Через восемь месяцев после аварии на Чернобыльской АЭС в Украине в апреле 1986 года рабочие, которые вошли в коридор под поврежденным реактором № 4, обнаружили поразительное явление: черная лава, вытекшая из активной зоны реактора, если бы это был какой-то рукотворный вулкан. Одна из затвердевших масс была особенно поразительной, и команда прозвала ее Слоновьей Ногой, потому что она напоминала ногу массивного млекопитающего.
Сенсоры сказали рабочим, что образование лавы было настолько высокорадиоактивным, что человеку потребуется пять минут, чтобы получить смертельную дозу облучения, как описал Кайл Хилл в этой статье 2013 года для научного журнала Nautilus.
Десять лет спустя Международный проект по ядерной безопасности Министерства энергетики США, в ходе которого были собраны сотни фотографий Чернобыля, получил несколько изображений слоновьей ноги, вес которой оценивается в 2,2 тонны (2 метрических тонны).
С тех пор Слоновья нога, известная как лавоподобный топливосодержащий материал (LFCM), остается жутким объектом восхищения. Но что это на самом деле?
Что такое нога чернобыльского слона?
Из-за того, что слоновья нога была настолько радиоактивной, ученые в то время использовали камеру на колесе, чтобы сфотографировать ее. Несколько исследователей подошли достаточно близко, чтобы взять образцы для анализа. Они обнаружили, что Слоновья Нога не была остатками ядерного топлива.
Вместо этого эксперты-ядерщики объясняют, что Слоновья нога состоит из редкого вещества, называемого кориумом, которое образуется в результате ядерной аварии, когда ядерное топливо и части конструкций активной зоны реактора перегреваются и плавятся, образуя смесь. Кориум формировался естественным путем только пять раз в истории: один раз во время аварии на Три-Майл-Айленд в Пенсильвании в 1979 году, один раз в Чернобыле и три раза во время катастрофы на АЭС Фукусима-дайити в Японии в 2011 году.
" Если расплавление активной зоны не может быть остановлено, то в конечном итоге расплавленная масса будет стекать на дно корпуса реактора и проплавляться (с вкладом дополнительных расплавленных материалов), падая на пол защитной оболочки, Эдвин Лайман, директор по безопасности атомной энергетики Союза обеспокоенных ученых, объясняет в электронном письме.
«Горячая расплавленная масса затем вступит в реакцию с бетонным полом защитной оболочки (если он есть), снова изменив состав расплава», - продолжает Лайман. «В зависимости от типа реактора расплав может распространяться и протапливаться через стены защитной оболочки или продолжать протапливаться через пол, в конечном итоге проникая в грунтовые воды (это то, что произошло на Фукусиме). Когда расплав достаточно остынет, он затвердеет и превратится в твердый минерал, похожий на камень."
Митчелл Т. Фармер, опытный инженер-ядерщик и руководитель программы в Аргоннской национальной лаборатории, сообщает по электронной почте, что кориум очень похож на лаву, черновато-оксидный материал, который становится очень вязким по мере остывания и течет, как липкое расплавленное стекло. Вот что случилось в Чернобыле со Слоновьей Ногой."
Что такое кориум?
Точный состав конкретного потока кориума, например того, что составляет Слоновью ногу в Чернобыле, может варьироваться. Фармер, чья группа в ходе исследований моделировала аварии с расплавлением активной зоны ядерных реакторов, говорит, что коричневатый оттенок Слоновьей ноги напоминает кориум, «в котором расплав превратился в бетон, содержащий большое количество кремнезема (SiO2), который в основном представляет собой стекло. содержат много кремнезема, называются кремнистыми, и это тип бетона, который используется для строительства Чернобыльских АЭС."
Это имеет смысл, потому что первоначально после расплавления ядра кориум будет состоять из материалов, из которых обычно изготавливается ядро. Часть его также является топливом из оксида урана. Фармер объясняет, что другие ингредиенты включают покрытие топлива - обычно сплав циркония под названием Zircaloy - и конструкционные материалы, которые в основном представляют собой нержавеющую сталь, состоящую из железа.
