Бассейны с отработанным ядерным топливом

Что если искупаться в бассейне для отработавшего ядерного топлива?

Отработанное (облученное) ядерное топливо, до отправки на переработку или захоронение, помещают в бассейн с водой. Со временем, вода снижает уровень радиоактивности и тепловыделения, подготавливая ОЯТ к перевозке в централизованное хранилище.

Что случится, если человеку вздумается поплавать в таком бассейне? Получит ли он смертельную дозу радиации и сколько времени он продержится на поверхности воды до своей гибели?

Что представляет собой бассейн выдержки?

Ядерное топливо на АЭС представляет собой таблетки гексафторида урана, сложенные в герметичные металлические стержни. Несколько соединенных друг с другом стержней называют тепловыделяющей сборкой (ТВС).

Даже после того, как топливо отработало свой цикл в ядерном реакторе, оно всё еще содержит некоторое количество не выгоревшего урана, а также его радиоактивные химические элементы. Поэтому внутри стержней всё еще происходит ядерная реакция, которая, по логике вещей, выделяет тепло и опасное для жизни радиоактивное излучение. На воздухе стержни разогреваются до нескольких сотен градусов.

Бассейн выдержки (так называют первичное хранилище ТВС) должен защитить персонал от излучения и охладить топливо. Уже через год количество выделяемого тепла снижается в 200 раз, а радиоактивность – в 10 раз. Спустя пять лет радиоактивность падает в 35 раз. Только после этого остывшее топливо перевозят в сухое хранилище, где его либо переработают, либо захоронят.

Температура и чистота воды в бассейне постоянно отслеживается. Теоретически, воде в бассейне позволено нагреться до 70°C. Это верхний порог. На деле, бассейну не дают разогреться выше 38°C.

Время от времени, разогретую воду, через систему насосов и труб, перекачивают в теплообменники, где она охлаждается и подается в бассейн обратно. Подобным образом, жидкость периодически фильтруют.

Толщина воды между стрежнями и поверхностью составляет 2.59 метра. Считается, что такая толщина вполне достаточна для отвода тепла от топливных кассет и гарантирует 100% безопасность от облучения, даже если стоять на краю бассейна в одних плавках и ластах.

Человек в бассейне

Бассейн выдержки не предназначен для плавания. Однако в теории поплавать в нем все-таки получится.

Однако гибель от радиации экстремалу не грозит. Разумеется, при условии, что он будет держаться поближе к поверхности. Вода – отлично изолирует и охлаждает ядерное топливо.

Вода в бассейне представляет собой 2-4% раствор борной кислоты, которая ещё лучше поглощает нейтроны. Для человека борная вода не представляет опасности.

Радиация в бассейне будет меньше уровня солнечной радиации, которую мы каждый день получаем на улице. Температура воды будет тёплой, как в ванне. Зная, что воду фильтруют, можно не бояться натолкнуться на продукты деления урана, всплывшие в результате коррозии стенок стрежня.

Условно, купание в бассейне выдержки безопасно.

Ситуация меняется, если пловец решит нырнуть на самое дно. Если экстремал просто прикоснется к стержням и сразу всплывет, то он всё равно гарантировано получит смертельную дозу радиации.

Посчитано, что каждые 7 см толщины воды уменьшают радиацию вдвое. Для безопасного плавания лучше держаться хотя бы в метре от стержней.

Источник

Бассейн для отработанного ядерного топлива

Что, если я соберусь поплавать в бассейне для отработанного ядерного топлива? Нужно ли мне нырять, чтобы получить смертельную дозу радиации? Насколько долго я смогу продержаться на поверхности?

Предположим, что вы — хороший пловец, и вы сможете продержаться на воде от 10 до 40 часов. Исходя из этого, вы скорее потеряете сознание от усталости и утонете. Это также справедливо и для бассейна без отработанного ядерного топлива на дне.

