Аэс: история, проблемы и пути их решения Иванова Татьяна 14 лет Санкт-Петербург Россия - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Аэс: история, проблемы и пути их решения Иванова Татьяна 14 лет Санкт-Петербург Россия - страница №1/1



АЭС: история, проблемы и пути их решения

Иванова Татьяна

14 лет

Санкт-Петербург

Россия

Содержание


  1. Введение.__________________________________________3

  2. Радиоактивные излучения.__________________________5

  3. Создание первых реакторов.__________________________7

  4. Топливо для ядерных реакторов.______________________10

  5. Принцип работы ядерных реакторов.___________________12

  6. Крупные аварии на АЭС.____________________________14

    1. Авария на АЭС «Три-Майл Айленд». (США)._____14

    2. Авария на Чернобыльской АЭС.________________16

      1. Ликвидация аварии._______________________17

      2. Последствия аварии.______________________19

      3. Причины аварии._________________________20

    3. Авария на АЭС «Фукусима-1» . (Япония).__________22

  7. Безопасность ядерных реакторов._____________________25

  8. Утилизация ядерных отходов.________________________27

  9. Выводы.__________________________________________29

  10. Источники информации._____________________________31


Введение

Цель моей работы – провести систематизацию информации о радиоактивных излучениях, начиная с открытия явления радиоактивности, использовании радиоактивных элементов в ядерной энергетике, влияние радиации на организм человека.

Результатом моей работы будет статья, в которой будет прослежена история атомной энергетики в целом, история наиболее крупных аварий на АЭС, их последствия и уроки, извлеченные из этих трагедий. В статье так же будут рассмотрены меры безопасности, которые применяются сегодня на атомных станциях.

В процессе работы над статьей, я провела анкетирование среди учеников и учителей моей школы. Кроме того, я попросила учащихся задать вопросы своим родителям.

Вопросы анкеты:


  1. Что вы знаете об устройстве ядерных реакторов?

  2. Считаете ли Вы, что опасно находится вблизи АЭС?

  3. О каких авариях на АЭС Вы знаете?

  4. Что Вы знаете об аварии на Чернобыльской атомной станции?

  5. Считаете ли Вы ядерную энергетику потенциально опасной?

Результаты анкетирования показали, что мы крайне мало знаем о ядерной энергетике в целом и о работе атомных станций в частности. О том, как работает ядерный реактор знали только два ученика 10 класса. Они проходили устройство реактора в 9 классе. Большая же часть опрошенных или ответила на первый вопрос «Не знаю», или вспомнили о том, что «в ядерных реакторах происходит цепная ядерная реакция», «ядерные реакторы создают энергию путем расщепления атома», «ядерные реакторы работают на уране и других радиоактивных веществах». А неизвестное, как правило, вселяет страх, поэтому многие дали положительный ответ второй и последний вопросы. При ответе на вопрос об Авариях на АЭС многие вспомнили Чернобыль и Фукусиму, но никто не знал об аварии в США на Три-Майл Айленд. Несколько человек сказали, что на Чернобыльской АЭС произошел ядерный взрыв «самый мощный в истории человечества». Так как на вопросы анкеты отвечали не только ученики, но и их родители и учителя школы – взрослые, образованные люди, которые тоже, как оказалось, мало знали об устройстве и принципе работы ядерных реакторов, я убедилась в необходимости своей работы. После того, как работа была написана, я прочитала ее перед учениками и учителями своей школы. Многое из прочитанного мной, не было известно ни ученикам, ни учителям школы. Таким образом, проведенная мной работа оказалась полезной, по крайней мере, для них.

План работы:



  1. что такое радиация

  2. история создания ядерных реакторов

  3. принцип действия атомного реактора

  4. авария на АЭС «Три-Майл Айленд»

  5. авария на ЧАЭС

  6. авария на АЭС Фукусима-1

  7. сравнительный анализ аварий на АЭС

  8. меры защиты атомных реакторов с учетом трагедии

  9. способы хранения и захоронения радиоактивных веществ.



Радиоактивные излучения

Радиоактивность – способность ядер некоторых атомов к самопроизвольным превращениям (распаду), сопровождающимся испусканием ионизирующего излучения или радиации. Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем, В настоящее время оно широко используется в науке, технике, медицине, промышленности. Большинство ядер элементов могут испытывать радиоактивный распад, в результате которого возникает ионизирующая радиация, и исходное ядро атома превращается в ядро другого элемента, которое может быть в свою очередь стабильным или радиоактивным, т.е. способно испытать дальнейший распад.

Выделяют три вида радиоактивных распадов атомов: альфа-, бета- и гамма-распады. В ходе α-распада из ядра вылетает α-частица, которая до распада являлась частью ядра и состоит из двух протонов и двух нейтронов. Это достаточно тяжелая частица. β-распад сопровождается вылетом из ядра β-частиц (которые представляют из себя поток электронов, реже – позитронов). γ-излучение может сопровождать радиоактивный распад, но самостоятельно γ-распад не существует. Обычно при распаде дочернее ядро образуется в возбужденном состоянии, то есть имеет избыточную энергию. Из возбужденного состояния это ядро переходит в основное состояние путем излучение γ-кванта. γ-излучение имеет электромагнитную природу, оно обладает большой энергией и представляет серьезную опасность для живых организмов.

Активность источника – число радиоактивных распадов, происходящих в образце, за единицу времени. Активность радиоактивных элементов уменьшается с течением времени. Время, за которое активность уменьшается в два раза, называется периодом полураспада. Период полураспада может быть равен тысячелетиям, годам, суткам, секундам. Данная величина является важнейшей характеристикой конкретного радионуклида. Через время равное периоду полураспада остается половина радиоактивных ядер, через время равное двум периодам полураспада остается четверть радиоактивных ядер, через три периода – одна восьмая и так далее.

