Для чего нужна атомная электростанция в чернобыле
Смертельный эксперимент: почему взорвалась Чернобыльская АЭС
С момента тех трагических событий прошло уже несколько десятилетий, об аварии Чернобыльской АЭС написано огромное количество книг, сняты сотни документальных фильмов. Несмотря на это, множество вопросов остается и сегодня. Почему произошла авария? Какой была её причина: ошибки проектировщиков или грубые нарушения норм эксплуатации? Можно ли было избежать трагедии? Кому вообще пришло в голову строить атомную электростанцию вблизи многомиллионного Киева?
Чернобыльская АЭС имени Ленина: гордость советской промышленности
В СССР атомная энергетика всегда входила в список государственных приоритетов. Украина, обладающая значительным научным и промышленным потенциалом, внесла существенный вклад в развитие советского «мирного атома». В 1966 году был принят десятилетний план строительства АЭС, часть из которых собирались оснастить новыми реакторами типа РБКМ-1000. Одну из таких станций решено было разместить в центральной части Украины.
Уже в начале 1967 года появилось секретное постановление ЦК Компартии УССР, в котором в качестве площадки для размещения будущей АЭС был выбран Чернобыльский район Киевской области. Этому решению предшествовал анализ шестнадцати участков в нескольких областях центральной части Украины. По мнению разработчиков, именно Чернобыль лучше всего подходил для размещения стратегического объекта, он соответствовал санитарным нормам, был удобен в логистическом отношении, имел значительные водные ресурсы. Новая АЭС должна была стать одной из крупнейших в Советском Союзе, ее расчетная мощность составляла 6 тыс. МВт.
Проектное задание на строительство АЭС разрабатывалось специалистами Уральского отделения института «Теплоэлектропроект». Причем, оно было выполнено сразу для трех типов реакторов:
Из предложенных вариантов именно графитно-водный реактор РБМК-1000 был признан наиболее приемлемым. Он принадлежал к канальному типу и имел как серьезные достоинства, так и значительные недостатки. Научным руководителем проекта РБМК-1000 был Институт атомной энергии им. Курчатова, а главным конструктором — НИКИЭТ, входящий в структуру Минсредмаша СССР.
В начале 1970 года Чернобыльская АЭС была возглавлена дирекцией во главе с В. П. Брюхановым, который занимал этот пост вплоть до трагических событий 1986 года.
К строительству первого энергоблока станции приступили в мае 1970 года. Несколькими месяцами ранее начались работы по созданию нового населенного пункта – города энергетиков Припяти.
Дата сдачи первой очереди станции несколько раз оказывалась под угрозой срыва из-за несоблюдения сроков поставки оборудования смежниками – для устранения отставания от плана строителям пришлось перейти на круглосуточный график.
В мае 1977 года на первом энергоблоке начались пусконаладочные работы, а уже в декабре был подписан акт его приема.
В январе 1979 года начал работать второй блок станции, в декабре 1981 – был запущен третий, а в марте 1984 года на проектную мощность вышел четвертый энергоблок АЭС. 26 марта он был введен в эксплуатацию. Каждый из построенных блоков состоял из ядерного реактора и двух паровых турбин. Начались работы по возведению пятого и шестого энергоблока, но из-за событий 1986 года они так и не были завершены.
В 1982 году на первом блоке Чернобыльской АЭС произошла серьезная авария, приведшая к выбросу радиоактивных веществ и загрязнению значительной территории. Во время пробного пуска разрушилась одна из тепловыделяющих сборок, в результате чего радиоактивные вещества попали в реакторное пространство. При этом аварийная защита не сработала, и реактор еще продолжительное время (около двадцати минут) после инцидента находился на мощности 700 МВт. До сих пор нет единого мнения относительно причин возникновения нештатной ситуации, сам же факт аварии был засекречен. Возможно, что если бы тогда было проведено нормальное расследование, то взрыва на Чернобыльской АЭС 1986 года можно было избежать.
