При авариях (разрушении) на радиационно опасных объектах

 

Под аварией на радиационно опасном объекте понимается выход из строя или повреждение отдельных узлов и механизмов объекта во время его эксплуатации, приводящий к загрязнению объектов внешней среды.

Ввиду того, что аварийные ситуации являются наиболее частыми и максимально опасными на АС, рассмотрим особенности загрязнений местности в случае аварий на объектах с ядерными компонентами на при­мере атомных станций.

В зависимости от границ зон распространения радиоактивных веществ и радиационных последствий потенциальные аварии делятся на 6 типов.

Локальная авария. Радиационные последствия аварии ограничивают­ся пределами объекта. При этом возможно облучение персонала и загрязнение зданий и сооружений, находящихся на территории АС выше уровней, уста­новленных для нормальной эксплуатации.

Местная авария. Радиационные последствия аварии ограничиваются пределами пристанционного поселка и населенных пунктов района расположения АС. При этом возможно облучение персона­ла и населения выше уровней, установленных для нормальной эксплуатации.

Территориальная авария. Радиационные последствия аварии ограничиваются пределами субъекта РФ, на территории которого расположена АС, и включают, как правило, две и более административно-территориальных единицы субъекта. При этом возможно облучение персонала и населения нескольких административно-территориальных единиц субъекта РФ выше уровней, установленных для нормальной эксплуатации.

Региональная авария. Радиационные последствия аварии ограничива­ются пределами 2-х и более субъектов и приводят к облучению населения и заражению окружающей среды выше уровней, установленных для нормальной эксплуатации.

Если при региональной аварии количество людей, получивших дозу облучения, может превысить 500 чел., или количество людей, у которых могут быть нарушены условия жизнедеятельности, превысит 1000 чел., или материальный ущерб от аварии превысит 5 млн. минимальных размеров оплаты труда, то такая авария будет федеральной.

Трансграничная авария. Радиационные последствия аварии выходят за территорию РФ либо данная авария произошла за рубежом, но затрагивает территорию РФ.

Мы будем исследовать особенности загрязнения местности в основном на примере местных и региональных аварий.

По видам аварии на АС делятся на:

– максимально-проектные аварии (МПА);

– гипотетические аварии (ГА).

Под МПА понимается авария без оплавления топлива, но с частичной разгерметизацией оболочек ТВЭЛов при нормальном срабатывании систем аварийного охлаждения активной зоны. Для ее локализации предусматривают проектные решения.

Под ГА понимается авария общего типа, при которой защита АС не обеспечивается штатными системами. Она сопровождается частичным или полным расплавлением активной зоны. К этому виду аварий относятся также аварии, вызванные частичным или полным разрушением реактора вследс­твие преднамеренных действий (диверсий) или внешнего взрывного воз­действия.

Для локализации ГА планируют организационно-технические мероприятия. Итак, рассмотрим гипотетические аварии.

Особенность протекания ядерных реакций в реакторах АС и конструктивных особенностей реакторов приводит к тому, что:

1. В реакторе кроме обычных продуктов деления образуется большое коли­чество (около 15 кг/тонну горючего) биологически опасных высокоактивных изотопов плутония и других актиноидов (нептуний-237, америций-242,245, кюрий-242,244 и др.), опасных газообразных изотопов (ксенон-133, криптон-85, йод-131) и долгоживущих радионуклидов (стронций-90, цезий-137). Количество их зависит от типа ядерного реактора, исходного состава загруженного топлива, мощности реактора, времени начала компании и т.д., а доля выброшенных радиоактивных веществ в окружающую среду – еще и от степени разрушения реактора.

2. Большинство радиоактивных веществ реакторного происхождения образу­ется в виде газообразных продуктов и мелкодисперсных аэрозолей с большой адгезионной и проникающей способностью.

3. Ядерные реакции будут протекать даже после разрушения реактора, поэтому выбросы РВ будут продолжительны во времени.