Воздействие радиации на организм человека называют облучением. Во время этого процесса энергия радиации передается клеткам, разрушая их. Облучение может вызывать всевозможные заболевания: инфекционные осложнения, нарушения обмена веществ, злокачественные опухоли и лейкоз, бесплодие, катаракту и многое другое. Наиболее сильное воздействие радиоактивное излучение оказывает на делящиеся клетки, поэтому она особенно опасна для детей.

Организм реагирует на саму радиацию, а не на её источник. Радиация, связанная с нормальным развитием ядерной энергетики, составляет лишь малую долю радиации, получаемой человеком за год. Значительно большие дозы мы получаем от других источников. Радиоактивные вещества могут проникать в организм с пищей и водой, через лёгкие (при дыхании) и даже через кожу при медицинской диагностике радиоизотопами. Современный человек большую часть времени проводит в помещениях - дома или на работе, где и получает основную дозу радиации: хотя здания защищают от излучений извне, в стройматериалах, из которых они построены, содержится природная радиоактивность. К сожалению, особо эффективных и быстрых способов вывода радионуклидов из организма человека не существует.

Человеческий организм справляется с таким уровнем облучения. Вредные же последствия наблюдаются тогда, когда или полная накопленная доза слишком велика, или облучение произошло за короткое время.
Создание первых реакторов

В 1939 году немецкие ученые Отто Ганн и Фриц Штрассман установили, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Австрийский физик Лизе Мейтнер и английский физик Отто Фриш объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Когда в ядро попадает нейтрон, ядро распадается. При этом выделяются еще два - три нейтрона.

Мейтнер и Фриш признали, что деление ядра должно сопровождаться большим выделением энергии: оно должно быть в миллионы раз больше, чем энергия, выделяющаяся при превращении таких же количеств углерода в углекислый газ в процессе горения.

Первым поставил вопрос об использовании атомной энергии немецкий физик Зигфрид Флюгге. Он высказал также мысль об управляемом использовании ядерной энергии при помощи тормозящего вещества.

Нейтроны, образовавшиеся при делении ядра урана, могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, эти нейтроны способны вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Однако не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов). Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана. Развитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К, который измеряется отношением числа Ni нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу Ni-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К. К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает. Если К > 1, начинается неконтролируемая ядерная реакция, которая может привести к ядерному взрыву.

2 декабря 1942 г. состоялся первый опыт по достижению самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Группа физиков Чикагского университета, возглавляемая Энрико Ферми, создала первый в мире ядерный реактор, названный «Чикагской поленницей» (Chicago Pile-1, CP-1). Он состоял из графитовых блоков, между которыми были расположены шары из природного урана и его двуокиси. Быстрые нейтроны, появляющиеся после деления ядер урана-235, замедлялись графитом до тепловых энергий, а затем вызывали новые деления ядер. Мощность, вырабатываемая в этом эксперименте, была небольшая, однако сама возможность управляемой самоподдерживающейся реакции была убедительно продемонстрирована. Реактор проработал 35 мин на мощности около 200 Вт. В феврале 1943 г. реактор был разобран.




Рисунок первого в мире ядерного реактора, названного «Чикагской поленницей».


Первый советский реактор Ф-1 был запущен 25 декабря 1946 года. Его создание велось группой инженеров и физиков под руководством академика Игоря Васильевича Курчатова. Результаты исследований на реакторе Ф-1 стали основой проектов более сложных по конструкции промышленных реакторов. 27 июня 1954 года вступила в строй первая в мире атомная электростанция электрической мощностью 5 МВт в г. Обнинске.

В настоящее время доля выработки электроэнергии на АЭС во многих странах достигает довольно больших значений. Сейчас в мире насчитывается 441 энергетический реактор общей мощностью 374,692 ГВт и 60 в стадии сооружения.

В 1957 году была основана международная организация для развития сотрудничества в области мирного использования атомной энергии – МАГАТЭ (IAEA, сокр. International Atomic Energy Agency). ЕЕ штаб-квартира находится в Вене (Международный Венский Центр).

К настоящему времени соглашения о гарантиях с МАГАТЭ заключили 160 государств, которые открыли свои ядерные программы для критической проверки инспекторами МАГАТЭ.

Топливо для ядерных реакторов

В качестве делящегося вещества в большинстве ядерных реакторов применяют уран-235. Это изотоп урана с массовым числом 235. Уран-235 составляет всего 0,72 % от всех запасов урана. В отличие от урана-238 (более распространенного в природе), в уране-235 возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Этим обусловлен выбор этого изотопа как ядерного топлива.

Так как доля урана-235 в природных месторождениях урана крайне мала, то добытый уран необходимо обогатить, то есть повысить содержание изотопа урана-235. Для обогащения урана используется центрифужная технология. Газ гексофторид урана UF6 помещают в специальные центрифуги, которые совершают 1500 оборотов в секунду. При этом более легкий уран-235 отделяется от тяжелого урана-238. Обогащенный уран- 235 идет на создание ядерного топлива. А обедненный газ закатывается в специальные контейнеры и может храниться до 100 лет. Этот газ не радиоактивен и не наносит вреда окружающей среде.

