Атомная электростанция: как она работает и насколько безопасна

78

Воздействие атомных электростанций на окружающую среду сравнимо с воздействием солнечных и ветряных — в этом смысле они гораздо экологичнее, чем те, что сжигают уголь или продукты нефтепереработки. Но что, если случится худшее — выброс радиации? Те, кто проектирует, строит и эксплуатирует атомные станции, должны, с одной стороны, делать все, чтобы этого не произошло, а с другой — «постулировать аварию».

Как устроена атомная электростанция

Атомная энергетика — удивительный способ производства энергии. Теплотворность ядерного топлива такова, что небольшая его таблетка производит столько же энергии, сколько целая цистерна органического топлива. Если ТЭЦ, работающая на угле, ежедневно сжигает целый железнодорожный состав топлива, то полная загрузка топливом атомной станции происходит один раз в несколько лет. При этом все отходы, все продукты распада остаются внутри топлива, не выбрасываются в окружающую среду.

Как и другие типы электростанций, АЭС преобразует тепловую энергию в механическую (парогенератор превращает воду в пар, который подается на лопатки турбины), а механическую — в электрическую (благодаря вращению турбины в электрогенераторе). Тепловая же энергия возникает благодаря протеканию ядерной реакции в топливе, которое загружено в ядерный реактор. 

Через реактор протекает теплоноситель, который отводит тепло, — это может быть жидкость (вода, жидкий металл) или газ. В одноконтурном реакторе разогретый теплоноситель сам вращает турбину. Правда, при этом весь энергоблок становится радиоактивным. В двухконтурном реакторе трубы с теплоносителем проходят через парогенератор (разветвляясь на множество теплообменных трубочек) и «возвращаются» к реактору — таким образом, первый контур замкнут, и продукты ядерного распада его не покидают. В парогенераторе теплообменные трубки омываются водой из второго контура, которая при соприкосновении с ними нагревается и за счет разницы в давлении превращается в насыщенный пар. 

Этот пар крутит лопатки турбины, турбина передает вращение на ротор электрогенератора, выработанная им электроэнергия поступает в конденсаторы, а затем через трансформаторы в сеть. Пар тем временем поступает в систему оборотного охлаждения (она может включать градирни, пруд-охладитель, систему разбрызгивателей), конденсируется и возвращается во второй контур.

Как работает АЭС
Как работает АЭС // Катя Золотарева

Аварии на атомных станциях

Два основных класса ядерных аварий — потеря охлаждения и потеря управления реактором.

Пример потери охлаждения — авария на АЭС «Фукусима» 2011 года. Во время Великого восточнояпонского землетрясения работавшие реакторы станции были автоматически остановлены. Но цепную реакцию нельзя просто отключить, она еще какое-то время продолжается даже в заглушенном реакторе, и ему требуется охлаждение. Однако цунами, вызванное землетрясением, разрушило береговые насосы и другое оборудование охладительной системы (например, дизель-генераторы, которые были установлены в подвальном помещении). Реактор начал разогреваться, в его активной зоне образовался горячий (свыше 800°C) пар, который вступил в реакцию с цирконием, входящим в состав тепловыделяющих сборок. Началась взрывная пароциркониевая реакция, которая проходит с выделением водорода и тепла.

Пример потери управления реактором — авария на Чернобыльской АЭС. 25 апреля 1986 года ее 4-й блок должен был быть заглушен для планового ремонта и сопутствующего эксперимента (сотрудники станции собирались проверить, можно ли запитать внутренние системы станции от электрогенератора, который выключен, но вращается по инерции). Однако диспетчер Киевэнерго попросил повременить, пока не пройдет пик вечернего потребления электроэнергии. Реактор то глушили, то разгоняли, то опуская, то поднимая стержни СУЗ (системы управления и защиты). Эти стержни выполнены из материалов, поглощающих нейтроны и замедляющих ядерную реакцию, например графита, но у чернобыльского реактора 1,5-метровые концевики этих стержней были стальными. Когда их одновременно опустили, реактор на некоторое время оказался без замедлителя: графитовая часть стержней еще не погрузилась, а вода уже оказалась вытеснена стальными концевиками. Долей секунды хватило, чтобы ядерная реакция разогналась и стала неуправляемой. Затем последовала все та же пароциркониевая реакция и взрыв.https://www.youtube.com/embed/gjf2j1NIW5g?rel=0&showinfo=0&autoplay=0

