Станут ли АЭС безопасными?

Чтобы понять механизм работы систем обеспечения безопасности АЭС, необходимо представить себе ее устройство. Принцип действия АЭС основан на превращении тепла, которое выделяется в процессе цепной реакции деления ядер, в электроэнергию. Цепная реакция возникает за счет нейтронов, которые рождаются при распаде тяжелых ядер и инициируют деление ядер следующего поколения. Контролируя количество рождающихся нейтронов можно управлять скоростью цепной реакции. Вещества, способные при начальном стимулировании совершать цепную реакцию, называются ядерным топливом. А место, где протекает реакция, называется активной зоной реактора.

Увеличить
Схема АЭС с водно-водяным энергетическим реактором

Топливо попадает в активную зону в твэлах (тепловыделяющих элементах), состоящих из диоксида урана в оболочке из твердого сплава стали с цирконием. Помимо твэлов в активной зоне реактора находится замедлитель нейтронов (вода, тяжелая вода, графит) и подвижные стержни с высоким коэффициентом поглощения нейтронов (бор или кадмий), их задача - контролировать скорость реакции. Активная зона окружена отражателем, который предотвращает утечку нейтронов за ее пределы. Тепло, выделившееся в процессе реакции, передается теплоносителю (обычно вода или газ) первого контура. Теплоноситель попадает в теплообменник, где нагревает воду второго контура. Нагретая вода преобразуется в пар, который передается на лопасти турбины, вращающей электрогенераторы. Существуют реакторы с одним контуром, в которых пароводяную смесь получают в активной зоне - это РМБК (реактор большой мощности канальный), реактор такого типа был установлен на 4-ом энергоблоке Чернобыльской АЭС. Ошибки, допущенные при его проектировании (положительная реактивность и слишком массивная графитовая составляющая поглощающих стержней), стали одной из причин аварии в 1986 году. После аварии на ЧАЭС реакторы РМБК были сняты с производства, и заменены на усовершенствованную версию - МКЭР (многопетлевой канальный энергетический реактор). Но все же наиболее распространены АЭС с водно-водяным энергетическим реактором (ВВЭР) - двухконтурным реактором на тепловых нейтронах, водой в качестве замедлителя, теплоносителя и отражателя нейтронов.

Основной опасностью при эксплуатации реактора является его перегрев, который может привести к плавлению ядерного топлива и тепловому взрыву, или физическое разрушение теплообменных контуров, в которых содержится огромное количество радиоактивной воды. В обоих случаях основной ущерб происходит не из-за взрыва, а вследствие выброса радиоактивного материала в атмосферу. Это – самые неблагоприятные сценарии развития аварийной ситуации в реакторных зонах современных АЭС. В связи с этим можно сформулировать основные задачи систем безопасности АЭС: остановка цепной реакции, охлаждение реактора и предотвращение выхода радиоактивных веществ за пределы блока.

Причины аварий на АЭС

Системы безопасности должны удовлетворять высоким требованиям по качеству при их изготовлении, монтаже и эксплуатации и выполнять свои функции при любых механических, химических и природных повреждениях, связанных с возникновением аварийной ситуации. Так, халатность персонала, проводящего плановый ремонт на американской АЭС Три Майл Айленд, привела к аварии на станции в 1979 году. Отказ насосов системы охлаждения реактора включил аварийную систему подачи воды, однако та не сработала, поскольку задвижки на ее насосах забыли открыть после ремонта. В результате реактор частично расплавился, и в атмосферу было выброшено некоторое количество радиоактивной воды.

Еще одно важное правило обеспечения безопасности: если какие либо параметры работы реактора выходят за пределы норм безопасности, системы безопасности должны включаться автоматически и на некоторое время блокировать действия оператора АЭС. Преднамеренное отключение систем безопасности персоналом 4-го энергоблока ЧАЭС стало одной из основных причин превращения штатной аварийной ситуации в крупнейшую за всю историю атомной энергетики катастрофу. В ночь аварии проводились плановые испытания работы реактора. В соответствии с программой испытаний, мощность реактора была понижена, и он попал в режим "самоотравления" (в реакторе, работающем на пониженной мощности, происходит накопление изотопов ксенона, еще больше тормозящих работу реактора). Для компенсации отравления были подняты поглощающие стержни, начался рост мощности, который стал причиной неуправляемой цепной реакции и теплового взрыва реактора. Внезапный скачок мощности пытались заглушить, опустив поглощающие стержни, но ввиду их неудачной конструкции замедлить реакцию не удалось. На момент проведения испытаний все системы безопасности, которые остановили бы реактор задолго до его перехода в опасный режим, были отключены.

Надежность систем безопасности обеспечивается благодаря принципам резервирования, разнообразия и разнесения. В идеальном случае за исполнение любой меры безопасности должны отвечать сразу несколько систем, находящихся в разных отсеках реакторной установки и основанных на разном принципе действия. Кроме того, предпочтительно использование так называемых пассивных мер безопасности, действие которых базируется на фундаментальных законах природы, и не зависит от электроснабжения и действий персонала. Такие системы обычно проще по конструкции и не требуют целого комплекса вспомогательной инфраструктуры. Уменьшение доли активных мер в пользу пассивных - один из основных путей совершенствования систем безопасности.

Системы безопасности АЭС

Системы безопасности современных АЭС можно разделить на четыре группы: защитные, локализующие, управляющие и обеспечивающие. 

Защитные системы безопасности предотвращают или ограничивают повреждения ядерного топлива, оболочек твэлов и первого контура. Основными защитными системами являются системы аварийной остановки реактора и аварийного отвода тепла от него. Система аварийной остановки реактора обеспечивает гашение цепной ядерной реакции при неконтролируемом росте мощности, снижении теплоотвода и других опасных нарушениях в работе установки. Для того чтобы остановить реакцию, необходимо ввести в активную зону вещества, которые способны поглощать свободные нейтроны инициирующие деление ядер. Пример такой системы - кадмиевые стержни, подвешенные над активной зоной с помощью электромагнитов.  Если в результате аварии произойдет обесточивание реактора, электромагниты отключатся и стержни упадут в активную зону.