Как работает ядерный реактор?

В активной зоне реактора располагаются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) – ядерное топливо. Они собраны в кассеты, включающие в себя по несколько десятков ТВЭЛов. По каналам через каждую кассету протекает теплоноситель. ТВЭЛы регулируют мощность реактора. Ядерная реакция возможна только при определённой (критической) массе топливного стержня. Масса каждого стержня в отдельности ниже критической. Реакция начинается, когда все стержни находятся в активной зоне. Погружая и извлекая топливные стержни, реакцией можно управлять.

Итак, при превышении критической массы топливные радиоактивные элементы, выбрасывают нейтроны, которые сталкиваются с атомами. В результате образуется нестабильный изотоп, который сразу же распадается, выделяя энергию в виде гамма излучения и тепла. Частицы, сталкиваясь, сообщают кинетическую энергию друг другу, и количество распадов в геометрической прогрессии увеличивается. Это и есть цепная реакция — принцип работы ядерного реактора. Без управления она происходит молниеносно, что приводит к взрыву. Но в ядерном реакторе процесс находится под контролем.

Таким образом в активной зоне выделяется тепловая энергия, которая передаётся воде, омывающей эту зону (первый контур). Здесь температура воды 250-300 градусов. Далее вода отдаёт тепло второму контуру, после этого – на лопатки турбин, вырабатывающих энергию. Преобразование ядерной энергии в электрическую можно представить схематично:

1. Внутренняя энергия уранового ядра,

2. Кинетическая энергия осколков распавшихся ядер и освободившихся нейтронов,

3. Внутренняя энергия воды и пара,

4. Кинетическая энергия воды и пара,

5. Кинетическая энергия роторов турбины и генератора,

6. Электрическая энергия.

Активная зона реактора состоит из сотен кассет, объединенных металлической оболочкой. Эта оболочка играет также роль отражателя нейтронов. Среди кассет вставлены управляющие стержни для регулировки скорости реакции и стержни аварийной защиты реактора. Далее, вокруг отражателя устанавливается теплоизоляция. Поверх теплоизоляции находится защитная оболочка из бетона, которая задерживает радиоактивные вещества и не пропускает их в окружающее пространство.

Где используются ядерные реакторы?

- Энергетические ядерные реакторы используются на атомных электростанциях, в судовых электрических установках, на атомных станциях теплоснабжения.

- Реакторы конвекторы и размножители применяются для производства вторичного ядерного топлива.

- Исследовательские реакторы нужны для радиохимических и биологических исследований, производства изотопов.

В насто­я­щее время суще­ствует два типа ядер­ных реак­то­ров ВВЭР (водо-водяной энер­ге­ти­че­ский реак­тор) и РБМК (реак­тор боль­шой мощ­но­сти каналь­ный). Отли­чие в том, что РБМК — кипя­щий реак­тор, а ВВЭР исполь­зует воду под дав­ле­нием в 120 атмосфер.
Каж­дый ядер­ный реак­тор про­мыш­лен­ного типа пред­став­ляет собой котел, сквозь кото­рый про­те­кает теп­ло­но­си­тель. Как пра­вило это обыч­ная вода (ок. 75% в мире), жид­кий гра­фит (20%) и тяже­лая вода (5%). В экс­пе­ри­мен­таль­ных целях исполь­зо­вался бери­лий и пред­по­ла­гался углеводород.

ТВЭЛ — (теп­ло­вы­де­ля­ю­щий эле­мент). Это стержни в цир­ко­ни­е­вой обо­лочке с нио­бий­ным леги­ро­ва­нием, внутри кото­рых рас­по­ло­жены таб­летки из диок­сида урана.
Также ТВЭЛ вклю­чает в себя пру­жин­ную систему удер­жа­ния топ­лив­ных таб­ле­ток на одном уровне, что поз­во­ляет точ­нее регу­ли­ро­вать глу­бину погружения/выведения топ­лива в актив­ную зону. Они собраны в кас­сеты шести­гран­ной формы, каж­дая из кото­рых вклю­чает в себя несколько десят­ков ТВЭ­Лов. По кана­лам в каж­дой кас­сете про­те­кает теплоноситель.