Обогащенный газ гексофторид урана превращают в порошок – диоксид урана. В специализированном автомате-дозаторе порошок диоксида урана перемешивается с пластификатором. Смесь прессуют и получают урановые таблетки – цилиндры диаметром около 1 см и высотой около 2 см. Эти таблетки на сутки помещают в высокотемпературную печь, где они находятся при температуре 1700 0С. При этом происходит спекание всех компонентов таблетки, приобретается особая прочность и устойчивость к высоким температурам в самом ядерном реакторе.

Урановые таблетки помещаются в специальные трубки из циркониевого сплава – тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). В одну циркониевую трубку автомат загружает до 200 урановых таблеток. Всего в реакторе могут одновременно выделять энергию до 10 млн таких таблеток. Общая масса урана в трубке 1,5 кг. Из загруженного ТВЭЛа откачивается воздух, после чего ТВЭЛ заваривается с обеих сторон.

ТВЭЛы собирают в тепловыделяющие сборки – ТВС. Число ТВЭЛов в ТВС достигает 300 штук. Тепловыделяющая сборка и является топливом для ядерных станций. Таких сборок в одном реакторе до 160 штук. Они работают в реакторе при температуре 1700 0С и обновляются примерно каждые 5 лет. Одна тепловыделяющая сборка за время работы выделяет столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 670 вагонов каменного угля, или 730 цистерн природного газа, или 900 цистерн нефти.



ТВС в России в сечении шестигранные



ТВС в Европе в сечении

квадратные







Принцип работы ядерных реакторов

Ядро урана самопроизвольно распадается на несколько осколков; среди них есть частицы высокой энергии - нейтроны. Они попадают в ядра соседних атомов и разбивают их, высвобождая нейтроны и огромное количество тепла. При делении грамм урана выделяется столько же тепла, сколько при сгорании трех тонн каменного угля.

Составными частями любого ядерного реактора являются:


  1. Активная зона с ядерным топливом. Она обычно окружена отражателем.

  2. Теплоноситель

  3. Система регулирования цепной реакции.

  4. Радиационная защита.

  5. Система дистанционного управления.

Активной зоной называют пространство в реакторе, где находится ядерное топливо. Здесь идет деление атомных ядер урана и выделяется тепловая энергия. Активная зона реактора состоит из тепловыделяющих сборок, поставленных вертикально и объединенных вместе металлической оболочкой – корпусом, который так же играет роль отражателя нейтронов. Нейтроны, образующиеся при делении, имеют слишком большие скорости и не могут вызвать последующее деление ядра урана-235, поэтому использую специальные замедлители нейтронов. В качестве замедлителя используют воду, тяжелую воду, бериллий, графит. Чтобы предохранить обслуживающий персонал от вредного излучения, сопровождающего цепную реакцию, стенки реактора делают достаточно толстыми. Скоростью цепной ядерной реакции управляют регулирующие стержни из вещества, поглощающего нейтроны (чаще всего это бор или кадмий). Чем глубже опускают стержни в активную зону, тем больше нейтронов они поглощают, тем меньше нейтронов участвует в реакции и меньше выделяется тепла. И наоборот, когда регулирующие стержни поднимают из активной зоны, количество нейтронов, участвующих в реакции, возрастает, все большее число атомов урана делится, освобождая скрытую в них тепловую энергию.

На случай, если возникнет перегрев активной зоны (это опасно), предусмотрена аварийная остановка ядерного реактора. Аварийные стержни быстро падают в активную зону, интенсивно поглощают нейтроны, цепная реакция замедляется или прекращается.

Тепло из ядерного реактора выводят с помощью теплоносителя, который прокачивают насосами через активную зону. В качестве теплоносителя может быть использован поток жидкости или газа, который по специальной трубе идет вдоль уранового стержня или их сборки. Он отбирает у ядерного топлива тепло и передает его в теплообменник. Теплоноситель отделен от ядерного топлива специальной оболочкой, для предотвращения попадания продуктов деления урана, что может привести к повышению радиоактивности теплоносителя. Замкнутая система с теплоносителем называется первым контуром. В теплообменнике тепло первого контура нагревает до кипения воду второго контура. Образующийся пар вращает турбину электростанции или используют для обогревания промышленных и жилых зданий.

Крупные аварии на АЭС

В условиях безаварийной работы АЭС атомная энергетика — пока самое экономичное и экологически чистое производство. При работе их в атмосферу не выбрасываются вредные газы и пыль, не загрязняется окружающая среда. Но аварии на АЭС могут привести к опасной ситуации, облучению людей или радиоактивному загрязнению окружающей среды и требует экстренных действий по защите людей и среды обитания. Последствия радиационных аварий обусловлены их поражающими факторами, к которым на объекте аварии относятся ионизирующее излучение как непосредственно при выбросе, так и при радиоактивном загрязнении территории объекта. Основными факторами, обусловливающими экологические последствия при радиационных авариях и катастрофах, служат не только радиоактивные излучения из зоны аварии. В случае аварии образуется облако из загрязненного радиоактивными веществами воздуха. Это облако может перемещаться на большие расстояния и вызывать радиационное загрязнение удаленных от места аварии территорий.



Авария АЭС «Три-Майл Айленд». (США)

На АЭС «Три-Майл Айленд» авария произошла 28 марта 1979 года. Первопричиной аварии явился отказ насосов во втором контуре системы охлаждения реактора, в результате которого прекратилась подача воды в оба парогенератора. Аварийная система подачи питательной воды в парогенераторы включилась, однако вода в парогенераторы не поступала, потому что задвижки на напоре насосов были закрыты. Это состояние сохранилось с планового ремонта, закончившегося на блоке за несколько дней до аварии.

