Фукусимская АЭС. Технические подробности.
Нам бы лучше про реактор, про родимый лунный трактор...
(с) Высоцкий
Я тут старалась не перегружать людей техническим подробностями устройства реакторов, но количество "технарей", читающих мои записи растет, пора это учесть. Ну, и заодно рассказать, что такое реактор вообще. Они делают мне очень правильные замечания о разных моментах. Я попытаюсь сейчас их учесть.
Поскольку подавляющее большинство слушателей не обладают техническим образованием, я попробую заодно совместить несовместимое.
Заодно мои извинения всем тем, кто возмутится некоторыми неточностями в изложении.
Я буду в основном про "родную Фукусимскую АЭС", чтобы не углубляться в детали.
Значит, как работает АЭС? АЭС бывают двух типов - работающие как ядерная бомба - на быстрых нейтронах, и на медленных. В чем разница?
Нейтроны, возникающие при делении ядра урана, имеют достаточно большую энергию. Это не очень хорошо. Дело в том, что МЕДЛЕННЫЕ, т.е. тепловые нейтроны (нейтроны, чья энергия совпадает с энергией, с которой двигаются частицы в окружающей среде при комнатной температуре) поглощаются намного лучше. А это значит, что и цепную реакцию запустить проще. К слову сказать, запустить ее очень нетривиально, все на грани возможного получается. О реакторах на быстрых нейтронах я не буду говорить - это отдельная история, а вот про реакторы на медленных попробую рассказать.
Итак, у нас развалилось ядро урана и выпустило из себя энное число нейтронов. Наша задача - замедлить их до нужной энергии, чтобы все выпущенные нейтроны обязательно поглотились соседними атомами урана и тоже распались. Так не бывает, но мы стараемся достигнуть идеала.
Замедление происходит лучше всего, если частица одной массы сталкивается примерно с такой же (ну, представьте автоаварию. Если врезались две Тойоты, то повредятся обе, а если Тойота и танк...). Масса нейтрона примерно равна массе протона, т.е. массе атома водорода.
Т.о. лучшими замедлителями окажутся те вещества, где много атомов водорода. В качестве таковых прекрасно подходит вода и высокомолекулярные полимеры. Последние мы не будем рассматривать, поскольку к Фукусиме они не имеют отношения.
Итак, вода. H2O, очень удобно. Она дешевая. 2/3 вещества "пойдут в дело". Сталкиваясь с атомами воды, нейтрон постепенно теряет свою энергию и благополучно замедляется, пока его на захватит другой атом урана, который снова испустит несколько нейтронов. Вода может работать и отражателем нейтронов, что выгодно. Наконец, вода (точнее, пар) - рабочее тело для турбин, так что выгода многократная.
Такая вот картинка с http://www.physbook.ru/:
Так образуется ядерная цепная реакция. При этом выделяется совершенно офигительное количество энергии, которое делает именно ядерную энергию самой эффективной на сегодняшний день (есть еще термоядерная, но с ней другая история, там управление пока обходится слишком дорого, чтобы шла речь о техническом применении). Так что зеленые всех мастей могут успокоиться - мы не можем обойтись без АЭС, иначе выбросы тепловых заставят нас всех распроститься с мечтой подавить парниковый эффект.
Едем дальше, видим мост...
С помощью этой энергии разогревают воду, она превращается в пар, пар подают на турбины, турбины обычным образом вырабатывают электроэнергию.
Все просто и без затей.
Вот схема c Википедии:
Но есть несколько замечаний.
1. Вода еще и поглощает нейтроны.
2. Кипение при 100 градусах - это плохо (мало).
3. Я сказала сильно меньше половины правды. В качестве замедлителей можно использовать тяжелую воду, т.е. воду, где вместо водорода дейтерий (это атом, где в ядре есть один протон и один нейтрон), графит и бериллий. Можно и другие вещества, но это - лучшие.
Первую проблему решают добавлением легкоделящихся веществ - урана-235 или плутония. Вторую - повышением давления. Кстати, на картинке там есть компенсатор давления - видите? Вот для этого.
Третий пункт решается тем, что делаются другие типы реакторов, например, РБМК на графите - тот самый, который Чернобыльский или Ленинградский.
Еще одной серьезной проблемой является наличие различных продуктов радиоактивного распада. Их больше 300 и подавляющее их большинство опасно для организмов.
В силу этого вопросы безопасности любой АЭС - критичные вопросы.
От обычного излучения защищаются разными способами, я опять же не буду особо останавливаться. Делается достаточно толстая стена, чтобы всякие электроны-фотоны и прочие прелести в ней поглотились и наружу не вышли, нейтроны замедляются и поглощаются веществами, которые хорошо их поглощают.
А тут остановлюсь, ибо это способ управлять ядерной реакцией. Как только вы ввели вещество, поглощающее нейтроны, цепная реакция прекращается. Остается только самопроизвольная (которая, кстати, и разогревает нынче бассейны с отработавшим топливом на Фукусиме). Таких веществ не очень много, в первую очередь это бор, кадмий и гадолиний. Бор самый дешевый.