Апрель 86-го: анатомия катастрофы
События, случившиеся на ЧАЭС 26 апреля 1986 года, настолько хорошо изучены и детально описаны во множестве источников, что составить подробную, буквально поминутную, хронологию аварии не представляет особого труда. Но несмотря на это, специалисты до сих пор спорят о причинах катастрофы.
25 апреля на ЧАЭС шла подготовка к отключению 4-го энергоблока, после чего должен был начаться его плановый ремонт. Именно на такие периоды нередко намечаются испытания различного оборудования. В этот раз инженеры хотели опробовать режим «выбега ротора генератора» – в случае успеха этого эксперимента станция могла бы получить дополнительную систему аварийного энергоснабжения. Его суть заключалась в проверке возможности использования инерции вращения генератора («выбега») для поддержки энергоснабжения станции в том случае, если другие источники питания будут недоступны.Эксперимент должен был проводиться примерно на 20-30% от полной мощности реактора.
Работы по остановке энергоблока начались приблизительно за сутки до трагедии, к 3.47 его мощность была снижена на 50%. Ее дальнейшее уменьшение запретило “Киевэнерго”. В 13.05 был отключен турбогенератор №7, и питание реактора стало осуществляться от генератора №8. В 14.00 была выключена система его аварийного охлаждения.
В 23.10 от энергетиков было получено добро на дальнейшее снижение мощности. В течение двух последующих часов она была уменьшена до уровня, предусмотренного программой испытаний (около 700 МВт).
В 0.28 по неизвестной причине оператору не удалось удержать тепловую мощность реактора, и она буквально обвалилась до 30 МВт. Для ее подъема из активной зоны были извлечены поглощающие защитные стержни – мощность удалось поднять до 160-200 МВт. При этом в реакторе началось так называемое ксеноновое отравление – накопление в нем йода-135 и ксенона-135. Этот процесс всегда происходит при снижении мощности реактора и негативно сказывается на его производительности.
В 1.03-1.07 для повышения надежности охлаждения активной зоны были включены два дополнительных циркуляционных насоса. Четыре из них, согласно программе испытаний, должны были работать от «выбегающего» генератора. Увеличение общего тока воды привело к ее охлаждению и снижению количества пара в сепараторе. Для поддержания мощности реактора из него были извлечены дополнительные замедлительные стержни.
Эксперимент начался 1.23. «Выбегающий» генератор постепенно снижал обороты, следовательно, ток воды через реактор уменьшался, увеличивалось парообразование и давление.
В 1.23.38, то есть через 32 секунды после начала эксперимента, оператор включил систему аварийной защиты реактора, и та штатно сработала – поглощающие стержни стали опускаться в активную зону. Для чего это было сделано – остается загадкой и по сей день. Полностью опустить их так и не удалось – возросшее изнутри давление пара задержало стержни на высоте двух метров. Кроме того, РБМК-1000 имели конструкционную особенность – так называемый концевой эффект: при опускании стержней на некоторых режимах происходило не понижение, а значительное увеличение их мощности. Поэтому вместо заглушения реактора, он, наоборот, начинал стремительно разгоняться.
В 1.23.44-1.23.47 последовали два чудовищных взрыва, которые полностью разрушили реактор, стены и перекрытия машинного зала. Они выбросили в атмосферу значительное количество радиоактивных веществ.
Расследование и официальные причины аварии
Практически сразу после катастрофы была сформирована государственная комиссия, которая занялась поиском причин случившегося. Она пришла к выводу, что авария на ЧАЭС произошла в результате неправильных действий персонала станции и ее руководства. О технических проблемах реакторов типа РБМК-1000 в отчете не было сказано ни слова. Интереснее всего, что группа, созданная МАГАТЭ, которая работала с материалами, предоставленными советской стороной, с такими заключениями согласилась.
