Глава 5. Чрезвычайные ситуации на радиационно опасных объектах
Радиоактивные вещества (РВ) и источники ионизирующих излучений используются в повседневной жизни, производстве, медицине. К примеру, атомные реакторы обеспечивают до 13% потребностей России в электроэнергии. Они приводят в движение турбины, корабли; обеспечивают работу ряда космических объектов. Это и контроль качества швов при литье в машиностроении, и медицинские обследования, и точечное облучение, но, кроме того, это и оружие огромной разрушительной силы, способное уничтожить цивилизацию [5, 22, 26, 27, 43, 46, 49, 50].
Ядерный топливный цикл (ЯТЦ) можно разбить на этапы:
- добыча урановой руды и извлечение из нее (обогащение) урана;
- использование ядерного горючего в реакторах;
- транспортировка РВ;
- химическая регенерация отработанного ядерного топлива;
- очистка отработанного ядерного топлива от радиоактивных (РА) отходов;
- безопасное («вечное») хранение РА отходов и примесей;
- изъятие из отработанного ядерного топлива урана и плутония для использования в ядерной энергетике.
Результатом добычи и дробления урановой руды, обогащения урана являются горы выработки, которые:
- создают опасную экологическую ситуацию;
- выводят из оборота значительные земельные площади;
- изменяют гидрологию территории;
- приводят к длительному РЗ почвы, атмосферы и воды.
Малое содержание урана-235 в добываемой руде (0,7%) не позволяет использовать ее в ядерной энергетике: требуются обогащение этой руды, то есть повышение содержания урана-235 с применением весьма сложного и дорогостоящего оборудования, и значительные энергетические затраты. Обогащение возможно после разделения изотопов урана-233, урана-235, урана-238 на атомном уровне.
Природный уран поставляется на рынок в виде закиси урана (спрессованный порошок желто-бурого цвета), а обогащенный уран - в виде таблеток окиси урана или газообразного шестифтористого урана (в стальных баллонах).
В местах добычи урана основную массу в отвалах составляют горы мелкого песка, смешанного с природными радионуклидами, которые в основном выделяют РА газ радон-222 (дающий α-излучение), что увеличивает вероятность возникновения рака легких. К 1982 г. в США такого песка накопилось около 175 млн т с излучением ниже ПДД. К настоящему времени снесены тысячи домов, школ и других строений, выполненных из этих материалов.
Общие запасы урана на Земле составляют около 15 млн т. Разрабатываются месторождения с запасами до 2,7 млн т. На долю бывшего СССР приходилось до 45% мирового уранового запаса, распределенного почти равномерно между Россией, Узбекистаном и Казахстаном.
Радиационно опасный объект (РАОО) - это ОЭ, где в результате аварии могут произойти массовые радиационные выбросы или поражение живых организмов и растений. Виды РАОО:
АЭС - это ОЭ по производству электроэнергии с использованием ядерного реактора, оборудования и подготовленного персонала (рис. 5.1);
ACT (атомная станция теплоснабжения) - это ОЭ по производству тепловой энергии с использованием реактора, оборудования и подготовленного персонала;
ПЯТЦ (предприятие ядерного топливного цикла) - это ОЭ для изготовления ядерного топлива, его переработки, перевозки и захоронения отходов.
При ядерной реакции до 99% ядерного топлива идет в РА отходы (плутоний, стронций, цезий, кобальт), которые нельзя уничтожить, поэтому надо хранить. Контакты с ядерным горючим, его отходами, энергоносителями, тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ) и другими РА продуктами приводят к РЗ зданий, оборудования, транспорта. Если специальная обработка не снизит их уровень заражения ниже ПДЦ (ПДУ), то они также требуют захоронения.
Ядерный реактор является основной частью АЭС и ядерных двигателей. Он представляет собой большой котел для нагрева теплоносителя (воды, газа). Источник тепла - управляемая ядерная реакция. Необходимо иметь в виду, что 0,5 г ядерного топлива по производству энергии эквивалентно 15 вагонам угля, который к тому же при сгорании выбрасывает в атмосферу огромное количество канцерогенных веществ.
Обогащенное ядерное топливо размешается в активной зоне реактора в виде правильной решетки из связок тепловыделяющих элементов (примерно 700 шт.). ТВЭЛ - это стержень диаметром 10 мм, длиной 4 м, с оболочкой из циркония, постоянно омываемый водой. Вода выполняет роль охладителя и поглотителя нейтронов (если используется «тяжелая вода», то она только замедляет нейтроны, но не поглощает их, то есть в этом случае можно использовать природный уран. Такой тип реактора использует лишь 1% выделенной энергии).
Существуют ядерные реакторы на медленных и быстрых нейтронах. Реакторы на медленных нейтронах могут охлаждаться обычной водой, как, например, РБМК - реактор большой мощности, канальный; ВВЭР - водо-водяной реактор, либо «тяжелой» водой или газом, как, например, ВТГР - высокотемпературный с гелиевым охлаждением реактор. Реакторы на быстрых нейтронах называются реакторами-размножителями (Р-Р). Если ВВЭР использует 5% ядерного топлива, то реактор на быстрых нейтронах, например БН-600, - до 55%.
Работой реактора, то есть движением стержней в активной зоне относительно вещества, поглощающего нейтроны, управляет оператор или автоматическая система.
Реактор (рис. 5.2) имеет два контура движения воды. В первом контуре (где обеспечивается давление 7 кПа) вода остается в жидком состоянии даже при температуре 330°С и, проходя через теплообменник (парогенератор), отдает тепло воде второго контура. Первый и второй контуры реактора надежно изолированы друг от друга. Во втором контуре реактора вода находится в парообразном состоянии, поскольку давление здесь атмосферное. Этот пар вращает турбогенератор, который вырабатывает электроэнергию.
В реакторе с гелиевым охлаждением (ВТГР) для замедления нейтронов используют графитовые блоки, а в качестве теплоносителя - углекислый газ или гелий при температуре б70°С (эти газы не допускают коррозии металла). Тепло через теплообменник передается во второй контур, где температура пара достигает 540°С.
Рис. 5.1. Принцип устройства АЭС:
1 - турбина; 2 - генератор переменного тока; 3 - бетонная защита; 4 - конденсатор; 5 - циркуляционный насос; 6 - урановые стержни; 7 - реактор; 8 - гамма-излучение, исходящее из активной зоны; 9 - замедлитель; 10 - управляющие стержни; 11 - теплоноситель; 12 - парогенератор
