Соблазны мирного атома
Дата: 15/04/2021
Тема: Безопасность и чрезвычайные ситуации


Б.Г. Гордон, профессор  (gordon@secnrs.ru)

Попытки представить себе более-менее отдалённое будущее обречены на неудачу, так как невозможно предусмотреть всю сумму обстоятельств, при которых оно наступит. Об этом гласит и древняя мудрость: «Хочешь насмешить Господа – расскажи Ему о своих планах». Так что любые предсказания, прогнозы и стратегии делаются не столько для их исполнения, а скорее становятся точкой отсчёта для периодической корректировки курса, учитывающей новые условия.



Недалеко время, когда человек получит в свои руки атомную энергию,

такой источник силы, который даст ему возможность строить

 свою жизнь, как он захочет…(В.И.Вернадский 1922г.)

Безопасность – ключевое слово  в ядерной энергетике.

(Из глоссы 2020г.)


Разумеется, при любом планировании используются только имеющиеся в наличии знания и технологии, поэтому способности предвидения авторов проявляются в удачном выборе наличных элементов. В отсутствие новых знаний или технологий на базе стратегии строятся временные планы, а появление новых обстоятельств, включая зуд реформаторства, как раз и становится поводом для регулярного пересмотра стратегий.

Поэтому следует стремиться к тому, чтобы наши намерения основывались бы на долговременных,  более общих правилах, чем те, что лежат в основе сиюминутных знаний и навыков. Поиски таких правил происходят посредством разработки гипотез, надежды на их реализацию становятся движущей силой деятельности, а качество гипотез устанавливается потомками post factum при сочувственном и благожелательном обсуждении. Так, атомная энергетика России  является частью её национальной энергетики, которая, в свою очередь, входит в состав российской промышленности, зависящей от мировой техносферы. Вот почему столь важен поиск глобальных тенденций в развитии человечества, которые определяют его перспективы, может быть, методом проб и ошибок. Так что данная статья вполне может рассматриваться как заявка на очередную гипотезу.


1. Экономика и безопасность

1.1 Развитие атомной энергетики России сопровождается разработкой и спорадическими пересмотрами стратегий развития: на 50 лет, на 100 лет и т.д.  При этом уже широко распространилось представление о двухкомпонентной энергетике ближайшего будущего, которая будет базироваться на двух типах энергетических реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, давно освоенных атомной энергетикой. В стратегиях также предусмотрены определённые «развилки», связанные с возможным появлением новых знаний, опыта и технологий, по которым уже ведутся поисковые научные исследования.

В книге /1/ подробно рассмотрено общепринятое утверждение, что важнейшая особенность наших, как впрочем, и зарубежных атомных станций (АС) состоит в том, что их реакторные установки являются конверсионными, то есть их прототипами были ядерные реакторы, предназначавшиеся для военных целей. По-видимому, исключение составляют кипящие корпусные реакторы (BWR), но у нас их и нет.

В начале 1950-х годов в СССР, Великобритании и США возобладала оптимистическая концепция использования атомной энергии в мирных целях. Выражалась она так: «Мы овладели атомной энергией, теперь её надо поставить на службу человечеству. Атом для мира». Соблазн был велик и казался вполне оправданным в рамках бытовавшей тогда всеобщей цивилизационной парадигмы: «Мы не можем ждать милостей от природы, взять их у неё – наша задача». Военная ядерная промышленность активно искала возможности мирного применения своего потенциала: стационарные и мобильные  АС, ледоколы, авиационные и  ракетные двигатели и т.д.

Так, например, водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР) «вышли на сушу» после триумфального применения на подводных лодках, быстрые натриевые реакторы (БН) родились из попыток обеспечить высокие темпы расширенного воспроизводства ядерного топлива в самом реакторе. В отечественных стратегиях также упоминается инновационный быстрый реактор с естественной безопасностью (БРЕСТ) со свинцовым теплоносителем, который не имеет конверсионного прошлого /2/. 

1.2 Мы не раз обращали внимание на то, что авария на Чернобыльской АЭС стала водоразделом в ранней истории атомной энергетики, которая, собственно, и сейчас находится в этом периоде. За десятки тысяч лет своего существования человеческая цивилизация в энергообеспечении перешла от дров к газу и бензину, повысив теплотворную способность применяемого топлива всего в 5-6 раз, а за 65 лет существования атомной энергетики эта способность возросла на 5-6 порядков в зависимости от состава и обогащения ядерного топлива.

