Полметра бетона до…
Глядя на события которые происходят на Запорожской АЭС последние недели я с одной стороны увидел то, что сотрудники станции делают все возможное и невозможное, чтобы не допустить ядерной катастрофы внутри энергоблоков. Это героический труд и пока реактор в руках этих людей, я более чем уверен, что они сделают все зависящее от них чтобы предотвратить непоправимое.
Но, как я уже неоднократно отмечал в интервью и своих статьях, на территории ЗАЭС есть место, которое обделено вниманием общественности. Это от сухое хранилище отработанного ядерного топлива (СХОЯТ). И в хранилище периодически что-то да да прилетает. Например еще 27 августа российские СМИ (некоторые) в писали о “попадании четырех снарядов в район хранилища радиоактивных изотопов”.
Логично допустить, что если обстрелы территории ЗАЭС будут продолжаться, то рано или поздно мы увидим прямое попадание и разрушение одного или нескольких контейнеров. К счастью внутри контейнеров с отработанным топливом нет ни горючих материалов, ни высокого давления, ни короткоживущих летучих элементов типа йода-131, который распался во время предварительной выдержки отработанных ТВЭЛ еще на АЭС. Так что скорее все ограничится разбросом твердых фрагментов отработанного топлива и локальным загрязнением площадки АЭС, окрестностей Энергодара и прилегающих поверхностных вод.
Я не зря выделил курсивом слово “отработанного”. Потому что в помещение, где хранится свежее топливо артиллерия уже попадала и это даже отмечено в недавнем отчете МАГАТЕ о поездке на ЗАЭС
Если реакторные блоки ЗАЭС с реакторами ВВЭР-1000 сделаны по типовому проекту, разработанному в 1970-х годах в СССР и позволяют проводить аналогии (Ростовская АЭС, Нововоронежская, Калининская и Балаковская АЭС), то СХОЯТ ЗАЭС ориентируется на контейнеры собственного изготовления (по лицензии ). Поэтому о хранилище известно совсем не много, масса домыслов и слухов, а значит можно попытаться расставить некоторые точки над i.
Первым делом стоит сказать, что хранилище это достаточно обширная территория (ищите на картинке СХОЯТ ЗАЭС).
Территория эта представляет собой бетонную площадку, на которой ровными рядами установлены цилиндрические модули для хранения ядерных отходов. Комплекс сухого хранения рассчитан на 380 вентилируемых контейнеров хранения, которые могут вместить более 9000 ТВЭЛов с отработанным топливом (топливо попадает в хранилище после пяти лет остывания/снижения активности в бассейне выдержки).
До 1993 года отработавшее топливо транспортировалось в Россию для хранения/переработки, позднее (вместе с переходом на топливо от Westinhaus) все элементы ОТВС помещались на хранение на территории СХОЯТ ЗАЭС. За прототип системы вентилируемых контейнеров хранения взяты американские разработки. Украинский вариант имеет лицензию на эксплуатацию от Комиссии по Ядерному Регулированию США и соответствует всем американским требованиям. На сегодняшний день используются 174 контейнера, каждый пот 24 сборки отработанного ядерного топлива.
Устройство модуля показано на картинке ниже:
У контейнеров нет никакой герметичной защиты, но они обладают определенным запасом прочности. Основой модуля является блок шестигранных труб (многоместная герметичная корзина).
Как уже говорилось ранее, блок шестигранных труб рассчитан на размещение 24 ТВЭЛов с отработанным топливом. Между рядами шестигранных труб установлены стальные прокладки толщиной 19мм. Наружная поверхность корпуса для защиты от коррозии, агрессивных сред и облегчения дезактивации покрыта эпоксидной эмалью Е-1–7155, а внутренняя поверхность корпуса корзины и внутрикорпусных устройств — грунтовкой типа карбоцин-11. Сама корзина (и только она) может выдерживать падения на боковую поверхность/дно с ускорением до 40 g без деформаций и повреждения топливных сборок.