Отработанное топливо для ядерных реакторов крайне радиоактивно. Вода хороша как для защиты от радиации, так и для охлаждения, так что топливо, хранившееся на дне бассейнов в течении нескольких десятилетий, становится достаточно безопасным, чтобы храниться в сухих контейнерах. Мы пока не пришли к соглашению насчёт того, куда девать эти контейнеры. В ближайшее время нам это будет необходимо выяснить.

Это — типичное хранилище отработанного топлива:

Нагрев не станет проблемой. Вода в хранилище теоретически может нагреться до 50 °C, но в реальной жизни её температура обычно держится между 25 °C и 35 °C — теплее, чем в большинстве бассейнов, но холоднее, чем в горячей ванне.

Для всех видов излучения, исходящего от отработанного ядерного топлива, каждые 7 сантиметров слоя воды снижают дозу радиации наполовину.

Если вы нырнёте ко дну, коснётесь свежих топливных элементов и немедленно вынырнете, то, вероятно, вы получите смертельную дозу радиации.

А за этой зоной вы можете плавать столько, сколько вам угодно: доза радиации будет меньше, чем доза фоновой радиации, которую вы получите, просто прогуливаясь рядом. Вообще говоря, пока вы плаваете под водой, вы защищены от большей части радиационного фона. Фактически, вы получите меньшую дозу радиации, находясь под водой в бассейне с отработанным радиоактивным топливом, чем просто прогуливаясь мимо по улице.

Это если всё пойдёт так, как запланировано. Кожухи отработанных ТВЭЛов подвержены коррозии, если они потеряют целостность, в воде будет какое-то количество продуктов распада. Даже так она будет оставаться чистой настолько, что плавание в ней не причинит вам вреда, но она будет достаточно радиоактивна, чтобы продажа её в качестве бутылочной воды стала нелегальной. (Это плохо — я бы произвёл фурор на рынке энергетических напитков).

Мы знаем, что плавание в бассейнах с отработанными топливными элементами безопасно, поскольку их обслуживанием занимаются обычные водолазы-люди.

Тем не менее водолазам приходится быть осторожными.

31 августа 2010 года., водолаз работал в бассейне с отработанным топливом от ядерного реактора в городе Лейбштадт, Швейцария. Он обнаружил неизвестные трубы на дне бассейна и вызвал по рации начальника, чтобы спросить, что делать. Ему сказали: положить их в корзину с инструментами, что он и сделал. Но из-за шума пузырьков воздуха в бассейне он не услышал сигнал радиационной опасности.

Когда корзину с инструментами достали из воды, сработал сигнал радиационной опасности в зале. Корзину сбросили обратно в воду, а водолаз покинул бассейн. Персональные дозиметры показали, что всё его тело получило дозу, превышающую норму, а доза, полученная его правой рукой, была чрезвычайно высокой.

Неизвестный объект оказался защитной трубой от радиационного монитора в активной зоне реактора, которая стала радиоактивной, будучи облучённой потоком нейтронов. Её случайно срезали, когда закрывали капсулу в 2006 году. Она ушла на дно в дальний угол бассейна, где пролежала незамеченной в течение четырёх лет.

Труба была настолько радиоактивна, что если бы он положил её в отделение для инструментов на поясе или в заплечную сумку, где она бы находилась близко к телу, его это могло бы убить. Итак, вода защитила водолаза, и только его рука — часть тела, более стойкая к облучению, чем нежные внутренние органы, — получила большую дозу.

Так что, если не забывать про правила безопасности на воде, на практике с вами, вероятно, всё будет в порядке, пока вы не нырнёте до дна или не поднимете что-нибудь странное.

Но просто, чтобы быть уверенным: я связался с одним своим другом, который работает на исследовательском реакторе, и спросил его, что, по его мнению, будет, если бы вы попытались плавать в их бассейне с отработавшими ТВЭЛами.

— В нашем реакторе? — он на мгновение задумался. — Вы умрёте ещё до того, как доберётесь до воды — от пулевых ранений.