Так как отвод тепла от первого контура прекратился, в нём стало расти давление, которое через несколько секунд превысило допустимое значение. Открылся предохранительный клапан на системе компенсации давления, сбрасывающий пар в специальную ёмкость. Давление стало повышаться гораздо медленнее. Теплоноситель в контуре перестал нагреваться, средняя температура упала. Рост давления резко перешёл в его падение. В этот момент проявилась ещё одна техническая неисправность — не закрылся предохранительный клапан, и сброс теплоносителя первого контура продолжался. Утечка теплоносителя продолжалась почти 2,5 часа, пока не был закрыт клапан. Однако разрушение оказавшейся к этому моменту оголённой активной зоны продолжалось. Как показали впоследствии расчёты, её обнажившиеся 2/3 разогрелись до температуры свыше 2200 0C, что привело к быстрому окислению оболочек тепловыделяющих элементов и в дальнейшем их обширному разрушению вследствие растворения диоксида урана цирконием и стеканию этой массы вниз. По оценкам специалистов окислилось примерно 1/3 общего количества циркония. Была зафиксирована высокая радиоактивность в первом контуре, что указывало на серьёзное повреждение оболочек ТВЭЛов.

Хотя ядерное топливо частично расплавилось, оно не прожгло корпус реактора, так что радиоактивные вещества, в основном, остались внутри. Выброс опасных радиоактивных веществ, образовавшихся в результате радиоактивного распада урана, был незначительным. Территория станции была загрязнена радиоактивной водой, вытекшей из первого контура. Эвакуация населения, проживавшего рядом со станцией, не производилась, однако губернатор Пенсильвании посоветовал покинуть пятимильную (8 км) зону беременным женщинам и детям дошкольного возраста.

После тщательного расследования было признано, что операторы допустили ряд ошибок, которые серьёзно ухудшили ситуацию. После аварии были внесены изменения в систему подготовки операторов. Были также улучшены пульты управления и другое оборудование станции. На всех атомных станциях США были составлены планы действий на случай аварии, предусматривающие быстрое оповещение жителей в 10-мильной зоне.

Работы по устранению последствий аварии начались в августе 1979 года и официально закончились в декабре 1993 года. Была проведена дезактивация территории станции, топливо было выгружено из реактора. Однако часть радиоактивной воды впиталась в бетон защитной оболочки, и эту радиоактивность практически невозможно удалить.



Авария на Чернобыльской АЭС

На 25 апреля 1986 года была запланирована остановка 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС для очередного планово-предупредительного ремонта. Во время этой остановки планировалось испытание так называемого режима «выбега ротора турбогенератора» в качестве дополнительной системы аварийного электроснабжения. Суть опыта состояла в том, что при снижении мощности турбина продолжает вращаться «по инерции» и вырабатываемая при этом электроэнергия идет на обеспечение электропитанием насосов, которые прокачивают воду по контуру. Это были уже четвёртые испытания режима, проводившиеся на ЧАЭС. Первая попытка в 1982 году показала, что напряжение при выбеге падает быстрее, чем планировалось. Последующие испытания, проводившиеся после доработки оборудования турбогенератора в 1983, 1984 и 1985 годах также, по разным причинам, заканчивались неудачно.

Испытания должны были проводиться 25 апреля. Примерно за сутки до аварии мощность реактора была снижена примерно до 50 %. В соответствии с программой, отключена система аварийного охлаждения реактора. Однако дальнейшее снижение мощности было запрещено диспетчером Киевэнерго. Запрет был отменён диспетчером станции. В течение примерно двух часов мощность реактора была снижена до уровня, предусмотренного программой, а затем, по неустановленной причине, резко упала. Персонал принял решение о восстановлении мощности реактора и (извлекая поглощающие стержни реактора) через несколько минут добился её роста и в дальнейшем — стабилизации.

После достижения 200 МВт тепловой мощности были включены дополнительные главные циркуляционные насосы. Согласно программе испытаний, четыре из них, совместно с двумя дополнительно работающими насосами, должны были служить нагрузкой для генератора «выбегающей» турбины во время эксперимента. Дополнительное увеличение расхода теплоносителя через реактор привело к уменьшению парообразования. Кроме этого, расход относительно холодной питательной воды оставался небольшим, соответствующим мощности 200 МВт, что вызвало повышение температуры теплоносителя на входе в активную зону, и она приблизилась к температуре кипения.

В 1:23:39 зарегистрирован сигнал аварийной защиты от нажатия кнопки на пульте оператора. Поглощающие стержни начали движение в активную зону, однако вследствие их неудачной конструкции реактор не был заглушён. В следующие несколько секунд зарегистрированы различные сигналы, свидетельствующие о быстром росте мощности, затем регистрирующие системы вышли из строя.

По различным свидетельствам, произошло от одного до нескольких мощных ударов (большинство свидетелей указали на два мощных взрыва), и к 1:23:47—1:23:50 реактор был полностью разрушен.



Ликвидация аварии

Первые пожарные подразделения прибыли на станцию спустя 5 минут после взрыва и через пять часов ликвидировали пожар. Пожарным в количестве 69 человек пришлось бороться с огнем в условиях сильного радиационного излучения без специальных средств защиты. Шестеро пожарных получили дозы внешнего и внутреннего облучения не совместимые с жизнью. Эстафету у пожарных приняли наряды милиции. Они перекрыли все подъезды к АЭС и уменьшили доступ населения в опасную зону. Правильными были на первом этапе аварии и действия медицинских служб. Сотни людей самоотверженно и профессионально выполняли свой служебный долг, спасая пострадавших и локализуя последствия аварии.

