Что находится под саркофагом
Что происходит с радиоактивной лавой под реактором в Чернобыле
Четвертый энергоблок Чернобыльской АЭС, взорвавшийся больше 35 лет назад, сегодня укрыт уже двумя саркофагами: построенный первыми ликвидаторами сверху накрыли безопасным конфайнментом три года назад. Что происходит с остатками ядерного топлива в руинах реактора мы можем судить только по данным с датчиков радиации.
В начале мая журнал Science опубликовал заметку о том, что в четвертом реакторном зале ЧАЭС вновь активизировались реакции распада. Через неделю Институт проблем безопасности атомных электростанций НАН Украины подтвердил, что в одном из подреакторных помещений четвертого реактора ЧАЭС «наблюдается рост плотности потока нейтронов», но он «не превышает установленных пределов безопасности». Что происходит?
Science приводит слова сотрудников украинского Института проблем безопасности АЭС Анатолия Дорошенко и Максима Савельева, о том, что поток нейтронов в остатках реактора медленно растет и нельзя исключить «риск инцидентов».
Откуда взялись нейтроны в давно «остывшем» месте катастрофы и почему они так важны?
Нейтроны вызывают деление ядер урана-235 или плутония-239 (которые поэтому называются делящимися материалами), при этом распад ядер сопровождается выходом новых нейтронов и в случае правильной геометрии материалов выстраивается самоподдерживающаяся цепочка реакций. Это можно увидеть в ядерном взрыве или работе атомного реактора, и самопроизвольная авария с образованием цепной реакции весьма опасна.
В ходе развития аварии на 4 блоке Чернобыльской АЭС чуть меньше половины загруженного в реактор топлива (80-90 из 200 тонн) осталась в здании в виде лаваподобных топливосодержащих материалов. Уран, плутоний, америций и нептуний в этой застывшей лаве продолжают распадаться, порождая в некоторых вариантах распада нейтроны.
В конце 90-х общее количество нейтронов под первым саркофагом оценивалось величиной примерно 10 штук в секунду, что примерно в триллион раз меньше, чем поток нейтронов в работающем гигаваттном реакторе. За счет распада радиоактивных веществ мы должны были бы наблюдать постепенное снижение нейтронного потока, однако измерения кое-где показывают, что происходит не совсем это.
Отмеченный рост наблюдается в детекторах, установленных в скважинах, пробуренных в завалах и бетонных наплывах вокруг помещения 305/2, которое до аварии находилось прямо под реактором.
После аварии это помещение оказалось недоступным. И радиационные (те, что связаны с опасностью облучения), и ядерные (те, что связаны с риском возникновения самоподдерживающийся цепной реакции) измерения по нему косвенные. Дорошенко и соавторы в своей статье акцентируют внимание на том, что детекторы, расположенные возле помещения 305/2, где осталось самое большое скопление топливных масс, слишком сильно экранированы от него бетоном и завалами. В итоге получается, что нейтронный «шум» от других ЛТСМ забивает самый важный источник, поэтому точность данных по росту не очень велика в плане привязки замеченного роста потока к конкретному скоплению материалов.
Что там происходит
Атомный реактор, прежде всего, представляет из себя устройство для размножения нейтронов, с помощью которых идет извлечение ядерной энергии деления. Размножение достигается организацией такой геометрии из делящегося материала и замедлителя, при котором количество нейтронов возрастает после каждого акта деления, образуя самоподдерживающуюся цепную реакцию. Если же часть из нейтронов из нового поколения поглощать или давать им утекать из активной зоны таким образом, что количество их будет постоянным, то и мощность будет поддерживаться на одном и том же уровне.
Организовать такое непросто, и расчеты показывают, что для запуска ускоряющейся цепной реакции необходимо было бы уменьшить поглощение нейтронов «нейтральными» материалами и их утечку за пределы застывшего расплава как минимум в 2,5 раза. Самостоятельно такие изменения в самой керамике происходить не могут, но в ней есть поры и трещины, так что кое-что меняться может.
