Принцип действия ядерного реактора. Причины катастрофы на ЧАЭС
Основные элементы ядерного реактора:
Ядерное топливо: обогащённый уран, изотопы урана и плутония. Чаще всего используется уран 235; Теплоноситель для вывода энергии, которая образуется при работе реактора: вода, жидкий натрий и др.; Регулирующие стержни; Замедлитель нейтронов; Оболочка для защиты от излучения.
Как работает ядерный реактор?
В активной зоне реактора располагаются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) – ядерное топливо. Они собраны в кассеты, включающие в себя по несколько десятков ТВЭЛов. По каналам через каждую кассету протекает теплоноситель. ТВЭЛы регулируют мощность реактора. Ядерная реакция возможна только при определённой (критической) массе топливного стержня. Масса каждого стержня в отдельности ниже критической. Реакция начинается, когда все стержни находятся в активной зоне. Погружая и извлекая топливные стержни, реакцией можно управлять.
Итак, при превышении критической массы топливные радиоактивные элементы, выбрасывают нейтроны, которые сталкиваются с атомами. В результате образуется нестабильный изотоп, который сразу же распадается, выделяя энергию в виде гамма излучения и тепла. Частицы, сталкиваясь, сообщают кинетическую энергию друг другу, и количество распадов в геометрической прогрессии увеличивается. Это и есть цепная реакция — принцип работы ядерного реактора. Без управления она происходит молниеносно, что приводит к взрыву. Но в ядерном реакторе процесс находится под контролем.
Таким образом в активной зоне выделяется тепловая энергия, которая передаётся воде, омывающей эту зону (первый контур). Здесь температура воды 250-300 градусов. Далее вода отдаёт тепло второму контуру, после этого – на лопатки турбин, вырабатывающих энергию. Преобразование ядерной энергии в электрическую можно представить схематично: Внутренняя энергия уранового ядра, Кинетическая энергия осколков распавшихся ядер и освободившихся нейтронов, Внутренняя энергия воды и пара, Кинетическая энергия воды и пара, Кинетическая энергия роторов турбины и генератора, Электрическая энергия.
Активная зона реактора состоит из сотен кассет, объединенных металлической оболочкой. Эта оболочка играет также роль отражателя нейтронов. Среди кассет вставлены управляющие стержни для регулировки скорости реакции и стержни аварийной защиты реактора. Далее, вокруг отражателя устанавливается теплоизоляция. Поверх теплоизоляции находится защитная оболочка из бетона, которая задерживает радиоактивные вещества и не пропускает их в окружающее пространство.
Где используются ядерные реакторы?
Энергетические ядерные реакторы используются на атомных электростанциях, в судовых электрических установках, на атомных станциях теплоснабжения.
Реакторы конвекторы и размножители применяются для производства вторичного ядерного топлива.
Исследовательские реакторы нужны для радиохимических и биологических исследований, производства изотопов.
Несмотря на все споры и разногласия по поводу ядерной энергетики атомные электростанции продолжают строиться и эксплуатироваться. Одна из причин – экономичность. Простой пример: 40 цистерн мазута или 60 вагонов угля производят столько же энергии, сколько 30 килограммов урана.
Чернобыльская АЭС расположена на Украине вблизи города Припять, в 110 км от Киева и 16 км от границы Белоруссии.
На ЧАЭС использовались 4 реактора РБМК-1000. ЧАЭС производила 10% электроэнергии Украины.
Примерно в 1:23:50 26.04.1986 года на 4-м блоке ЧАЭС произошел взрыв, который полностью разрушил реактор. Здание энергоблока частично обрушилось, начался пожар. Остатки активной зоны расплавились, смесь из расплавленного металла, песка, бетона и частичек топлива растеклась по помещениям. В результате аварии произошёл выброс радиоактивных веществ, в том числе изотопов урана, плутония, йода-131 (период полураспада 8 дней), цезия-134 (период полураспада 2 года), цезия-137 (период полураспада 30 лет), стронция-90 (период полураспада 28 лет).
Хронология событий:
План: остановка 4-го блока ЧАЭС для очередного обслуживания, проведение испытаний генератора. Они должны были идти на мощности 700 МВт, но из-за оплошности оператора она упала до 30 МВт. При низкой мощности усилилось накопление 135Хе, поглощающего нейтроны. Для подъема мощности до 200 МВт из активной зоны была извлечена часть регулирующих стержней.
Были включены насосы для нагрузки генератора в эксперименте усилился поток воды. В это время для поддержания мощности операторам пришлось ещё сильнее поднять стержни. При этом выросла реактивность.
В 1:23:04 начался эксперимент. При этом никаких сигналов о неисправностях не было. В 1:23:40 оператор нажал кнопку аварийной защиты. Точная причина этого неизвестна – в ответ на быстрый рост мощности или просто для остановки реактора после испытаний.
Регулирующие и аварийные стержни начали двигаться вниз, погружаясь в активную зону реактора, но через несколько секунд тепловая мощность реактора скачкообразно выросла. Произошло два взрыва (первый – паровой: при разгоне реактора разрушились каналы, пар оторвал крышку реактора; второй – неясной природы) с интервалом в несколько секунд, в результате которых реактор был разрушен.
Причины аварии: реактор был неправильно спроектирован и опасен; персонал не был проинформирован об опасностях; персонал допустил ряд ошибок, частично из-за отсутствия информации об опасности реактора.
Недостатки реактора: при увеличении парообразования в каналах реактор разгоняется; Недостаточная быстрота действия систем аварийной защиты; неверная конструкция стержней управления, приводящая к резкому росту реактивности как при массированном выводе, так и вводе стержней (концевой эффект); Логика работы защитных систем предусматривала ручное включение их – надёжность аварийной защиты частично зависела от правильности действий операторов.
Ошибки операторов? Длительная работа реактора на мощности ниже 700 МВт не была запрещена инструкциями. Отключение системы аварийного охлаждения реактора (САОР) допускалось при условии проведения необходимых согласований. При том отключение не повлияло на развитие аварии – к тому моменту, когда САОР могла бы сработать, активная зона уже была разрушена. Когда реактивность превысила допустимые значения, персонал не обратил на это должного внимания, так как не был проинструктирован о важности данного параметра, даже не было предусмотрено средств для его оперативного контроля. Несмотря на то, что основными причинами аварии названы недостатки реактора, но недостаточная квалификация персонала, и неосмотрительные действия также явились важными факторами, приведшими к аварии.
Последствия аварии: В результате аварии было выброшено: 10-60 тонн ядерного топлива, ксенон, йод, цезий и т.д. Суммарная активность веществ, выброшенных в окружающую среду, составила до 3.8 × 108 Ки, в том числе:
50 МКи 131I,
2.3 МКи 137Cs,
0.3 МКи 90Sr
0.08 МКи изотопов Pu;
До 190 МКи на долю благородных газов.
Изотопы йода – уже распались. Сейчас основная опасность – от цезия.
Заражение территорий: Загрязнению подверглось более 200 000 км², примерно 70 % – на территории Белоруссии, России и Украины.
Загрязнение не ограничилось приведенной зоной. Было отмечено повышенное содержание 137Cs в ягеле и мясе оленей в арктических областях России и Скандинавии.
Переселено 116000 человек. Всего пострадало ок. 6 млн. чел.
Около 600000 ликвидаторов получило дозу радиации выше 100 мЗв. (За 20 лет 20% умерли) Оценки долговременного влияния на здоровье людей до конца не уточнены.