Збудований у Китаї атомний реактор нового типу може таїти чимало викликів. Адже такий реактор з кульками палива – менш надійний, ніж хотілось би вважати: він позбавлений гермооболонки та другої системи охолодження. Хоча у цих високотемпературних реакторах практично неможливе розплавлення активної зони, проте за це своя ціна: з них у навколишнє середовище може потрапляти радіоактивний пил, пояснили науковці.
Замість довгих стержнів з плутонію чи урану високотемпературний реактор використовує уранові кулі, вкриті графітом і керамікою. Зображення: Stefan Kühn/ CC-by-sa 3.0.
Ідея не нова: вже в 60-х роках ХХ століття ядерні фізики експериментували з типом реактора, який потребував нової форми ядерного палива – замість довгих стержнів із плутонію чи урану цей високотемпературний реактор, охолоджений газом (high-temperature gas-cooled HTR-PM) використовує уранові кулі, вкриті графітом і керамікою. Це покриття запобігає потраплянню палива або продуктів розпаду до реактора.
Водночас ці гранули надзвичайно стійкі до температури, завдяки чому плавлення активної зони реактора дуже малоймовірне. Високотемпературні реактори охолоджує гелій, що протікає через пальне в кульках. З огляду на те, що вони витримують дуже високі температури, газ нагрівається до 750 градусів. Ця спека достатня для продукування водяної пари при виробленні струму.
«Прихильники реактора з кульками палива описують його як захищеного від катастроф і цілком безпечного, – пояснив німецький хімік і ядерний дослідник Райнер Моорман (Rainer Moormann). – Але жоден ядерний реактор не має імунітету від нещасних випадків».
Наскільки безпечні такі реактори, впродовж тривалого часу було неважливо, адже існували вони лише у вигляді прототипів. Дотепер. Перші комерційні реактори HTR-PM незабаром запустять в експлуатацію у китайській провінції Шаньдун. Обидва реакторні блоки мають постачати 105 мегават струму. Наскільки безпечні ці нові атомні реактори, детальніше дослідили Моорман з колегами.
Найбільший привід для критики: новий реактор не має гермооболонок, які існують на більшості атомних електростанцій. Цей додатковий захисний шар оточує посудини високого тиску та первинну систему охолодження, перешкоджаючи тому, щоби радіоактивні гази та матеріали потрапляли в навколишнє середовише при пошкодженні чи нещасному випадку.
«Коли тріщина досягає гелієвої системи охолодження, що перебуває під високим тиском, охолоджувальний газ разом із пилом та радіоізотопами може швидко потрапити в навколишнє середовище», – пояснили науковці.
Крім того, реактори в Шаньдуні не мають другої, додаткової системи охолодження – якщо перша зазнає пошкоджень, її ніщо не замінить.
Але конкретніше, наскільки великий ризик пов'язаний із новим реактором? Попри все, уранові кульки всередині корпуса ядерного реактора ізольовані від середовища своєю оболонкою. «Приблизно 35 мікрометрів завширшки шар з карбіду кремнію – первинний бар’єр для витоку палива, і він не плавиться навіть за умов аварії», – розповіли науковці.
Але в процесі експлуатації оболонка може руйнуватися, на ній можуть утворюватися крихітні тріщини. Крізь них із часом пробиваються продукти згорання. Крім того, вільне протікання сухого гелію може призвести до суттєво вищої ерозії графіту в оболонці гранул, засвідчили дослідження. Тобто з часом виникатиме все більше пилу, з яким можуть зв’язуватися радіоізотопи, що витікають.
При дослідженнях реакторів цього типу, зокрема Юліхської експериментальної АЕС, такий перебіг призвів до виникнення неочікувано великої кількості забрудненого пилу. «Це спричинило тяжке забруднення цілої активної зони реактора», – повідомили Моорман з колегами. – Потім там виявили майже 100 терабекерелів стронцію-90 та цезію-137 – що робить Юліхську АЕС установою, найбільш забрудненою стронцієм-90 у світі».
Згідно з вимірюваннями науковців, у китайській провінції також може відбутися ерозія кульок палива, через що посилиться утворення пилу. З огляду на те, що в Шаньдуні активне ядро реактора значно більше, ніж під час експерименту, то і механічне навантаження на кульки через накладені на них шари може бути вищим.
Інший ризик пов'язаний зі збудованим у ректорі теплообмінником, що використовує температуру гелію, щоби виробляти водяну пару для продукування струму. «Нещасний випадок, при якому водяна пара вибереться з цієї системи, цілком імовірний і за цього дизайну вважається неминучим ризиком», – сказали науковці. Проте коли густина водяної пари у реакторі перевищить позначку 0,03 грами на кубічний метр, графіт перегріється, а кульки палива пошкодяться, попереджають науковці.
«Це не причина для паніки, – наголосив Моорман. – Але атомна технологія пов’язана з ризиками. І важливо ці ризики реалістично оцінювати та розуміти – передусім тим, хто експлуатують атомні електростанції. Ми рекомендуємо бути обережними і продовжувати наукові дослідження HTR-PM».
Конкретніше експерти рекомендують повільно активовувати реактори в Шаньдуні. На цьому розтягнутому етапі температуру потрібно підвищувати дуже повільно, постійно стежачи за станом кульок палива. Так можна буде передчасно виявити місцеві гарячі точки.
Аби мінімалізувати ризики реактивного забруднення середовища у разі аварії, науковці радять також збудувати гермооболонку або принаймні додатковий пиловий фільтр. «З огляду на недостатні знання про реактори з кульками пального та відсутності на них гермооболонок, потрібно бути пильними й обережними», – наголошують науковці. Чи дослухаються до цих порад китайські експлуататори, залишається під питанням.
Схема роботи високотемпературного реактора. За годинниковою стрілкою: кульки пального, охолоджувальний газ, гаряча пара, вода для котла, помпа, використані кульки палива, бетонний корпус. Зображення: gemeinfrei.
China: Gefahr durch neue Atomreaktoren?
Cell Press, 24/08/2018
Зреферуала С. К.
05.09.2018