Характеристика аварий на радиационно опасных объектах

Ядерная энергия является одним из наиболее потенциально опасных видов энергии. Поэтому особое внимание уделяется решению вопроса обеспечения безопасности при возникновении аварийных ситуаций. К потенциальным объектам радиационных аварий относятся: ядерные энергетические установки; ядерные исследовательские реакторы; промышленные и медицинские источники ионизирующего излучения; транспортировка радиоактивных веществ (>74 кБк/кг). В мире сейчас действует более 400 энергоблоков в составе более 200 АЭС и станций теплоснабжения. Первая в мире АЭС была пущена в 1954 г. в нашей стране в Обнинске. На долю ядерных энергоблоков в США сейчас приходится около 30%, во Франции — около 80% всей вырабатываемой в этих странах электроэнергии, в России — около 12%. В странах СНГ — 15 АЭС с 46 энергоблоками. Например, только в России действуют 2 Кольские, Ленинградская, Калининская, Смоленская, Курская, Сибирская АЭС. В 1958 г. на Урале был введен в строй первый энергоблок Белоярской АЭС с уран-графитовым реактором мощностью 1.00 МВт, а в 1967 г. — второй блок мощностью 200 МВт. С учетом приобретенного опыта в 1973;1981 гг. были построены 4 энергоблока Ленинградской АЭС, в 1976;1985 гг. — 3 блока Смоленской на основе реактора РБМК-1000. Самый крупный в мире энергоблок мощностью 1500 МВт был пущен в эксплуатацию в 1983 г. на Игналинской АЭС в Литве. К данному типу реакторов относится и Чернобыльская АЭС.

Другое направление в создании АЭС в нашей стране базировалось на использовании корпусных реакторов ВВЭР. Первая установка подобного типа мощностью 210 МВт была пущена на Нововоронежской АЭС в 1964 г. В дальнейшем, в 1973;1984 гг. были построены 4 энергоблока Кольской АЭС по 440 МВт, в Армении, Словакии, Финляндии и других странах, где они эксплуатируются до последнего времени. Несмотря на большие средства, вкладываемые в обеспечение безопасности АЭС, полностью исключить аварийные ситуации невозможно. Риск аварии соответствует 10″ 6−10″ 7 на один реактор в год. В мире зарегистрировано около 300 серьезных аварий, сопровождавшихся выбросом РВ. Радиационная авария определяется как непредвиденный случай, вызванный неисправностью оборудования или нарушением нормального хода технологического процесса, который создает повышенную опасность при облучении людей ионизирующим излучением и радиоактивном загрязнении окружающей среды величинами, превышающими установленные санитарные нормативы. Под радиационным инцидентом понимаются «несчастные» случаи облучения людей ионизирующим излучением в повышенной дозе, причины которого могут быть самыми различными. К ним относятся контакты с радиоактивным источником, о котором может не подозревать пострадавший. Это случается при нарушении техники безопасности работы с облучательными установками, транспортировке радионуклидов, нарушении правил их хранения или захоронения и т. д. Накоплен большой опыт по эксплуатации АЭС и ликвидации аварий и их последствий. Наиболее крупные аварии произошли в Северной Англии (Уиндскейл, 1957 г., выброшено в окружающую среду 2 МКн радионуклидов, 13 человек погибли, 260 человек переоблучены), в СШЛ (Тримайл Айленд, 1979 г., 1 человек погиб, выброшено менее 2 МКи радионуклидов), в нашей стране (Чернобыльская АЭС, 1986 г., 28 погибших, 134 случая острой лучевой болезни, выброс более 50 МКи радионуклидов). Высокая потенциальная опасность АЭС в случае аварии связана в основном с выбросом в окружающую среду радиоактивных продуктов деления, накопленных в реакторе за время его работы.

Даже при неконтролируемом разгоне реактора, работающего на тепловых нейтронах, ядерногс взрыва произойти не может из-за низкой концентрации урана-235 или плутония-239, т. е. теоретически не может быть создана необходимая критическая масса данных радионуклидов для развития цепной реакции деления ядер тяжелых элементов. Критическая масса для урана-235 — 30 кг для плутония-239 — 6 кг. Установлено, что только 1% энергии делящихся ядер может перейти в механическую энергию аварийного теплового взрыва. Ядерным топливом на АЭС служит обогащенная урановая руда, В настоящее время промышленно разрабатываются руды с содержанием более 0,1% урана, что в 1000 раз больше его концентрации в литосфере земного шара. В урановой руде содержится 99,3% урана-238, не способного самостоятельно инициировать цепные ядерные реакции, и только 0,7% урана-235, испускающего тепловые нейтроны. Для достижения технологически значимого разогрева уранового топлива на АЭС (до 1500 °С) необходимо увеличить содержание урана-235 в составе урановой руды до 2−4%, чего добиваются путем ее обогащения на заводах атомной промышленности. На тепловых нейтронах сжигается 1,5% природного урана. При нормальной работе реакторов постоянно накапливаются радиоактивные отходы. Источником жидких отходов является вода, применяемая для охлаждения активной зоны реактора.