Шестигранные трубы помещаются в т.н. обечайку — открытый цилиндрический элемент конструкции. По сути это просто сварной цилиндр из нержавеющей стали марки А36 с крышкой. Диаметр цилиндра равен 2 мм, высота 5,2 м, толщина стенки 76 мм.
Защитная крышка (диаметр 2,2 м, толщина 47 мм) изготовлена из двух стальных листов между которыми находится слой нейтронной защиты из материала RX-277 (цементо-подобный материал с 1,6% содержанием бора).
Этот же материал используется в т.н. перегрузочном контейнере, в котором топливные сборки перевозятся из бассейна выдержки АЭС в сухое хранилище.
Перегрузочный контейнер — это цилиндр с толстыми многослойными стенками: сталь — свинец — сталь — RX-277.
Сборка шестигранных труб установлена в стальной цилиндр (обечайку) и заполнена инертным газом (гелий). Цилиндр установлен в вентилируемый железобетонный контейнер с бетонной крышкой. Именно он обеспечивает основную конструктивную опору, защиту от радиации и охлаждение топлива с помощью естественной конвекции. Бетон изготовлен на базе портландцемента с объемной плотностью 2.32 г/см3 и имеет предел прочности на сжатие 280кг/см2. Высота бетонного цилиндра равна 5,8 м, внешний диаметр 3,4 м, толщина стенок 0,69 м. Днище бетонного контейнера сделано из стального листа толщиной 9мм, который закрывает все дно и полностью обеспечивает удержание бетона внутри при аварии с падением и ударом о днище. Бетонная крышка контейнера обеспечивает дополнительную защиту и спроектирована для защиты от воздействия окружающей среды и ударов летящих предметов, поднятых в воздух смерчем.
В случае индивидуального контейнера ВХК мы имеем несколько защитных противорадиационных барьеров. Первый барьер— оболочка ТВЭЛа, второй барьер — корзина шестигранных труб, заполненная гелием, третий барьер (механическая защита) — вентилируемый бетонный контейнер. Четвертый барьер — бетонированная площадка хранения, отвечающая за конструкционную и сейсмическую устойчивость. За радиационный мониторинг на площадке хранения отвечает отдельный пост с дозиметрическими датчиками (см. картинку ниже).
Изначально система вентилируемых контейнеров хранения предназначена для наружного хранения отработавшего ядерного топлива без дополнительной защиты от атмосферных воздействий. Поэтому бетонный контейнер точно выдерживает проектные ежесуточные и сезонные колебания температур, плюс нагрузки, создаваемые смерчем/ураганом, наводнениями, землетрясениями, снегом, льдом
Проектная ветровая нагрузка (смерч/ураган) принята равной 781 кгс/м2. Для ориентира, при скорости ураганного ветра в 40 м/с нагрузка примерно равна 100 кгс/м2. Максимальная глубина проникновения при местном повреждении летящим объектом диаметром 203 мм составила 10,7 см (т.н. “испытание с помощью гранатометного выстрела”). Тестирование летящими объектами нужно для того, чтобы показать, что контейнер не перевернется при ударе летящим предметом с высокой, достижимой в мирных условиях, кинетической энергией .
Несмотря на то, что в зоне ЗАЭС наводнения не предполагаются, вентилируемый контейнер хранения способен благополучно выдержать воздействие наводнения, при котором контейнер погружается на глубину 51,2 метра и создается поток воды со скоростью до 7,62 м/с .
В плане сейсмостойкости контейнер выдерживает максимальное горизонтальное ускорение грунта 0,2 g и максимальное вертикальное ускорение грунта 0,14 g возникающие одновременно. И на этом все, больше никаких экстремальных нагрузок. Никакой транспортировки, как пишут некоторые СМИ, контейнер не подразумевает. Только перевозка спецмашиной (см. картинку ранее) из транспортного коридора на площадку хранения. Сравните допустимы ускорения для бетонного контейнера и описанной ранее многоместной корзины.