В 1991 году Госатомнадзор СССР предпринял новое расследование, в выводах которого одной из причин аварии называлась «неудовлетворительная конструкция реактора». Дополнительный отчет группы МАГАТЭ, опубликованный в 1993 году, также содержал упоминания об ошибках в конструкции реактора. В этом документе наиболее вероятным окончательным событием, приведшим к взрыву, называется ввод поглотительных стержней СУЗ в критический момент испытаний.
Последствия аварии на ЧАЭС и ее ликвидация
По ущербу, нанесенному здоровью людей, природе и экономике страны, аварию на Чернобыльской станции можно смело назвать одной из самых тяжелых катастроф минувшего столетия. Они продолжают ощущаться и сегодня. Слова «Чернобыль, АЭС» превратились в синонимы беды и несчастью для миллионов русских, украинцев и белорусов.
Осознав масштабы произошедшего, 27 апреля власти начали эвакуацию жителей Припяти. На следующий день появилось короткое заявление ТАСС, сообщавшее об аварии. Однако истинные масштабы трагедии от народа скрыли. Более того, в Киеве и других городах центральной Украины, а также в прилегающих районах Белорусской ССР власти не стали отменять первомайские парады и гуляния. Позже это решения было объяснено нежеланием сеять панику среди населения.
Для ликвидации последствий аварии была создана правительственная комиссия. С первого дня после взрыва еще дымящийся реактор стали забрасывать специальной смесью, которая должна была предотвратить дальнейший разогрев активной зоны и уменьшить выбросы в атмосферу. Ученые и сейчас спорят о целесообразности данного решения.
Вокруг станции была создана так называемая 30-километровая зона отчуждения, из которой эвакуировано население. К ликвидации последствий привлекли как армию, так и гражданских специалистов. Всего же в работах было задействовано более 600 тыс. человек.
На самой станции провели дезактивацию, убрали обломки, разбросанные взрывом. Для охлаждения реактора под ним был вырыт специальный тоннель, а вокруг него соорудили бетонный саркофаг (объект «Укрытие»). Его строительство завершилось в 1986 году.
В результате аварии из сельхозоборота было выведено около 5 млн га земель, всего же заражению подверглась площадь в 200 тыс. кв. км. Особенно сильно досталось северу Киевской и Житомирской областей, юго-восточной части Белоруссии, а также Брянской области России. На карте можно легко заметить, что в основном заражение было обусловлено направлением ветра в первые часы и дни после катастрофы.
До сих пор спорным является вопрос о количестве жертв Чернобыльской аварии. 31 человек погиб в течение трех месяцев после трагических событий. К жертвам высоких доз облучения причисляют еще несколько тысяч человек, которые умерли в последующие годы. Определить, сколько именно людей (и в какой степени) потеряли здоровье из-за взбесившегося «мирного атома» весьма проблематично. Но точно можно сказать, что слухи о десятках тысяч жертв, которые фигурируют в некоторых западных источниках, сильно преувеличены. Также весьма спорной является информация о множестве врожденных патологий и высоком уровне онкологических заболеваний в пораженных районах.
Чернобыльская зона: наши дни
В 1995 году между правительством Украины и «большой семеркой» было подписано соглашение о полном закрытии ЧАЭС. В 2004 году был объявлен международный тендер на постройку нового саркофага над уничтоженным четвертым блоком. Его выиграла французская компания NOVARKA. Строительство объекта началось в 2012 году, и было успешно завершено в 2020 году. Новый саркофаг представляет собой огромную стометровую металлическую арку, надежно защищающую реактор от ветра, дождя и снега. Теперь перед специалистами стоит еще более сложная задача: демонтировать разрушенный энергоблок и захоронить то, что от него осталось.
