11 марта 2011 года разрушительное земелтрясение магнитудой 9.0 баллов сотрясло восточное побережье Японии. Сдвинувшийся участок земной коры спровоцировал цуна
ми, волны которого достигали 38 метров в высоту и продвинулись до 10 километров вглубь суши.
Помимо
гражданских разрушений, порожденных стихиями, пострадала и атомная электростанция в Фукусиме. Опасность, ныне исходящая из-за боязни человечества радиационного загрязнения окружающей среды, побуждает многие страны пересмотреть свои взгляды на использование атомных электростанций как альтернативы сжигание углеводородов. Далее мне хотелось бы рассмотреть факторы, породившие нынешнюю ситуацию на атомной станции Фукусимы.
Прежде всего, хотелось бы поверхностно объяснить устройство ядерных реакторов используемых на атомных станциях, и как они, станции, вырабатывают электричество. Некоторые элементы периодической таблицы, такие как уран, подвергаются распаду своих ядер, при этом производя более легкие элементы и выделяя энергию (процесс ядерного распада). Выделяемая энергия используется для нагревания воды, переводя ее в пар, который в свою очередь под огромным давление вращает турбину, соединенную с ротором генератора, производящего электричество.
Урановое топливо находится в реакторе в форме небольших стержней, которые плотно «упакованы» в ядре реактора. Для контроля над интенсивностью распада ядер урана (мощностью реактора), используются регулирующие стержни, которые обычно заполнены элементами, способными поглощать большое количество нейтронов, тем самым уменьшая количество делящихся ядер и понижая мощность реактора. Если регулирующие стержни находятся в низшей позиции (полностью в ядре реактора), реактор производит наименьшее количество энергии и считается заглушенным. Если же стержни находятся в наивысшей позиции, то реактор производит наибольшее количество энергии.
Производя огромное колиество тепловой энергии, реактор нуждается в постоянном охлаждении. Роль охладителся играет вода, которую реактор испаряет для движения турбины – достаточно простой способ решение проблемы охлаждения, имеющий один большой минус – зависимость от насосных систем, движущих воду во всем цикле производства энергии. Насосы работают от электричества, и если они отрезаны от электричества, то вода в охладительной системе реактора не движется. В этом случае ядерное топливо перегревается под воздействием собственного тепла и происходит расплавление топлива. Тонны ядерного топлива могут расплавлить стенки реактора и в случае катастрофы могут вылиться из него, загрязняя окружающую среду элементами радиоактивного распада.
Зная эту слабость в дизайне реактора, конструкторы установили большое количество альтернативных источников питания насосных систем на атомной станции. Во-первых, насосы в нормальном состоянии питаются от вырабатываемой электроэнергии на самом реакторе. Во-вторых, насосы подключены к энергосистеме Японии. В-третьих, на станции хранились запасные дизельные генераторы в случае отключения электричества. В-четвертых, существовала сеть запасных аккумулятров на случай отказа первых двух систем. К сожалению, произошедшие 11 марта землетрясение и цунами нанесли удар по первым трем степеням защиты.
Само землетрясение не нанесло большого ущерба целостности электростанции. Как принято в случае природных катаклизмов, регулирующие стрежни были опущены, тем самым переведя реактор в режим наименьшей мощности. Это означало, что первый ресурс электроэнергии для охладительных систем – собственная электоэнергия станции – больше не мог питать насосы. Вдобавок к заглушенному реактору изрядно пострадавшая после землетрясения электросистема Японии перестала работать, тем самым второй ресурс энергии для насосов отпал.
В этот момент были запущены дизельные генераторы для питания насосов. И именно в этот момент на побережье обрушилось цунами, повредившее дизельные генераторы, которые на удивление находились слишком близко к побережью.
Последняя надежда оставалась на аккумуляторы, и они сработали как было расчитано... лишь несколько часов поддерживая насосы в рабочем состоянии. Использование аккумуляторов считалось последним шагом, многие надеялись на возможность подключения насосов к электросети или к новым заряженным аккумуляторам, но быстрая переброска новых источников питания оказалось практически невозможной.
Без работы насосов вода, находящаяся в охладительной системе реактора, начала испаряться, оголяя топливные стержни, и тепло, производимое перегретыми ураном, нарушило целостность стержней. Оболочка стержней была покрыта цирконием, который подвергается окислению при температуре свыше 1000 С, так как никакого доступа к кислороду у циркония не было, металл был вынужден забирать атомы кислорода у находящегося в реакторном ядре водяного пара, оставляя лишь молекулы водорода. Получившийся газ, смесь водорода и водяного пара, не особо взрывоопасен, но температура внутри ядра продолжает расти, увеличивая давления на стенки реактора. В этот момент, боясь механических повреждений из-за громадного давления на реактор, оператор Фукусимы решает выпустить водяной пар и ядра, снизив тем самым давление внутри реактора. Выпущенный водород,смешавшись с воздухом в здании станции, становится взрывоопасным вприсутствие кислорода, и мы стали свидетелями этих взрывов [1].
Взрыв повредил лишь здание станции, но не нарушил целостность реакторного ядра (неправда ли это ядро мощная конструкция?), при этом не произошло никакого ядерного взрыва, не выделились никакие радиоактивные вещества. Оставшись без видимых альтернатив для охлаждения реактора, оператор станций решил залить его морской водой, что наверняка приведет реактор в негодность. Вода была обогащена бором, элементом, поглощающим нейторны как и элементы внутри регулирующих стержней.
Морская вода после испарения оставляет соль в охладительной системе, и, начиная с 25 марта, TEPCO решила использовать пресную воду для охлаждения, поливая реактор из пожарных машин, а затем используя охладительную систему и различные насосы, которые были вновь подключены к электросети [2].
Теперь многие страны выступают против ядерной энергетики, и никто не задумывается о том, что активная зона реактора выдержала землетрясение магнитудой 9 баллов, цунами, повторные подземные толчки, перегретое топливо. Хотелось бы, чтобы данный пример служил дальнейшим толчком в исследовании еще более надежных реакторов и конструкций ядерных станций, а не могильным камнем для всей индустрии.
В написании данной заметки использованы материалы (HowStuffWorks.com)