Авария на ЧАЭС многое изменила: до нее мало кто представлял, что такие катастрофы вообще возможны. Крупнейшей на тот момент была авария на АЭС Three Mile Island (США, 1979 год), во время которой хоть и произошло расплавление активной зоны реактора, но радиоактивность за пределы станции не вышла. После Чернобыля стало понятно, что к безопасности на АЭС необходим научный подход. С первых дней в операции по ликвидации принимали участие ученые-физики из Курчатовского института, которые должны были ответить на многочисленные вопросы о физике происходящих во взорванном реакторе процессов — например, разобраться, как поведет себя расплавленное топливо, как скоро проплавит породу и доберется до водоносного слоя. А вскоре после завершения операции был создан Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН.

Аварии и инциденты на АЭС. Диаметр кружка соответствует количеству жертв.
Аварии и инциденты на АЭС. Диаметр кружка соответствует количеству жертв. // Андрей Носокв

Как строят атомные станции

Three Mile Island, Чернобыль, Фукусима — это так называемые запроектные аварии, то есть такие, для которых не были предусмотрены системы безопасности. Чтобы таких ситуаций не возникало, еще на этапе проектирования нужно предусмотреть все возможные негативные сценарии и меры их предотвращения или ликвидации.

В этом процессе участвуют три главных действующих лица: научный руководитель, главный конструктор и проектировщик (речь не о людях, а об институтах). Научный руководитель отвечает за физику процессов. Главный конструктор — за расчеты и конструктивные требования. Проектировщик получает от них установочные данные и согласовывает с ними техдокументацию. 

Когда проект готов, его проверяет Ростехнадзор — на это может уйти несколько лет. Затем приступают к строительству. Когда реактор уже смонтирован, но топливо в него еще не загружено, проводят испытания контура (так называемый пролив) — сначала с холодной водой, затем в горячей. Затем в реактор помещают топливо — это физический пуск: реактор еще не работает в полную силу, но нейтронный обмен уже начался, топливо греется, насосы гонят по контуру теплоноситель, вырабатывается электричество. В течение 6–8 месяцев продолжается период апробации, когда на малых мощностях проводят испытания: тестируют гидравлические линии, электрические цепи. Постепенно, с учетом всех мер безопасности, повышают мощность реактора и затем подключают его к электросети.

Системы безопасности АЭС

После аварии на ЧАЭС МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергетике) приняло концепцию безопасности, построенную на принципе глубокой эшелонированной защиты (defense in depth). Она включала в себя меры по управлению физическими барьерами безопасности. В этой концепции каждый барьер безопасности рассматривается как последний, на котором персонал станции обязан остановить опасность. 

Системы безопасности АЭС можно разделить на активные — те, что включаются в случае нештатной ситуации, — и пассивные. К первым можно отнести системы аварийного охлаждения топлива — баки с борной кислотой, которая зальет реактор в случае потери теплоносителя. Ко вторым — ряд барьеров, предотвращающих выход ионизирующего излучения за пределы зоны реактора: оболочки топливных матриц, оболочки тепловыделяющих элементов, собственно первый контур и контейнмент — внешнюю оболочку, выдерживающую падение пассажирского самолета. На случай расплава активной зоны реактора под ним находится специальная ловушка, которая удержит топливо от попадания в почву.