В первые 10 часов после аварии, чтобы потушить пожар и таким образом остановить выброс радиоактивных материалов, в активную зону реактора пожарными закачивалась вода. После 10 часов безрезультатных попыток погасить реактор таким способом эти попытки были прекращены. Чтобы потушить пожар и задержать излучение с 27 апреля по 5 мая на реактор сбросили 2400 тонн свинца и более 1800 тонн песка с вертолетов, но и это не помогло. Вопреки ожиданиям, под сброшенными материалами теплота стала накапливаться. Температура в реакторе снова поднялась, а с этим увеличилось и количество выбрасываемой активности. Во время последней фазы тушения реактор охлаждали азотом. Только к 6 мая пожар и радиоактивный выброс были взяты под контроль.

Под разрушенным реактором 4 энергоблока было решено создать огромных железобетонный монолит с системой трубопроводов для подачи воды с целью охлаждения пространства под реактором. Над реактором был возведен саркофаг – огромное сооружение, которое служит защитой от радиоактивных веществ, оставшихся внутри реактора.




Саркофаг над четвертым блоком Чернобыльской АЭС.


После оценки масштабов радиоактивного загрязнения стало понятно, что потребуется эвакуация города Припять, расположенного в 4 километрах от Чернобыльской АЭС. Эвакуация была проведена 27 апреля. Этот город до сих пор остается выселенным. В первые дни после аварии было эвакуировано население 10-километровой зоны. В последующие дни было эвакуировано население других населённых пунктов 30-километровой зоны. В течение 10 дней было эвакуировано 130 000 человек из 76 населенных пунктов этой зоны. Несмотря на официальный запрет на проживание в запретной зоне, на сегодняшний день в свои прежние деревни возвратилось, по меньшей мере, 800 человек, в основном пожилые люди.

15 декабря 2000 года Чернобыльская АЭС прекратила генерацию электроэнергии. В настоящее время ведутся работы по выводу из эксплуатации Чернобыльской АЭС и преобразованию разрушенного в результате аварии четвертого энергоблока в экологически безопасную систему. Решено построить еще одну «крышку» над 4 энергоблоком, так как саркофаг простоял уже 25 лет и может разрушиться. Новый саркофаг «Укрытие» планируется построить к 2015 году.

Последствия аварии

Кроме топлива, в активной зоне в момент аварии содержались продукты деления и различные опасные радиоактивные изотопы, накопившиеся во время работы реактора. Большая их часть осталась внутри реактора, но наиболее летучие вещества были выброшены наружу.

Загрязнению подверглось более 200 тыс. км. 30% выпавших радиоактивных осадков пришлось на территорию России, 23% осадков выпало в Белоруссии, 19% - на территории Украины, выпадение радиоактивных осадков произошло и на территориях Финляндии, Швеции, Норвегии. Радиоактивные вещества распространялись в виде аэрозолей, которые постепенно осаждались на поверхность земли. Загрязнение было очень неравномерным, оно зависело от направления ветра в первые дни после аварии. Наиболее сильно пострадали области, в которых в это время прошёл дождь.

С точки зрения воздействия на население в первые недели после аварии наибольшую опасность представлял радиоактивный йод, имеющий сравнительно малый период полураспада (восемь дней) и теллур. В настоящее время (и в ближайшие десятилетия) наибольшую опасность представляют изотопы стронция и цезия с периодом полураспада около 30 лет. Наибольшие концентрации цезия-137 обнаружены в поверхностном слое почвы, откуда он попадает в растения и грибы. Загрязнению также подвергаются насекомые и животные, которые ими питаются.

В городах основная часть опасных веществ накапливалась на ровных участках поверхности: на лужайках, дорогах, крышах. Под воздействием ветра и дождей, а также в результате деятельности людей, степень загрязнения сильно снизилась, и сейчас уровни радиации в большинстве мест вернулись к фоновым значениям. В сельскохозяйственных областях в первые месяцы радиоактивные вещества осаждались на листьях растений и на траве, поэтому заражению подвергались травоядные животные. Значительному загрязнению подверглись леса. Уровни загрязнения лесных продуктов, таких как грибы, ягоды и дичь, до сих пор остаются опасными. В некоторых «замкнутых» озёрах, из которых нет стока, концентрация цезия в воде и рыбе ещё в течение десятилетий может представлять опасность.

18 июля 1988 года на территории Белоруссии, подвергшейся загрязнению, был создан радиационно-экологический заповедник. Наблюдения показали, что количество мутаций у растений и животных хотя и выросло, но незначительно, и природа успешно справляется с их последствиями. С другой стороны, снятие антропогенного воздействия положительно сказалось на экосистеме заповедника, и влияние этого фактора значительно превысило негативные последствия радиации. В результате природа стала восстанавливаться быстрыми темпами, выросли популяции животных, увеличилось многообразие видов растительности.



Причины аварии

Единой версии причин аварии не существует. Известно, что основу аварии составило неконтролируемое возрастание мощности реактора, перешедшее в тепловой взрыв ядерной природы. Разрушения начались с того, что от перегрева ядерного топлива разрушились тепловыделяющие элементы в нижней части активной зоны реактора. Это привело к разрушению оболочек нескольких каналов, в которых находились эти ТВЭЛы, и пар под давлением около 7 МПа получил выход в реакторное пространство, в котором поддерживается нормальное атмосферное давление. Давление в реакторном пространстве резко возросло, это привело к разрушению реактора в целом, верхняя защитная плита была оторвана. Герметичность корпуса реактора и вместе с ним контура циркуляции теплоносителя была нарушена, и произошло обезвоживание активной зоны реактора.