Чернобыльская трагедия получила широчайшее отображение в массовой культуре. О катастрофе сняты десятки документальных и художественных фильмов, написано множество книг и даже песен. Авария и последующие за ней события – к счастью, полностью вымышленные – в зоне отчуждения стали основой для серии культовых компьютерных игр S.T.A.L.K.E.R. А покинутая Припять превратилась в настоящую туристическую Мекку, только в 2017 году ее, например, посетили более 30 тыс. человек. Они приезжают смотреть на развалины этого некогда цветущего советского города, что можно назвать весьма сомнительным удовольствием.
Слово «Чернобыль» уже давно стало нарицательным. Остальному миру события 1986 года дали четкое понимание опасности ядерной энергетики, до тех пор казавшейся надежной и очень передовой. Мы должны помнить уроки Чернобыля, чтобы понимать, что технический прогресс не только открывает новые возможности, но и несет серьезнейшие риски и вызовы.
АЭС: как это работает?
Атомная электроэнергетика – современный и быстро развивающийся способ добычи электричества. А вы знаете, как устроены атомные станции? Каков принцип работы АЭС? Какие типы ядерных реакторов сегодня существуют? Постараемся детально рассмотреть схему работы АЭС, вникнуть в устройство ядерного реактора и узнать о том, насколько безопасен атомный способ добычи электроэнергии.
Как устроена АЭС?
Любая станция – это закрытая зона вдалеке от жилого массива. На ее территории находятся несколько зданий. Самое главное сооружение – здание реактора, рядом с ним расположен машинный зал, из которого реактором управляют, и здание безопасности.
Схема АЭС невозможна без ядерного реактора. Атомный (ядерный) реактор – это устройство АЭС, которое призвано организовать цепную реакцию деления нейтронов с обязательным выделением энергии при этом процессе. Но каков принцип работы АЭС?
Вся реакторная установка помещается в здание реактора, большую бетонную башню, которая скрывает реактор и в случае аварии удержит в себе все продукты ядерной реакции. Эту большую башню называют контейнтмент, герметичная оболочка или гермозона.
Гермозона в новых реакторах имеет 2 толстые бетонные стенки – оболочки.
Внешняя оболочка толщиной в 80 см обеспечивает защиту гермозоны от внешних воздействий.
Внутренняя оболочка толщиной в 1 метр 20 см имеет в своем устройстве специальные стальные тросы, которые увеличивают прочность бетона почти в три раза и не дадут конструкции рассыпаться. С внутренней стороны она выложена тонким листом специальной стали, которая призвана служить дополнительной защитой контейнтмента и в случае аварии не выпустить содержимое реактора за пределы гермозоны.
Такое устройство атомной станции позволяет выдержать падение самолета весом до 200 тонн, 8 бальное землетрясение, торнадо и цунами.
Впервые герметичная оболочка была сооружена на американской АЭС Коннектикут Янки в 1968 году.
Полная высота гермозоны – 50-60 метров.
Из чего состоит атомный реактор?
Чтобы понять принцип работы ядерного реактора, а значит и принцип работы АЭС, нужно разобраться в составляющих реактора.
Топливо для АЭС
На чем работает АЭС? Топливо для АЭС – это химические элементы, обладающие радиоактивными свойствами. На всех атомных станциях таким элементом выступает уран.
Обогащенный уран
Что делать в этом случае? Уран решили обогащать. Обогащение урана это процесс, когда в нем остается много нужных 235х изотопов и мало ненужных 238х. Задача обогатителей урана – из 0.7% сделать почти 100% урана-235.
Обогатить уран можно с помощью двух технологий – газодиффузионной или газоцентрифужной. Для их использования уран, добытый из руды, переводят в газообразное состояние. В виде газа его и обогащают.
Урановый порошок
Обогащенный урановый газ переводят в твердое состояние – диоксид урана. Такой чистый твердый 235й уран выглядит как большие белые кристаллы, которые позже дробят в урановый порошок.
Урановые таблетки
Урановые таблетки – это твердые металлические шайбы, длиной в пару сантиметров. Чтобы из уранового порошка слепить такие таблетки, его перемешивают с веществом – пластификатором, он улучшает качество прессования таблеток.