Синергетическая сущность такого скачка обнаружилась только после Чернобыльской аварии, когда стало очевидно, что затраты на ликвидацию её последствий превышают выручку от атомного электричества всех советских АЭС: суммарные расходы Украины, Белоруссии и России на ликвидацию последствий за 25 лет  оказались порядка 500 млрд. долларов. Именно после этой аварии физики осознали, что новые ядерные источники энергии нуждаются в специальных физических средствах защиты от аварий, и не достаточно тех, что применяются на химических и других общепромышленных производствах. Аварии на Фукусиме, где, кстати сказать, эксплуатировались изначально «мирные» BWR, ясно продемонстрировали, что глубина существующей защиты и стойкость её эшелонов не сопоставимы с теми силами, которым они должны противодействовать. То есть обеспечение безопасности ядерных объектов оказалось важнейшим условием дальнейшего развития атомной энергетики.

В книге /1/ также описано, как кардинально изменилось отношение к безопасности АС после Чернобыльской аварии. Если бы работали рыночные механизмы, то атомная энергетика просто бы обанкротилась, остановилась и стала бы стоком немалых затрат на вывод из эксплуатации. Только существующие глубинные родственные связи с оборонной тематикой позволили ей сохраниться, так как государство взяло на себя все долговременные расходы по её дальнейшему развитию. Подобная ситуация сложилась и на Фукусиме: после банкротства эксплуатирующей организации расходы по ликвидации последствий аварии несёт государство. В прессе промелькнула информация, что их размер уже достиг 300 млрд. долларов. Порядок этой величины соответствует расчётам специалистов IRSN, в которых ликвидация последствий аварии на строящемся EPR-1600 оценена в 600 млрд. евро.

Не стоит ломиться в открытую дверь, доказывая, что ответственность за аварию, в первую очередь, несут те, кто придумал и создал объект: учёные, конструкторы, проектанты, строители. И только потом «вся полнота ответственности» в соответствии с законом /3/ будет возложена на эксплуатирующую организацию. Собственно такое положение дел как раз и установлено после Чернобыля не в последнюю очередь потому, что именно эксплуатант распоряжается финансовыми потоками, существенно большими, чем все перечисленные выше остальные участники использования атомной энергии, вместе взятые.

Очевидно, что ликвидация последствий тяжёлых аварий на АС настолько тяжела и  затратна, что главным приоритетом развития атомной энергетики должна стать не экономичность атомных станций, а их  безопасность. Все экономические и экологические преимущества атомной энергетики меркнут при сопоставлении с аварийными издержками. Сущность экономики АС состоит в предотвращении ядерных аварий, что принципиально отличает её от остальных отраслей промышленности.

Тем не менее, как правило, современные стратегии развития атомной энергетики опять основываются на традиционных экономических расчётах стоимости установленной мощности, на сравнении атомной и тепловой энергетики по ценам киловатт*часа, фунта урана, барреля нефти, по величинам КПД, КИУМ и т.п. /4/. Казалось бы, резкие скачки цен на нефть и газ, происходившие за последние десятилетия, должны были бы вызывать скептицизм по отношению к любым экономическим прогнозам. Разумеется, для уже построенных объектов разного типа можно сопоставить экономические показатели между собой, так как затраты уже произведены, да и то не просто договориться,  в каких единицах проводить сравнение. А вот для будущих объектов экстраполяция  таких показателей впрямую зависит от периода времени, для которого проводится сопоставление, от неизвестного соотношения цен на органическое и ядерное топливо, стоимости труда, металлов и т.д. И результаты расчётов существенно зависят от допущений, положенных в основу экстраполяции.  

Вместе с тем, подобные экономические расчёты сильно зависят от того насколько учитываются внешние издержки: стоимость изготовления и доставки оборудования, затраты на добычу и транспортирование топлива, грядущие расходы на вывод из эксплуатации и рекультивацию земель, включая известные попытки Я.В.Шевелёва включить риски аварий в число экономических индикаторов

То есть атомная энергетика отличается от всех остальных промышленных отраслей тремя важнейшими и хорошо известными особенностями: 1) высокой концентрацией энергии, 2) длительностью существования продуктов активации и распада, которые могут оказывать глобальное воздействие в случае ядерных аварий, и 3) нераспространением ядерных материалов. Именно из этого вытекают специальные требования к ядерной и радиационной безопасности реакторных установок.  Результаты эксплуатации конверсионных реакторов и анализ крупнейших ядерных аварий на них убедительно доказали, что главным свойством будущих реакторов должно стать исключение ядерной аварии в период срока их службы. Ибо крупная авария, как иллюстрирует таблица 1, сведёт на нет все их экономические достоинства. Так что наряду с выбором из имеющихся в наличии проектов ядерных реакторов стратегия развития атомной энергетики должна непременно предусматривать создание условий для развития атомной науки и конструирования новых типов реакторов.