Могут накапливаться и газообразные, и твердые РВ. Радиационная авария в зависимости от своего масштаба может быть локальной, в пределах АЭС, местной, захватывающей только окружающую АЭС территорию, и общей, когда загрязнение радионуклидами охватывает территорию далеко за пределами АЭС. Более точную классификацию радиационных аварий, принятую в нашей стране в 1990 г., составляет Международная 7-балльная шкала (табл. 4.1.). Первая часть шкалы — радиационные аварии 7, б, 5 и 4-го уровней. Глобальная авария, подобная аварии на Чернобыльской АЭС, при выбросе в окружающую среду более > 1016 Бк радиоактивного йода представляет 7-й класс. При тяжелой аварии (6-й класс) выброс йода-131 на порядок меньше (1015−1016 Бк). При сокращении выброса еще на один порядок (10м—1015 Бк) -авария 5-го класса с риском для окружающей среды. При авариях с 5-го по 7-й класс происходит значительное повреждение активной зоны реактора. 4-й класс — авария в пределах АЭС сопровождается частичным повреждением активной зоны, при этом отмечается небольшой выброс радионуклидов в окружающую среду с облучением населения не более нескольких мЗв, но со значительным загрязнением помещений АЭС и облучением персонала. Вторая часть шкалы классификации аварий — нижние 3 уровня относятся к происшествиям (1-й класс — незначительное происшествие, 2-й класс — происшествие средней тяжести, 3-й класс — серьезное происшествие, связанное с ухудшением глубоко эшелонированной защиты АЭС: имеют место отклонения от разрешенных границ функционирования, события с потенциальными последствиями для радиационной безопасности. Нулевой класс — безопасная ситуация. В ядерной энергетике страны в подавляющем большинстве случаев функционируют реакторы на тепловых нейтронах следующих типов: водо-водяной энергетический реактор (ВВЭР) и реактор большой мощности канальный (РБМК).

В первом случае вода подается в активную зону через соответствующий контур, одновременно являясь теплоносителем (для съема тепла с активной зоны) и замедлителем тепловых нейтронов. Тепло с 1 — го контура передается на 2-й, который подает пар на паровые турбины. Для данного типа реакторов нужно обогащение ядерного горючего по урану-235 до 4,4%. В РБМК подающаяся в активную зону кипящая вода служит только для теплосъема, а в качестве замедлителя тепловых нейтронов предназначены графитовые стержни. В этом типе реактора пар под давлением из активной зоны сразу подается на паровые турбины, т. е. отсутствует 2-й контур воды для теплосъема. Для работы реакторов РБМБ требуется ядерное топливо, менее обогащенное по урану-235 (1,8%). Аварии на АЭС могут быть связаны с различной степенью разгерметизации тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), состоящих из циркониевых каналов с помещенным в них ураном, точнее, окисью урана (U02) в виде таблеток, или течью 1-го контура теплосъема в связи с его разрывом. В процессе эксплуатации в циркониевом кожухе ТВЭЛ вследствие его коррозии, прежде всего под действием ос-частиц урана и трансурановых соединений, могут возникать микротрещины, через которые из ТВЭЛ в воду поступают радионуклиды, в основном газообразные продукты.

Вода при температуре 270−290 °С подается в активную зону под большим давлением (12−16 МПа), препятствующим ее закипанию. На выходе из активной зоны температура воды в ВВЭР поднимается до 300−320 °С. Вода, прошедшая через активную зону, приобретает под действием нейтронов наведенную активность, прежде всего за счет активации кислорода. В РБМК вода, прошедшая активную зону реактора, вместе с растворенными в ней радионуклидами, вышедшими из ТВЭЛ, подается в виде пара на турбогенератор. В крайних случаях при нарушении теплосъема с активной зоны отмечается ее оплавление и вследствие образующегося пара под большим давлением в условиях теплового взрыва происходит выброс в окружающую среду оплавленных ТВЭЛ и радионуклидов в виде аэрозолей. Таким образом, вода, работающая в качестве теплоносителя на АЭС при высоких температурах и давлениях, ведет к выбросам РВ из активной зоны. Дополнительные контуры и защитные колпаки эту принципиальную опасность не устраняют. Ненапряженный реактор на воде построить нельзя.