4. Образование радиоактивных аэрозолей при стационарной работе реактора дополняется процессами образования радиоактивных аэрозолей в ходе аварии.

5. Образование РА аэрозолей определяется дисперсионным, конденсационным и адсорбционным механизмами и связано с распадом радионуклидов инертных газов. При аварии на ЧАЭС диспергированию подвергалось ядер­ное топливо, графит и элементы конструкций. Одновременно происхо­дило выгорание части поверхности диспергированных частиц и образова­ние пор, на которых осуществлялась конденсация и десублимация паров продуктов горения, испарение и сублимация части диспергированного продукта, а также продуктов деления, растворение и экстракция водой (парами воды) радионуклидов и т.д.

Поэтому радиоактивные частицы, в зависимости от предыстории их образования, будут иметь следующие модификации:

– топливные – из расплавленной в результате взрыва и разрушения ак­тивной зоны реактора;

– производные – за счет продуктов деления, их последующей конденсации и десублимации;

– графитовые и сажевые частицы, образующиеся из графита и являющиеся продуктами сгорания;

– адсорбционные, как следствие адсорбции радионуклидов на частицах атмосферных аэрозолей;

– конструкционные, формирующиеся из многочисленных элементов конструкций ЯЭР;

– агрегатные, состоящие из множества слипшихся высокодисперсных час­тиц или мелких частиц, прилипших к поверхности крупных;

– экстракционные, полученные в результате экстракции парами воды радионуклидов, находящихся в активной зоне, и последующей конден­сации этих паров.

Выбросы и истечения радиоактивных веществ из реактора характери­зуются следующими основными радиационными поражающими факторами:

– газо-аэрозольная смесь радионуклидов, распространяется в виде облака на сотни километров и испускает мощ­ный поток ионизирующих излучений;

– длительное загрязнение местности; имеет длительный характер в результате разброса высокоактивных осколков ядерного топлива на территории АЭС и осаждения радиоактивных частиц из газо-аэрозольного облака.

Радиоактивное загрязнение - загрязнение поверхности Земли, атмосферы, воды либо продовольствия, пищевого сырья, фуража и различных предметов радиоактивными веществами в количествах, превышающих уровень, установленный нормами радиационной безопасности.

В связи с вышеизложенным, радиоактивное загрязнение местности при авариях на АС имеет следующие особенности:

1. Радиоактивное загрязнение местности и атмосферы имеет сложную зави­симость от исходных параметров (типа и мощности реактора, времени его работы, характера аварии и т.д.) и метеоусловий, вследствие чего прогнозирование его возможных масштабов весьма затруднено, требует разработки специальных методик и носит ориентировочный характер.

2. Естественный спад активности радионуклидов существенно более дли­телен, чем распад продуктов ядерных взрывов (рис.1.2).

 

Рис.1.2. Зависимость изменения мощности дозы излучения на местности

(P_t) во времени (t): 1-для ядерного взрыва, 2-для аварии на АС

(n =1,2 – для ядерного взрыва; n =0,4 – для аварии на АЭС)

 

3. Смесь выбрасываемых из реактора радиоактивных веществ обогащена долгоживущими радионуклидами (плутоний-239, стронций-90, цезий-137 и др.), причем относительный вклад в общую активность a-излучающих изотопов с течением времени будет увеличиваться. В результате большие площади на длительное время окажутся загрязненными биологически опасными радионуклидами, которые в последующем могут быть вовлечены в миграцион­ные процессы на местности.

4. Малые размеры радиоактивных частиц (средний размер около 2 Мкн) способствуют их глубокому проникновению в микротрещины и краску, что затрудняет проведение работ по дезактивации (рис.1.3).

5. Пылеобразование приводит к поступлению в организм через органы дыха­ния мелкодисперсных продуктов деления и, прежде всего, биологически опасных «горячих» частиц.

