Водные преграды TEPCO
Наверное, будет не слишком большим упрощением сказать, что вода является основой современной атомной энергетики. Это универсальный теплоноситель подавляющего большинства атомных реакторов, практически настолько же универсальный хладагент и противопожарная жидкость, ну и наконец вода имеет весьма важные нейтронно-физические характеристики, служа замедлителем и отражателем нейтронов.
В частности, ввод в строй реакторов ВВЭР начинается с "пролива воды на открытый реактор", на фото эту процедуру проходит реактор 4 блока Ростовской АЭС
В случае радиационных аварий вода еще служит универсальным транспортировщиком радионуклидов, позволяя проводить дезактивацию объектов.
Сегодня мы проследим за проблемами, возникающими с водой в процессе ликвидации аварии на Фукусимской АЭС, так как эта тема плотно окружена мифологией в стиле “загрязнили весь океан”.
11 марта 2011 года в 14.46 местного времени в 130 километрах от побережья Японии произошло землетрясение, названное позднее "Великим восточно-японским", приведшее к одной из сильнейших в истории радиационных аварий на АЭС "Фукусима дайити", принадлежащей компании TEPCO.
Симулированная карта высот волн от Великого восточно-японского землятрясения, повсеместно подаваемая, как карта загрязнения от аварии на ФАЭС
В момент землетрясения на мощности находились блоки 1,2,3, блок 4 был остановлен на модернизацию и полностью разгружены от топлива в активной зоне (АЗ), а отдельно стоящие блоки 5,6 находились на предупредительном ремонте, однако топливо оставалось в АЗ. Система обнаружения землетрясений обнаружила сейсмический удар и штатно ввела аварийную защиту на блоках 1,2,3. Впрочем, без последствий не обошлось - землетрясением были разрушены элементы высоковольтного ОРУ, что привело к потере внешнего питания на блоки 1,2,3,4 АЭС. Автоматика станции перешла к следующей линии обороны - были запущены аварийные дизель-генераторы, и меньше чем через минуту питание на шинах собственных нужд было восстановлено, и начата процедура расхолаживания реакторов. Ситуация складывалась напряженная, но более-менее штатная.
Общий план АЭС Фукусима. Блок 4 ближайший, за ним блоки 3,2,1 и в отдалении - 5,6. За всасами морской охлаждающей воды видна стенка против цунами, которая не помогла.
Однако через 50 минут после землетрясения на станцию пришла волна цунами, затопив дизель-генераторы и связанные с ними электрощиты. В 15.37 происходит полная и окончательная потеря питания на станции, вызвавшая остановку систем расхолаживания реакторов, а также потерю источников оперативной информации о состоянии систем реакторов.
Реальный кадр залива АЭС Фукусима цунами. Кадр сделан возле 4 блока и торца станции, видно основание вентялиционной трубы, служащее ориентиром на плане выше.
Следующие несколько часов пройдут в попытках подать охлаждающую воду в реактора блоков 1,2,3, однако они окажутся безуспешными. Примерно через 5 часов после потери циркуляционного охлаждения вода внутри корпусов реакторов выкипит ниже верха топливных сборок. Топливо начнет перегреваться теплом остаточного распада и разрушаться. В частности в 21.15 на первом блоке замеры фона покажут его резкий рост, что означает выход продуктов деления из разрушающегося топлива. Несмотря на дальнейшие титанические усилия по заливу реактора водой (за 15 часов в линии, ведущие к ректору блока 1 будет закачано 80 тысяч кубометров воды), произойдет полное разрушение и сплавление топлива, прожиг корпусов реактора кориумом, выброс водорода в результате пароциркониевой реакции и взрывы гремучего газа на 1, 2 и 3 блоках. (подробное описание аварии есть в нескольких документах МАГАТЭ: 1,2,3,4)
В первые дни аварии ситуация в чем-то напоминала развитие аварии на Чернобыльской АЭС: отчаянные попытки залить все водой имели очень невысокий КПД в силу непонимания реальной ситуации, более того - вода, которая добиралась до остатков топлива, выносила радиоактивные продукты деления, превращая подвалы АЭС в радиоактивные затопленные катакомбы. На фоне взрывов водорода и выхода довольно больших объемов продуктов деления используются схемы с телеуправляемыми бетононасосами, подающими воду 70-метровыми стрелами.