«В зависимости от того, когда вода снова подается для охлаждения кориума, состав кориума может меняться со временем», - говорит Фармер. «По мере того, как пар испаряется, пар может реагировать с металлами в кориуме (цирконий и сталь) с образованием газообразного водорода, последствия которого вы видели во время аварии на реакторе на Фукусима-дайити. Окисленные металлы в кориуме превращаются в оксиды, вызывает изменение композиции."
Если кориум не охлаждать, он будет двигаться вниз по корпусу реактора, по пути расплавляя больше конструкционной стали, что вызывает еще большие изменения в его составе, говорит Фармер.«Если кориум все еще переохлажден, он может в конечном итоге расплавить стальной корпус реактора и упасть на бетонный пол защитной оболочки», - объясняет он. «Это произошло на всех трех реакторах Фукусима-дайити». Бетон, соприкасающийся с кориумом, со временем нагревается и начинает плавиться.
После расплавления бетона в расплав вводятся оксиды бетона (обычно известные как «шлак»), что приводит к дальнейшему изменению состава, объясняет Фармер. Плавящийся бетон также выделяет пар и углекислый газ, которые продолжают реагировать с металлами в расплаве с образованием водорода (и монооксида углерода), вызывая еще большие изменения в составе кориума.
Насколько опасна слоновья нога?
Последний беспорядок, который создал Слоновью Ногу, чрезвычайно опасен. Как правило, говорит Лайман, кориум гораздо более опасен, чем неповрежденное отработавшее топливо, потому что он находится в потенциально нестабильном состоянии, с которым труднее обращаться, упаковывать и хранить.
«Поскольку кориум удерживает высокорадиоактивные продукты деления, плутоний и материалы активной зоны, которые стали радиоактивными, кориум будет иметь высокую мощность дозы и оставаться чрезвычайно опасным в течение многих десятилетий или даже столетий», - объясняет Лайман.
Очень твердый затвердевший кориум, такой как у Слоновьей Ноги, должен быть раздроблен, чтобы удалить его из поврежденных реакторов. «[Это] приведет к образованию радиоактивной пыли и повысит опасность для рабочих и, возможно, для окружающей среды», - говорит Лайман.
Но что еще более тревожно, ученые не знают, как кориум может вести себя в долгосрочной перспективе, например, когда он хранится в хранилище ядерных отходов. Что они действительно знают, так это то, что кориум слоновьей ноги, вероятно, не так активен, как раньше, и что он остывает сам по себе - и будет продолжать остывать. Но он все еще тает и остается очень радиоактивным.
В 2016 году над Чернобылем был надвинут Новый безопасный конфайнмент (НБК), чтобы предотвратить дальнейшие утечки радиации из атомной электростанции. Еще одна стальная конструкция была построена внутри защитной оболочки для поддержки разлагающегося бетонного саркофага в чернобыльском реакторе № 4. В идеале НБК помог бы предотвратить рассеивание массивного облака урановой пыли в воздухе в случае взрыва в комнате 305. 2. Комната 305/2 находилась прямо под активной зоной реактора № 4, и с 2016 года в ней проявляются признаки повышенного выброса нейтронов. Она полностью недоступна для людей из-за смертельного уровня радиации.
Изучение Кориума
Никто не хочет видеть еще одну Слоновью ногу. Фармер провел большую часть своей карьеры, изучая ядерные аварии и работая с кориумом, пытаясь разработать способы для операторов станции остановить аварию - сколько воды вводить и куда ее вводить, и как быстро вода может охладить кориум и стабилизировать его..
«Мы проводим большие эксперименты, в которых мы производим «кориум» из реальных материалов, но мы используем электрический нагрев для имитации остаточного тепла вместо самого остаточного нагрева», - говорит Фармер, объясняя, что моделирование облегчает проведение экспериментов. делать.
" Большую часть нашей работы мы сосредоточили на изучении эффективности добавления воды при закалке и охлаждении кориума для различных составов кориума. Таким образом, мы проводим исследования по смягчению последствий аварий. Другим концом этого является предотвращение аварий, и это основное направление деятельности атомной отрасли."
Вот это страшно
Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории создали это видео, на котором показан расплавленный бассейн оксида урана при температуре 3 600 градусов по Фаренгейту (2 000 градусов по Цельсию). Их эксперименты смоделировали, как такой поток лавы разрушает бетонный пол здания защитной оболочки ядерного реактора.