Прессованные шайбы запекают при температуре 1200 градусов по Цельсию более суток, чтобы придать таблеткам особую прочность и устойчивость к высоким температурам. То, как работает АЭС, напрямую зависит от того, насколько хорошо спрессовали и запекли урановое топливо.
Запекают таблетки в молибденовых ящиках, т.к. только этот металл способен не расплавиться при «адских» температурах свыше полутора тысяч градусов. После этого урановое топливо для АЭС считается готовым.
Что такое ТВЭЛ и ТВС?
Активная зона реактора внешне выглядит как огромный диск или труба с дырками в стенках (в зависимости от типа реактора), раз в 5 больше человеческого тела. В этих дырках находится урановое топливо, атомы которого и проводят нужную реакцию.
Цирконий выбран материалом для производства ТВЭЛов благодаря его тугоплавкости и антикоррозийности.
Тип ТВЭЛов зависит от типа и строения реактора. Как правило, строение и назначение ТВЭЛов не меняется, разными могут быть длина и ширина трубки.
В одну циркониевую трубку автомат загружает более 200 урановых таблеток. Всего в реакторе одновременно работают около 10 миллионов урановых таблеток.
ТВС – тепловыделяющая сборка. Работники АЭС называют ТВС пучками.
Одна ТВС за 4 года эксплуатации вырабатывает столько же энергии как при сжигании 670 вагонов угля, 730 цистерн с природным газом или 900 цистерн, груженных нефтью.
Сегодня ТВС производят в основном на заводах России, Франции, США и Японии.
Чтобы доставить топливо для АЭС в другие страны, ТВС запечатывают в длинные и широкие металлические трубы, из труб выкачивают воздух и специальными машинами доставляют на борта грузовых самолетов.
Атомная электростанция: принцип работы
Каков принцип работы АЭС? Принцип работы АЭС базируется на цепной реакции деления атомов радиоактивного вещества – урана. Эта реакция происходит в активной зоне ядерного реактора.
Если не вдаваться в тонкости ядерной физики, принцип работы АЭС выглядит так:
После пуска ядерного реактора из ТВЭЛов извлекаются поглощающие стержни, которые не дают урану вступить в реакцию.
Как только стрежни извлечены, нейтроны урана начинают взаимодействовать друг с другом.
Когда нейтроны сталкиваются, происходит мини-взрыв на атомном уровне, выделяется энергия и рождаются новые нейтроны, начинает происходить цепная реакция. Этот процесс выделяет тепло.
Тепло отдается теплоносителю. В зависимости от типа теплоносителя оно превращается в пар или газ, которые вращают турбину.
Турбина приводит в движение электрогенератор. Именно он по факту и вырабатывает электрический ток.
Если не следить за процессом, нейтроны урана могут сталкиваться друг с другом до тех пор, пока не взорвут реактор и не разнесут всю АЭС в пух и прах. Контролируют процесс компьютерные датчики. Они фиксируют повышение температуры или изменение давления в реакторе и могут автоматически остановить реакции.
Чем отличается принцип работы АЭС от ТЭС (теплоэлектростанций)?
Различия в работе есть только на первых этапах. В АЭС теплоноситель получает тепло от деления атомов уранового топлива, в ТЭС теплоноситель получает тепло от сгорания органического топлива (угля, газа или нефти). После того, как или атомы урана, или газ с углём выделили тепло, схемы работы АЭС и ТЭС одинаковы.
Типы ядерных реакторов
То, как работает АЭС, зависит от того, как именно работает ее атомный реактор. Сегодня есть два основных типа реакторов, которые классифицируются по спектру нейронов:
Реактор на медленных нейтронах, его также называют тепловым.
Для его работы используется 235й уран, который проходит стадии обогащения, создания урановых таблеток и т.д. Сегодня реакторов на медленных нейтронах подавляющее большинство.