Вот, кстати, фото привоза самолетом из США Пуцмейстера с 70-метровой стрелой для заливки блоков сверху
В силу инфраструктурных проблем Японии и самой АЭС для закачки вовсю используется морская вода с добавлением борной кислоты, этот ход аукнется позже.
Первые 15 дней аварии вода на Фукусимской АЭС заливалась без особого понимания, куда она потом девается, важно было обеспечить именно подачу воды. Но 27 марта начинается откачка загрязненной воды, проливающейся через полуразрушенные бассейны-барботеры блоков 2 и 3 и разрушенный корпус реактора блока №1. Толчком к это операции послужило переоблучение электриков, вынужденных работать, стоя в радиоактивной воде.
Кроме того оказалось, что вода просачивается через разные коммуникации в океан. МАГАТЭ оценивает, что в апреле 2011 года в воду попало порядка 10-20 ПБк 131I и 1-6 ПБк 137Cs - для разбавления этих объемов до безопасных концентраций необходимо 10-60 миллиардов тонн воды.
Одно из моделирований распространения Cs137 в морской воде. Учитывая ПДК по цезию 137 для питьевой воды в 100 Бк/л, можно ощутить силу океана, как разбавителя.
Изначально вода откачивалась в различные штатные емкости для хранения активной воды на территории АЭС, но было понятно, что надолго их объемов не хватит. Начинается строительство дополнительных баков, а также в апреле 2011 началась разработка и строительство трех систем для очистки воды от наиболее неприятных радионуклидов - 137Cs, 134Cs, 99Tc и 131I. Первая система - это абсорберы технеция, цезия и йода на основе цеолитов от американской компании Kurion, вторая - система очистки воды от взвешенных радиоактивных частиц DI от Areva, и наконец еще один фильтр-поглотитель SARRY для цезия и йода, построенный японцами. Система очистки для создания оборота воды была построена рекордными темпами за апрель-май 2011 года, и введена в строй в июне, что позволило частично замкнуть водооборот на станции. Почему частично?
Некоторые фотографии спешно собранного фильтрующего оборудования
На АЭС Фукусима Даиичи еще до аварии существовала проблема залива подвалов грунтовыми водами. После введения замкнутого оборота возникал неприятным момент, что притекающая вода постепенно увеличивала общий объем радиоактивной воды. Примерно 400 кубометров воды в сутки поступало в систему оборота, и соответственно каждый год воды становилось больше на порядка 150 тысяч кубометров.
Тем не менее, можно сказать, что с лета 2011 года в основном прекращено попадание радионуклидов с площадки АЭС в океан.
На тот момент Фукусимской АЭС получилась довольно странная, но рабочая система водооборота,, проливающая реакторы и бассейны выдержки радиоактивной водой, которая по кругу очищалась только от трех радионуклидов в объеме около 150 тысяч кубометров в месяц. Это позволяло снизить переоблучение работающих, но из-за постоянного роста объемов воды постепенно усложняло обстановку. Радиоактивная вода с активность в десятки мегабеккерелей на литр хранится в спешно построенных баках на территории АЭС. Эта вода была загрязнена изотопами стронция, рутения, олова, теллура, самария, европия - всего 63 изотопа с превышением нормативов по активности. Отфильтровать их все - невероятно сложная задача, и прежде всего она требовала избавления от морской соли, попавший в воду на начальных этапах. Поэтому уже в летом 2011 года принимается решение о строительстве обессоливающей установки, а в конце 2011 - о строительстве комплекса ALPS, очищающего воду сразу от 62 изотопов - собственно всех представляющих проблемы кроме трития.