1.3 Есть ещё одно общее соображение о последствиях резких скачков в человеческом знании, которое уже отмечалось ранее. Мы живём в мире, размеры которого определяются масштабами, воспринимаемыми нашими чувствами и достигнутыми возможностями. Человечество освоило скорости порядка десятков км/с. И скачок на четыре-пять порядков вверх выводит в область, где время замедляется, пространство искривляется и т.п.

Таблица 1. Сопоставление величин ущерба

Человек различает длины порядка долей миллиметра. Но скачок на пять-шесть  порядков вниз переводит нас в сферу нанометров, где проявляются совсем другие законы природы, изучение которых только начато в наши дни. При приближении к абсолютному нулю проявляются такие новые свойства, как сверхпроводимость, сверхтекучесть, а при повышении температуры на три-четыре порядка мы сталкиваемся с особым состоянием вещества – плазмой. Возможно, изучая скачок в теплотворной способности топлива для атомной энергетики, придётся иметь дело с похожими явлениями при обеспечении безопасности АС.

1.4  Интересно, что высказанные выше соображения вполне коррелируют с результатами судебно-технической экспертизы, проведённой для суда над официально назначенными «виновниками» аварии на Чернобыльской АС.  Атомная станция была  признана  взрывоопасным объектом на основании следующих соображений (цитируется по книге /5/):

«При нарушении контроля и управления любые ядерные реакторы в определенных режимах являются взрывоопасными. При указанных нарушениях выделяемая мощность возрастает и через некоторое время превышает возможности теплосъема. 

Дисбаланс выделяемой и отводимой мощности приводит к росту параметров теплоносителя, перегреву твэлов, элементов конструкции реактора, что в условиях невозможности погасить цепную реакцию деления может привести к тепловому взрыву. 

Выделение в упомянутом случае большого количества энергии не может быть локализовано технически целесообразными системами безопасности. Поэтому ядерные паропроизводящие установки с реакторами РБМК, ВВЭР, БН должны быть отнесены к потенциально взрывоопасным. 

В ядерных энергетических установках возможно также образование водорода, содержание которого может достичь взрывоопасной концентрации, если будет нарушен технологический процесс работы».

Конечно, у нас не прецедентное право, но следует признать, что последнее утверждение, увы, оказалось пророческим для Фукусимы.

Иногда можно слышать, что масштабы последствий Чернобыльской аварии преувеличены, что по количеству достоверных смертей она не идёт ни в какое сравнение с крупнейшими  промышленными авариями на химических производствах или в гидроэнергетике, где одномоментно гибли десятки и сотни тысяч людей. В качестве обоснования таких мнений приводятся результаты исследований, подобных /6/, где независимая комиссия ООН признала, что в Чернобыльской аварии достоверно погибло около шести десятков человек. Тем не менее, и в среде общественности, и среди специалистов её относят к глобальным катастрофам. В то же время, например, взрыв на индийском химическом заводе в Бхопале 1984 г. или цепной разрыв дамб на китайской реке Жухэ 1975 г., сопровождавшиеся огромными жертвами в тысячи и сотни тысяч человек, считаются региональными авариями и мало известны даже профессионалам.

Разумеется, эта позиция имеет основания для существования, но вряд ли станет в ближайшее время общепринятой.  Причины этого состоят в различном отношении к поражающим факторам  традиционной техносферы: взрывы, землетрясения, приливные и ударные волны, высокие температуры и т.п. А в атомной энергетике это, прежде всего, огромная энергия, содержащаяся в ядерном топливе, и радиоактивные вещества, находящиеся в тепловыделяющих сборках и в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ). И следует помнить о возможных глобальных радиационных последствиях ядерных процессов. Как только в свежем топливе произошла ядерная реакция и появились  продукты деления и активации, на Земле возникли новые элементы и изотопы, и все следствия этого ещё неизвестны, так как только недавно стали предметом научных исследований.

Возможно, человечество за десятки тысячелетий своего существования привыкло к постоянному сопровождению химических, механических, тепловых и тому подобных опасностей, тогда как радиационные воздействия изучаются всего лишь чуть более века. И за такой срок многие аспекты этих воздействий исследованы явно недостаточно. Тайны плодят страхи, «сон разума рождает чудовищ», но и атомное сообщество воспринимает аварии в Чернобыле и Фукусиме как глобальные. То есть, обеспечение безопасности АС становится главным принципом правового регулирования при дальнейшем развитии атомной энергетики. И ответ на вопрос, о какой безопасности ведётся речь, приобретает большое значение.


