Ограничение распространения радиоактивных веществ и ионизирующих излучений, образующихся в процессе работы реактора, осуществляется с помощью системы барьеров безопасности.
Она может включать:
— Оболочки таблеток ядерного топлива. Удерживающие значительную часть образующейся активности.
— Герметичные оболочки твэлов. Также удерживающие часть активности и способные противостоять высокому давлению накапливающихся газообразных продуктов деления.
— Корпус реактора, изготовленный из стали толщиной несколько десятков миллиметров.
— Бетонную шахту гермопомещения реактора с прослойками из поглощающих материалов и воды.
— Защитный корпус станции. Дополнительными барьерами служат также страховочный и внешний защитные корпуса.
По материалам книги «Защита населения и территорий в чрезвычайных ситуациях».
Емельянов В.М., Коханов В.Н., Некрасов П.А.
