«Наши главные принципы — безопасность и надёжность». Этот девиз атомщики повторяют постоянно, эти слова звучат на любой презентации атомной станции. Каким же образом и от чего конкретно защищены АЭС? Разбираемся на примере ВВЭР — самых распространённых реакторов, которые охлаждаются водой.
Что опасного есть на АЭС?
Начинка реактора атомной станции — ядерное урановое топливо, и оно радиоактивно, а значит, опасно.
Вообще-то с радиоактивностью любой из нас сталкивается каждый день: нас окружает естественный радиоактивный фон. Радиоактивным часто бывает гранит, из которого строят дома, делают красивые бордюры и даже изготавливают памятники. Когда мы летим в самолёте, мы получаем дозу радиации в несколько раз выше, чем на земле. Даже когда мы едим банан, мы едим радиацию — бананы содержат радиоизотопы! Но радиоактивность ядерного топлива гораздо выше — и для незащищённого человека она опасна.
А ещё уран может быть начинкой для атомной бомбы, что тоже, конечно, плохая реклама.
Опасный или важный энергетический ресурс? Четыре важных вопроса про обогащение урана
Может ли реактор взорваться?
Мы про ядерный взрыв? Нет, никак. Вообще никак! По законам физики. Ни действия человека, ни сбои оборудования АЭС не могут этого изменить.
Атомная бомба и ядерный реактор работают на одном физическом принципе — цепной реакции, в ходе которой и выделяется энергия — тепло. Но в бомбе эта реакция — дикая, а в реакторе — ручная.
В бомбе цепная реакция происходит практически мгновенно, вся энергия выделяется сразу — это и есть взрыв. А в атомном реакторе она идёт под контролем, энергия выделяется постепенно и сразу отводится теплоносителем — водой. Это не взрывной пожар, а уютный камин.
Хотя даже если реактор не контролировать вообще, ядерного взрыва не будет. Топливо АЭС не способно взорваться: радиоактивного урана в нём всего порядка 6% — меньше в 12 раз, чем нужно для взрыва. Мало того: чтобы запустить ядерный взрыв, нужно собрать уран в шарик и устроить небольшой взрыв, который равномерно бы обжал его со всех сторон. В реакторе это просто невозможно.
Как человек контролирует цепную реакцию?
Контролируемая цепная реакция — это именно то, что имели в виду учёные, когда мечтали «приручить атом». Как и автомобиль, реактор можно «разогнать», то есть увеличить его мощность, и «заглушить», остановив реакцию деления.
Что такое цепная ядерная реакция и при чём здесь замедлители
Для такого управления в реакторе есть «тормоза» — специальные стержни, которые замедляют цепную реакцию. Они заполнены соединениями бора, которые «ловят» нейтроны и не дают им дальше участвовать в ядерной реакции. Таких стержней много, и ими управляет автоматическая система управления и защиты (СУЗ) под контролем оператора. Чем сильнее нажать на «тормоз», то есть чем глубже погрузить стержни в активную зону реактора, тем медленнее идёт реакция. Так регулируется мощность реактора.
Если на АЭС вдруг пропадёт электричество и насосы перестанут качать в реактор охлаждающую воду, такие же стержни сами собой заглушат реактор. Они подвешены над активной зоной на электромагните: если исчезнет электричество, магниты отключатся, стержни упадут в активную зону под действием силы тяжести — и цепная реакция остановится. Это одна из пассивных систем аварийной защиты.
А ещё реактор умеет контролировать себя сам. Изюминка в том, что вода, кроме того, что охлаждает, умеет ещё и поглощать нейтроны. В рабочем виде реактор сбалансирован так, что вода работает внешним экраном, но не замедляет цепную реакцию. Но если реактор «разгоняется», он становится горячее, соответственно, больше нагревается и вода. Чем горячее вода, тем ниже её плотность, а чем ниже её плотность, тем лучше она поглощает нейтроны. А чем меньше свободных нейтронов, тем медленнее реакция. Этот эффект называется отрицательной обратной связью.
Разве реактор не «фонит»?
«Фонит» то, что внутри реактора, но АЭС построены так, чтобы из него ничего не просочилось. Для этого там есть четыре барьера безопасности.
Первый и второй — таблетка, в которую спрессовано топливо, и оболочка твэла, стержня, в который столбиком упакованы топливные таблетки. Они сделаны из материалов, которые не пропускают радиоактивных элементов.