Актив­ная зона реак­тора состоит из сотен кас­сет, постав­лен­ных вер­ти­кально и объ­еди­нен­ных вме­сте метал­ли­че­ской обо­лоч­кой — кор­пу­сом, игра­ю­щим также роль отра­жа­те­лем ней­тро­нов. Среди кас­сет, с регу­ляр­ной часто­той встав­лены управ­ля­ю­щие стержни и стержни ава­рий­ной защиты реак­тора, кото­рые в слу­чае пере­грева при­званы заглу­шить реактор.
Управ­ля­ю­щие могут пере­ме­щаться вверх и вниз погру­жа­ясь или наобо­рот, выходя из актив­ной зоны, где реак­ция идет интен­сив­нее всего. Это обес­пе­чи­вают мощ­ные элек­тро­мо­торы, в сово­куп­но­сти с систе­мой управления.Стержни ава­рий­ной защиты при­званы заглу­шить реак­тор в слу­чает нештат­ной ситу­а­ции, упав в актив­ную зону и погло­тив больше коли­че­ство сво­бод­ных нейтронов.Каж­дый реак­тор имеет крышку, через кото­рую про­из­во­дится погрузка и выгрузка отра­бо­тав­ших и новых кассет.Поверх кор­пуса реак­тора обычно уста­нав­ли­ва­ется теп­ло­изо­ля­ция. Сле­ду­ю­щим барье­ром идет био­ло­ги­че­ская защита. Это как пра­вило желе­зо­бе­тон­ный бун­кер, вход в кото­рый закры­ва­ется шлю­зо­вой каме­рой с гер­ме­тич­ными дверьми. Био­ло­ги­че­ская защита при­звана не выпу­стить в атмо­сферу радио­ак­тив­ный пар и куски реак­тора, если все таки про­изой­дет взрыв.Ядер­ный взрыв в совре­мен­ных реак­тора крайне мало воз­мо­жен. Потому что топ­ливо доста­точно мало обо­га­щено, и раз­де­лено на ТВЕЛы. Даже если рас­пла­вится актив­ная зона, топ­ливо не смо­жет настолько активно про­ре­а­ги­ро­вать. Маси­мум что может про­изойти — теп­ло­вой взрыв как на Чер­но­быле, когда дав­ле­ние в реак­торе достигло таких вели­чин, что метал­ли­че­ский кор­пус про­сто разо­рвало, а крышка реак­тора, весом в 5000 тонн сде­лала пры­жок с пере­во­ро­том, про­бив крышу реак­тор­ного отсека и выпу­стив пар наружу. Если бы чер­но­быль­ская АЭС была осна­щена пра­виль­ной био­ло­ги­че­ской защи­той, напо­до­бие сего­дняш­него сар­ко­фага, то ката­строфа обо­шлась чело­ве­че­ству намного дешевле.

В результате аварии на атомной электростанции может погибнуть больше людей, чем погибло при взрыве атомной бомбы, сброшенной на Нагасаки. Последствия в финансовом отношении могут также быть катастрофическими. Ликвидация последствий аварии Чернобыльской атомной электростанции потребовала от СССР затратить в три с лишним раза больше денег, чем было получено в результате работы ВСЕХ советских АЭС в 1954-1990 годах.
Однако риск не определяется только его последствиями. Важную роль здесь в равной степени играет вероятность аварии. Когда последствия так тяжелы, как в случае аварии на АЭС, разумное управление риском требует снижения ее вероятности до очень малых значений. Однако оценки рисков весьма недостоверны, а результаты оценки рисков ЧП на АЭС используются некорректно и не снижают, а увеличивают угрозу.
Оценки рисков на АЭС не являются собственно оценками рисков (потенциальные последствия аварийне исследуются) - вычисляются просто вероятности аварий- фактически, только половина уравнения риска. Более того, эти вычисления заведомо некорректны. Они опираются на некие предположения, которые противоречат практическому опыту.