Основную роль в изменениях тут играет вода, которой в руинах четвертого энергоблока еще со времен аварии скопилось немало. После сооружения «Укрытия» оказалось, что дождевая и талая вода продолжает поступать внутрь, но к началу 1990 года установился некоторый баланс водного режима. Изменения нейтронной активности в помещениях под саркофагом, как пишут ученые в той же самой статье, были сезонными: сухие периоды сопровождались ростом плотности потока нейтронов, влажные наоборот.
Эта ситуация изменилась, когда поверх «Укрытия» возвели в середине 2010-х Новый безопасный конфайнмент — поступление воды в остатки энергоблока резко сократилось. Соответственно, при высыхании залитых водой лаваподобных топливосодержащих материалов (ЛТСМ) нейтронный поток будет сначала увеличиваться и только после прохождения «оптимального увлажнения» начнет сокращаться — это, возможно, мы и видим сейчас.
Это происходит потому, что вода является одновременно сильным замедлителем и сильным поглотителем нейтронов. Замедление нейтронов — это снижение их энергии от миллионов электронвольт при рождении в ядерной реакции до сотых долей электронвольта — средней тепловой энергии атомов при комнатной температуре. Оно важно, потому что ядро урана-235 или плутония-239 примерно в 1000 раз охотнее поглотит замедленный нейтрон, чем быстрый, только появившийся в реакции. Поэтому добавляя воду к урану, мы увеличиваем вероятность деления и как бы виртуально многократно увеличиваем концентрацию урана. Однако когда воды становится достаточно много, все нейтроны успевают в ней замедлиться, и дальнейшее ее добавление приводит только к росту поглощения ценных нейтронов.
Но что может быть, если расчеты и модели неверны, и в реальности где-то сложатся условия для возникновения самопроизвольной цепной реакции? За историю работы человечества с делящимися материалами такие аварии возникали неоднократно, поэтому можно довольно уверенно предсказать, что произойдет.
Как выглядит самый страшный сценарий
Что будет, если все же ускоряющаяся цепная реакция запустится где-то в объеме топливосодержащей лавы?
Затем «очнувшийся» материал остынет и может вновь заполниться водой. Соответственно, цикл с ростом мощности реакции и прогревом может повториться — и так будет происходить, пока содержание воды в этой области станет слишком маленьким для эффективного замедления нейтронов.
Если это и происходило в 2016-2019 году, то в процессе выпаривания воды из ЛТСМ в объеме Нового Безопасного Конфаймента должна была вырасти концентрация радиоактивных аэрозолей, которые наверняка задержала система фильтрации НБК и заметили бы датчики системы контроля ядерной и радиационной безопасности, но никаких прямых данных у нас об этом нет.
При этом вышеописанный сценарий — это цепь из крайне смелых допущений. А комментарий «ГСП ЧАЭС» опровергает и вариант с развитием цепной реакции в ЛТСМ. Резюмируя, можно сказать, что за 35 прошедших с аварии лет, исследователи, видимо, достаточно хорошо знают об угрозах в останках четвертого энергоблока и барьерах на пути их распространения. Рост нейтронного потока был заранее предсказан расчетно и не является показателем роста опасности, а скорее подтверждает правильность заложенных моделей.
Станьте членом КЛАНА и каждый вторник вы будете получать свежий номер «Аргументы Недели», со скидкой более чем 70%, вместе с эксклюзивными материалами, не вошедшими в полосы газеты. Получите премиум доступ к библиотеке интереснейших и популярных книг, а также архиву более чем 700 вышедших номеров БЕСПЛАТНО. В дополнение у вас появится возможность целый год пользоваться бесплатными юридическими консультациями наших экспертов.