6. Наличие в атмосфере облака газо-аэрозольной смеси радионуклидов, испускающей мощный поток ионизирующих излучений.

7. Осаждение высокоактивных осколков конструкций реактора и графита как на территории АС, так и в виде пятен по следу облака.

8. Стационарный характер источника загрязнения, продолжительность выб­росов во времени на небольшую высоту (до 1,5 – 2 км) и частые из­менения метеоусловий приводят к азимутальной неравномерности загряз­нения местности, изменению уровней радиации в отдельных районах во времени и образованию радиоактивных зон загрязнения в виде пятен.

 

Рис.1.3. Активность (А) и плотность (Р) аэрозольных выбросов после

Чернобыльской катастрофы в зависимости от размеров частиц (d)

I, II, III, IV - группы частиц по размерам, 1, 2 - изменение плотности РА частиц в зависимости от механизма их образования

 

Аварии на подвижных ВАЭС качественно характеризуются теми же па­раметрами, что и аварии на АС, а количественные характеристики зависят от мощности энергетических установок, времени наработки реактора и т.д. Отличительной особенностью аварий на ВАЭС является то, что радиоактивное загрязнение местности может дополняться химическим заражением воздуха и пожаром.

Корабельные ЯЭУ имеют значительно меньшую мощность, чем АС, и поэтому количество накапливаемых в них радиоактивных продуктов на несколько порядков ниже. В результате, при возникновении аварии, длительное радиоактивное загряз­нение местности в районе источника аварии возможно в радиусе 500-1000 м, а на следе облака до 20 км. Очаги загрязнения могут отмечаться на расстоянии до 80 км.

В случае аварий космических аппаратов с ЯЭУ происходит обширное загрязнение местности, в основном, наиболее опасными долгоживущими изо­топами стронция-90 и плутония-238. Так, сгорание в атмосфере космическо­го источника тока мощностью всего 25 Вт приводит к загрязнению атмос­феры стронцием-90 и аналогично загрязнению при взрыве ядерного боеприпаса мощностью 2 Мт.

Радиационные последствия аварий на предприятиях ЯТЦ характеризуются: загрязнением окружающей среды осколками деления урана, плутония, а также диспергированным топливом (при превышении критической массы делящихся веществ); выбросом диспергированного топлива, газо-аэрозольной смеси и радиоактивных отходов технологических процессов (при возникновении пожаров).

Основными поражающими факторами при авариях с ядерными боеприпа­сами (ЯБП) являются: в зоне аварии – мгновенное гамма-нейтронное излучение и осколки деления; на следе - радиоактивное загрязнение местности.

Классификация возможных радиоактивных загрязнений местности при авариях на объектах с ЯЭУ приведена на схеме 1.3.

 

Схема 1.3. Классификация радиоактивных загрязнений при авариях на объектах с ЯЭ

Особенности радиоактивного загрязнения местности при аварии на АЭС по сравнению с подрывом ядерного (термоядерного) боеприпаса:

1. Состав радиоактивных изотопов в смеси, выбрасываемой в атмос­феру из реактора, существенно различен для каждого реактора, зависит от многих его параметров, что, в свою очередь, определяет различный характер уменьше­ния активности и интенсивности излучения со временем.

2. Значительная часть (около 1/3) энергии при ядерном взрыве затрачивается на проникающую радиацию, в то время как при аварии на АЭС проникающая радиация как поражающий фактор практически отсутствует.

3. Выброс радиоактивных веществ в атмосферу при ядерном взрыве происходит практически мгновенно, а при аварии на АЭС – сравнительно длительный промежуток времени.

4. При подрыве ядерного боеприпаса радиоактивное облако поднима­ется на высоту до 10-20 км и более, после чего переносится ветром, который, как правило, на данной высоте относительно устойчив. При аварии на АЭС газо-аэрозольное об­лако РВ поднимается на высоту до 1,5 км (т.е. ниже кромки сплошных облаков) и переносится ветром в нижних турбулентных слоях атмосферы, которые, как правило, неустойчивы, что, в свою очередь, затрудняет прогнозирование масштабов радиоактивного загрязнения.

