9

Курс «БЖД: Защита в ЧС и ГО» - 2006 год

2. «АВАРИИ НА РОО». Часть 2: Опасность радиационных аварий.

2.8.Ядерная реакция.

Природный радиоизотоп U-235 и два искусственных изотопа U-233 и Pu-239 помимо самопроизвольного распада способны после захвата свободного нейтрона к делению ядра на два осколка с выделением энергии более 200МэВ, что на два порядка превышает энергию радиационного распада. В результате такой реакции образуются два новых изотопа, происходит излучение -квантов и -частиц и образуются несколько свободных нейтронов, которые в свою очередь при определенных условиях могут способствовать делению новых радионуклидов. Подобный процесс называется цепной ядерной реакцией, которая может быть неуправляемой, как при взрыве ядерного боеприпаса, как и управляемой, как в ядерном реакторе.

Деление ядра происходит, в достаточной мере, произвольно. В соответствии с определенными вероятностями могут образовываться 200 различных изотопов 35 химических элементов. Это означает, что 165 изотопов являются нестабильными и способными к радиационному распаду. Почти все они являются - и -излучателями.

Таким образом, в результате ядерной реакции за ее пределы распространяются - и -излучения и поток нейтронов, а сама реакция является источником колоссальной энергии.

2.9.Ядерный топливный цикл. Радиационно-опасные объекты (РОО).

Наиболее распространенными объектами, использующими ядерную энер­гию, являются атомные станции (АС). Их работа требует добычи урановой руды, ее переработки в обогащенное ураном-235 ядерное топливо, произ­водства тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), переработки отработанного топлива для извлечения делящегося материала, переработки и захоронения радиоактивных отходов.

Эти стадии образуют ядерный топливный цикл - ЯТЦ. Сюда же нужно добавить транспортировку радиоактивных материалов для обеспечения ра­боты всех стадий (Рис. 5.).

Добыча и переработка руды U3O5 (в пересчете на 1000кг чистого урана: U238 993кг U235 7кг)

Обогащение руды до UO2 (в отвалы 900кг: U238897,3кг U235 2,7кг на ТВЭЛы 100кг: U23895,6кг U235 4,4кг)

Изготовление ТВЭЛов

ТТВЭЛы

РЕАКТОР. Загрузка ТВЭЛов. Через 3 года работы на 100кг загрузки: U238 94,03кг U235 1,26кг Pu239 0,74кг

Оотработ аанное ттопливо

Переработка отходов: На обогащение 96,03кг из 100кг, на захоронение 3,97кг

Захоронение выcоко-активных отходов (3,97кг из 100кг загрузки)

Рисунок 5. Схема ЯТЦ

Кроме того, в ЯТЦ входят предприя­тия радиохимической промышленности, объекты по переработке и захороне­нию отходов и др.

Все перечисленные объекты представляют химическую и радиологическую опасность. Наибольшую опасность представляют аварии на атомных станциях и объектах захоронения радиоактивных отходов.

Радиационно опасный объект (РОО) - научный, промышленный или обо­ронный объект, при авариях или разрушении которого могут произойти массовые поражения людей, животных и растений ионизирующими излучениями, а также радиоактивное загрязнение среды.

2.10.Реактор и его работа.

Основным объектом опасности АС является атомный реактор.

Ядерные реакторы по назначению делятся на:

- исследовательтские,

- для производства исскуственных изотопов,

- энергетические (производство электрической или тепловой энергии),

- для транспортных систем,

- для медицинских целей,

- для разработки новых технологий.

На атомных станциях в нашей стране эксплуатируются реакторы типов ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) и водо-графитовые реакторы типа РБМК (реактор большой мощности канальный), в которых топливом служит уран-238, обогащенный несколькими процентами урана-235. Ядерное топливо в виде цилиндрических таблеток размещается в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) - цилиндрах из циркониевых сплавов. ТВЭЛы объединя­ются в тепловыделяющие сборки (ТВС), которые помещаются в специальные вертикальные технологические каналы графитовой кладки реактора. По ним же циркулирует и теплоноситель (в реакторах ВВЭР и РБМК в качестве теплоносителя используется вода). Объем, занимаемый ТВС и графитовой кладкой, являющейся замедлителем нейтронов, называется активной зоной, так как в нем происходит цепная ядерная реакция.