Что осталось от Припяти и Чернобыльской АЭС под саркофагом. Фотогалерея
Новый саркофаг над разрушенным реактором Чернобыльской станции ввели в эксплуатацию в 2019 году. Строительство продолжалось с 2008 года под руководством международного фонда «Укрытие» (создан по инициативе стран «Большой семерки» под управлением Европейского банка реконструкции и развития). Проект обошелся в €1,5 млрд
Авария на Чернобыльской атомной электростанции произошла 26 апреля 1986 года: взорвался четвертый энергоблок. Из близлежащих районов в 1986 году были эвакуированы около 115 тыс. человек
Станция окончательно прекратила производить энергию в 2000 году, последним был остановлен третий энергоблок. Сейчас продолжаются работы по ее выводу из эксплуатации, этот процесс может занять многие годы
Припять находится в 2 км от ЧАЭС, своего градообразующего предприятия. После аварии 30-километровая территория вблизи станции стала зоной отчуждения
Поездки в Чернобыльскую зону начались еще во второй половине 1990-х годов, тогда попасть туда помогали общественные организации. Сейчас это уже бизнес двух десятков компаний, объединившихся в Ассоциацию чернобыльских туроператоров
Для туристов в зоне отчуждения строгие правила: досмотр на въезде и выезде, перемещение только в сопровождении гида, запрет на открытую одежду
В основном спросом пользуются однодневные туры, которые длятся 12 часов. В большинстве доступных для посещения районов безопасно находиться до пяти дней, указывает Центр организационно-технического и информационного обеспечения управления зоной отчуждения
Популярность поездок в Припять выросла после выхода на экраны многосерийного фильма HBO «Чернобыль» в 2019-м. По итогам того года зону отчуждения посетили более 124 тыс. человек, большинство из них иностранцы
Туроператоры отмечают, что иностранных гостей привлекает не только трагическая история этого места, но и возможность посмотреть на советский быт, так как в зоне отчуждения оказался «законсервирован» 1986 год
Не все объекты в зоне отчуждения можно снимать, а в радиусе 5 км вокруг ЧАЭС съемка запрещена вовсе
В 2019 году новый президент Украины Владимир Зеленский решил сделать ставку на дальнейшее развитие туризма в зоне ЧАЭС. Он обещал упростить доступ на территорию и снять запреты на видеосъемку. В том же году был утвержден 21 маршрут для туристов — наземные, водные и воздушные
Несмотря на большие планы украинских властей, турпоток в 2020 году рухнул на 70%: международные поездки отменила пандемия коронавируса
Эффект просушки: что происходит с радиоактивной лавой под реактором в Чернобыле
Четвертый энергоблок Чернобыльской АЭС, взорвавшийся больше 35 лет назад, сегодня укрыт уже двумя саркофагами: объектом «Укрытие», который строили еще первые ликвидаторы, и Новым безопасным конфайнментом (НБК), достроенным три года назад. Что происходит с остатками ядерного топлива в руинах реактора мы можем судить только по данным с датчиков радиации. В начале мая журнал Science опубликовал заметку о том, что в четвертом реакторном зале ЧАЭС вновь активизировались реакции распада. Через неделю Институт проблем безопасности атомных электростанций НАН Украины подтвердил, что в одном из подреакторных помещений четвертого реактора ЧАЭС «наблюдается рост плотности потока нейтронов», но тот «не превышает установленных пределов безопасности». Что происходит?
Konung yaropolk / wikimedia commons / CC BY-SA 4.0 (изменено)
Science приводит слова сотрудников украинского Института проблем безопасности АЭС, Анатолия Дорошенко и Максима Савельева, о том, что поток нейтронов в остатках реактора медленно растет и нельзя исключить «риск инцидентов». Эти их слова отчасти повторяют выводы публикации в журнале «Вопросы атомной науки и техники» 2020 года, один из авторов которой как раз Дорошенко.
Действительно, несколько измерительных приборов системы контроля ядерной безопасности, установленной в объекте «Укрытие» (так официально называется саркофаг) показывают, что с 2016 по 2019 год плотность нейтронного потока увеличилась — в самом значительном случае на 60 процентов.
