Разные люди по-разному относятся к атомной энергетике. Некоторые рассматривают атомную энергетику как важную зеленую технологию, которая не выделяет углекислый газ, но при этом производит огромное количество надежной электроэнергии. Они указывают на замечательные показатели безопасности, которые охватывают более двух десятилетий.
Другие рассматривают ядерную энергетику как опасную по своей сути технологию, представляющую угрозу для любого сообщества, расположенного вблизи атомной электростанции. Они указывают на такие несчастные случаи, как инцидент на Три-Майл-Айленде и взрыв в Чернобыле, как на доказательство того, насколько плохо все может пойти не так.
В любом случае, коммерческие ядерные реакторы являются фактом жизни во многих частях развитого мира. Поскольку в них действительно используется источник радиоактивного топлива, эти реакторы спроектированы и построены в соответствии с высочайшими стандартами инженерной профессии, с предполагаемой способностью справиться практически со всем, что может предложить природа или человечество. Землетрясения? Без проблем. Ураганы? Без проблем. Прямые удары реактивных самолетов? Без проблем. Теракты? Без проблем. Прочность заложена, а уровни резервирования предназначены для устранения любых нештатных ситуаций в работе.
Вскоре после того, как 11 марта 2011 года в Японии произошло землетрясение, эти представления о безопасности начали быстро меняться. Взрывы сотрясли несколько различных реакторов в Японии, хотя первоначальные отчеты указывали на то, что само землетрясение не вызвало никаких проблем. На АЭС «Онагава» вспыхнули пожары, на АЭС «Фукусима-дайити» произошли взрывы.
Так что же пошло не так? Как могут такие хорошо спроектированные системы с высокой степенью избыточности так катастрофически выходить из строя? Давайте посмотрим.
Понимание ядерного реактора
Если вы читали «Как работают ядерные реакторы», вы знакомы с основной идеей атомной электростанции. На высоком уровне эти растения достаточно просты. Ядерное топливо, которое на современных коммерческих атомных электростанциях поставляется в виде обогащенного урана, естественным образом выделяет тепло при расщеплении атомов урана (подробности см. В разделе «Ядерное деление» книги «Как работают ядерные бомбы»). Тепло используется для кипячения воды и производства пара. Пар приводит в действие паровую турбину, которая вращает генератор для выработки электроэнергии. Эти заводы большие и, как правило, способны производить порядка гигаватт электроэнергии на полной мощности.
Для того чтобы мощность атомной электростанции можно было регулировать, урановое топливо формируется в виде гранул размером примерно с Тутси Ролл. Эти гранулы уложены друг на друга в длинные металлические трубы, называемые топливными стержнями. Стержни собраны в пучки, а пучки собраны в активной зоне реактора. Стержни управления помещаются между топливными стержнями и способны поглощать нейтроны. Если управляющие стержни полностью вошли в активную зону, говорят, что реактор остановлен. Уран будет производить минимально возможное количество тепла (но все же будет производить тепло). Если управляющие стержни максимально выдвинуты из активной зоны, активная зона вырабатывает максимальное количество тепла. Подумайте о тепле, выделяемом 100-ваттной лампочкой накаливания. Эти лампочки сильно нагреваются - достаточно, чтобы испечь кекс в духовке Easy Bake. Теперь представьте себе лампочку на 1 000 000 000 ватт. Такое тепло исходит из активной зоны реактора на полной мощности.
Реакторы, вышедшие из строя в Японии, представляют собой реакторы с кипящей водой Mark 1, разработанные General Electric в 1960-х годах. Это одна из первых конструкций реактора, в котором урановое топливо кипятит воду, которая непосредственно приводит в действие паровую турбину. Позднее эта конструкция была заменена реакторами с водой под давлением из соображений безопасности, связанных с конструкцией Mark 1. Как мы видели, эти опасения по поводу безопасности обернулись в Японии сбоями в обеспечении безопасности. Давайте взглянем на фатальную ошибку, которая привела к катастрофе.
Фатальный недостаток ядерных реакторов с кипящей водой
У реактора с кипящей водой есть ахиллесова пята - фатальный недостаток, невидимый при нормальных условиях эксплуатации и большинстве сценариев отказа. Недостаток связан с системой охлаждения.
Реактор с кипящей водой кипит воду: Это очевидно и достаточно просто. Это технология, которая восходит к самым ранним паровым двигателям более века назад. Когда вода закипает, она создает огромное давление - давление, которое будет использоваться для вращения паровой турбины. Кипящая вода также поддерживает безопасную температуру активной зоны реактора. На выходе из паровой турбины пар охлаждается и конденсируется для многократного повторного использования в замкнутом контуре. Вода циркулирует по системе с помощью электрических насосов.
Уязвимость конструкции проявляется, если электронасосы теряют мощность. Без подачи свежей воды в котел вода продолжает выкипать, а уровень воды начинает падать. Если испаряется достаточное количество воды, топливные стержни обнажаются и перегреваются. В какой-то момент, даже при полностью вставленных управляющих стержнях, тепла достаточно, чтобы расплавить ядерное топливо. Отсюда и пошло выражение «расплав». Тонны расплавленного урана стекают на дно сосуда высокого давления. На тот момент это катастрофа. В худшем случае расплавленное топливо проникает в сосуд высокого давления и выбрасывается в окружающую среду.
