Чернобыль: новая опасность
В журнале Science вышла статья, автор которой утверждает, что внутри Чернобыльского саркофага может продолжаться цепная реакция. Правда ли это? Чтобы разобраться с этим утверждением, хорошо бы в принципе представлять себе, что такое ядерная энергетика, играющая важнейшую роль в экономике нашей страны.
О прошлом, настоящем и будущем АЭС рассказывает гость программы «Вопрос науки» — доктор физико-математических наук, профессор и заместитель директора Института ядерной физики и технологий Национального исследовательского ядерного университета МИФИ Георгий Тихомиров.
Зачем вообще рисковать и строить АЭС
Главное, что отличает ядерный реактор от других типов электростанций, — это деление ядер в активной зоне. Этот процесс уникален тем, что в нем выделяется очень много энергии в одном акте. На обычной станции у нас протекают химические реакции, и там один акт деления дает электронвольты. При одном акте деления ядра на атомной станции выделяется 200 мегаэлектронвольт.
То есть атомная электростанция в 200 млн раз эффективнее обычной.
Приведу пример. Для того чтобы тепловая станция, работающая на угле, обеспечивала энергией средних размеров город, надо привезти два состава угля в день. Для того чтобы работала такой же мощности атомная электрическая станция, нам нужно несколько вагонов топлива в год.
Что происходит внутри реактора
Возьмем широко распространенный водо-водяной энергетический реактор. Его активная зона — 3 м в диаметре и 3 м в высоту. И в ней течет вода. Тепло, которое выделяется в результате деления ядер, передается обычной воде, но при необычных параметрах, что интересно. Вода там имеет 160 атмосфер давления и поэтому не кипит при температурах выше +300 °С. Она остается водой, а не паром, и мы только нагреваем ее. Затем в парогенераторе (речь идет о наиболее распространенной двухконтурной схеме) она отдает тепло воде второго контура, которая закипает, и далее пар вращает турбину.
Насколько опасны АЭС?
Удержать радиоактивное излучение довольно легко. Например, альфа-частички задержатся даже листом бумаги или нашей кожей. Чтобы удержать бета-частички, нужно чуть больше — возьмем 2–3 см алюминия. Гамма-излучение и нейтроны — еще побольше, но достаточно полуметра бетона или стали. И с этой точки зрения, если говорить об атомной станции, уже за пределами первого контура, где нет людей, никакой радиации не чувствуется, вокруг нее природный радиационный фон.
На территории вокруг АЭС радиационная обстановка часто лучше, чем на тепловых станциях. Почему? Потому что в угле много урана. И когда мы его сжигаем, он вылетает и создает дополнительный радиационный фон.
Конечно, на любом высокотехнологичном объекте возможны сбои, любой высокотехнологичный объект может сломаться. С этой точки зрения, действительно, надо уметь просчитывать риски, надо заниматься вопросами безопасности. Потому что ту квинтэссенцию энергии, которая есть в активной зоне и которая не заканчивается, даже если мы заглушим так называемую цепную ядерную реакцию (потому что есть остаточное энерговыделение), мы должны гарантированно удержать и контролировать. И с этой точки зрения вся история атомной энергетики — это история совершенствования проектов в направлении повышения безопасности. Сегодня вероятность отказа атомной станции оценивается в 10–6 (одна миллионная).
Атомная энергетика: с чего начиналась...
Атомная энергетика — достаточно молодая область, если посмотреть по меркам развития технологических вещей. Она родилась 26 июня 1954 года, когда первая атомная станция в Советском Союзе дала ток в сеть. Дальше начались интересные события, стали строиться реакторы в разных странах. Все развитые страны посчитали своим долгом перевести энергетику на атомные рельсы. И первые проекты реакторов были далеки от совершенства. Люди еще многого не знали, в том числе не представляли опасность событий, которые могли бы там протекать.
И произошли события, которые являются вехами в истории атомной энергетики и которые атомная энергетика преодолела. Это авария на АЭС Три-Майл-Айленд в 1979 году в США. Она не привела к значительному выбросу радиоактивности, но была расплавлена активная зона. Это был такой урок — сразу стали обращать внимание на обучение персонала. Потому что причина была в неправильных действиях сотрудников, в пульте управления. Сотрудники просто пропустили, что у них там паровая пробка, что активная зона плавится, а все параметры более-менее в норме. Авария привела к политическим дискуссиям: «Как же так? Такой объект! Это, наверное, опасно!» После этого к атомной энергетике стали относиться прохладнее, но она продолжала развиваться. И конечно, Чернобыль — он уже каким-то колоколом прозвенел, и люди действительно стали задумываться: «А может быть, не надо?» И стали анализировать.
...к чему пришла...
За последние 20 лет количество ядерных реакторов в мире держится где-то на уровне 440–450. Еще 52 реактора находятся в стадии строительства. Но я уверенно говорю, что их не будет более 500, потому что атомная энергетика стала достаточно зрелой отраслью, несмотря на свою молодость. Те реакторы, которые выработали свой срок, закрываются, а на смену им приходят новые. Как и любой объект — тепловые или гидростанции, — они устаревают морально и физически. Сегодня проекты реакторов строятся на 100 лет эксплуатации. Но раньше, понимая, что это все-таки прототипы, люди строили реакторы на 30 лет, потом их срок службы продлевался.