Турбина высотой с четырёхэтажку: как строят атомные электростанции
Третий и четвёртый — это то, что окружает реактор. Прежде всего, корпус реактора толщиной в 20 см и вода.
А сам реактор упакован во внешнюю железобетонную оболочку толщиной в метр — как очень толстую и мощную скорлупу. Её называют контейнмент, и он настолько крепкий, что может выдержать падение самолёта, ураган и даже ударную волну от взрыва в 30 кПа — такой удар разрывает человеку барабанные перепонки и разрушает дома. А контейнмент выдержит.
А вдруг в реакторе всё-таки что-то пойдёт не так?
Вероятность таких «вдруг» проектировщики АЭС считали — самые частые оцениваются как один на миллион. Но и на эти редкие случаи на АЭС есть свои системы безопасности.
Если, например, вода первого контура протечёт и испарится и в реакторе взлетит давление, то сработает спринклерная система. Она установлена прямо внутри корпуса реактора, под куполом. В случае такой аварии она разбрызгивает борную кислоту, под воздействием которой пар конденсируется, и давление падает за считанные секунды. А внутреннее давление реактору не страшно: контейнмент выдержит.
Если теплоноситель вообще выльется, поможет система аварийного охлаждения: баки с борной кислотой. Из них можно просто залить реактор — и бор замедлит цепную реакцию вплоть до полной остановки. Причём эта система сработает автоматически, если давление в трубах системы охлаждения упадёт до определённого значения.
Террористы, самолёт, цунами и другие страшилки атомных электростанций
Даже если стенки реактора расплавятся и топливо начнёт протекать, его «поймает» ловушка расплава на дне реакторной шахты. Вероятность такой аварии почти нулевая — шанс такой же, как упавший на Землю метеорит, который уничтожит жизнь. Но ловушка расплава на АЭС всё равно есть. Она похожа на тигель: это огнеупорная чаша, наполненная всё тем же бором и другими веществами, которые заглушат ядерную реакцию и остудят топливо прямо внутри контейнмента.
Как в Фукусиме не будет?
Авария на АЭС «Фукусима» случилась как раз из-за того, что реактор остался без охлаждения. В результате цепочки химических процессов внутри корпуса реактора накопился водород, который в итоге и взорвался. В реакторах российских АЭС есть специальные рекомбинаторы водорода, которые не позволяют этому газу скапливаться.
Кроме того, после аварии на АЭС «Фукусима» на всех атомных станциях установлены дополнительные дизель-генераторы. Они в случае отключения электроэнергии подадут на станцию ток, и реактор не останется без охлаждения.
А как в Чернобыле?
Причины аварии в Чернобыле анализировали атомщики всего мира. Технические ошибки, которые привели к аварии, на других аналогичных станциях исправили, заменили оборудование.
Но главное, на Чернобыльской АЭС стоял реактор другого типа — не ВВЭР, а РМБК. Кроме прочих отличий, у реактора РБМК нет того самого защитного корпуса, но это не считается критичным элементом. Таких больше просто не строят.
ВВЭР-1000: старожил атомной энергетики
От террористов тоже есть защита?
Сейчас на многих атомных станциях нашей страны можно побывать с экскурсией. Очень рекомендуем! Во-первых, это суперинтересно, а во-вторых, вы на своём опыте узнаете, что такое — зайти на атомную станцию. Такую проверку вы вряд ли где-то встречали: и заборы, и видеонаблюдение, и КПП, и проверка ваших документов за несколько недель до визита, и личный досмотр… Вам даже мобильный телефон не дадут с собой пронести: это запрещено.
Причём охраняют атомные станции не сотрудники АЭС, а специальные подразделения Росгвардии, так что они проверяют как гостей, так и самих сотрудников.
А если люди всё-таки что-то упустят?
Системы безопасности АЭС автоматические. Их контролируют живые операторы, но людей страхует автоматика. Причём трижды: на ВВЭР есть три независимых канала систем безопасности, каждый из которых может заменить всю систему. Дублируются и системы подачи охлаждающей воды, и системы электроснабжения.
А главное, немалая часть систем безопасности АЭС — пассивные, то есть срабатывают вне зависимости от действий человека и автоматики. Материалы топливных таблеток и твэлов, эффект отрицательной обратной связи, падающие стержни-замедлители и так далее — всё это обеспечивают искусно применённые и непреложные законы физики. А с ними не поспоришь.
Еще больше интересных материалов в журнале «Луч».