© What If? по-русски, 2018
Нас можно найти во ВКонтакте, в Twitterʼе, на GitHubʼе.
А еще мы переводим комиксы на сайте xkcd.ru!

В материалах сайта используются оригинальные тексты и изображения с сайта what-if.xkcd.com.
Материалы сайта источника и этого сайта распространяются по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 2.5 License. Также авторы этого сайта полностью солидарны с комментариями к лицензии.

Нашли опечатку? Чтобы сообщить нам, выделите текст ошибки и нажмите Ctrl+Enter (со смартфона — кнопку «Ошибка?»).

Источник

Как хранят отработавшее ядерное топливо, а, главное, зачем?

Хранение облученного ядерного топлива — сложный процесс, требующий повышенных мер безопасности. На Горно-химическом комбинате в г. Железногорск (Красноярский край) действуют водоохлаждаемое и сухое хранилища ОЯТ. Комбинат развивает технологии переработки отработавшего топлива, что поможет Росатому двигаться в сторону замыкания ядерного топливного цикла.

Отходы или ценное сырье?

Судьба ОЯТ может складываться по-разному. В большинстве стран ядерное топливо, отработавшее положенный срок в реакторе АЭС, считают радиоактивными отходами и отправляют в могильники или вывозят за рубеж. Сторонники такого подхода (среди них, например, США, Канада, Финляндия) придерживаются мнения, что на планете достаточно запасов урановой руды, чтобы осваивать дорогостоящий, сложный и потенциально опасный процесс переработки ОЯТ. Россия и еще несколько ядерных держав (в том числе Франция, Англия, Индия) развивают технологии переработки облученного топлива и стремятся к тому, чтобы в перспективе полностью замкнуть топливный цикл.

Замкнутый цикл предполагает, что полученное из урановой руды и отработавшее в реакторе топливо будет снова и снова перерабатываться и использоваться на АЭС. В результате ядерная энергетика фактически превратиться в возобновляемый ресурс, снизится количество радиоактивных отходов, а человечество будет обеспечено относительно дешевой энергией на тысячи лет.

Привлекательность переработки ОЯТ объясняется малой глубиной выгорания ядерного топлива в ходе одной кампании: на наиболее распространенных водо-водяных реакторах (ВВЭР) она не превышает 3-5%, на устаревших канальных реакторах большой мощности (РБМК) — всего 2 %, и только на реакторах на быстрых нейтронах (БН) может достигать 20 %, но таких реакторов промышленного масштаба пока всего два в мире (оба в России, на Белоярской АЭС). Таким образом, ОЯТ представляет собой источник ценных компонентов, в том числе изотопов урана и плутония.

Путь ОЯТ: от реактора до места хранения

Напомним, что на АЭС ядерное топливо поступает в виде тепловыделяющих сборок (ТВС), состоящих из герметичных стержней (тепловыделяющих элементов — ТВЭЛов), наполненных таблетками гексафторида урана.

Тепловыделяющая сборка для ВВЭР состоит из 312 ТВЭЛов, закрепленных на шестигранном каркасе (фото ПАО «НЗХК»)

Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) атомных электростанций требует особого обращения. Находясь в реакторе, ТВЭЛы накапливают большое количество продуктов деления, и даже спустя годы после извлечения из активной зоны выделяют тепло: на воздухе стержни разогревается до нескольких сотен градусов. Поэтому по окончании топливной кампании облученные сборки помещают в пристанционные бассейны выдержки. Вода отводит избыточное тепло и защищает персонал АЭС от повышенного уровня радиации.

Спустя три-пять лет ТВС все еще выделяют тепло, но временное отсутствие охлаждения уже не опасно. Атомщики пользуются этим, чтобы вывезти ОЯТ с электростанции в специализированные хранилища. В России отработавшее топливо отправляют на ПО «Маяк» (Челябинская область) и Изотопно-химический завод Горно-химического комбината (Красноярский край). ГХК специализируется на хранении топлива реакторов ВВЭР-1000 и РБМК-1000. На предприятии действуют «мокрое» (водоохлаждаемое) хранилище, построенное в 1985 году, и сухое, поэтапно запущенное в 2011-2015 гг.