Обессоливание на установках Hitachi и Toshiba методом обратного осмоса на мембранах и на выпарных установках от Areva вводятся в строй с конца лета 2011 и постепенно выправляют проблемы использования морской воды в охлаждении.
Установки обессоливания на основе обратного осмоса (сверху) и выпаривания (снизу).
Весь 2012 года идет строительство комплекса ALPS. В отличии от первых построенных систем очистки, здесь уже не было большой спешки, поэтому были продуманы системы обнаружения и защиты от утечек радиоактивной воды - проблемы, регулярно мучающей ликвидаторов на разных участках системы водооборота.
На этом фотоснимке с воздуха АЭС летом 2013 года. Весь правый верхний угол кадра занимает ALPS.
Уже в 2013 году на площадке АЭС Фукусима было расположено невероятное количество баков для хранения радиоактивной воды, понятно, что утечки тут неизбежны.Кстати, эти баки по мере перевода на более чистую воду приходится деконтаминировать, что потребовало разработок новых технологий безводной деконтаминации.
Вообще протечки станут не только постоянным источником аварийных работ, но и предметом мифологизации. При внимательном рассмотрении сложности комплекса из аварийной АЭС, 3 десятков установок очистки воды, тысяч баков для хранения воды разного качества, ясно, что течи - это постоянное состояние на площадке. Однако СМИ каждый раз подают утечки, как серьезное осложнение ситуации.
Тем не менее, кроме незначительных течей, которые происходят каждый день, было и несколько неприятных довольно крупных инцидентов. Самый большой произошел 19 августа 2013, когда была обнаружена утечка 300 тонн воды с активностью ~80 МБк/литр из стального бака емкостью 1200 кубометров в парке H4. В основном эта вода осталась в парке (баки стоят на бетонном основании окруженном бортиком), однако несколько сот литров вылилось на землю через открытый дренажный кран. Именно радионуклиды из этих нескольких сот литров могли как-то попасть в грунтовые воды и затем в океан (разумеется очень незначительная часть), о чем честно сообщила TEPCO, но в интерпретации СМИ эта авария выглядела как “300 тонн радиоактивной воды из реактора утекло в океан”.
Бак, из которого произошла утечка (обведен красным), парк H4 и фото лужи радиоактивной воды за пределами бетонного ограждения парка, утекшей через не закрытый дренажный кран.
Однако вернемся к очистке воды. В конце 2013 года ALPS была введена в строй и началась очистка накопившейся к тому моменту 400000 тонн воды типа той, что вытекала из бака в парке H4.
Очень общая схема ALPS
Однако, как мы помним, уникальная установка ALPS ничего не может поделать с тритием, который содержится в очищенной воде в концентрации около 4 МБк/литр. На самом деле это не такая и большая величина: предел годового поступления в России, например, составляет 0,11 ГБк, т.е. 27,5 литров такой воды. Учитывая, что предел годового поступления заведомо ниже каких-то негативных последствий для организма, то можно считать, что это техническая вода.
Предельно допустимые концентрации трития в питьевой воде. Они устанавливаются по методике ВОЗ так, что бы облучение от такой воды не превышало 5% естественного облучения человека. При этом Евросоюз и США имеют альтернативное мнение, как устанавливать пределы поступления трития в организм.
Однако, с точки зрения регуляторов, это все же низко радиоактивные отходы. В принципе, у TEPCO остается опция в виде разбавления в 40 раз (до 100 кБк/л или меньше) и спуска этой воды в океан, но на фоне истерики СМИ сделать это сложно.
Поэтому, начиная с 2014 года TEPCO пытается реализовать две другие стратегии - найти технологию извлечения трития из воды и максимально уменьшить приток грунтовых вод в здания АЭС, чтобы замедлить рост общего объема хранимой воды.