Государственная комиссия, сформированная в СССР для расследования причин катастрофы, возложила основную ответственность за неё на оперативный персонал и руководство ЧАЭС. МАГАТЭ создало свою консультативную группу, известную как Консультативный комитет по вопросам ядерной безопасности (INSAG; International Nuclear Safety Advisory Group), который на основании материалов, предоставленных советской стороной, и устных высказываний специалистов в своём отчёте 1986 года также в целом поддержал эту точку зрения. Утверждалось, что авария явилась следствием маловероятного совпадения ряда нарушений правил и регламентов эксплуатационным персоналом, а катастрофические последствия приобрела из-за того, что реактор был приведён в нерегламентное состояние.

Однако в 1991 году комиссия Госатомнадзора СССР заново рассмотрела этот вопрос и пришла к заключению, что «начавшаяся из-за действий оперативного персонала Чернобыльская авария приобрела неадекватные им катастрофические масштабы вследствие неудовлетворительной конструкции реактора». Кроме того, комиссия проанализировала действовавшие на момент аварии нормативные документы и не подтвердила некоторые из ранее выдвигавшихся в адрес персонала станции обвинений.

В 1993 году INSAG опубликовал дополнительный отчёт, обновивший «ту часть доклада INSAG-1, в которой основное внимание уделено причинам аварии», и уделивший большее внимание серьёзным проблемам в конструкции реактора. Согласно отчёту, наиболее вероятной причиной аварии являлись ошибки проекта и конструкции реактора, эти конструктивные особенности оказали основное влияние на ход аварии и её последствия.

Основными факторами, внесшими вклад в возникновение аварии, INSAG-7 считает следующее:



  • реактор не соответствовал нормам безопасности и имел опасные конструктивные особенности;

  • низкое качество регламента эксплуатации в части обеспечения безопасности;

  • неэффективность режима регулирования и надзора за безопасностью в ядерной энергетике, общая недостаточность культуры безопасности в ядерных вопросах, как на национальном, так и на местном уровне;

  • отсутствовал эффективный обмен информацией по безопасности, как между операторами, так и между операторами и проектировщиками, персонал не обладал достаточным пониманием особенностей станции, влияющих на безопасность;

  • персонал допустил ряд ошибок и нарушил существующие инструкции и программу испытаний.

Авария на АЭС «Фукусима-1»

11 марта 2011 года произошла крупная авария на АЭС «Фукусима-1» в Японии. Причиной аварии стало крупное землетрясение и последовавший за ним удар цунами, которые вывели из строя внешние средства электроснабжения станции и резервные дизельные электродвигатели. Поэтому отключились системы охлаждения активной зоны, что привело к прекращению отвода тепла из этой зоны. Без достаточного охлаждения стало повышаться давление образующегося пара и его пришлось сбрасывать в атмосферу (при этом было заявлено, что пар будет фильтроваться от радионуклидов). Из-за оголения топлива циркониевая оболочка ТВЭЛов вступила в реакцию с паром и окислилась. В результате этой реакции образовалось большое количество водорода. Образование водорода при больших температуре и давлении привело к взрыву. Взрывы произошли сначала на первом блоке станции, а через три дня на третьем. Еще через сутки произошел взрыв на втором блоке. Была разрушена внешняя оболочка из бетона. Уровень радиации повысился. Одновременно на блоке 4 произошёл пожар в хранилище отработанного ядерного топлива, радиоактивные вещества, по информации МАГАТЭ, стали поступать в атмосферу. Пожар был потушен в течение 2 часов. Для охлаждения реакторов было решено использовать морскую воду с раствором бороной кислоты. Заливка блоков водой с земли была затруднена завалами, которые необходимо было расчистить. Поэтому воду сбрасывали с военных вертолетов. Всего было сделано 4 рейса. После расчистки завалов воду доставляли пожарными машинами и полицейскими грузовиками.

На АЭС необходимо было проводить охлаждение морской водой поврежденных блоков, а так же принимать меры для того, чтобы взрыва не произошло на блоках 5 и 6. На этих блоках надо было время от времени сбрасывать накопившийся водяной пар. И все это в условиях повышенной радиоактивности должны были выполнять всего 50 человек оставшихся на станции. Им на помощь пришли солдаты сил самообороны и бригада пожарных. С течением времени удалось восстановить электроснабжение блоков и залить водой бассейны выдержки отработанного топлива. Постепенно был налажен пролив реакторов пресной водой вместо морской. Начались работы по откачке воды из затопленных турбинных залов энергоблоков в систему конденсата. Откачиваемая вода оказалась радиоактивной из-за распада короткоживущих радиоактивных элементов, в основном йода-131. Эту воду необходимо было куда-то откачать, поэтому решено построить рядом с аварийными блоками очистные сооружения, ёмкость для приёма очищенной воды и пруд объёмом.

Был обнаружен выброс радиоактивных веществ в море. Дело в том, что в бетонном канале для электрокабелей образовалась трещина, а канал имел связь с подвальными помещениями, залитыми радиоактивной водой. Попытки залить трещину бетоном не удались, так как вода не давала ему затвердеть. Принимается решение откачивать воду из подвальных помещений. Для того чтобы освободить емкости под эту высокорадиоактивную воду, решено сбросить в море примерно 10000 тонн низкорадиоактивной воды из станционного хранилища радиоактивных отходов. Выяснилось так же, что необходима откачка в море ещё 1500 тонн из подземных сооружений блоков 5 и 6, в которые просачиваются и накапливаются грунтовые воды. Утечки радиации из реакторов многократно повысили естественный фон излучения в морской воде у побережья Японии. Радиоактивные элементы проникли в грунтовые воды, а также были обнаружены в продуктах, почве и водопроводной воде в ряде японских провинций Японии. Радиация также пробралась на территорию других государств.