И последнее что хотелось бы упомянуть говоря про тесты, это пожаробезопасность. По результатам тестов используемой конструкции контейнера установлено, что кратковременное воздействие температур свыше 1093°С незначительно влияет на толстые бетонные стенки. Их теплопроводность такова, что любой пожар должен был бы продолжаться длительное время (несколько дней), чтобы воздействие высокой температуры (перегрев) испытала значительная по толщине часть стенки контейнера.
Из всего выше сказанного ясно, что бетонные контейнеры никто и никогда не тестировал на предмет устойчивости к ракетному удару, или на подрыв извне. Бетон толщиной 70 см и 5 см стали внутри это далеко не бетонный саркофаг реактора. Разрушить его достаточно легко. Если по СХОЯТ будет нанесен ракетный удар, то выброс радиации произойдет (потому что в отработавшем топливе все еще хранятся долгоживущие нуклиды) и будет локальным, в пределах 10–30 метров. Хуже обстроит дело, если взрывная волна будет сопровождаться пожаром, за счет которого поток теплого воздуха будет поднимать в атмосферу аэрозоли изотопов и частицы отработанного топлива. Напомню (источник), что в отработанных ТВЭЛах содержится большое количество изотопов в различных агрегатных состояниях. На картинке ниже примерный перечень (сюда не включены уран U и плутоний Pu, на долю которых приходится 96–97% массы).
На втором месте будут “младшие” актиноиды — нептуний, америций, кюрий, а все остальное — “мелочь” из таблицы ниже.
Рискну предположить, что количество радиоактивных материалов на площадке СХОЯТ даже больше, чем в самих энергоблоках АЭС, но в отличие от загруженного в реактор топлива, в ОЯТ гораздо меньше летучих компонентов, и нет ~150 атмосфер внутреннего давления (как в работающих реакторах), которые могут формировать взрывной выброс топливной массы.
Ремарка про свежее топливо: в начале статьи я уже упомянул про повреждения хранилищ свежего топлива, отмеченные в официальном отчете миссии МАГАТЕ. Свежее топливо — это фактически таблетки диоксида урана. Т.е. обычная урановая руда, которую можно брать руками, но которая представляет страшную опасность в мелкодисперсном состоянии (см. историю про ОБЪЕКТ 802). А вот отработанное топливо, особенно недавно покинувшее бассейн выдержки около реактора, это не только “мелкодисперсная опасность”, но и приличный радиационный фон в любом случае.
Предположим случилось непоправимое и контейнер разметало взрывом на прилегающие территории. Помимо воздушного аэрозольного переноса (который не слишком высок, частицы топлива тяжелые) тяжесть ситуации будет зависеть и от осадков. Потому что Энергодар и ЗАЭС буквально стоят на воде. См. карту индекса NDWI
Cовсем неподалеку от СХОЯТ находятся и открытые брызгальные бассейны ЗАЭС, связанные в единую систему с водами Каховского водохранилища. Напомню, что ЗАЭС расположена на левом берегу центрального участка Каховского водохранилища, в 70 км ниже г. Запорожье и в 160 км выше плотин Каховской ГЭС. Каховское водохранилище имеет общую площадь 2570 км2 , объем 2,06・10¹⁰ м³ и замыкает Днепровский каскад водохранилищ.
Осадки будут транспортировать тяжелые изотопы в грунтовые воды (соединения урана/плутония/актиноидов достаточно хорошо растворимы). На гидрологических картах видно, что территория под электростанцией это в основном песчаные и песчано-гравийные почвы, хорошо проницаемые для всех типов радионуклидов.
Про почвы и их роль в миграции радионуклидов я писал в заметке посвященной радиоактивным грибам и ягодам.
В данной ситуации осложняется дело и тем, что поверхностные воды залегают неглубоко, на уровне 0–10 м.
Чтобы представить себе примерно, что и как будет в случае попадания радиоактивных компонентов отработанного ядерного топлива в поверхностные воды — рекомендую посмотреть жуткие истории про Губу Андреева. Там конечно отработанное ядерное топливо от атомных подлодок, но на суть и последствия это не сильно влияет…