5. При ядерном взрыве в облаке радиоактивно загрязненного воздуха содержится большое количество поднятой с земли радиоактивной пыли, с которой слипаются (сплавляются) продукты деления. При аварии на АЭС количество поднятой с грунта пыли будет незначительно.

6. При подрыве ядерного боеприпаса количество образовавшихся короткоживущих радионуклидов крайне мало, поэтому их действие на людей практически не учитывается. В то же время при аварии на АЭС короткоживущие радионуклиды представляют большую опасность.

7. Выбрасываемая при аварии на АЭС смесь радиоактивных веществ обогащена долгоживущими изотопами цезия-137, стронция-90, плутония-139 и т.д., что способствует последующей миграции РВ.

8. При аварии на АЭС с разрушением активной зоны реактора на территорию, непосредственно прилегающую к реактору, выбрасывается большое количество разрушенных конструкций реактора, в т.ч. кусков облученного графита (для реакторов типа РБМК). Вышеуказанные элементы являются источником мощного ионизирующего излучения.

9. При аварии на АЭС возможно «прожигание» основания реактора и фундамента сооружения энергоблока с последующим проникновением ради­оактивных частиц в грунт и грунтовые воды.

10. При ядерном взрыве общее количество выделяющихся в результате реакции деления радиоактивных веществ зависит от мощности и конструкции ядерного боеприпаса. При аварии на АЭС общее количество выброшенных радиоактивных веществ зависит в основном от типа реактора, его мощности, продолжительности работы от последней загрузки и вида аварии.

11. Средний размер радиоактивных частиц при ядерном взрыве около 200 мкм. При аварии на АЭС средний размер выбрасываемых из реактора частиц составляет около 2 мкм, что значительно облегчает их поступление в организм человека через органы дыхания, проникновение в микротрещины и микропоры различных объектов.

12. При ядерном взрыве определяющим в накоплении дозы излучения в организме человека является внешнее воздействие g-излучения от продук­тов взрыва. При аварии на АЭС оно существенно дополняется дозой облу­чения от загрязненной окружающей поверхности и дозой внутреннего облучения.

13. При аварии на АЭС спад мощности дозы облучения происходит зна­чительно медленнее, чем при ядерном взрыве (рис. 1.2).

Особенности механизма радиоактивного загрязнения местности при

аварии на АЭС

При авариях на АЭС и массовых радиоактивных загрязнениях большая часть выбросов радиоактивных веществ превращается в аэрозоли, которые обусловливают аэрозольное загрязне­ние местности в виде радиоактивных веществ, попавших на поверхность объекта.

Радиоактивные аэрозоли образуются в результате следующих процес­сов:

– диспергирования веществ, содержащих радиоактивные загрязнения;

– конденсации и десублимации паров радиоактивных веществ;

– адсорбции радионуклидов на поверхности частиц;

– наведенной активности и распада инертных газов с последующей

конденсацией продуктов распада.

При этом размер, форма и активность являются важнейшими параметрами радиоактивных аэ­розолей.

Радиоактивные частицы аварийных выбросов обычно имеют неправильную форму. Распределение частиц по размерам и активности при аварии на АЭС подчиняется нормально-логарифмическому закону:

средний диаметр частицы – около 2 мкм;

средняя активность частицы – 10^-14 - 10^-16 км.

Тем не менее, встречаются частицы, активность которых в сотни и даже тысячи раз выше активности обычных частиц. Эти частицы называются «горячими». Размер горячих частиц 0,7-2 мкм, а концентрация – 1 на 1-14 м³ воздуха. Источниками их являются уран – 234, 235.

Выбросы радиоактивных веществ в атмосферу определяются сочетанием различных механизмов образования аэрозолей.