Чтобы авария не случилась, десятки тысяч датчиков в режиме реального времени снимают множество показаний — от плотности нейтронного потока до частоты вибрации лопаток турбины. Обработкой этих данных занимаются сразу несколько систем безопасности. Например, уже упоминавшаяся СУЗ контролирует реактор, выполняет его нормальную и аварийную остановку. СКУ НЭ (система контроля и управления нормальной эксплуатацией) в автоматическом режиме регулирует различные технологические системы вне реактора. УСБТ (управляющая система безопасности технологическая) следит, чтобы параметры работы этих технологических систем не выходили за пределы безопасных диапазонов. Отдельные системы отвечают за работу электросетей, диагностику вращающегося оборудования, водоочистку, пожаротушение, радиационный контроль. Есть даже черный ящик, который регистрирует и хранит информацию, необходимую для расследования аварий.

Данные обрабатываются программным обеспечением, которое рассчитывает поведение реактора в разных ситуациях — это возможно благодаря компьютерному моделированию. Для ПО тоже действуют свои нормы безопасности. Так, оно должно быть аттестовано, то есть правильность его расчетов должна быть проверена экспериментально в лаборатории или на испытательных стендах. Компьютерная сеть станции не имеет выходов во внешние сети, все «железо» проверяется на наличие шпионских «закладок» и бэкдоров. А на случай, если откажет все программное обеспечение, есть аналоговые прямопоказывающие приборы и пульт прямого управления, потому что в некоторых ситуациях принять решение может только человек.

Кто работает на атомной станции

Все станции мира сейчас работают как единая сеть, и информация об авариях и происшествиях является общей. По каждому случаю ищется исходная причина. Специалисты стремятся минимизировать любой остаточный риск, однако исключить человеческий фактор невозможно.

Уже упоминавшаяся здесь авария на АЭС Three Mile Island​​​​​​​ (28 марта 1979 года) началась с мелкой неполадки, но попытки ее исправить вызвали каскад все более и более серьезных проблем и в конце концов расплавление активной зоны реактора и выход продуктов распада за пределы реакторной зоны. Расследование показало, что сами по себе сбои в работе техники не привели бы к аварии: она возникла из-за действий операторов, которые не понимали, как интерпретировать показания приборов, вмешивались в работу автоматики и в итоге позволили реактору перегреться (сначала не заметили утечку теплоносителя, а затем не включили систему резервного охлаждения). 

Авария на АЭС Three Mile Island​​​​​​​ продемонстрировала важность человеческого фактора — на это обратили внимание и в Советском Союзе. В систему подготовки кадров для АЭС внесли изменения, а в 1982 году в МИФИ была организована первая группа психологов для работы с персоналом атомных станций. Появились лаборатории психофизиологического обеспечения — сначала на базе учебно-технических центров, а после аварии на ЧАЭС — на самих станциях.

Сейчас на каждой станции действуют лаборатории психофизиологического обеспечения. Психологическое обследование включает личностные тесты на мотивацию, ценностную ориентацию и тому подобное (например, склонность к риску — противопоказание для работы на АЭС, а тревожность, наоборот, плюс), физиологическое — функциональные резервы организма, а психофизиологическое — проверку скорости обработки информации, реакций, памяти.

Чтобы действия в условиях ЧС были доведены до автоматизма, весь персонал станции регулярно проходит переаттестацию в учебно-технических центрах. Для обучения используются тренажеры: одни симулируют различные ситуации на компьютере, другие представляют собой полномасштабную имитацию пульта управления, который управляет виртуальным энергоблоком. Имитируется даже резервный пункт управления, чтобы можно было отработать переход на него в случае задымления.

