Как развивались события на реакторах АЭС Фукусима I

На схеме показано устройство кипящих водо-водяных реакторов типа BWR, которые работали на АЭС Фукусима I. Реакторы несколько отличались друг от друга, но это для дальнейшего изложения несущественно.

В реакторов BWR деминерализованная вода используется и как замедлитель нейтронов в управляемой ядерной реакции, и как теплоноситель. Проходя через активную зону, вода первого контура закипает, и образующийся пар приводит во вращение турбину электрогенератора. С турбины пар поступает в конденсатор, где охлаждается водой второго контура и превращается в воду. Первый контур замыкается подачей воды в активную зону. В активной зоне расположены твэлы (тепловыделяющие элементы), которые представляют из себя герметически уплотненные трубки из сплава циркония с оловом (температура плавления 2200°C), заполненные таблетками из делящегося вещества. На АЭС «Фукусима» в основном использовался диоксид урана (температура плавления ~3000°C). Высокопрочный металлический корпус реактора заключен в герметичную защитную оболочку (контайнмент), задача которой — удержать радиоактивные вещества в случае аварии.
Заглушенный реактор, в котором прекращена цепная реакция, продолжает генерировать большое количество тепла за счет накопленных радиоактивных продуктов деления. Сразу после остановки остаточная мощность составляет примерно 6% от тепловой мощности реактора, через сутки она падает примерно до 1% и далее медленно снижается. Поэтому остановленный реактор требует постоянного охлаждения активной зоны. Вода для этого подается насосами аварийных систем, большая часть которых приводится в действие за счет внешних источников электропитания. При отсутствии охлаждения температура в активной зоне поднимается, что приводит сначала к деформации тепловыделяющих элементов, а затем и к их расплавлению.

В рабочем состоянии на момент аварии были реакторы №1, 2 и 3. Речь дальше пойдет о них.

Произошло землетрясение. Немедленно (2 сек) были введены управляющие стержни и реакторы были заглушены. В результате землетрясения было потеряно внешнее электропитания. Сами реакторы не были повреждены. Процесс деления прекратился, но энерговыделение продолжалось за счет бета-распада продуктов.
Реакторы были отсечены от турбин. Заработали дизель-генераторы. Заработали дизель-генераторы. Аварийная система охлаждения работает.

Примерно через 1 час все ДГ отказали вследствие цунами. Волнорезы, построенные рядом с АЭС «Фукусима-I», были рассчитаны на высоту волны порядка 5.5 метров, тогда как цунами, последовавшая за 9-балльным землетрясением 11 марта, была, по последним оценкам, примерно в три раза выше. Дизель-генераторы, призванные обеспечить аварийное энергоснабжение, располагались у нижних отметок здания станции и были выведены из строя волной.
После потери источников переменного тока оставалось только электропитание от аккумуляторных батарей постоянного тока, рассчитанных примерно на 8 часов работы.

Батареи разрядились. Давление растет. Начинает работать еще одна аварийная система. Пар из реактора крутит турбину, а затем поступает в барботер (тор), где конденсируется. Вода из тора закачивается в активную зону насосом, который питается от турбины.
Однако, т.к. отвода тепла нет, эта система не может долго работать.

Насос прекратил работу. Давление пара в активной зоне растет. Открыт клапан. Уровень воды в активной зоне падает.
Начинают обнажаться топливные сборки. Растет температура.

Температура твэлов превышает ~1200^oC. Цирконий оболочек вступает в реакцию с водяным паром

2H₂O + Zr = 2H₂ + ZrO₂ + Q).

    Экзотермическая реакция дополнительно нагревает активную зону. Водород проникает в сухую зону.
    Из-за разрушения оболочек твэлов выделяются продукты деления. Это ксенон, йод… Уран и плутоний остаются на месте.
    Ксенон и йод… попадают в в барботер (тор), а из него в «сухую камеру».

Давление поднимается, оно уже больше 8 бар (Рабочее давление 4-5 бар). Обычно там азот. Теперь там еще водород и продукты деления. Вода в барботере кипит, повышая давление.

Чтобы не произошло худшее – разрыв оболочки, принимается решение выпустить смесь водяного пара, азота, водорода, радиоактивных газов и аэрозолей в атмосферу. С кислородом атмосферы водород образовал гремучий газ, который взорвался разрушив верхние части зданий блоков №1 и 3.

На энергоблоке №2 события развивались по худшему сценарию. Взрыв по-видимому произошел в барботере. Вода, накопившая высокую активность начала из него выливаться. Она затопила пол в помещении реактора, а по кабельным каналам и щели в колодце начала проникать в море. Сброс высокоактивной воды позже удалось прекратить. Теперь стоит задача откачать эту воду в емкости для последующей обработки. Без этого, в частности, из-за высокой активности невозможны дальнейшие работы по ликвидации последствий аварии.

14.04.2011

Катастрофа на АЭС «Фукусима»