Реактор размещается в бетонной шахте, которая создает биологичес­кую защиту от ионизирующих излучений.

Реактор работает дли­тельное время и значительная часть изотопов с малым периодом полурас­пада превращается в стабильные элементы. Одновременно накапливаются изотопы с большим периодом полураспада. Таким образом, чем дольше экс­плуатируется реактор, тем больше в нем будет накоплено радиоактивных продуктов деления, причем преобладать в них будут изотопы с большим периодом полураспада.

Начальная загрузка топлива в реактор ВВЭР-440 составляет 42 тонны, в которых содержится 3,3% (около 1,4 т) делящегося урана-235. После цикла отработки (примерно 3 года) остаточное количество ура­на-235 в ТВЭЛах составляет около 1% (400 кг), т.е. за время работы реактора 1 тонна урана-235 превращается в продукты деления.

Суммарная активность всех ТВЭЛов после цикла их отработки в реак­торе ВВЭР-440 составляет около 2 · 10¹⁹ Бк.

Наряду с делением ядер урана-235, в реакторе, под воздействием потока нейтронов, происходит превращение урана-238 в плутоний-239. За полный цикл эксплуатации ТВЭЛов в реакторе ВВЭР-440 образуется 10 кг плутония на одну исходную тонну ядерного горючего (т.е. урана-238). Кроме плутония, об­разуются и другие трансурановые элементы: америций-241, нептуний-237, кюрий-242.

Под воздействием нейтронов стабильные изотопы некоторых химичес­ких элементов становятся радиоактивными, например, железо-59, це­рий-60, магний-54, кобальт-60. Это так называемая наведенная актив­ность. Аналогичные процессы происходят и в реакторе типа РБМК.

Как уже упоминалось, при работе реакторов АС в их активной зоне идет непрерывный процесс накопления радиоактивных продуктов деления ядерно­го топлива, представляющих смесь 200 изотопов 35 химических элементов, изотопов наведенной активности и трансурановых элементов.

Основную опасность при аварии представляют продукты деления ядер­ного топлива в случае выхода их за пределы биологической защиты реак­тора.

2.11.Зоны в период нормального функционирования реактора.

Образующиеся при работе реактора отходы могут находиться в газооб­разном, жидком, аэрозольном и твердом состояниях. В процессе нормаль­ной работы из реактора удаляются газообразные (после предварительной очистки) и, частично, аэрозольные и жидкие отходы. Для профилактики и контроля за этими процессами вокруг АС при нормальной зксплуатации ус­танавливаются санитарно-защитная зона и зона наблюдения.

Санитарно-защитная зона - территория вокруг объекта, на которой уровень облучения людей в условиях нормальной эксплуатации может пре­высить дозовый предел для населения. Размер санитарно-за­щитной зоны зависит от типа и мощности реактора, расчетного количества радиоактиных выбросов, климатических условий и других факторов.

В пределах санитарно-защитной зоны население не проживает, но мо­гут располагаться здания и сооружения подсобного и обслуживающего наз­начения - пожарные депо, ремонтные заводы и т.п.

Зона наблюдения - территория, где возможно влияние радиоактивных выбросов и сбросов РОО и где облучение проживающего населения может достигать установленного дозового предела ( в терминах НРБ 76/87).

2.12.Аварии на РОО: причины, классификация, стадии, состав выброса.

2.12.1 Риск и причины аварий.

Основными тенденциями развития ядерной энерготехнологии, увеличивающими риск и негативные последствия аварий, являются:

- рост единичных мощностей производства,

- рост емкостей,

- увеличение концентрации производства в густона­селенных районах,

- развитие техники и технологии, ведущее к услож­нению объектов и, как следствие, к увеличению вероятности нарушения их работы.

Анализ аварий в 14 странах дал возможность установить основные причины их возникновения и долю каждой из н их в общем числе аварий (см. табл. 7.1).