Технологии концентрации трития существуют, обычно это комбинация методов электролиза, обмена водородом между паром воды и газообразным водородом на катализаторах, и криогенной ректификацией водорода. Крупнейшие установки извлечения трития из тяжелой воды расположены в Канаде (где много тяжеловодных реакторов, воду которых надо чистить от трития) и Корее (где тоже есть тяжеловодные реакторы).
Типичная установка по разделению изотопов воды выглядит так (это AECL Glace Bay). Что-то такое предлагается построить TEPCO на площадке АЭС Фукусима.
Однако готовые технологии с трудом работают на таких низких концентрациях, которые есть на площадке Фукусимской АЭС. Разные предложения, которые были сделаны TEPCO (в том числе свою технологию предложило входящее в Росатом ФГУП “РосРАО”) не устраивают компанию производительностью против стоимости установки.
Второй аспект - снижение притока грунтовых вод, было решено выполнять с помощью строительство “ледяной стены” вокруг зданий 1-4 блоков АЭС. Суть технологии заключалась в обустройстве сети скважин по контуру стены и замораживании грунта с помощью солевого хладагента. Строительство системы шло в 2015-2016, сопровождалось нездоровым ажиотажем СМИ (которые, почему-то считали, что это “последний барьер на пути стока радиоактивной воды в океан”) и закончился полным фейлом: после заморозки всего запланированного объема приток грунтовых вод снизился всего на 10-15%.
Процесс заморозки - раздающие хладагент трубопроводы и оголовки скважин.
Контур ледяной стены на весну 2016 года.
В итоге, последние 3 года наблюдается некая стабильность ситуации с водой - в целях охлаждения в АЭС закачивается около 300 тонн чистой воды в сутки, извлекается около 700 загрязненной, предварительно очищается и обессоливается и подается в промежуточное хранение ЖРАО, которое постепенно сокращается, но на август 2017 все еще составляет ~150 тысяч тонн. Далее эта вода проходит комплекс ALPS и накапливается в баках хранения воды с тритием, где сейчас уже около 820 тысяч тонн воды. Всего на площадке в разных емкостях и буферах порядка 900 тысяч тонн воды.
Общая схема водооборота на АЭС Фукусима в августе 2017
Важной частью этого процесса является накопление абсорбентов с РАО и осадков фильтрации, которые тоже хранятся на площадке АЭС Фукусима в бетонных контейнерах, и судьбу которых когда-то в последствии тоже придется решать, однако это более тривиальная тема, малоинтересная СМИ.
Схема обращения с фильтратами РАО на установках очистки воды на АЭС Фукусима. Месторасположение площадок хранения РАО на схеме в конце статьи.
Накопление воды постепенно приводит к исчерпанию мест для организации площадок хранения баков, и очевидно, как-то эту проблему решать придется. В 2017 году TEPCO возобновило прощупывание почвы насчет слива воды с 3,4 ПБк трития в океан, но что-то не похоже, чтобы публика была готова к этому. Не знаю, волнует ли международный пиар TEPCO, или только внутрияпонский, но поставлен он у компании из рук вон плохо.
Напоследок хочется сказать, что опыт TEPCO на площадке показывает, что технологии обращения с ЖРАО сегодня достаточно серьезно развиты, что бы практически мгновенно организовать очистку и замыкание водооборота, но с другой стороны имеют слабые стороны в виде отсутствия решений по тритию и по борьбе с протечками воды. Наконец, этот опыт показывает, что вложения в правильный пиар для атомной отрасли не менее важны, чем вложения в технологии: если бы СМИ хотя бы правильно интерпретировали ситуацию с водой на площадке АЭС Фукусима, то возможно слив воды с тритием решался бы проще, и сэкономил бы TEPCO несколько миллиардов долларов.
P.S. подробный, хоть и слегка устаревший, план расположения объектов в зоне ликвидации.
