«Фукусима-1» сегодня:
жизнь продолжается



ТЕХНОЛОГИИ / #4_2019
Текст: Юлия ИПАТОВА / Фото: toshiba-energy.com, ТАСС

Через восемь лет после аварии на АЭС «Фукусима-1» внимание международного сообщества приковано к тому, как проходит ликвидация последствий. Наш автор Юлия Ипатова побывала на станции и узнала, какие технологии сейчас применяются на «Фукусиме-1».

Вывод из эксплуатации АЭС «Фукусима-1» будет продолжаться 30−40 лет. Во главу угла этого долгосрочного проекта сегодня ставится создание надежных защитных барьеров, которые обеспечат безопасность всех, кто принимает в нем участие. Более 4000 человек работают на станции ежедневно. По данным на январь 2019 года, около 60% из них — жители префектуры Фукусима. Среднегодовая доза облучения работников станции составляет около 2,67 мЗв в год при максимально допустимой предельной дозе 50 мЗв в год.

В свои дома в близлежащих населенных пунктах (в радиусе около 10 км от АЭС «Фукусима-1») возвращаются местные жители при условиях нормы радиации ~23 мкР/час.
Хронология событий
11 марта 2011 года 17-метровая волна цунами ударила по АЭС «Фукусима-1», затопив нижние этажи станции. Землетрясение магнитудой 9,0 произошло у восточного побережья Японии, в результате блоки № № 1, 2 и 3 АЭС «Фукусима-1» лишились подачи электроэнергии и были автоматически заглушены.

Блоки №№ 4, 5 и 6 находились в плановом отключении на техобслуживание и перегрузку топлива, а реакторное топливо уцелевшего 4-го энергоблока было выгружено в ноябре 2010 года (топливо оставалось лишь в бассейнах выдержки ОЯТ).

В первые минуты аварии резервные дизельные установки, находившиеся в подвальном помещении, были затоплены, что привело к автоматическому отключению трех энергоблоков от электропитания. Аварийных аккумуляторных батарей хватило лишь на несколько часов. Из-за недостаточного охлаждения начал снижаться уровень теплоносителя, а давление пара в верхних частях реактора продолжало расти.

12 марта произошел взрыв первого энергоблока АЭС. Корпус реактора поврежден не был, но была разрушена внешняя железобетонная оболочка здания. В тот же день зона эвакуации жителей вокруг АЭС достигла радиуса 20 км, так как в момент водородного взрыва радиоактивные вещества из вод бассейна выдержки топлива попали в атмосферу.

14 марта произошел взрыв водорода на третьем энергоблоке, а утром 15 марта взорвался компенсатор давления второго энергоблока. В ночь на 16 марта в хранилище ОЯТ на четвертом энергоблоке возник пожар, из-за чего радиоактивные вещества попали в атмосферу.

Последствия могли быть непредсказуемыми, если бы началась неконтролируемая цепная реакция в бассейне для отработавших топливных стержней, но, к счастью, пожар был потушен.

В результате аварии были эвакуированы более 470 тыс. человек.
Стратегический план действий
В японской правовой системе по ядерным авариям Токийская электроэнергетическая компания (TEPCO), как лицензиат станции, несет бессрочную ответственность за ее вывод из эксплуатации. Агентство по ядерному регулированию (Nuclear Regulatory Authority — NRA) контролирует работы и сроки вывода из эксплуатации. Корпорация по содействию компенсации за ядерный ущерб и выводу из эксплуатации (NDF) — юридически уполномоченная организация для надзора за деятельностью TEPCO. По данным TEPCO, общая стоимость демонтажа станции, дезактивации территорий, компенсаций пострадавшим жителям составит $ 187 млрд, что эквивалентно примерно 20% годового бюджета страны.

Работы по выводу из эксплуатации следуют вехам, указанным в предварительном плане, который был согласован правительством Японии и TEPCO. Фаза 1 — период до начала извлечения топлива из бассейнов выдержки ОЯТ. Фаза 2 — начало выгрузки расплавленного топлива (кориума). При этом вывоз из бассейна отработавшего топлива четвертого блока начался 18 ноября 2013 года и завершился 22 декабря 2014 года. Сейчас идет активная подготовка к выгрузке кориума из первого блока, начиная с забора минимальных лабораторных образцов для первоначальных исследований.

Демонтаж крыш и стеновых панелей, колонн и балок здания первого энергоблока уже завершен. Над корпусом реактора будет установлена крышка, чтобы безопасно для окружающей среды выгрузить топливо и оборудование.