Культура безопасности

После аварии на ЧАЭС в одном из докладов Международной консультативной группы по ядерной энергетике появился термин «культура безопасности» (safety culture). Ее низкий уровень называли в числе причин, повлекших за собой катастрофу: «Обеспечение безопасности вопреки неизбежному давлению в связи с необходимостью выполнять производственные задания требует приверженности эксплуатирующей организации цепям безопасности и прочного и независимого режима регулирования, который надлежащим образом финансируется, имеет поддержку на правительственном уровне и обладает всеми необходимыми полномочиями по контролю за соблюдением требований. В момент аварии такого рода режима в СССР не существовало». Доходило до запрета публикации статей и книг, посвященных ликвидации возможных ядерных катастроф, — об этом вспоминали, например, член-корреспондент РАМН Ангелина Гуськова и академик Леонид Ильин, стоявшие у истоков отечественной радиационной медицины и радиационной гигиены. 

Если коротко, то культура безопасности — это расстановка приоритетов: если стоит выбор между необходимостью заглушить реактор, чтобы избежать потенциальной аварии, и необходимостью поддерживать реакцию ради выполнения каких-либо показателей, выбор должен делаться в пользу безопасности.

Культура безопасности призвана минимизировать человеческий фактор, способный не только привести к запроектным авариям, но и помешать эффективному устранению их последствий. Так, серьезным препятствием в работе с последствиями аварии на «Фукусиме-1» стала японская бюрократическая система, из-за которой не удавалось добиться согласованных действий, а также отсутствие кризисного центра из-за уверенности эксплуатирующей компании в том, что авария такого уровня просто не может произойти.

Интересно, что в 10 километрах к югу от АЭС «Фукусима-1» находится «Фукусима-2», на которой удалось избежать взрывов благодаря двум факторам. Во-первых, станция меньше пострадала от цунами и на ней частично сохранилось электричество. Во-вторых, руководство «Фукусимы-2» выбрало другую тактику кризисного менеджмента. Если на «Фукусиме-1» персонал был распущен, а управление передано сначала эксплуатирующей организации TEPCO в Токио, а затем премьер-министру Японии, то руководитель второй станции Наохиро Масуда смог успокоить сотрудников — в итоге им удалось собственными силами оперативно запитать охлаждающие насосы.

Опасна ли атомная энергетика?

Примечательно, что отсутствие разработанных мер по ликвидации последствий ядерной аварии может выразиться как в их недостаточности, так и в избыточности. Так, в мае 1986 года допустимый уровень содержания в молоке цезия-137 был установлен в 370 Бк/кг, а к 2001 году снизился до 100 Бк/кг. В 1996 году он вообще составлял 50 Бк/кг, что ударило по производителям молочной продукции. В некоторых регионах, например в Брянской области, его подняли до 185 Бк/кг, что вызвало торговую дискриминацию: производители молока из Брянской области не могли продать его в соседние регионы. Для сравнения: в Норвегии ограничились первым шагом (норматив в 370 Бк/кг в 1986 году), а специальная Комиссия ФАО/ВОЗ по безопасности продовольствия рекомендовала в качестве допустимого для международной торговли молоком и другими продуктами питания уровня йода-131 значение 1000 Бк/кг. 

В опросе Ipsos 2011 года уровень поддержки ядерной энергетики оказался самым низким из всех источников и составил 38%. 26% опрошенных признались, что на их отношение повлияла авария на «Фукусиме».

Уровень поддержки различных типов энергетики
Уровень поддержки различных типов энергетики // Андрей Носков

При этом именно атомная энергетика является одной из самых устойчивых. В течение рабочего цикла атомная станция выбрасывает в среднем 2–6 г углерода (или 20 г CO2) на кВт·ч, что на два порядка меньше, чем нефть, газ или уголь, и сопоставимо с выбросами ветро- и солнечных электростанций. Исследование по безопасности разных источников энергии, проведенное в 2007 году, показывает, что уровень смертности на АЭС составляет 0,7 смертей на ТВт·ч. Ниже показатель только у солнечной, ветряной и гидроэнергетики, в то время как у нефти и угля показатели 24,62 и 32,72 смертей на ТВт·ч соответственно.