«Для транспортировки ОЯТ ВВЭР по железной дороге топливные сборки помещают в ТУК (транспортный упаковочный комплект), сертифицированный по стандартам МАГАТЭ, — рассказывает Игорь Сеелев, директор Изотопно-химического завода ГХК. — Каждый ТУК вмещает 12 сборок. Такой контейнер из нержавеющей стали обеспечивает полную защиту персонала и населения от излучения. Целостность упаковки не нарушится даже в случае тяжелой железнодорожной аварии. Состав с ОЯТ сопровождает сотрудник нашего комбината и вооруженная охрана».

В пути ОЯТ успевает разогреться до 50-80 °С, поэтому прибывший на комбинат ТУК отправляют в узел расхолаживания, где к нему по трубопроводам подается вода со скоростью 1 см/мин — резко менять температуру топлива нельзя. Через 3-5 часов контейнер охлаждается до 30°С. Воду сливают, и переносят ТУК в бассейн глубиной 8 м — для перегрузки. Крышку контейнера открывают прямо под водой. И под водой же переносят каждый ТВС в 20-местный чехол для хранения. Конечно, никаких водолазов на ГХК нет, все операции выполняют с помощью особого крана. Этот же кран перемещает чехол со сборками в отсек хранения.

Перегрузка ОЯТ под водой

Освободившийся ТУК отправляют на дезактивацию, после которой его можно без дополнительных предосторожностей перевозить по железной дороге. В год ГХК выполняет более 20 рейсов на атомные станции, по несколько контейнеров в каждом эшелоне.

«Мокрое» хранилище

«Мокрое» хранилище можно было бы принять за гигантский школьный спортзал, если бы не металлические листы на полу. Если приглядеться, можно заметить, что желтые разделительные полосы — это узкие люки. Когда нужно поставить чехол в тот или иной отсек, кран движется по этим полосам как по направляющим, перемещая груз под водой.
Над сборками надежный барьер для излучения — двухметровый слой обессоленной воды. В зале хранилища нормальная радиационная обстановка. Гости даже могут пройтись по крышкам люков и заглянуть в них.

Длина «мокрого» хранилища — 240 м, а ширина — 36 м

Хранилище спроектировано с учетом проектных и запроектных аварий, то есть устойчиво к невероятным по силе землетрясениям и другим малореальным происшествиям. Для безопасности бассейн хранилища разделен на 20 отсеков. В случае гипотетической течи каждый из этих бетонных модулей можно изолировать от остальных и перенести сборки в неповрежденный отсек. Продуманы пассивные средства поддержания уровня воды для надежного отвода тепла.

В 2011 году, еще до событий на Фукусиме, хранилище расширили и усилили меры безопасности. По итогам реконструкции в 2015 году было получено разрешение на эксплуатацию до 2045 года. Сегодня «мокрое» хранилище принимает тепловыделяющие сборки типа ВВЭР-1000 российского и зарубежного производства. Бассейны позволяют разместить более 15 тысяч ТВС. Вся информация о размещенном ОЯТ фиксируется в электронной базе данных.

Сухое хранилище

«Мы стремимся к тому, чтобы водоохлаждаемое хранилище было лишь промежуточным этапом перед сухим хранением или переработкой. В этом смысле стратегия ГХК и Росатома соответствует общемировому вектору развития, — поясняет Игорь Сеелев. — В 2011 году мы сдали в эксплуатацию первую очередь сухого хранилища ОЯТ РБМК-1000, а в декабре 2015 — завершили строительство всего комплекса. В том же 2015-м на ГХК было запущено производство МОКС-топлива из переработанного ОЯТ. В декабре 2016 года была выполнена первая перегрузка топлива ВВЭР-1000 из «мокрого» хранилища в сухое».