Р.Л. Годун и др. / ВАНТ, 2020
Р.Л. Годун и др. / ВАНТ, 2020
Нейтроны вызывают деление ядер урана-235 или плутония-239 (которые поэтому называются делящимися материалами), при этом распад ядер сопровождается выходом новых нейтронов и в случае правильной геометрии материалов выстраивается самоподдерживающаяся цепочка реакций. Это можно увидеть в ядерном взрыве или работе атомного реактора, и самопроизвольная авария с образованием цепной реакции весьма опасна.
В ходе развития аварии на 4 блоке Чернобыльской АЭС чуть меньше половины загруженного в реактор топлива (80-90 из 200 тонн) осталась в здании в виде лаваподобных топливосодержащих материалов (ЛТСМ, подробнее об этом читайте в материале «Китайский синдром Чернобыля»). Уран, плутоний, америций и нептуний в этой застывшей лаве продолжают распадаться, порождая в некоторых вариантах распада нейтроны.
В конце 90-х общее количество нейтронов в «Укрытии» оценивалось величиной примерно 10 9 штук в секунду, что примерно в триллион раз меньше, чем поток нейтронов в работающем гигаваттном реакторе. За счет распада радиоактивных веществ мы должны были бы наблюдать постепенное снижение нейтронного потока, однако измерения кое-где показывают, что происходит не совсем это.
Отмеченный рост наблюдается в детекторах, установленных в скважинах, пробуренных в завалах и бетонных наплывах вокруг помещения 305/2, которое до аварии находилось прямо под реактором.
«Опыт Чернобыля», 2012
Расположение ЛТСМ (красное) в остатках помещения 305/2 и 3 скважны, в которых установлены детекторы нейтронов, показывающие рост потока
«Опыт Чернобыля», 2012
Что там происходит
Атомный реактор, прежде всего, представляет из себя устройство для размножения нейтронов, с помощью которых идет извлечение ядерной энергии деления. Размножение достигается организацией такой геометрии из делящегося материала и замедлителя, при котором количество нейтронов возрастает после каждого акта деления, образуя самоподдерживающуюся цепную реакцию. Если же часть из нейтронов из нового поколения поглощать или давать им утекать из активной зоны таким образом, что количество их будет постоянным, то и мощность будет поддерживаться на одном и том же уровне.
Организовать такое непросто, и для ЛТСМ в «Укрытии» расчеты показывают, что для запуска ускоряющейся цепной реакции необходимо было бы уменьшить поглощение нейтронов «нейтральными» материалами и их утечку за пределы застывшего расплава как минимум в 2,5 раза. Самостоятельно такие изменения в самой керамике происходить не могут, но в ней есть поры и трещины, так что кое-что меняться может.
Основную роль в изменениях тут играет вода, которой в руинах четвертого энергоблока еще со времен аварии скопилось немало. После сооружения «Укрытия» оказалось, что дождевая и талая вода продолжает поступать внутрь, но к началу 1990 года установился некоторый баланс водного режима. Изменения нейтронной активности в помещениях под саркофагом, как пишут ученые в той же самой статье, были сезонными: сухие периоды сопровождались ростом плотности потока нейтронов, влажные наоборот.
Динамика плотности потока нейтронов в зоне проплавления ОП юго-восточной части помещения 305/2 за идентичные периоды 2014-2015 и 2016-2017 годов
Е. Д. Высотский и др. / ВИП, 2018
Из вышеупомянутой публикации по нейтронной физике ЛТСМ также следует, что существует точка «оптимального увлажнения», при которой нарастание количества нейтронов в каждом поколении достигает максимума. Соответственно, при высыхании залитых водой ЛТСМ нейтронный поток будет сначала увеличиваться и только после прохождения «оптимального увлажнения» начнет сокращаться — это, возможно, мы и видим сейчас.