Здание блока № 2 не пострадало от взрыва водорода, и его работоспособность была сохранена. Перед выгрузкой ОЯТ верхняя часть операционного этажа здания будет также полностью демонтирована. К февралю 2018 года была завершена куполообразная крыша для подготовки демонтажа топливных стержней.
Таблица. План работ по выводу из эксплуатации АЭС «Фукусима-1»
Зараженная вода
Сегодня основная задача — снизить риски еще большего заражения площадки АЭС. По всей территории станции, покрытой изолирующим слоем бетона, расставлены сотни цистерн объемом ~1200 м³ каждая — там находятся вода, которая циркулировала в системе охлаждения реакторов, а также загрязненные грунтовые воды. Чтобы избежать протечек, вокруг цистерн установлено специальное ограждение высотой 25−30 см, а в качестве дополнительной защиты по периметру расположения бочек отлит бетонный забор около метра высотой. Оба барьера позволят собрать зараженную воду и не допустить ее попадания в Тихий океан.

Вода, собранная в цистерны, предварительно очищена от более чем 60 изотопов (основные долгоживущие из них — стронций и цезий) с помощью специальной фильтрующей усовершенствованной системы обработки жидкости ALPS (Advanced Liquid Processing System). Однако тритий (изотоп водорода, содержащий один протон и два нейтрона и испускающий бета-излучение) в этой воде присутствует. С этим связаны определенные технологические трудности: основные свойства трития, включая температуру кипения, аналогичны характеристикам обычной воды.

Всего в многочисленных резервуарах накоплено 1,1 млн м³ содержащей тритий воды. Потенциальные меры избавления от трития включают впрыскивание трития в глубокие карманы Земли, сброс в море, принудительное испарение, электролиз и подземное захоронение.

Чтобы избежать дальнейшего загрязнения воды через подземные реки, грунтовые и дождевые водные стоки, которые, проходя через территорию станции, могут нанести вред экосистеме планеты, были приняты многочисленные меры. Например, вокруг блоков №№ 1, 2, 3 и 4 создана специальная ледяная стена, замораживающая землю. На глубину 30 метров погрузили около 1,5 тыс. труб, содержащих ледяной газ температурой -30 °С. TEPCO инвестировала в этот проект $ 324 млн.
Стержни ОЯТ
Отработавшее ядерное топливо из бассейнов выдержки ОЯТ в верхних частях зданий реакторов блоков №№ 1, 2 и 3 должно быть перемещено в устойчивое хранилище. Работы в этом направлении ведутся давно: еще в декабре 2014 года 1,5 тыс. ТВС извлекли из блока № 4, почти завершено извлечение ОЯТ из бассейна третьего блока.

На первом блоке сейчас ведутся работы по его тщательной очистке и удалению щебня, образовавшегося над бассейном отработавшего топлива и представляющего собой обломки крыши реактора и железного каркаса. После удаления щебень хранится в хранилищах твердых отходов или других, в зависимости от уровня радиации.

Для второго блока изучаются методы демонтажа загрязненного корпуса. Из-за этих тщательных ремонтно-восстановительных работ забор топливных стержней ОЯТ из блоков №№ 1 и 2 был приостановлен.
Кориум
Самой сложной задачей остается извлечение расплавленного топлива из сердца реакторов блоков №№ 1, 2 и 3. Согласно прогнозам, ее решение может занять несколько десятилетий. Так называемые фукусимские топливные расплавы (Fukushima fuel debris), или кориум, образовались во время протекания аварийных процессов. Температура внутри реактора поднялась выше 2000 °C, вызвав плавление ­уранового топлива и его дальнейшую реакцию с циркониевой оболочкой, окисленной паром, что, в свою очередь, привело к образованию ядерной расплавленной смеси, включающей компоненты реактора (бетона, обечаечной стали, песка и т. д.). Предполагается, что кориумные расплавы рассредоточены в различных участках внутри реактора и на дне ­гермооболочки.

Начать работы планируется с мелкомасштабного отбора проб топлива из первого реактора; затем последуют более глобальные операции. Особое внимание будет уделяться безопасности, говорят в TEPCO, например, атмосферному контролю, позволяющему исключить попадание высокорадиоактивных веществ в окружающую среду, контролю за загрязненной водой, кислородом и водородом.

Извлечь кориум из реакторов — полдела. Необходимы также анализ извлеченных материалов, фундаментальные исследования, а также расчет поведения компонентов кориума на примере топливных моделей.
Фукусимские роботы
Ясно, что люди не могут проникнуть в реакторное сердце «Фукусимы-1», ведь доза радиации, которую они получат там, смертельна. Сбор образцов расплавленного топлива внутри реакторов будет вестись с применением роботов.

Извлекать образцы из самых зараженных зон планируется с помощью робототехники и спецприспособлений: методов удаленного внутреннего контроля, дистанционного манипулятора, контрольно-измерительных приборов. Система с удаленными устройствами должна обладать особыми характеристиками: долговечностью и работоспособностью в условиях высочайшего радиационного фона.