Таблица 2.12.1—1 Причины аварий на РОО и их доля.

Причина аварии	Доля (%)
Ошибки в проекте, дефекты оборудования	30,7 %
Износ и коррозия оборудования	25,5 %
Ошибки оператора	17,5 %
Ошибки в эксплуатации	14,7 %.
Прочие причины	11,6 %

Из данных таблицы следует, что основными причинами аварий явились просчеты научного и технического характера (56,2%), а также недоста­точная подготовка и дисциплинированность персонала (32%).

2.12.2 Классификация аварий.

Радиационной аварией называется авария, связанная с выбросом ра­диоактивных продуктов и выходом ионизирующих излучений за предусмот­ренные проектом для нормальной эксплуатации объекта границы в коли­чествах, превышающих установленные пределы безопасности.

Авария является

локальной, если создается повышенный уровень внешнего облучения и радиоактивного загрязнения воздуха в рабочих помещениях,

местной, если выход радиоактивных продуктов огра­ничивается территорией санитарно-защитной зоны, или

общей, если выход радиоактивных продуктов распространился за пределы санитарно-защитной зоны.

В зависимости от причин и последствий радиационные аварии делят на проектные и запроектные.

Проектная авария - это авария, для которой проектом определены исходные события и конечные послеаварийные контролируемые состояния элементов и систем, а также предусмотрены меры и технические системы безопасности, обеспечивающие ограничение аварии установленными преде­лами. Проектная авария, которая определяется самым тяжелым событием, когда еще будут действовать защитные системы, называется максимальной проектной аварией (МПА).

Запроектная авария - авария, вызванная непредусмотренными в про­екте исходными событиями и сопровождающаяся дополнительными отказами или ошибочными действиями персонала, что в итоге приводит к тяжелым последствиям (в том числе и к возможному расплавлению активной зоны реактора). Авария с максимально возможным для данного типа реактора выбросом и наиболее тяжелыми последствиями называется максимальной запроектной аварией (МЗА).

Следует подчеркнуть,что ядерный взрыв реактора невозможен, так как в реакторе не может образоваться критическая масса.

2.12.3 Радиационная опасность аварии.

Радиационная опасность аварии определяется количеством радиоак­тивных изотопов в выбросе и радионуклидным составом выброса. Количественно опасность аварии измеряется в единицах активности.

Так, например, при максимальной проектой аварии активность выброса у реактора ВВЭР на 1000 МВт эл. составляет 1,2·10¹⁷ Бк, у реактора РБМК - 6,3·10¹⁵ Бк, а при максимальной запроектной аварии соответственно 4,4·10¹⁹ и 4,9·10¹⁹ Бк.

Радионуклидный состав выброса не будет эквивалентен составу в активной зоне реактора, так как выход изотопов в большой степени зави­сит от их летучести. На фоне тугоплавкости большинства радионуклидов, такие вещества как теллур, йод, цезий и, в какой-то степени, стронций будут иметь преобладающее значение. Во всех случаях в выбросах будут присутствовать радиоактивные благородные газы - криптон, ксенон, аргон и др. Другие изотопы могут выбрасываться из реактора, в зависимости от характера и развития аварии, в виде газов, аэрозолей или твердых ве­ществ.

2.12.4 Стадии аварии.

При прогнозировании изменений обстановки и планировании меропри­ятий по защите населения целесообразно рассматривать аварию на АС, разделив ее на три временных стадии. На каждой стадии возникает свой, главный фактор облучения и это обстоятельство определяет характер необхомых мер по защите населения.

Ранняя стадия аварии начинается с момента, когда была обнаружена возможность облучения за пределами АС, включает в себя период выброса и несколько часов после выброса, в течение которых формируется ради­оактивный след. Продолжительность этой стадии в зависимости от харак­тера и масштабов аварии может длиться от нескольких часов до несколь­ких суток.

Промежуточная стадия аварии начинается с момента завершения фор­мирования радиоактивного следа и длится от нескольких суток до года после возникновения аварии.