В России сегодня работают 38 реакторов, причем различного типа. Вот недавно был пущен, я считаю, уникальный проект — «Академик Ломоносов», плавучая АЭС. Это проект малой энергетики, который, я надеюсь, будет растиражирован. И это шаг в более универсальную широкую атомную энергетику для малых городов.
...и куда движется
Можно говорить о четырех поколениях ядерных реакторов. Первое уже выведено из эксплуатации. Второе поколение реакторов — их было построено довольно много, и фактически все аварии, о которых мы говорили, произошли на них. Третье поколение — это реакторы, построенные с учетом опыта этих катастроф. Они запускались в 1990-е годы, в 2000-е, в 2010-е.
Сейчас в России запущены несколько реакторов из так называемого поколения 3+. Это поколение, которое учло опыт «Фукусимы». Надежность, на мой взгляд, уже очень хорошая: вероятность 10–6 как раз по тем событиям, о которых мы говорили.
Сейчас мы идем к реакторам четвертого поколения. Сегодня в России реализуется уникальный проект-прорыв, в котором мы будем строить реактор фактически четвертого поколения со свинцовым теплоносителем, а рядом — пристанционный топливный комплекс. И мы будем опробовать технологии замкнутого ядерного топливного цикла с реактором на быстрых нейтронах, который обладает еще лучшими характеристиками безопасности. Там естественная безопасность: физические процессы, которые в нем протекают, не позволяют радиации выйти наружу практически ни при каких событиях.
Возможна ли цепная реакция на Чернобыльской АЭС?
С коллегами из Токийского института технологий мы делали совместный проект по критичности кориума (кориум — лавообразный сплав содержимого ядерного реактора, состоящий из смеси ядерного топлива с бетоном, металлическими частями и прочим, который образуется в результате расплавления активной зоны ядерного реактора).
Что надо сделать, чтобы, условно говоря, повторная критичность кориума была? (Критичность — это тот уровень, на котором начинается цепная реакция. — Прим. ред.) И, честно говоря, возможности естественным путем достичь критичности в текущем состоянии я не нашел.
Я читал резонансную статью на сайте журнала Science (статья Ричарда Стоуна, вышедшая в связи с 25-летием Чернобыльской аварии: автор в эмоциональной форме рассказывает о том, что внутри Чернобыльского саркофага может продолжаться цепная реакция) и размышлял, что же на самом деле происходит? Когда произошел чернобыльский взрыв, то достаточно большой процент радиации был выброшен и ветер его понес: высыпало на Белоруссию, на Европу, частично вокруг. Куски радиации находили на соседних блоках. Первое время ликвидаторы дезактивировали территорию, для того чтобы первый, второй, третий блок работали. И они еще после этого события работали достаточно много лет, были закрыты и могли бы дальше работать. Так вот, во время аварии частично активная зона расплавилась и стекла вниз: с графитом, с поглощающими стержнями. Ее сверху засыпали бором. Горел графит, и точно никто не знал, где это расположено, опасно было подходить.
Ядерные реакции там продолжаются и сейчас, но это реакции радиоактивного распада. Потому что в кориуме так же, как и в отработавшем ядерном топливе, есть радиоактивные элементы, и они распадаются. Причем эти распады приводят к тому, что выделяется некое количество тепла. Но эти энерговыделения постоянно спадают со временем, это закон радиоактивного распада.
Факт в том, что там не происходит цепной реакции деления. Там есть нейтронный источник. Какой? Это спонтанное деление. И поэтому есть некая возможность регистрировать нейтроны, о которых пишется в статье Стоуна. Но регистрация нейтронов не говорит о том, что там происходят реакции деления.
Четвертый блок Чернобыльской АЭС — это очень интересный объект для исследования. Его закрыли первичным саркофагом, навели контейнмент. Я думаю, там проводятся измерения, контроль, имеются детекторы. И с этой точки зрения встает интересный вопрос: а можем ли мы это все убрать? Выкопать и унести можем, но это стоит денег.
Я приведу в пример «Фукусиму». Расплавленные зоны там гораздо горячее, чем в Чернобыле, потому что они моложе. И роботы ползают, вся картограмма кориума есть, и стоит план до 2040 года все это вынуть, складировать и полностью очистить территорию. То же самое можно сделать в Чернобыле. Да, придется вскрывать оболочку, впускать роботов, штольни, наверное, рыть. Встает вопрос: надо ли? Я думаю, не надо.
Происходящий там естественный радиоактивный распад элементов будет продолжаться довольно длительное время, потому что периоды полураспада ряда изотопов — это еще лет 30, если брать продукты деления, а если брать трансурановые элементы, тогда долго. Но зато это менее опасно, менее активно.
Поэтому, конечно, надо мониторить, анализировать датчики. Может потрескаться порода вокруг, могут появиться щели — нейтроны полетят быстрее. Но в любом случае анализ приведет к тому, что цепной реакции нет и что действительно все это должно идти медленно на спад. Но также надо мерить энерговыделение, температуру, содержание радиоактивных продуктов в воздухе, в газах. И с этой точки зрения, если бы была полная картина, тогда можно было бы что-то говорить. А данные в этой статье приведены только по одному параметру.