Еще в 2011 году, сразу после аварии, самоходные гусеничные роботы с манипуляторами, предоставленные частной компанией Aerobot, зафиксировали губительные для жизни человека показатели уровня радиации внутри энергоблоков: в 1-м блоке он составил ~50 мЗв/ч, а в 3-м ~60 мЗв/ч, что не позволяло ликвидаторам находиться вблизи зданий дольше нескольких часов. Для сравнения, дозы в 1 Зв достаточно для возникновения острой лучевой болезни.

Долгое время оставались открытыми вопросы: что произошло с расплавами топлива, осталось ли оно в пределах реактора и где сконцентрированы его основные скопления? Учитывая сложные высокорадиационные условия, было необходимо спроектировать машины, электроника которых смогла бы выдержать высокое гамма-излучение.
Новый робот Little Sunfish для подводного исследования реактора АЭС «Фукусима-1» представлен компанией Toshiba в Йокосуке
Изначально роботы демонстрировали не самые лучшие результаты: агрессивная радиация засоряла их микропроцессоры и компоненты камер, бетонные стены блокировали беспроводные сигналы. В самых ранних моделях интенсивный уровень радиации плавил электронику. Так, многообещающий 24-дюймовый робот «Скорпион», которого больше 2,5 лет разрабатывала TEPCO, в декабре 2016 был запущен в нижнюю часть реактора 2-го блока. Но спустя всего два часа (запланирована была 10-часовая миссия) «Скорпион» застрял среди обломков расплавленного металла.

В марте 2017 года TEPCO провела исследование внутри реактора первого блока с использованием робота PMORPH, разработанного Hitachi-GE Nuclear Energy и IRID. Оснащенный дозиметром и водонепроницаемой камерой, он снимал показания излучения и цифровые изображения в десяти различных точках.

Уже через семь месяцев после неудачи «Скорпиона», в июле 2017 года, ученые Toshiba добились большего успеха с новым погружным роботом Little Sunfish: плавая внутри залитого водой реактора, тот выдержал высокий уровень радиации. Устройство, разработанное корпорацией Toshiba Energy Systems & Solutions, длиной примерно 30 см и шириной 10 см, оснащено камерой, светодиодной подсветкой, механизмом наклона, клещами захвата, дозиметром излучения и термометром. На второй день разведки Little Sunfish зарегистрировал первые признаки расплавленного топлива внутри реактора.

В январе 2018 года Toshiba вернулась в сильно загрязненный второй блок с новой машиной, одна из камер которой способна поворачиваться и наклоняться, а также панорамной камерой, прикрепленной к наконечнику телескопической направляющей трубы для лучшего угла обзора. Как только робот достиг сердца реактора, работники дистанционно опустили камеру панорамирования и наклона еще на 2,5 метра, чтобы сделать уникальные фотографии. Стало понятно, что во всех трех реакторах топливо вытекло за пределы корпусов на дно гермооболочки.

Однако понять, где и в каком количестве скопилось топливо, — только первая часть задачи. Самое сложное — извлечь расплавленный топливный «коктейль». Внутри реакторов расположены элементы оборудования, вес которых переваливает за тонну. Чтобы роботу добраться до главной цели, встречающиеся на его пути металлические части придется разреза́ть и извлекать по частям, а потом упаковывать обломки в контейнеры, выгружая их при помощи конвейера. Все эти операции будут выполняться роботами впервые, и не исключено, что в будущем эти машины будут использоваться для осуществления ускоренных программ по выводу АЭС из эксплуатации.

Рассчитать, сколько именно образуется твердых отходов во время работ по выводу из эксплуатации, пока нереально: еще только предстоит извлечь кориум и демонтировать здания. Поэтому и здесь потребуется продуманная стратегия: необходимо учитывать уникальные свойства отходов, их огромные объемы и высокие дозы радиации, а также сложность нуклидного состава. Все это затрудняет выработку итогового плана.

Японии помогают коллеги из разных стран. Так, ­британская компания Veolia Nuclear Solutions в тесном сотрудничестве с Mitsubishi Heavy Industries конструирует уникальную систему роботизированного манипулятора с дистанционным управлением для исследования природы и расположения ядерных частиц топлива в реакторе. Подобные технологические подходы разрабатываются для изучения проб и окончательного извлечения кориума. Французский консорциум (ONET Technologies, CEA и IRSN) помогает в научных разработках, связанных с лазерной резкой топливного кориума и сбором образующейся во время резки радиоактивной пыли. Проекты США связаны с дизайном контейнеров для хранения собранного из реакторов высокорадиоактивного кориума. Россия, в свою очередь, проводит приблизительную оценку характеристик топливных расплавов и влияния внешних факторов на их деградацию, моделируя аналоговые топливные образцы.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #4_2019