Из-за этой известной уязвимости существует огромная избыточность вокруг насосов и их подачи электроэнергии. Имеется несколько комплектов резервных насосов и резервные источники питания. Энергия может поступать из электросети. Если это не удастся, есть несколько уровней резервных дизель-генераторов. Если они выходят из строя, есть система резервных батарей. Со всей этой избыточностью кажется, что уязвимость полностью закрыта. Невозможно, чтобы фатальный недостаток был раскрыт.
К сожалению, вскоре после землетрясения развернулся наихудший сценарий.
Наихудший сценарий ядерного кризиса в Японии
Атомные электростанции в Японии без труда выдержали само землетрясение. Четыре станции, ближайшие к эпицентру землетрясения, отключились автоматически, а это означает, что управляющие стержни были полностью вставлены в активные зоны их реакторов, и станции перестали вырабатывать энергию. Это нормальный рабочий процесс для этих заводов, но это означало, что первый источник электроэнергии для охлаждающих насосов исчез. Это не проблема, потому что завод может получать энергию из электросети для работы насосов.
Однако электросеть стала нестабильной и отключилась. Второй источник электроэнергии для охлаждающих насосов исчез. Это задействовало резервные дизель-генераторы. Дизельные генераторы - это надежный и проверенный временем способ выработки электроэнергии, поэтому не стоит беспокоиться.
Но потом ударило цунами. И, к сожалению, цунами было намного больше, чем кто-либо планировал. Если бы резервные дизель-генераторы были выше над землей, рассчитаны на работу в погруженном состоянии или каким-то образом защищены от глубоководья, кризис можно было бы предотвратить. К сожалению, из-за неожиданного уровня воды в результате цунами генераторы вышли из строя.
Остался последний резервный слой - батареи - для работы насосов. Батареи работали, как и ожидалось, но они были рассчитаны только на несколько часов. Предполагалось, по-видимому, что электричество станет доступным из другого источника довольно быстро.
Хоть операторы и завезли новые генераторы, их не удалось вовремя подключить, и у насосов охлаждающей жидкости закончилось электричество. Тем не менее обнаружился фатальный недостаток конструкции кипящей воды, который, как считалось, невозможно обнаружить за счет стольких слоев избыточности. Когда он был разоблачен, следующий шаг в процессе привел к катастрофе.
Взрывы на японских атомных электростанциях
С разряженными батареями отказали насосы охлаждающей жидкости. Поскольку свежий теплоноситель не поступал в активную зону реактора, вода, поддерживавшая его охлаждение, начала выкипать. Когда вода испарилась, обнажились верхушки топливных стержней, а металлические трубки, удерживающие урановые топливные таблетки, перегрелись и треснули. Трещины позволили воде проникнуть в трубы и добраться до топливных таблеток, где она начала генерировать газообразный водород. Процесс называетсятермолиз - если вы нагреете воду достаточно, она распадется на составляющие ее атомы водорода и кислорода.
Водород - взрывоопасный газ - вспомните взрыв Гинденбурга, при котором Гинденбург был полон газообразным водородом. На японских атомных электростанциях давление водорода возросло, и газ пришлось стравливать. К сожалению, так быстро вырвалось столько водорода, что он взорвался внутри здания реактора. Та же цепочка событий развернулась в нескольких разных реакторах.
Взрывы не разорвали сосуды под давлением, содержащие ядерные ядра, и не высвободили сколько-нибудь значительного количества радиации. Это были простые взрывы водорода, а не ядерные взрывы. Взрывы повредили бетонные и стальные здания вокруг сосудов высокого давления.
Взрывы также указывали на то, что ситуация вышла из-под контроля. Если бы вода продолжала кипеть, расплавление было бы почти гарантировано.
Поэтому операторы решили залить реакторы морской водой. Это последняя попытка контролировать ситуацию, так как морская вода полностью разрушает реактор, но это лучше, чем плавление. Кроме того, морская вода была смешана с бором, чтобы действовать как жидкая версия управляющих стержней. Бор поглощает нейтроны и является одним из основных компонентов регулирующих стержней.
Следующие шаги в ядерном кризисе Японии
Ядерные инциденты в Японии описываются как события уровня 6 INES (Международная шкала ядерных и радиологических событий). Три-Майл-Айленд был событием уровня 5. Чернобыль был событием 7-го уровня, и это вершина шкалы событий. Очевидно, это серьезная ситуация.
Япония потеряла значительную часть своих электрогенерирующих мощностей. Примерно треть электроэнергии в Японии вырабатывается атомными электростанциями, и около половины этих мощностей утрачено (примерно 20 процентов от общей генерирующей мощности). Эту емкость необходимо каким-то образом заменить.
В 40 лет эти реакторы в любом случае приближаются к концу своего проектного срока службы. Один из вариантов - просто восстановить заводы. Две проблемы с этим подходом заключаются в том, что это будет очень длительный процесс, который может занять десятилетие или более, и широкая общественность в Японии может не питать интереса к новым ядерным реакторам. Еще слишком рано говорить.
В США есть несколько реакторов Mark 1. Несомненно, они будут выведены из эксплуатации или переделаны, чтобы извлечь выгоду из уроков, извлеченных в Японии. Другие реакторы также могут быть изменены по мере необходимости.
Атомная промышленность надеялась на возрождение ядерной энергетики в Соединенных Штатах сейчас, когда прошло более трех десятилетий с тех пор, как инцидент на Три-Майл-Айленде привел к остановке строительства новой атомной электростанции в Соединенных Штатах. События в Японии могут остановить этот ренессанс. Или они могут стимулировать исследования в области других, возможно, более безопасных ядерных технологий.