Насколько безопасен ядерный реактор?

Раз уж зашел разговор про Фукусиму, давайте поговорим о том, а насколько сильно вообще защищен ядерный реактор от выхода радиации наружу.

Самым страшным, конечно же, является выход радиоактивных продуктов деления в атмосферу, т.к. ни для кого ни секрет, что они разносятся воздухом на большие расстояния, а выпадающие в результате радиоактивные осадки заражают землю и воду. Поэтому в современных реакторах существует четыре физических барьера, не дающих продуктам деления выйти наружу.

Для начала расскажу вкратце, как устроен самый массовый тип ядерного реактора. В тонкости вдаваться буду в каких-нибудь других постах, сегодня только по устройству и материалам.

По сути реактор – это огромная закрытая кастрюля с водой, которую разогревает помещенный внутрь «кипятильник» в виде ядерного топлива. Только вода эта перегрета до 350 градусов и находится под большим давлением – 160 атмосфер (поэтому она и не испаряется). Если хотите понять, что такое 160 атмосфер, можете, например, опуститься примерно на дно озера Байкал. Ядерное топливо представляет собой длинные кассеты с циркониевыми трубками, набитыми до краев таблетками из диоксида урана – источника энергии при делении ядер. Трубки с таблетками называются тепловыделяющими элементами (твэлами), а кассеты с ними – тепловыделяющими сборками (ТВС). Именно ТВС, а не урановая таблетка, считается единицей топлива.

Таким образом, реактор устроен по принципу «матрешки», оболочка каждой из которых является барьером безопасности.

Первым барьером безопасности являются сами таблетки диоксида урана. Когда ядро урана делится на два осколка с большой начальной кинетической энергией (те самые 200 МэВ), эти осколки тормозятся в материале таблетки, и та, за счет трения нагревается. Так и получается переход ядерной энергии в тепловую. Основная часть продуктов деления остается в таблетке, и в штатном режиме первый барьер работает замечательно.

Но бывает такое, что таблетка трескается от нагрева, все-таки, диоксид урана – это керамика. И тогда через трещины продукты деления покидают таблетку. И тут они встречают второй барьер безопасности – оболочку твэла из циркониевых сплавов, в которой они и остаются.

Если постоянно воздействовать на оболочку продуктами деления, то в ней может возникать коррозия (все-таки, среди продуктов не самые безобидные вещества – йод, цезий, и т.д.), и с внутренней стороны она будет потихоньку разрушаться. Тут, конечно, же в случае разгерметизации оболочки сразу должна сработать активная система безопасности для остановки реакции. Но тем не менее, если продукты выйдут из оболочки, они попадают в сам реактор (кастрюлю с водой), где его толстостенный корпус и вода будет служить третьим барьером безопасности.

За пределы корпуса при нормальной работе реактора продукты деления точно не выходят. Происходит это только при сильном перегреве топлива, из-за потери теплоносителя и взрыва в результате пароциркониевой реакции, как это было, например, на Фукусиме.

А что на счет остальной радиации – нейтронов и гамма-излучения?

Так как нейтроны, по сути, такой же массы, как атом водорода, то реакторная вода, очень сильно их тормозит. Представьте, что движущийся шар налетает на покоящийся такой же массы – он может передать ему максимальное количество энергии. А если покоящийся шар будет гораздо большей массы, то маленький от него отскочит, сохранив свою скорость. Таким образом, вода не выпускает наружу большую часть нейтронов.

Значительную часть гамма-излучения поглощает корпус, а от того, что проходит через него, а также от небольшого количества вышедших нейтронов защищает четвертый барьер безопасности – бетонный контейнмент. Для защиты от гамма-излучения важна высокая плотность материала, поэтому используют специальный тяжелый бетон, начиненный кусками чугуна и других около железных материалов. Как раз на дне контейнмента, как вы поняли из прошлого поста, лежит расплавленное топливо на Фукусиме.

Итак, 4 барьера безопасности:

1️⃣ – топливная таблетка,

2️⃣ – оболочка твэла,

3️⃣ – корпус реактора,

4️⃣ – бетонный контейнмент