Сердце атомной станции — реактор, работающий на ядерном урановом топливе. Оно гораздо экономичнее, например, угля: одного килограмма урана хватит, чтобы выработать такую же энергию, как при сжигании 100 тонн угля или 60 тонн нефти. Но такое энергоёмкое топливо после использования требует более тонкого подхода. Процесс переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) — длинная цепочка, и её первое звено — бассейны выдержки. Как они устроены и для чего нужны? Давайте разбираться.
Что же в них выдерживают?
Бассейны выдержки — это временное хранилище отработавшего ядерного топлива. Здесь тепловыделяющие сборки (ТВС), отработавшие свой срок в реакторе, остывают в течение первых трёх-пяти лет.
Почему они горячие?
Уран в реакторе не горит в привычном смысле слова — его ядра делятся, высвобождая огромную энергию. Этот процесс идёт в работающем реакторе постоянно. Но через три-пять лет ТВС «выгорает»: часть урана распадается, и использовать сборку дальше становится неэффективным.
При этом, как и уголь или, скажем, дрова, состав ядерного топлива после «горения» сильно меняется . Глазами мы этого не увидим: когда сгорает уголь, от него остаётся зола, а использованная ТВС выглядит так же, как свежая. Но начинка отличается очень серьёзно: в процессе «горения» в реакторе уран превращается в другие вещества, которые излучают радиоактивность и тепло. И если свежее урановое топливо можно взять руками и это безопасно, то отработавшее — и очень радиоактивное, и очень горячее. На воздухе отработавшие ТВС могут разогреться до 300 °С! Чтобы снизить температуру и уровень излучения, и нужен бассейн выдержки.
Как ОЯТ вытаскивают из реактора?
Конечно, не вручную! Для этого на каждой АЭС есть специальные перегрузочные машины, стационарно установленные прямо около реактора.
Знаете игру, где нужно достать игрушку из стеклянного аквариума манипулятором, которым вы управляете с помощью джойстика? Смысл тот же. Но если вы играли в такую, наверняка помните те азарт и досаду, когда игрушку ну никак не получается зацепить! Только потратив кучу монеток и времени, вы находите то самое положение джойстика, которое позволяет послать манипулятор именно туда, куда нужно. Так вот, перегрузочную машину на АЭС учат такой точности сразу. Есть отдельные расчёты положения манипулятора перегрузочной машины для каждой ТВС. Условно говоря, оператору АЭС не нужно «играть джойстиком», а достаточно только указать пальцем, какую ТВС ему нужно вытащить.
Перегрузочная машина достаёт отработавшую ТВС из реактора и помещает в бассейн выдержки. Он расположен прямо рядом с реактором — чтобы не таскать ТВС далеко.
Как устроены бассейны выдержки?
Это буквально и есть бассейн: большая ванна из железобетона, наполненная водой с борной кислотой. ТВС устанавливают вертикально прямо на дно бассейна.
Именно вода — идеальная среда для хранения ОЯТ: она сразу и защищает от радиации, и охлаждает ТВС. Чтобы отводить тепло, вода постоянно циркулирует. В то же время воду фильтруют от возможных примесей — на случай, если оболочка ТВС повредится, хотя случается такое крайне редко. А борная кислота нужна для того, чтобы поглощать нейтроны — то есть «улавливать» радиацию, чтобы она не выходила на поверхность.
С течением времени ТВС остывают и становятся всё менее радиоактивными. Если температура только что загруженных в бассейн выдержки сборок — сотни градусов, то через год — уже десятки. За несколько лет температура и уровень радиоактивности отработавшей ТВС уменьшаются настолько, что их можно перевозить.
Оно правда светится?
Да, хотя светится не само топливо, а вода в бассейне с ОЯТ. И это очень красиво: такой чистый-чистый голубой свет! Не очень яркий, похожий на ореол вокруг топливных сборок, когда они находятся под водой. Точно так же светится и вода вокруг атомного реактора, этот эффект вживую можно наблюдать, например, на исследовательских реакторах, где нет защитного корпуса. Это называется свечение Вавилова — Черенкова. Его можно наблюдать невооружённым глазом без всякой защиты — это безопасно.
Воду «зажигают» элементарные частицы, которые образуются во время радиоактивного распада. Они врываются в охлаждающую воду с огромной скоростью, которая превышает скорость света в воде. В результате за мчащейся частицей образуется «хвост» — как конус ударной волны за сверхзвуковым самолётом или волна за быстрым катером. Постепенно частица теряет скорость, отдавая свою кинетическую энергию в виде того самого голубого свечения. Так мы видим законы физики элементарных частиц своими глазами!
А плавать в нём можно?
Вы удивитесь, но чисто теоретически — да. И вам даже температура воды понравится: обычно в пристанционном бассейне выдержки это +25–30 °С. Не помешает и борная кислота: её раствор получается совсем слабым, и для человека это неопасно.
Именно вода — главный защитник: каждые 7 сантиметров слоя воды снижает дозу радиации наполовину. Помогает и растворённый в воде бор, улавливая нейтроны и снижая уровень радиации. Если между вами и отработавшими ТВС будет оставаться толща воды в несколько метров, вы в безопасности. Поэтому, когда бассейнам выдержки ОЯТ требуется ремонт или обслуживание, в отдельных случаях эту работу могут выполнять обычные водолазы.
Другой вопрос, что у вас вряд ли получится проскочить незамеченными в купальном костюме мимо охраны атомной электростанции: всё-таки она очень строгая.
Что потом происходит с ОЯТ?
Через несколько лет — обычно от трёх до пяти — ОЯТ готово к первой перевозке.
Сначала топливные сборки перевозят недалеко — в станционные хранилища. Они бывают «мокрые» и «сухие». И «мокрые», к слову, очень похожи на бассейны выдержки. Только это уже не просто ванна, а целая инфраструктура, где каждую ТВС регулярно исследуют, замеряя её параметры и отслеживая, как идёт процесс охлаждения. В таких хранилищах даже установлены подъёмные краны, а в люках есть сквозные прорези — так, чтобы кран мог перемещать ТВС прямо под водой.
«Сухие» хранилища — более современные. В них тепло от уже остывших, но всё-таки пока горячих ТВС отводится не водой, а воздухом.
А дальше ОЯТ отправляется в путешествие по цепочке, и тут есть два варианта. Первый — хранить ОЯТ. И второй — перерабатывать, и это, конечно, предпочтительнее. Строго говоря, даже то отработавшее топливо, что отправлено на длительное хранение, хранится с надеждой на переработку.