Плохая репутация атомной энергетики — это во многом заслуга громких аварий, которые ассоциируют с утечкой радиации и заражением местности, приводящим к отложенным смертям, — Чернобыля и Фукусимы. Научный комитет Организации Объединенных Наций по действию атомной радиации в докладе 2012 года отмечает устойчивый рост числа заболеваний раком щитовидной железы у лиц, перенесших облучение в результате аварии на ЧАЭС в детском возрасте, и подтверждает выводы исследования, согласно которым авария стала причиной 4000 преждевременных смертей от рака среди 600 тысяч человек, подвергшихся наиболее сильному облучению. Однако, по данным комитета, нет оснований полагать, что в результате аварии выросла заболеваемость лейкозом, различными видами солидного рака, сердечно-сосудистыми заболеваниями. Согласно Отчету ООН и ВОЗ 2005 года, данные о числе врожденных пороков развития на территориях, подвергшихся заражению, мало отличаются от аналогичных данных по незараженным территориям. При этом не менее важным последствием Чернобыльской катастрофы стали не только соматические, но и психологические проблемы, вызванные эвакуацией и недостатком информации.

Смерти, вызванные аварией на «Фукусиме», были связаны с эвакуацией населения из потенциально опасных зон: сообщалось о 2259 таких случаях. Также в 2018 году японское правительство сообщило о гибели одного из сотрудников станции, заболевшего раком легких после аварии.

Количество смертей на ТВТЧ для различных источников энергии
Количество смертей на ТВТЧ для различных источников энергии // Андрей Носов

Количество смертей от рака, вызванного ядерными инцидентами, рассчитано в соответствии с линейной беспороговой моделью (принята Международной комиссией по радиологической защите), основанной на экстраполяции эффектов высоких доз на низкие. Иными словами, эта модель исходит из того, что безопасных доз радиации не существует и даже минимальное облучение способно привести к негативным последствиям в будущем.

Авторы исследования 2013 года и вовсе пришли к выводу, что атомная энергетика, замещая сжигание ископаемого топлива, сохраняет жизни тех, кто в противном случае мог бы пострадать от вредного воздействия на окружающую среду. 

Сколько смертей предотвратила атомная энергетика
Сколько смертей предотвратила атомная энергетика // Андрей Носков

Что смотреть: три фильма об атомных станциях

https://youtube.com/watch?v=bIGH1AfIS18%3Frel%3D0%26showinfo%3D0%26autoplay%3D0

Китайский синдром 
Режиссер: Джеймс Бриджес. США, 1979

Тележурналисты снимают на АЭС сюжет для цикла передач и становятся свидетелями серьезной аварии. С помощью начальника смены удается разобраться в причинах неполадок и заполучить сенсационный материал, но руководство станции идет на все, чтобы не допустить утечки информации. Под угрозой оказывается не только отснятый репортаж, но и жизни журналистов.

Интересно, что премьера «Китайского синдрома» состоялась за 12 дней до аварии на АЭС Three Mile Island, а его закрытый показ в СССР — за полтора года до аварии на Чернобыльской станции (в обоих случаях произошло частичное разрушение реактора).https://www.youtube.com/embed/s9APLXM9Ei8?rel=0&showinfo=0&autoplay=0

Чернобыль 
Сериал. США, Великобритания, 2019

Сериал HBO рассказывает об аварии на ЧАЭС и последующей ликвидации, воспроизводя некоторые детали советской реальности с удивительной точностью. Кропотливая работа сценаристов, художников по костюмам и декорациям и игра актеров позволяют полностью погрузиться в атмосферу грядущего конца света — именно благодаря этому сериал стал настоящим событием и вызвал новую волну интереса к Чернобылю и зоне отчуждения, к которой потянулись новые паломники. Правда, без досадных стереотипов и художественных преувеличений не обошлось, так что воспринимать сериал как историческую хронику все же не стоит.https://www.youtube.com/embed/IV0bRfGI6-4?rel=0&showinfo=0&autoplay=0

Атомный Иван 
Режиссер: Василий Бархатов. Россия, 2012

Молодой ученый-энергетик пытается добиться внимания бывшей однокурсницы и ныне коллеги — целеустремленного специалиста, которая увлечена своим делом. Ему помогают непредвиденные обстоятельства, которые к тому же доказывают герою, что ядерная энергетика — его призвание. Фильм снимали в помещениях действующих АЭС — Калининской и Ленинградской.

