Атомная энергетика обладает многими преимуществами. Достаточно сказать, что по своему воздействию на окружающую среду её относят к зелёной энергетике в сравнении с электростанциями на органическом топливе. Однако как показывает печальный опыт эксплуатации АЭС, они таят в себе возможности аварий с катастрофическими последствиями.

Четыре самых крупных аварии — на АЭС «Уиндскейл» (Великобритания) в 1957 году, на АЭС «Три — Майл Айленд» (США) в 1979 году, на АЭС Чернобыль (СССР) в 1986 году и на АЭС «Фукусима» (Япония) в 2011 году до сих пор несут в себе опасность. К наиболее сложному типу аварий на АЭС относятся аварии с расплавом активной зоны из-за перегрева. К ним и относятся перечисленные выше четыре аварии.

При расплаве ядерного топлива из-за перегрева активной зоны выходят из строя системы регулирования мощности реактора и его защиты от разгона. Реактор становится неуправляемым. Возникает проблема сохранения ядерной подкритичности.

Причем при расплаве ядерного топлива эта проблема неизбежна. Рабочая мощность реактора консервируется на уровне на момент аварии и ядерная реакция в активной зоне будет продолжаться десятки лет до выгорания топлива. По оценкам японских специалистов, вывод из эксплуатации 4-х блоков на «Фукусиме» предполагается завершить примерно за 30-40 лет. Всё это время должны проводиться оценки и осуществляться мониторинг в целях исключения любой возможности достижения ядерной критичности в массе обломков.

Следует отметить, что ни одна из АЭС в мире, топливо которых в ходе предыдущих аварий было наиболее сильно повреждено, до сих пор не была переведена в окончательное конечное состояние, пригодное для полного вывода из эксплуатации.

Реактор «Уиндскейл-пайл», поврежденный в 1957 году, находится в состоянии «наблюдения и обслуживания», а окончательный вывод из эксплуатации запланировано начать около 2050 года. Поврежденный в 1979 году блок АЭС «Три-Майл Айленд» находится в режиме безопасного хранения; полный демонтаж и реабилитацию площадки запланировано начать в пределах следующих 20 лет. Четвертый энергоблок Чернобыльской АЭС, сильно поврежденный в результате аварии в 1986 году, находится в процессе перевода в состояние безопасного хранения; окончательный вывод из эксплуатации запланировано начать около 2050 года.

Наибольшую опасность на сегодня представляют четыре аварийных реактора на АЭС «Фукусима!. На АЭС «Фукусима» землетрясение повредило линии электроснабжения на площадке, а цунами привело к значительному разрушению эксплуатационной инфраструктуры, а также инфраструктуры, обеспечивающей безопасность на площадке. В совокупности это привело к потере внешнего энергоснабжения и выходу из строя источников электроснабжения на площадке.

Это, в свою очередь, привело к утрате функции охлаждения на трех работавших реакторных блоках, а также в бассейнах выдержки отработавшего топлива. Несмотря на усилия операторов АЭС, направленные на сохранение контроля над станцией, произошел перегрев активной зоны реакторов энергоблоков 1-3, ядерное топливо расплавилось и была нарушена система регулирования и аварийной защиты.

На АЭС «Фукусима» предприняты все возможные на сегодня меры по устранению последствий аварии. Затрачены большие средства, но проблема охлаждения реакторов в связи с течением ядерных реакций в повреждённых реакторах остаётся актуальной. Большие объёмы накопленной радиоактивной воды приходится периодически сбрасывать в океан. И с имеющимся на сегодня арсеналом решений по устранению аварий на АЭС это будет продолжаться до выгорания ядерного топлива, т.е. десятки лет.

Кроме опасности выхода на критический уровень, которая в принципе угрожает десятки лет, реакторы с расплавленным топливом все эти годы накапливают радиоактивные осколки. Именно радиоактивные осколки создают радиоактивную опасность. Ядерное топливо (уран-235, уран-238, плутоний) имеет фон излучения не намного превышающий естественный фон. В связи с вышесказанным встаёт инженерная задача прекращения ядерной реакции в повреждённом реакторе.

Предложим возможный вариант решения этой задачи.

Остановить течение ядерных реакций возможно только внесением в активную зону материалов сильно поглощающих нейтроны (кадмий, карбид бора и другие.). Для этого необходимо просверлить в стальном корпусе реактора необходимое число отверстий и ввести через них в активную зону нейтрон поглощающие стержни. Прототип такой технологии уже десятки лет используется нефтяниками и газовиками. Это технология врезки новых отводов в действующие нефте и газопроводы. Освоенные нефтяниками и газовиками технологии обеспечивают герметичность при производстве работ.

Необходимо доработать эту технологию для работы со стальным корпусом реактора и в активной зоне с расплавленным топливом.

Технологическая последовательность включает подготовку необходимого количества отверстий в корпусе реактора. Внесение через отверстия нейтрон- поглощающих стержней в засверленные в активной зоне полости или методом вдавливания в активную зону.

Возможны и иные варианты. При этом особое внимание необходимо уделять сохранению подкритичности. Желательно все эти работы максимально роботизировать. После остановки ядерной реакции приступать к извлечению и утилизации содержимого активной зоны. Эта технология позволит быстро нейтрализовать аварийный реактор с расплавленным топливом и исключит наработку в течении десятков лет новых радиоактивных осколков. На «Фукусиме» будет также снята проблема с большими объёмами радиоактивной воды.

На рисунке ниже изображена принципиальная технологическая модель засверливания отверстий в газопроводах высокого давления. Красным пунктиром условно обозначен ядерный реактор.

Принципиальная технологическая модель засверливания отверстий в газопроводах высокого давления.

Эта технология легко адаптируется для работы по сверлению отверстий в корпусе реактора и последующих операций по внедрению поглощающих нейтроны элементов в активную зону. Важнейшей задачей на всех этапах работы в активной зоне является недопущение критичности. Количество отверстий и их расположение необходимо согласовывать со специалистами, разработавшими конструкцию реактора.

С помощью этого простого технологического приёма можно быстро остановить реакции деления на аварийных реакторах АЭС «Фукусима». Это позволит в последующем провести дезактивацию активной зоны и демонтаж реакторов в короткие сроки.

Литература

1. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. – М.: “Наука”,1972г. — 672с.

2. Авария на АЭС «Фукусима — дайти». Доклад Генерального директора МАГАТЭ.

3. Инструкция по технологии производства работ на газопроводах врезкой под давлением. СТО Газпром 2-2.3-116-2007. // ИРЦ Газпром, Москва, 2006г.

А.В. КОСАРЕВ, доктор технических наук

e-mail: nikita_kosarev@mail.ru