Это происходит потому, что вода является одновременно сильным замедлителем и сильным поглотителем нейтронов. Замедление нейтронов — это снижение их энергии от миллионов электронвольт при рождении в ядерной реакции до сотых долей электронвольта — средней тепловой энергии атомов при комнатной температуре. Оно важно, потому что ядро урана-235 или плутония-239 примерно в 1000 раз охотнее поглотит замедленный нейтрон, чем быстрый, только появившийся в реакции. Поэтому добавляя воду к урану, мы увеличиваем вероятность деления и как бы виртуально многократно увеличиваем концентрацию урана. Однако когда воды становится достаточно много, все нейтроны успевают в ней замедлиться, и дальнейшее ее добавление приводит только к росту поглощения ценных нейтронов.
Но что может быть, если расчеты и модели неверны, и в реальности где-то сложатся условия для возникновения самопроизвольной цепной реакции? За историю работы человечества с делящимися материалами такие аварии возникали неоднократно (например, «заряд-демон» и авария на ядерном объекте Токаймура), поэтому можно довольно уверенно предсказать, что произойдет.
Как выглядит самый страшный сценарий
Что будет, если все же ускоряющаяся цепная реакция запустится где-то в объеме топливосодержащей лавы?
Затем «очнувшийся» материал остынет и может вновь заполниться водой. Соответственно, цикл с ростом мощности реакции и прогревом может повториться — и так будет происходить, пока содержание воды в этой области станет слишком маленьким для эффективного замедления нейтронов.
Если это и происходило в 2016-2019 году, то в процессе выпаривания воды из ЛТСМ в объеме Нового Безопасного Конфаймента должна была вырасти концентрация радиоактивных аэрозолей, которые наверняка задержала система фильтрации НБК и заметили бы датчики системы контроля ядерной и радиационной безопасности, но никаких прямых данных у нас об этом нет.
При этом вышеописанный сценарий — это цепь из крайне смелых допущений. А комментарий «ГСП ЧАЭС» опровергает и вариант с развитием цепной реакции в ЛТСМ. Резюмируя, можно сказать, что за 35 прошедших с аварии лет, исследователи, видимо, достаточно хорошо знают об угрозах в останках четвертого энергоблока и барьерах на пути их распространения. Рост нейтронного потока был заранее предсказан расчетно и не является показателем роста опасности, а скорее подтверждает правильность заложенных моделей.
Валентин Гибалов
Старый саркофаг Чернобыльской АЭС разберут к концу 2023 года
В 1986 году над взорвавшимся реактором 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС было установлено защитное сооружение «Укрытие-1». Конструкция, на создание которой потребовалось 400 тысяч кубических метров бетона и более 7 тысяч тонн стали, оказалась не такой надежной, как обещали. Многочисленные трещины, покосившиеся бетонные плиты и высокий уровень радиации внутри повышали риски нового выброса радиоактивных веществ. Над «Укрытием-1», получившем в народе название «саркофаг», установили новое сооружение, получившее название «Новый безопасный конфайнмент» (НБК). Его разработка и строительство велись в течение 12 лет.
Почему старый саркофаг Чернобыльской АЭС считается опасным
Однако возведение нового укрытия не решило проблему старого саркофага. На протяжении всего времени эксплуатации старого саркофага проводились исследования и оценка его надежности. Они показали, что в старом укрытии имеются конструкции с высокой вероятностью обрушения в будущем. С 2004 по 2008 годы были проведены работы по укреплению старого саркофага. Тем не менее экспертиза показала, что объект сможет простоять не дольше 2023 года.
Под старым саркофагом находится тот самый злосчастный взорвавшийся 4 реактор, а также огромное количество различных радиоактивных веществ и обломков, которые сбрасывались ликвидаторами аварии с крыши рядом расположенного здания АЭС.
Вероятность разрушения старого саркофага означает, что многотонные плиты, накрывающие реактор, могут упасть на реактор и поднять в воздух радиоактивные вещества, которые осядут на внутренние стенки нового арочного защитного сооружения НБК, превратив все внутри в огромный источник радиации. Фонить будет даже за пределы нового защитного сооружения. Под старым саркофагом находится огромное количество радиоактивных материалов, которые смешались с бетоном, песком и прочими веществами, использовавшимися при ликвидации аварии. Без утилизации и захоронения этих веществ они будут постоянно представлять опасность для людей, которые работают на станции.