Нужен теплоноситель, который при любой аварии не покинет активную зону, а если произойдет невозможное, то не принесет вреда. Найти замену воде пытались многими путями. В Великобритании применяли углекислый газ. В реакторах на быстрых нейтронах в качестве теплоносителя использовался расплавленный натрий. Больших давлений в системе нет, носам металл горит даже при невысоких температурах. В нашей стране хорошо работают 2 жидкометаллических реактора БН-600 под Екатеринбургом и БН-350 в г. Шевченко (Казахстан).

Аналогичные генераторы имеет только Франция.

Радиационно-опасный объект (РОО) — предприятие, на котором при авариях могут произойти массовые радиационные поражения.

К радиационно-опасным объектам относятся:

• — предприятия ядерного топливного цикла (предприятия ЯТЦ);
• — атомные станции (АС): атомные электрические станции (АЭС), атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), атомные станции теплоснабжения (АСТ);
• — объекты с ядерными энергетическими установками (объекты с ЯЭУ): корабельные, космические;
• — исследовательские ядерные реакторы;
• — ядерные боеприпасы (ЯБП) и склады их хранения;
• — установки технологического, медицинского назначения и источники тепловой и электрической энергии, в которых используются радионуклиды.

Основные опасности при авариях на радиационно-опасных объектах

Факторы опасности ядерных реакторов достаточно многочисленны.

Перечислим лишь некоторые из них:

• 1) Возможность аварии с разгоном реактора. При этом вследствие сильнейшего тепловыделения может произойти расплавление активной зоны реактора и попадание радиоактивных веществ в окружающую среду. Если в реакторе имеется вода, то в случае такой аварии она будет разлагаться на водород и кислород, что приведет к взрыву гремучего газа в реакторе и достаточно серьезному разрушению не только реактора, но и всего энергоблока с радиоактивным заражением местности. Аварии с разгоном реактора можно предотвратить, применив специальные технологии конструкции реакторов, систем защиты, подготовки персонала.
• 2) Радиоактивные выбросы в окружающую среду. Их количество и характер зависит от конструкции реактора и качества его сборки и эксплуатации. У РБМК они наибольшие, у реактора с шаровой засыпкой наименьшие. Очистные сооружения могут уменьшить их. Впрочем, у атомной станции, работающей в нормальном режиме, эти выбросы меньше, чем, скажем, у угольной станции, так как в угле тоже содержатся радиоактивные вещества, и при его сгорании они выходят в атмосферу.
• 3) Необходимость захоронения отработавшего реактора. На сегодняшний день эта проблема не решена, хотя есть много разработок в этой области.
• 4) Радиоактивное облучение персонала. Можно предотвратить или уменьшить применением соответствующих мер радиационной безопасности в процессе эксплуатации атомной станции.

Ядерный взрыв ни в одном реакторе произойти в принципе не может.

Специалисты выделяют следующие потенциальные последствия радиационных аварий:

• 1. немедленные смертельные случаи и травмы среди работников предприятия и населения;
• 2. латентные смертельные случаи заболевания настоящих и будущих поколений, в том числе изменения в соматических клетках, приводящие к возникновению онкологических заболеваний, генетические мутации, влияние на зародыш и плод вследствие облучения матери в период беременности;
• 3. материальный ущерб и радиоактивное загрязнение земли и экосистем;
• 4. ущерб для общества, связанный с боязнью относительно потенциальной возможности использования ядерного топлива для создания ядерного оружия.

К последствиям серьезных радиационных аварий относится и наличие косвенного риска для здоровья и жизни людей. Косвенный риск возникает при непосредственном осуществлении мер безопасности, эвакуации при аварии. Например: эвакуационные мероприятия, вызванные радиационной аварией, обусловливают возникновение множества косвенных рисков: смертельные случаи вследствие дорожно-транспортных происшествий, увеличение числа сердечных приступов у эвакуируемого населения, психические травмы, вызванные стрессовой ситуацией во время эвакуации, и т. п.