Диспергированию подвергаются ядерное топливо, графит и элементы конструкций. Одновременно происходит выгорание части поверхности диспергированных частиц и образование пор на этой поверхности. В то же время происходит конденсация и десублимация паров продуктов горения, испарение и сублимация части диспергированного продукта, а также продук­тов деления, испарение и образование паров воды с одновременной экс­тракцией ими радионуклидов, а в последующем – адсорбции паров радионуклидов на частицах атмосферной пыли, а также в порах частиц, образо­вавшихся уже в процессе аварийного выброса.

В результате этих процессов возникают радиоактивные аэрозоли, происхождение которых обусловлено различной природой. В зависимости от предыстории и условий образования, радиоактивные частицы можно предста­вить следующим образом:

– топливные – из расплавленного в результате взрыва и разрушения активной зоны реактора;

– производные – за счет продуктов деления, их последующей конденса­ции и десублимации, в том числе в результате распада инертных газов и конденсации их продуктов;

– графитовые и сажевые частицы, которые образовались из графита и являются продуктами его сгорания;

– адсорбционные, образовавшиеся как следствие адсорбции радионуклидов на час­тицах атмосферных аэрозолей;

– конструкционные, формирующиеся из многочисленных элементов конструкций ЯЭУ;

– агрегатные, состоящие из множества слипшихся высокодисперсных или мелких частиц, прилипших к поверхности крупных;

– экстракционные, получаемые в результате экстракции парами воды радионуклидов, находящихся в активной зоне, и последующей конденсации этих паров.

По размерам частиц все выбросы условно можно разделить на 4 груп­пы (рис.1.3). Образование частиц I, II и частично III группы в первый и частично во второй период выбросов происходит путем диспергирования ядерного топлива и продуктов деления в результате парового взрыва при контакте топлива с теплоносителем, а также разрушения технологических каналов и разгерметизации реактора.

В период горения графита и окисления топлива выброс радиоактивных веществ осуществляется вследствие эффекта трубы за счет воздушного потока из нижних помещений реактора.

Выбросы частиц I группы, помимо диспергированного топлива и продуктов деления, содержат высокоактивные куски углерода и элементов конструк­ций реактора.

Некоторая доля частиц I и II групп представляет собой зерна диок­сида урана и плутония, обедненных изотопами цезия, что характерно для таблеток центральной части ТВЭЛов.

Частицы III группы образуются в результате разрушения периферий­ных частей топливных таблеток во время аварий и окисления на воздухе урана и плутония. Кроме этого происходит конденсация и десублимация па­ров радионуклидов, адсорбция их на аэрозольных частицах, а также экстрагирование радионуклидов паром с последующей конденсацией пара вместе с радионуклидами. Активность частиц этой группы сосредоточена по всей массе частиц.

Частицы IV группы возникают, главным образом, за счет конденсации и десублимации паров и газов. При их слипании образовываются агрегаты, которые переходят в III группу частиц.

Радиоактивные загрязнения в виде твердых, жидких и газообразных веществ после попадания на поверхность объектов закрепляются на ней, т.к. между радиоактивными веществами и поверхностью возникает связь, которая удерживает радиоактивные вещества.

В зависимости от физико-химического взаимодействия между загрязненной поверхностью и носителем активности для поверхностных загрязне­ний имеют место адгезионный, адсорбционный и ионообменный процессы (рис.1.4).

Характерной особенностью при адгезионном загрязнении является на­личие границы раздела фаз между радиоактивным веществом и поверхностью.

При адсорбции происходит концентрирование (сгущение) вещества на поверхности раздела фаз.

При физической адсорбции молекулы радионуклидов сохраняют свою индивидуальность, т.к. взаимодействие их с поверхностью обусловлено силами межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса).

При хемосорбции молекулы (ионы) радионуклидов, а так­же их соединения, образуют с адсорбентом поверхностные химические сое­динения.