Сильно радиоактивные отходы обычно обрабатываются, уран-плутоний извлекаются обратно в работу, а остальное (и тоже очень активное, даже значительно более, чем собственно топливо) отправляется в захоронения. Пресловутый Маяк - это завод, где такие отходы перерабатывают. Мой родной город может заниматься обогащением. Подобные производства в нашем мире есть мало где, в основном у нас и в Америке. Японцы тоже пытаются создать свое, но пока не прокатывает.
Еще одна проблема - вода. На картинке видно, что вода омывает сам реактор, значит, уносит высокоактивные осколки деления. Но на картинке двухконтурный реактор, где все понятно. Есть один контур, он замкнут, в нем и циркулирует радиоактивная вода, тепло с него снимается вторым контуром. В нем вода доходит до кипения и уходит на турбину.
Однако у японцев реактор очень старый и одноконтурный.
У нас они тоже есть, кстати глава Росатома иногда не понимает, что говорит на эту тему:
http://www.anti-atom.ru/ab/node/2099
Сейчас будут три картинки, какие бывают АЭС по контурам (я не рассматриваю всякую экзотику, вроде судовых двигателей или исследовательских реакторов):
Перед вами реактор Чернобыльской АЭС на графите в качестве замедлителя. У него одноконтурная система охлаждения, поэтому я его привожу как пример схемы на Фукусиме. Там вода доводится до состояния пара уже в первом контуре. Очищают его от разных примесей - от обычных продуктов коррозии до радиоактивных осадков с помощью обычных систем фильтров, прогонки через аниониты... Ну, в общем, очищают как обычный пар, только тщательнее. Пар уходит в турбину и работает. Вода может распадаться на водород и кислород, что образует гремучую смесь, но в нормальных условиях им не дают взорваться с помощью разных хитростей, в том числе устройства, которое позволяет безопасно сжечь эту смесь.
Отработавший пар и вода оказываются в конденсаторе, охлаждаются и отправляются назад, в реактор. Сама вода оказывается более опасной, чем в двухконтурном реакторе, - более зараженной. Так что прорывы этих контуров - всегда вещь опасная.
А это любимая Фукусима в двух видах. У нее одноконтурная схема генерации пара и вообще это тип кипящего реактора: пар рождается прямо в корпусе реактора, отделяется от воды и поступает в турбину. Циркуляция в такой системе принудительная, ее насосы осуществляют. Если они не работают - циркуляции нет. Отсюда и опасности Фукусимы с отсутствием электропитания.
Тор внизу - это конденсатор. В данном случае на него навешано множество других функций, в частности - удаление образующихся водорода-кислорода в атмосферу. Если ТВЭЛы разрушены, то газы, которые они выделяют, тоже выбрасываются в атмосферу, что мы и наблюдаем. В составе такого газа должен быть криптон и ксенон, но их японцы не смотрят (возможно, не умеют).
В торе лежат еще многие другие гадости, связанные с коррозией стали и меди, накипь и прочий мусор. Обычно стараются их не допускать, но морская вода на Фукусиме однозначно создала там толстые слои накипи. Внутри системы конденсатора есть еще ионообменные фильтры, которые должны ловить ионы металлов и хлор (так что наличие в анализах Cl-38 весьма настораживает тем, что реакция шла совсем недавно).
Если тор разрушен (например, взрывом), то многолетние осадки отправляются... ну, куда уж их вымоет, туда и отправляются. Отсюда, вероятно, но не окончательно - высочайшие дозы в воде, которые мы наблюдаем по результатам анализов.
Однако, если разрушен только тор, то мы не можем наблюдать короткоживущих изотопов или плутония, они должны быть надежно "заперты" в реакторе. А мы их видим. Значит, реактор разрушен тоже, к тому же цепная реакция все еще шла и очень недавно (а, может, и сейчас идет). Но это не полномасштабная реакция - все же реакторы основательно убиты бором, да и морской водой. Но локально могут образовываться участки с текущей ядерной реакцией, со всеми вытекающими.
Это двухконтурная, самая распространенная у нас модель станций - ВВЭР. Вообще-то есть и трехконтурные, но черт с ними.
Фукусиму часто сравнивают с кем-нибудь еще. Например, с Три-Майлом (США), что не совсем корректно - у них разные типы реакторов. Американцы использовали двухконтурную модель PWR, а японцы одноконтурный MARK I. Когда отключается электропитание, охлаждение тоже прекращается. Если рвется труба, то вода тоже вытекает, активная зона открывается. Отводить тепло некому, содержимое может плавиться, образуя кориум.
Далее, если нет охладителя, то температура кориума достаточна, чтобы расплавить все на свете, в том числе и корпус реактора, рассчитанный в обычных условиях на попадание самолета.
После этого кориум тоже куда-то потечет-свалится, где остынет и будет просто вредоносно распространять осколки деления в разные стороны.
В чем отличие от современной станции? Современные АЭС имеют ряд т.н. пассивных систем безопасности, которые сработают сами по себе, без всякого электропитания. Например, системы аварийного охлаждения активной зоны реактора. Есть ловушки расплава, которые должны ловить кориум, если что.
Гм... вопросы есть?