При измерении ежедневных выбросов радиоактивного йода из аварийных реакторов АЭС «Фукусима-1» было обнаружено, что эти выбросы составляют примерно 73 % от уровня, который был зафиксирован при аварии на Чернобыльской АЭС. Из-за утечек радиации с аварийной АЭС «Фукусима-1» на морском дне образовались отложения радиоактивных веществ, поэтому начаты работы по покрытию слоем цемента и глины морского дна в районе аварийной АЭС, чтобы избежать распространения радиоактивных веществ, участок дна в 70 тысяч квадратных метров будет покрыт двумя слоями цемента и глины. Работы займут 3-4 месяца. По расчетам, эффект цементного покрытия должен продлиться 50 лет.

Из зоны 20-30 километров от станции эвакуировано 140 тысяч человек. Кроме этого, сразу после аварии 11 марта 2011 года правительство Японии установило 30 километровую бесполетную зону над территорией АЭС. Эта зона была уменьшена до 20 км в конце мая 2011 года и до 3 км в феврале 2012 года. Авария на АЭС «Фукусима-1» из-за цунами 11 марта 2011 года привела к утечкам радиации в почву, воздух и море. Полная ликвидация последствий аварии займет 30-40 лет.

Безопасность ядерных реакторов

Для управления ядерным реактором служит система управления и защиты (СУЗ). Ядерный реактор оснащается системой приборов, которые информируют работников о состоянии ядерного реактора, о потоке нейтронов в разных областях активной зоны, о температуре и расходе теплоносителя.

Безопасность ядерных реакторов обычно рассматривают с двух точек зрения: ядерной и радиационной.

Ядерная безопасность обусловлена такими конструктивными и технологическими особенностями, которые обеспечат невозможность неконтролируемой ядерной реакции, ведущей к ядерному взрыву. Ядерный взрыв в современных реакторах крайне мало возможен, так как топливо достаточно мало обогащено, и разделено на ТВЕЛы. Благодаря этому критическая масса не достигается.

Радиационная безопасность – ряд мер, принимаемых для защиты работников реактора и населения от утечки радиоактивных излучений, которые выделяют радиоактивные изотопы, появляющиеся при делении ядер урана. Биологическая защита призвана не выпустить в атмосферу радиоактивный пар и куски реактора, если все таки произойдет взрыв. Если бы Чернобыльская АЭС была оснащена правильной биологической защитой, наподобие сегодняшнего саркофага, то катастрофа обошлась человечеству намного дешевле.

Реактор накрыт железобетонным куполом, стены которого в шесть раз толще стен обычных монолитных домов. Герметичный купол способен вынести большие нагрузки – 8 бальное землетрясение, цунами, падение самолета. Купол сохраняет прочность при температуре 150 0С и давлении 5 атм. Он состоит из двух частей – внутренней и внешней. Внутренняя часть представляет собой слой бетона толщиной 1,8 м, усиленный стальным листом толщиной 8 мм. Внешняя часть – бетонная стена толщиной 80 см, усиленная сетью стальных тросов. Такая многоступенчатая защита исключает возможность выброса радиации. Система безопасности может действовать как автоматически, так и под управлением человека.

Если энергоблок оказывается обесточен – в активную зону под собственным весом падают стержни, поглощающие нейтроны и цепная реакция начинает затухать. Далее, из резервной емкости начинает поступать вода с повышенным содержанием борной кислоты – она одновременно охлаждает реактор и поглощает поток нейтронов. Циркуляция воды может автоматически поддерживаться до 1,5 суток.

Если радиацию не удержат эти защитные рубежи останется еще один элемент безопасности – «ловушка расплава». Если не удастся охладить реактор и температура возрастёт до 2500 0С, все внутренние конструкции реактора расплавятся и расплав стечет на днище корпуса реактора, а затем в специальный охлаждающий бетонный стакан, наполненный «жертвенным материалом», который снизит температуру расплава до 1500 0С и не даст ему разрушить защитную оболочку в реакторном зале.

Во время работы ядерных реакторов состав содержащегося в них топлива изменяется. Появляются и постепенно накапливаются радиоактивные трансурановые элементы и продукты их распада, которые мешают дальнейшему течению цепной реакции. Спустя определенное время, отработавшее ядерное топливо надо изъять из реактора и загрузить свежее.

Старые, отработавшие сборки выгружают в находящийся при реакторе бассейн с водой. Здесь они находятся минимум три года, чтобы снизилась активность топлива и его температура. Это называется снятие остаточного энерговыделения. Вода нужна, во-первых, чтобы охлаждать топливо, а во-вторых, чтобы сдерживать радиоактивное излучение от сборок.



Утилизация ядерных отходов

Спустя три года они теряют начальную радиоактивность и их отправляют на переработку. Появляется еще один элемент безопасности – утилизация отходов ядерного топлива. При переработке остывшие топливные элементы отправляют на рубку и растворение. С помощью химических реакций выделяются уран и плутоний – они идут на изготовление свежего топлива. Также выделяются продукты распада урана и плутония, из которых готовят препараты для медицины, промышленности и науки.

Оставшиеся отходы отправляют в высокотемпературную печь для остекловывания. Из радиоактивных отходов варится настоящее стекло, разливается по контейнерам и отправляется в подземное хранилище. Такой способ принят во всем мире (Англия, США, Япония).