Необходимо изучить предположения специалистов и факты, которые есть в действительности, зачастую они расходятся.
1. Предположение: Атомные электростанции всегда работают в рамках технических спецификаций и прочих нормативных требований.

Факт: Каждый год фиксируется более 1 000 нарушений технических спецификаций и нормативных требований. Основываясь на предположении, что аварийное оборудование соответствует требованиям техники безопасности, когда на самом деле оно этим требованиям не соответствует, расчеты дают лучшие показатели, чем это подтверждается реальностью. Другими словами, частота случаев повреждения реактора выше, чем изначально предполагается.

2. Предположение: Процесс проектирования и строительства АЭС полностью соответствует нормам безопасности.

Факт: При оценках риска предполагается, что проблемы проектирования и строительства равны нулю. Однако каждый год обнаруживаются сотни таких проблем. Документально подтверждены более 3.5 тысяч проектных ошибок, о которых было сообщено в период с 1985 по 1994 г. Это значит, что за десять лет на АЭС (данные американских АЭС) практически каждый день обнаруживалась конструктивная ошибка.

3 Предположение.: Станции не подвержены старению.

Факт: Комиссии по ядерному регулированию выпустили более сотни технических отчетов об ухудшении качества клапанов, труб, электродвигателей, кабелей, бетона и т.д. Все эти явления были вызваны процессом старения.
Однако, в большинстве случаев, при вычислении возможного риска полагают, что оборудование и материалы атомных станций практически вечны.[8]

4. Предположение: Корпус высокого давления ядерных реакторов никогда не выходит из строя.

Факт: Опыт показывает, что это предположение имеет столько же трещин и дефектов, сколько и сами корпуса высокого давления. Например, электростанция "Янки Роу"(США) была зарыта в 1992 году, поскольку корпус высокого давления ее реактора стал хрупким. Несмотря на это, при оценке рисков до сих пор предполагается, что корпуса высокого давления ядерных реакторов никогда не выходят из строя.

5. Предположение: Персонал АЭС допускает незначительное количество серьезных ошибок.

Факт: В отчете, выпущенном в феврале 2000 г. Национальной инженерной и экологической лабораторией Айдахо (INEEL)(США), показано, что неоправданные предположения о поведении работников продолжают оставаться проблемой. INEEL пришла к следующему выводу: "Большая часть существенных факторов человеческих действий отсутствуют в современных схемах расчета вероятностных оценок риска".

6. Предположение: Риск ограничивается повреждением активной зоны реактора.

Факт: Схемы расчета определяют только вероятности событий, ведущих к повреждению активной зоны реактора. В них не рассчитывается вероятность других событий, которые могут привести к выбросу радиации (повышение критичности топлива в бассейнах с отработанным топливом или разрыв больших емкостей, наполненных радиоактивными газами). Некоторые из этих игнорируемых событий могут привести к серьезным последствиям.

По оценкам исследователей Национальной лаборатории Брукхэйвена (США) авария в бассейнах с отработанным топливом может привести к выбросу радиоактивного материала, в результате которого погибнут десятки тысяч человек.
Нереалистичные предположения делают нереалистичными их результаты: "введешь неверную информацию - получишь неверную информацию". Примеров этому очень много.
Например, АЭС "Вулф Крик" в штате Канзас (США) и АЭС "Каллавэй" в штате Миссури (США)были построены как станции-близнецы. Однако почему-то утверждается, что риск аварии на "Каллавей" в 10-20 раз выше, чем на "Вулф Крик".
Другой пример: атомные электростанции, спроектированные компанией "Дженерал Электрик", оборудованы резервной системой для остановки реактора в случае, если обычная система управления не сработает. На бумаге эта резервная система выглядит в высшей степени надежной. Однако практический опыт эксплуатации показывает, что ее надежность преувеличена.

Таким образом, неизвестен уровень риска возникновения крупной авариина любой АЭС. Хотя вероятность аварии была оценена (пусть и с дефектными предположениями и противоречивыми определениями и процедурами), но ее последствия не были учтены.