При ионном обмене происходит обратимый (а иногда и необратимый) процесс эквивалентного (стехиометрического) обмена между ионами радионуклидов и загрязненной поверхностью. Ионообменная адсорбция является основным процессом, определяющим радиоактивное загрязнение почвы.

При попадании радиоактивных веществ в глубь материала происходит глубинное (объемное – для жидкой фазы) радиоактивное загрязнение (рис.1.8). При этом радиоактивные вещества могут попасть в глубь мате­риала объекта вследствие диффузии (1), проникновения в поры и неров­ности поверхности (2 –5), а также проникновения в капиллярно-порис­тые дисперсные системы и материалы (6).

Процессы поверхностного и глубинного загрязнений проявляются в совокупности, при этом возможно сочетание различных механизмов загрязнения в определенной последовательности. В свою очередь, механизм ради­оактивного загрязнения зависит от формы существования радионуклидов, входящих в состав твердых частиц растворов, молекул, ионов, химических соединений и коллоидных частиц.

 

 

 

Рис. 1.4. Поверхностное радиоактивное загрязнение за счет адгезии

(жидкости –1, частиц – 2, структурированных тел. – 3), адсорбции – 4

и обмена – 5

 

Так, в сухую погоду радиоактивные загрязнения будут в основном поверхностными. В то же время частицы небольших размеров, в т.ч. «горячие», будут проникать в выемки шероховатой поверхности, обусловливая глубин­ные загрязнения.

 

 

Рис. 1.5. Глубинные радиоактивные загрязнения в результате диффузии –1, попадания мелких частиц в глубинные поверхности – 2, капиллярного смачивания – 3, капиллярной конденсации – порах – 4, молекулярного заполнения пор – 5, проникновения в глубь капиллярно-пористого тела – 6

При загрязнении поверхностей каплями, содержащими радиоактивные вещества, первоначально будет происходить адгезия капель к твердой поверхности, что в дальнейшем приведет к адсорбции радионуклидов на по­верхности, ионному обмену, диффузии и капиллярному смачиванию.

Помимо физико-химических процессов, определяющих связь радиоак­тивных загрязнений с поверхностями объектов, степень радиоактивного загрязнения в значительной степени зависит и от топографии. Радиоактивное загрязнение объектов зависит от их расположения по местности, относительно аварийного ЯЭР, осо­бенностей первичного и вторичного загрязнений.

При движении газо-аэрозольного облака после его выброса из реакто­ра происходит оседание радиоактивных частиц. В этом суть первичного радиоактивного загрязнения. При этом выделяют 4 зоны радиоактивных загрязнений:

I зона – зона ближних выпадений радиоактивных частиц. Она обусловлена соединением, в основном, частиц I-й группы с кусками различного происхождения (ТВЭ­Лы, графит, бетон и т.д.). Мощность дозы 1800-5 мр/ч;

II зона – зона региональных загрязнений. Она обусловлена оседанием в основном частиц II и III групп. Мощность дозы на границах 5 - 0,05 мр/ч;

III зона – зона дальних загрязнений. Она обусловлена оседанием частиц в основном III и IV групп. Мощность дозы не на много превышала фоновые значения;

IV зона – зона трансграничных загрязнений. Обусловлена частицами IV группы.

Вторичным (иногда многократным) радиоактивным загрязнением считается переход радиоактивных веществ с ранее загрязненного объекта на чистый или загрязненный в меньшей степени. Так, радиоактивные загрязнения с местности, сооружений, транспорта, почвы и дорог, в противоположность первичному, могут переходить в воздушную среду, а затем оседать или осаждаться, вызывая радиоактивные загрязнения ранее «чистых» объектов (схема 1.4).

 

 

Схема 1.4. Возможные пути вторичного радиоактивного загрязнения

 

АВАРИИ С ВЫБРОСОМ (УГРОЗОЙ ВЫБРОСА)