В зале хранения размещаются бетонные модули, а в них — герметичные пеналы с ОЯТ, заполненные азотно-гелиевой смесью. Охлаждает сборки наружный воздух, который самотеком поступает по воздуховодам. При этом не требуется принудительной вентиляции: воздух движется из-за определенного расположение каналов, а отвод тепла происходит за счет конвективного теплообмена. Принцип тот же, что у тяги в камине.

Хранить ОЯТ сухим способом значительно безопаснее и дешевле. В отличие от «мокрого» хранилища здесь нет расходов на водоснабжение и водоподготовку, не нужно организовывать циркуляцию воды. Объект не пострадает при потере электропитания, да и от персонала не требуется никаких действий, кроме собственно загрузки топлива. В этом смысле создание сухой технологии — огромный шаг вперед. Однако полностью отказаться от водоохлаждаемого хранилища нельзя. Из-за повышенного тепловыделения сборки ВВЭР-1000 должны находиться в воде первые 10-15 лет. Только после этого их можно перемещать в сухой зал или отправлять на переработку.
«Принцип организации сухого хранилища очень прост, — говорит Игорь Сеелев, — однако его никто не предложил раньше. Сейчас патент на технологию принадлежит группе российских ученых. И это подходящая тема для экспансии Росатома на международный рынок, потому что технологией сухого хранения интересуются во многих странах. К нам уже приезжали японцы, французы и американцы. Ведутся переговоры о том, чтобы на ГХК привозили ОЯТ с тех АЭС, которые российские атомщики строят за рубежом».

Запуск сухого хранилища был особенно важным для станций с реакторами РБМК. До его создания был риск остановки мощностей Ленинградской, Курской и Смоленской АЭС из-за переполнения пристанционных хранилищ. Нынешней емкости сухого хранилища ГХК достаточно, чтобы разместить отработанные сборки РБМК всех российских станций. Благодаря меньшему тепловыделению, их сразу направляют в сухом хранилище, минуя «мокрое». Здесь ОЯТ могут находиться на протяжении 100 лет. Возможно, за это время будут созданы экономически привлекательные технологии для его переработки.

Переработка ОЯТ

Планируется, что строящийся в Железногорске Опытно-демонстрационный центр (ОДЦ) по переработке отработавшего ядерного топлива будет сдан к 2020 году. Первый пусковой комплекс по производству МОКС-топлива (смешанное оксидное уран-плутониевое) выпускает всего 10 сборок в год, поскольку технологии пока отрабатываются и совершенствуются. В будущем мощность завода существенно вырастет. Сегодня на переработку можно отправлять сборки из обоих хранилищ Изотопно-химического завода, но очевидно, что с экономической точки зрения выгоднее начинать с переработки ОЯТ, накопившегося в «мокром» хранилище. Планируется, что в дальнейшем помимо сборок ВВЭР-1000 предприятие сможет перерабатывать ТВС реакторов на быстрых нейтронах, ТВС высокообогащенного урана (ВОУ) и ТВС зарубежного дизайна. На производстве будут получать порошок закиси-окиси урана, смесь оксидов урана, плутония, актинидов и отверждённые продукты деления.

ОДЦ позиционируется как самый современный в мире радиохимический завод поколения 3+ (заводы французской компании Areva имеют поколение 2+). Главная особенность внедряемых на ГХК технологий — отсутствие жидких и меньшее количество твердых радиоактивных отходов при переработке ОЯТ.

МОКС-топливо поставляется на реакторы типа БН Белоярской АЭС. Также Росатом работает над созданием РЕМИКС-топлива, которое после 2030 года, возможно, будет использоваться на реакторах типа ВВЭР. В отличие от МОКС-топлива, где плутоний смешивается с обедненным ураном, РЕМИКС-топливо планируется изготавливать из смеси плутония с обогащенным ураном.

При условии, что в стране будет достаточное количество АЭС с разными типами реакторов, работающих на смешанном топливе, Росатому удастся приблизиться к замыканию ядерного топливного цикла.

Источник