Задачу предлагалось решить двумя способами: укрепить опасные и нестабильные конструкции или демонтировать их. В итоге выбрали второй вариант. Однако такая идея не нашла поддержки у некоторых экспертов. Они отмечают, что демонтировать объект «Укрытие-1» будет невозможно, так как внутри НБК должны находиться люди, а при разборке саркофага в воздух будет подниматься радиоактивная пыль. Работа действительно предстоит очень сложная и опасная. Многое в проекте до сих пор остается неясным. Но некоторые детали о нем уже известны.
Как будут разбирать старый саркофаг Чернобыльской АЭС
Недавно был подписан контракт с подрядной организацией на разработку проекта демонтажа старого саркофага. Предполагается, что работы будут проводиться в три этапа.
В ходе первого и в второго этапов инженеры оценят текущее состояние объекта «Укрытие-1». Кроме того, планируется провести проектные работы, чтобы понять, какое именно оборудование будет необходимо для разборки старого саркофага, работы с большими объемами радиоактивных отходов. Помимо этого, будут проведены работы для обеспечения максимальной безопасности людей, которые будут работать на объекте. Согласно имеющимся данным, участие человека предполагается свести к минимуму.
Третий этап окажется самым сложным. В его ходе закупят оборудование необходимое для разборки саркофага, транспортировки разобранных частей и собственно приступят к демонтажу. Работа будет усложняться тем, что некоторые части саркофага в течение 30 лет подвергались не только воздействию радиации, но и естественной коррозии – они гнили. Демонтаж каждой отдельной части саркофага будет увеличивать риск обрушения всей конструкции. Поэтому инженерам предстоит решить задачу, как усилить каждый оставшийся элемент саркофага.
Для демонтажа тяжелых многотонные бетонных плит и металлоконструкций предполагается использование четырех специальных кранов грузоподъемностью 50 тонн каждый. Они были установлены еще при строительстве нового защитного сооружения НБК. Их управление будет осуществляться человеком-оператором дистанционно.
Кроме того, внутри нового сооружения находится несколько мобильных платформ, оборудованных роботизированными манипуляторами. Каждый из них оснащен необходимыми инструментами для демонтажа (резки, дробления) и переноса частей разобранных конструкций. Помимо этого, уже предусмотрены различные навесные манипуляторы, которые позволят эффективно и аккуратно разбирать саркофаг. Другими словами, внутри нового НБК уже имеется часть техники, которая позволит исключить присутствие человека рядом со старым саркофагом в процессе его разборки.
Посмотреть, как предположительно будет выглядеть процесс разборки саркофага можно на видео ниже. Оно на украинском языке. Доступны русские субтитры.
Как решить проблему радиации
При разборке саркофага безусловно будет подниматься скопившаяся на его стенках и крыше пыль, содержащая радиоактивные частицы. Однако по словам заместителя технического директора по безопасности Чернобыльской АЭС Александра Новикова, эти выбросы можно минимизировать. Внутри укрытия используется специальная система, которая распыляет специальный раствор, который притягивает к себе радиоактивные частицы, не позволяя им свободно перемещаться под саркофагом. Новиков указывает, что даже в случае разрушении саркофага только небольшое количество пыли может выйти из него. Но для быстрого очищения зоны саркофага, вероятнее всего, будет использоваться закрытая система вентиляции, установленная в процессе строительства НБК. Кроме того, вероятно будут использоваться и другие системы обеззараживания, которые будут созданы в рамках подготовки к демонтажу.
Демонтированные части планируется складировать в отдельном технологическом помещении нового защитного сооружения. Там проведут работы по дроблению частей на более мелкие фрагменты, которые, поместив в герметичные контейнеры, отправят на захоронение.
Предполагается, что все работы по демонтажу старого саркофага должны быть завершены к 20 декабря 2023 года.
Если вам интересны новости науки и технологий, обязательно подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там вы найдете материалы, которые не были опубликованы на сайте!