Поиски подходящих мест для глубокого окончательного захоронения отходов в настоящее время ведутся в нескольких странах. Однако, захоронение РАО на территории тех или иных стран получило негативный отклик со стороны населения.

Существуют проекты захоронения РАО в океанах, среди которых — захоронение под абиссальной зоной морского дна, захоронение в зоне субдукции, в результате чего отходы будут медленно опускаться к земной мантии, а также захоронение под природным или искусственным островом. Данные проекты имеют определенные достоинства, но в настоящее время они заморожены из-за запрещающих положений морского права.

Существует проект под названием «Remix & Return» (перемешивание и возврат), суть которого состоит в том, что высокоактивные РАО, смешанные с отходами из урановых рудников и обогатительных фабрик до первоначального уровня радиоактивности урановой руды, будут затем помещены в пустые урановые рудники. Достоинства данного проекта: исчезновение проблемы высокоактивных РАО, возврат вещества на место, предназначенное ему природой, обеспечение работой горняков, и обеспечение цикла удаления и обезвреживания для всех радиоактивных материалов.

Заманчивой идеей является отправка РАО в космос, поскольку РАО навсегда удаляются из окружающей среды. Однако у подобных проектов есть значительные недостатки, один из самых важных — возможность аварии ракеты-носителя. Кроме того, запуск ракет достаточно дорог. К тому же, до сих пор не достигнуты международные соглашения по поводу данной проблемы.

Выводы

Сравнивая между собой аварии на АЭС «Три-Майл Айленд», ЧАЭС и Фукусима-1, я обратила внимание, что во всех этих случаях произошли серьезные разрушения в активной зоне. Были расплавлены циркониевые оболочки ТВЭЛов, а следовательно излучения радиоактивных элементов, которые образовались при делении ядер урана, вышло наружу. Во всех этих авариях причиной расплавления тепловыделяющих элементов послужило нарушение теплоотвода из активной зоны. Во всех этих случаях произошло накопление пара, что привело к повышению давления и температуры и даже к взрывам. Большую долю в радиоактивных выбросах составило излучение отработанного топлива, которое хранится на атомных станциях, погруженное в специальные бассейны. Однако надо сказать, что ядерного взрыва не произошло ни на одной из станций, защитные сооружения, предохраняющие от радиации, были разрушены тепловыми взрывами. Для того, чтобы избежать подобных аварий в будущем, на атомных станциях усиливаются меры безопасности с учетом различных нештатных ситуаций.

Стоил ли ожидать новой аварии? Произошедшие трагедии на АЭС стали уроком, они многое изменили как в российской, так и мировой ядерной энергетике. В технологию работы с реакторами типа внесены серьезные изменения. Требования к безопасности реакторов значительно выросли. Повышение температуры реактора сверх установленной нормы приводит к его самозаглушению даже без вмешательства человека или автоматики. Однако справиться с людским страхом перед мирным атомом очень сложно. Крупные аварии на АЭС привели к спаду развития ядерной промышленности в конце 20 века в значительной мере из-за негативного общественного мнения. Я считаю, что одной из главных причин страха людей перед атомными объектами служит их плохая информированность. Именно неизвестность вызывает опасения. И именно плохая информированность привела в свое время к значительным жертвам во время аварии на Чернобыльской АЭС и других авариях. Ни население, ни технический персонал не были должным образом подготовлены к таким ситуациям. Я считаю, что это одна из главных проблем современной ядерной энергетики, которая тоже должна быть решена. Люди должны знать как вести себя в тех или иных ситуациях, связанных с авариями на АЭС. Какие бы ступени безопасности не создавались на атомных станциях, предусмотреть все невозможно, но можно максимально снизить ущерб, если знать, что и как делать в случае аварии. Как ни страшно это писать, но автомобильные катастрофы ежегодно приносят большее количество жертв, чем аварии на АЭС за всю их историю. Но никто не отказывается от использования автомобилей. Дело в том, что для предотвращения трагедии нужно придерживаться определенных правил и нужно знать, как вести себя, если трагедия все-таки произошла. И в случае трагедии на «Три-Майл Айленд» и при аварии на Чернобыльской АЭС имел место так называемый «человеческий фактор». Помимо конструктивных особенностей реакторов, большую роль сыграли ошибки персонала. Авария на АЭС «Фукусима-1» была вызвана разрушительными природными катаклизмами, но их влияние можно было предусмотреть еще при проектировке станции, так как она построена в сейсмоопасном районе. Теоретическая вероятность крупной ядерной аварии при современном уровне развития технологий крайне мала. Однако даже эту малую вероятность необходимо учесть и соответствующим образом подготовить к ней, как и работников станции, так и население. Сегодня в мире не наблюдается тенденции к отказу от производства электроэнергии на атомных станциях. Целый ряд ведущих государств, в том числе Россия, США, Великобритания, Франция, Китай, Индия убеждены в незаменимости ядерной генерации электроэнергии в условиях растущего спроса.



Литература.

  1. Дж. Б. Мэрион, «Физика и физический мир», издательство «Мир», Москва, 1975

  2. Энциклопедия Аванта+, том 16, Физика (часть 2), Москва, 2001

  3. Учебное пособие: Мой выбор – атомная наука и техника, под ред. А.А. Акатов, В.К. Гоген-Торн и др., СИНЭЛ, Санкт-Петербург, 2009

  4. http://www.proline.tv

  5. http://ru.wikipedia.org

  6. http://class-fizika.narod.ru


Источники иллюстраций:

    1. http://ru.wikipedia.org

    2. http://blogstroyka.rosatom.ru

    3. http://www.greenpeace.org