Еще больше фильмов смотрите в нашей отдельной подборке.

Литература

1. Арутюнян Р.В., Большов Л.А., Линге И.И., Мелихова Е.М., Панченко С. В. Уроки Чернобыля и Фукусимы и актуальные проблемы совершенствования системы защиты населения и территорий при авариях на АЭС // Медицинская радиология и радиационная безопасность 2016. Том 61. № 3

2. Большов Л.А., Арутюнян Р.В., Линге И.И., Абалкина И. Л. Ядерные аварии: последствия для человека, общества и энергетики // Радиационная гигиена. — 2016. — Т. 9, № 3. — С. 43–52. DOI: 10.21514/1998-426Х-2016-9-3-43-52

3. Зверков В.В. Унификация АСУ ТП в проектах новых АЭС. Доклад / ОАО ВНИИАЭС

4. Последствия облучения для здоровья человека в результате чернобыльской аварии. Научный комитет Организации Объединенных Наций по действию атомной радиации. Научное приложение D к докладу НКДАР ООН 2008 года Генеральной Ассамблее. ООН, Нью-Йорк: 2012

5. Психофизиологическое обеспечение профессиональной надежности персонала предприятий и организаций атомной отрасли. Сборник материалов III отраслевой научно-практической конференции, г. Обнинск, 15–17 октября 2018 г. / Отв. ред. Е. В. Леонова. — М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 2018

6. Радиационные аварии // Сайт МЧС России (дата обращения: 11.09.2020) 

7. Солодов А.П. Тепломассообмен в энергетических установках / Электронный курс

8. Хронология радиационных аварий // Сибирский региональный союз «Чернобыль» (дата обращения: 11.09.2020)

9. Чернобыльская авария: дополнение к INSAG-1. INSAG-7. Доклад Международной консультативной группы по ядерной безопасности // Международное агентство по атомной энергии: Вена, 1993

10. Cardis, E., L. Anspaugh, V.K. Ivanov et al. Estimated long term health effects of the Chernobyl accident, pp. 241-279. B: One Decade After Chernobyl. Summing up the Consequences of the Accident. Proceedings of an International Conference, Vienna, 1996. STI/PUB/1001. IAEA, Vienna (1996)

11. Chernobyl: the true scale of the accident, WHO

12. Chernobyl’s Legacy: Health, Environmental and Socio-Economic Impacts and Recommendations to the Governments of Belarus, the Russian Federation and Ukraine / The Chernobyl Forum: 2003–2005. Second revised version

13. Defence in Depth in Nuclear Safety / INSAG-10. A report by the International Nuclear Safety Advisory group. — Vienna: International Atomic Energy Agency, 1996

14. Fukushima Daiichi Accident / World Nuclear Association (дата обращения: 15.09.2020)

15. Hans-Holger Rogner, et. al., Nuclear Power: Status and Outlook, IAEA, Vienna, 2002, p. 5.

16. Human reliability data, human error and accident models—illustration through the Three Mile Island accident analysis, Pierre Le Bot, 2004, Re ing and SS.

17. Ipsos. Global Citizen Reaction to the Fukushima Nuclear Plant Disaster. 2011

18. Kharecha, P. A., & Hansen, J. E. (2013). Prevented mortality and greenhouse gas emissions from historical and projected nuclear power. Environmental Science & Technology, 47(9), 4889-4895

19. Markandya, A., & Wilkinson, P. (2007). Electricity generation and health. The Lancet, 370(9591), 979–990

20. Nuclear power plant accidents: listed and ranked since 1952 // The Guardian (дата обращения: 11.09.2020)

Источник: postnauka.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *