Снятие с эксплуатации АЭС

Елисей Холодовский

Украина получила от СССР пять атомных электростанций, построенных в 1970–1980-х годах. Проектный срок службы наших энергоблоков заканчивается, и в ближайшие пару десятилетий их нужно будет модернизировать либо вывести из эксплуатации. И в первую очередь это относится к Чернобыльской АЭС.

Разборка атомной электростанции — сложная и затратная техническая задача, но вполне реализуемая. В США, Германии, Франции и других странах уже разобрано и утилизировано 20 промышленных АЭС и более 360 небольших исследовательских реакторов. Это предстоит сделать и нам.

Главная сложность при разборке АЭС — то, что значительная часть её конструкций радиоактивна. Поток нейтронов, обеспечивающий ядерную реакцию, взаимодействует также с корпусом и конструкциями реактора. При этом нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов материалов конструкций, превращая стабильные изотопы в радиоактивные. Например, стабильный никель-60, который входит в состав жаропрочных сталей, превращается в радиоактивный кобальт-60. Даже кислород в молекулах воды в потоке быстрых нейтронов превращается в нестабильный азот-16. В обоих приведённых случаях ядерные реакции сопровождаются мощным гамма-излучением. При этом достаточно ничтожной концентрации радиоактивного изотопа в массе металлической или бетонной конструкции, чтобы она вся стала смертельно радиоактивной.

Естественно, при проектировании АЭС и выборе конструкционных материалов этот фактор учитывается. Используются материалы и сплавы, при облучении дающие короткоживущие и мало изменяющие свои свойства изотопы, а также сводится к минимуму образование изотопов с большим периодом полураспада.

Так, период полураспада кобальта-60 — 5,3 года, железа-59 — 44 дня, никеля-63 — 100 лет. Это приемлемо для существующих технологий утилизации. При демонтаже эти активированные конструкции дробятся дистанционно управляемой техникой с подавлением образующейся пыли и захораниваются в герметичных ёмкостях в приповерхностных хранилищах.

Однако эти сроки не идут ни в какое сравнение со сроками активности отработанного ядерного топлива. При работе в реакторе в топливе образуются тяжелые трансурановые элементы — нептуний, плутоний, америций, кюрий, а также осколки деления. Изотопы этих элементов имеют периоды полураспада, достигающие десятков и сотен тысяч лет. Отработавшие топливные сборки несут наибольшую опасность. Технология обращения с ним была описана в предыдущей статье.

В течение всего времени после захоронения как конструкций реактора, так и активной зоны и первого контура критически необходим непрерывный мониторинг целостности состояния хранилища и защитных барьеров, а также физическая охрана от несанкционированного доступа посторонних.

При демонтаже для уменьшения количества подлежащих захоронению материалов применяются различные методы дезактивации. В частности, для предотвращения распространения радионуклидов используется как простое мытьё водой под давлением с моющими средствами, так и покрытие быстрозастывающей полимерной пленкой (раствор поливинилового спирта, латексные эмульсии и др.), которая затем отдирается вместе с радионуклидами. Либо очистка абразивным способом.

Если и этих мер недостаточно, может применяться снятие верхнего зараженного слоя поверхности. А если это невозможно или нецелесообразно, применяется захоронение всей конструкции целиком.

Для АЭС во всем мире выработано несколько вариантов разборки:

1) полная разборка всех конструкций и сооружений (так называемая разборка до состояния «зелёной лужайки»);

Хороший пример зелёной лужайки — АЭС Connecticut Yankee(США), до и после снятия с эксплуатации. Фото пятилетней давности, на сегодня площадка полностью заросла травой.

2) вариант «бурого пятна», когда установка разбирается частично, а наиболее загрязнённые конструкции (как правило, реактор и первый контур охлаждения) максимально герметизируются и консервируются;

Пример «бурого пятна» — Reactor B Хэнфордского комплекса в штате Вашингтон, США. Построен в 1944 году. В нём вырабатывался плутоний для Манхэттенского проекта. Реактор является памятником науки и техники, в настоящее время вокруг него организуется музей

3) а также вариант промышленно развитой площадки, при котором всё так же герметизируется реактор, демонтируются ненужные конструкции, а прилегающие здания и сооружения дезактивируются и продолжают использоваться (как правило, для работы с радиоактивными отходами с текущей и других установок). Этот вариант применяется, когда инфраструктуру вокруг АЭС нужно эксплуатировать далее. И именно он выбран для снятия с эксплуатации Чернобыльской АЭС.

Для реализации этого проекта был принят подход так называемого отложенного демонтажа, по которому предусматривается консервация и выдержка под наблюдением самого  реактора и наиболее загрязнённых конструкций и оборудования, непосредственно прилегающих к реактору. Остальное оборудование и конструкции, имеющие малый уровень загрязнения, будет демонтировано.

Снятие с эксплуатации предусматривает такие этапы:

— прекращение эксплуатации (2000–2015 годы). Главная задача на этом этапе — это удаление ядерного топлива с территории энергоблоков, которые выводятся из эксплуатации. В настоящее время этот этап полностью закончен, и всё топливо хранится в пристанционном хранилище мокрого типа.

— этап окончательного закрытия и консервации(2015–2028 годы — текущий этап). Главная задача на этом этапе — консервация и подготовка реактора и наиболее загрязнённого оборудования к длительной выдержке.

— этап пассивной выдержки (2027–2045 годы). На этом этапе произойдёт последующее снижение уровня радиоактивности за счёт естественного распада. Также этот этап позволяет накопить достаточные средства и подготовить инфраструктуру для полного демонтажа реакторных установок.

— этап демонтажа (ориентировочно после 2050 года)

На выбор этой стратегии отложенного, а не немедленного демонтажа в 2000-х годах влияло несколько факторов: как отсутствие фонда финансирования, позволяющего осуществлять масштабные работы по снятию с эксплуатации, так и отсутствие проекта по снятию с эксплуатации, а также особенность нашей площадки — территория вокруг ЧАЭС загрязнена долгоживущими изотопами, что сильно усложняет немедленную разборку. Также не стоит забывать, что на площадке находится аварийный объект «Укрытие», который требует длительного периода для его преобразования, и на то время ещё не были построены объекты инфраструктуры для выполнения работ по снятию с эксплуатации, таких, как завод по переработке жидких и твёрдых радиоактивных отходов и промежуточное и окончательное хранилища.

Стратегия отложенного демонтажа не означает, что демонтаж не выполняется вовсе. Здание ЧАЭС условно разделено на три зоны, при этом консервации и выдержке подвергается только оборудование реактора (первая зона ) и прилегающего первого контура (вторая зона), которые наиболее загрязнены. Внешнее, по отношению к реактору, вспомогательное оборудование, имеющее слабый уровень загрязнения, подлежит демонтажу (третья зона). Стратегия предусматривает демонтаж, начиная со слабозагрязнённого металла и оборудования и заканчивая более загрязнённым.

Схема расположения защитных барьеров на  энергоблоках ЧАЭС №№ 1,2,3. Цифрами отмечены: 1 — каналы активной зоны и графитовая кладка, 2 — перегрузочная машина, 3 — барабан-сепараторы, 4 — главные циркуляционные насосы

Красным показана активная зона реактора РБМК. Синим — биозащита активной зоны, которая станет первым барьером консервации. Оранжевым отмечено пространство и оборудование первого контура, которое наиболее загрязнено. Зеленый — капитальные стены энергоблока, которые станут вторым барьером безопасности. Жёлтым отмечен так называемый высокий шатёр, в котором находится перегрузочная машина и крановое оборудование. Эта часть будет демонтирована. Не выделенные цветом на схеме справа и слева помещения также будут демонтированы.

Основной объём оборудования, которое заключается в энергоблоках, составляет как раз слабозагрязнённое (его масса в каждом энергоблоке ~29500 тонн), которое может и должно быть демонтировано. Остаётся на месте и консервируется оборудование первого контура — 3500 тонн и реактор — 6000 тонн.

На каждом из трёх энергоблоков будет проведён комплекс работ для превращения их в стабильный и радиационно безопасный объект, ориентировочно этот период должен быть завершён до 2028 года.

Будет реконструирована система противопожарного водоснабжения, с водозабором из скважины, чтобы не зависеть от уровня воды в естественных водоемах. Из реакторов будут удалены и утилизированы технологические каналы, так как они сильно облучены и будут представлять опасность даже спустя 100 лет. Это наиболее трудоёмкая и ответственная часть работы.

Каждый энергоблок будет законсервирован, будет удалены все горючие предметы, реконструированы системы вентиляции и пожаротушения, заделаны и загерметизированы все проемы, отверстия и двери, чтобы обеспечить пожаростойкость на сопротивление открытому пламени не меньше 60 минут. Для понимания масштабов, объем зоны консервации для 1-го и 2-го энергоблоков(они находятся рядом) составляет около 21 тысячи куб.м.

Нерешённой проблемой пока что является графит из активной зоны реактора. Графита очень много — 5400 тонн в каждом реакторе и часть его — это радиоактивный углерод-14 с периодом полураспада 5700 лет. Он легко встраивается в биологический цикл и несет серьёзную опасность при попадании в организм.

Проблема утилизации графита на сегодня ещё не решена ни в одной стране, имеющей графитовые реакторы. Наиболее простым решением, как с финансовой, так и с экологической точки зрения, является консервация и захоронение на месте всей активной зоны, то есть стенками хранилища в этом случае выступают стены реактора.

После этого герметизации подвергнется реакторное пространство. Все исходящие трубы будут заглушены, в каждой четверти кладки реактора будет предусмотрено ревизионное отверстие для мониторинга радиационного состояния. Сверху плиту биозащиты накроют крышкой для защиты в случае падения тяжелых предметов при последующих работах. Далее будет демонтирована разгрузочно-загрузочная машина и мостовой кран реакторного зала. Это необходимо, так как нет никакой необходимости держать над законсервированным реактором такую массивную и тяжёлую металлоконструкцию. Верхняя часть стен (так называемый «высокий шатёр») будет разобрана, и новая кровля будет опущена до уровня, на котором находился мостовой кран. Расчетная стойкость новой кровли не менее 50 лет.

С радиологической точки зрения ЧАЭС выводится из эксплуатации по технологии бурого пятна, но промышленная площадка вокруг неё будет развиваться и интегрироваться в атомную отрасль Украины. Это единственный вариант конечного состояния, который позволяет повторно использовать территорию и участвовать в экономической жизни государства.

Что же ждёт нас в будущем? Над промплощадкой ЧАЭС к 2050 году всё так же будет возвышаться серая арка НБК, накрывшая аварийный четвертый блок. Под ней будут продолжаться работы по стабилизации конструкций и дезактивации. Длинная громада машинного зала, растянувшаяся почти на километр, будет разобрана, как и большинство вспомогательных зданий вокруг. Корпуса первого, второго и третьего энергоблоков будут запечатаны и законсервированы. На территории и рядом с ней приступят к работе заводы по переработке твёрдых и жидких радиоактивных отходов со всех украинских АЭС.

Примерная схема, того, что должно остаться после основных работ к 2050 году:

Красным отмечено расположение реакторов, оранжевым — общий контур герметизации, в котором расположено наиболее загрязнённое оборудование. Голубым показано положение арки НБК над аварийным 4-м блоком (фото 2015 года, арка с ноября 2016 уже установлена в это положение). Все, отмеченное жёлтым, будет демонтировано.

Также к этому времени распадётся естественным путем порядка 75% цезия-137 и стронция-90, вносящих львиную долю в общий радиационный фон, что облегчит работы персоналу.

Будет принято окончательное решение о судьбе законсервированных энергоблоков, так как вероятный уровень технического развития сделает возможным их полную утилизацию (или не сделает).

Регион в районе ЧАЭС находится на местности, состоящей из прочных кристаллических горных пород, пригодных для постройки глубокого геологического захоронения радиоактивных отходов. Такой вариант является единственно приемлемым для надежной сохранности высокоактивных отходов на тысячи лет вперед, и строительство такого хранилища выглядит вполне логичным.

И, что немаловажно, жители города Славутич, для которого ЧАЭС является градообразующим предприятием, будут обеспечены рабочими местами.

Автор выражает благодарность за подготовку при написании статьи сотрудникам ДСП ЧАЭС: Валерий Сейда, Виктор Кучинский, Андрей Селютин, Валентина Одиница