Реактор на быстрых нейтронах.
За этими реакторами будущее, т.к. работают они на уране-238, которого в природе пруд пруди и обогащать этот элемент не нужно. Минус таких реакторов только в очень больших затратах на проектирование, строительство и запуск. Сегодня реакторы на быстрых нейтронах работают только в России.
Теплоносителем в реакторах на быстрых нейтронах выступает ртуть, газ, натрий или свинец.
Реакторы на медленных нейтронах, которыми сегодня пользуются все АЭС мира, тоже бывают нескольких типов.
Организация МАГАТЭ (международное агентство по атомной энергетике) создало свою классификацию, которой пользуются в мировой атомной энергетике чаще всего. Так как принцип работы атомной станции во многом зависит от выбора теплоносителя и замедлителя, МАГАТЭ базировали свою классификацию на этих различиях.
С химической точки зрения оксид дейтерия идеальный замедлитель и теплоноситель, т.к. ее атомы наиболее эффективно взаимодействуют с нейтронами урана по сравнению с другими веществами. Попросту говоря, свою задачу тяжелая вода выполняет с минимальными потерями и максимальным результатом. Однако ее производство стоит денег, в то время как обычную «легкую» и привычную для нас воду использовать куда проще.
Несколько фактов об атомных реакторах…
Одна обечайка (элемент конструкции) ядерного реактора весит 150 тонн. В одном реакторе таких элементов 6.
Водо-водяной реактор
Все водо-водяные реакторы в мире за все годы их эксплуатации в сумме уже успели набрать более 1000 лет безаварийной работы и ни разу не давали серьезных отклонений.
Структура АЭС на водо-водяных реакторах, подразумевает, что между ТВЭЛами циркулирует дистиллированная вода, нагретая до 320 градусов. Чтобы не дать ей перейти в парообразное состояние ее держат под давлением в 160 атмосфер. Схема АЭС называет ее водой первого контура.
Нагретая вода попадает в парогенератор и отдает свое тепло воде второго контура, после чего снова «возвращается» в реактор. Внешне это выглядит так, что трубки воды первого контура соприкасаются с другими трубками – воды второго контура, они передают тепло друг другу, но воды не контактируют. Контактируют трубки.
Таким образом, исключена возможность попадания радиации в воду второго контура, которая будет далее участвовать в процессе добычи электричества.
То, как работают АЭС далее, уже хорошо известно — вода второго контура в парогенераторах превращается в пар, пар вращает турбину, а турбина приводит в движение электрогенератор, который вырабатывает электроэнергию.
Безопасность работы АЭС
Узнав принцип работы АЭС мы должны понимать как же устроена безопасность. Устройство АЭС сегодня требует повышенного внимания к правилам безопасности.
Затраты на безопасность АЭС составляют примерно 40% от общей стоимости самой станции.
В схему АЭС закладываются 4 физических барьера, которые препятствуют выходу радиоактивных веществ. Что должны делать эти барьеры? В нужный момент суметь прекратить ядерную реакцию, обеспечивать постоянный отвод тепла от активной зоны и самого реактора, предотвращать выход радионуклеидов за пределы контайнмента (гермозоны).
Если, несмотря на устройство АЭС с множеством степеней защиты, охладить активную зону реактора в нужный момент не удастся, и температура топлива возрастет до 2600 градусов, то в дело вступает последняя надежда системы безопасности – так называемая ловушка расплава.
Дело в том, что при такой температуре дно корпуса реактора расплавится, и все остатки ядерного топлива и расплавленных конструкций стекут в специальный подвешенный над активной зоной реактора «стакан».
Ловушка расплава охлаждаема и огнеупорна. Она наполнена так называемым «жертвенным материалом», который постепенно останавливает цепную реакцию деления.
Таким образом, схема АЭС подразумевает несколько степеней защиты, которые практически полностью исключают любую возможность аварии.