2. Нормативные виды безопасности

2.1 Именно поэтому после Чернобыля группа ведущих российских атомщиков предложила конструкцию ядерного реактора со свинцовым теплоносителем, у которого, по их мнению, ядерные аварии в принципе исключены за счёт свойства «естественной безопасности» – упомянутый выше БРЕСТ /2/. Существует множество работ, критикующих такое название, но этим словосочетанием неудачно переведён термин «inherent safety», и мне всегда казалось, что для перевода вполне можно было использовать нормативный термин из /7/: «Внутренняя самозащищённость РУ – свойство обеспечивать безопасность на основе естественных обратных связей, процессов и характеристик». Здесь и далее курсивом выделены цитаты из нормативных правовых актов. Разумеется, возникли предложения и других конструкций «безопасных» реакторов, подробнее о них можно прочесть в /1/.

Тут есть одна терминологическая тонкость, существенно влияющая на дальнейшее изложение. Термин «безопасность» в приведённом выше определении, по-видимому, следует определять так же, как это сделано в /7/: «Безопасность АС (ядерная и радиационная безопасность АС) − свойство АС обеспечивать надежную защиту персонала, населения и окружающей среды от недопустимого в соответствии с федеральными нормами и правилами в области использования атомной энергии радиационного воздействия». В обоих нормативных определениях речь идёт о защите от радиационного воздействия, а авторы /2/ имели в виду предотвращение ядерных аварий, что есть другое свойство РУ, именуемое в нормах «ядерной безопасностью».

Так, в соответствии с /8/ ядерная безопасность – «свойство РУ и АС с определённой вероятностью предотвращать возникновение ядерной аварии». Определение взято из глоссария потому, что к моменту пересмотра ПБЯ РУ АС /9/ уже считалось настолько общепринятым, что было исключено из описания терминов этого документа. Здесь не место для обсуждения правильности и эффективности принятой терминологии. Нормы периодически пересматриваются, и, если такие определения сохраняются не один десяток лет, то они отражают существующие представления.

То есть, имеются два фонетически похожих нормативных фразеологизма, обозначающих различные свойства одного объекта – АС. При соблюдении ядерной безопасности (ЯБ) РУ АС предотвращены ядерные аварии, а при ядерной и радиационной безопасности (ЯРБ) АС отсутствует недопустимое радиационное воздействие на человека. При этом ядерная и радиационная безопасность АС – это единый смысловой фразеологизм, который не следует воспринимать как сумму понятий: ядерная плюс радиационная безопасности.

Здесь уместно напомнить, что в /7/ содержатся и два определения понятия авария. «Авария на АС (авария) − нарушение нормальной эксплуатации АС, при котором произошел выход радиоактивных веществ и (или) ионизирующего излучения за границы, предусмотренные проектной документацией АС для нормальной эксплуатации в количествах, превышающих установленные пределы безопасной эксплуатации; авария характеризуется исходным событием, путями протекания и последствиями».

«Ядерная авария − авария, сопровождающаяся повреждением твэлов, превышающим установленные пределы безопасной эксплуатации, или авария без повреждения твэлов, вызванная: нарушением контроля и управления цепной реакцией деления; возникновением критичности при перегрузке, транспортировании и хранении ядерного топлива».

Здесь нами подчёркнуты сутевые отличия этих терминов. ЯРБ – это свойство АС предотвращать аварии на АС, то есть выход радиоактивных веществ. А ЯБ – другое свойство предотвращать подчёркнутые нами в определении три физических явления.

И возникает весьма важный вопрос: как связаны эти виды безопасности ЯРБ и ЯБ между собой, а также с теми определениями, которые существуют в законах /3,10/. В законе /3/ нет прямого определения безопасности, но основным принципом правового регулирования установлено, что «Обеспечение безопасности при использовании атомной энергии – защита отдельных лиц, населения и окружающей среды от радиационной опасности». А в законе /10/ определено, что «Радиационная безопасность населениясостояние защищенности настоящего и будущего поколений людей от вредного для их здоровья воздействия ионизирующего излучения».

Отметим, что закон /3/ содержит требования к административному, социальному, организационному и техническому состоянию объектов использования атомной энергии, обеспечивающему защиту (состояние защищённости) человека и окружающей среды, а также требования к проектированию, сооружению и эксплуатации ОИАЭ, при которых радиационное воздействие на человека и окружающую среду не превышает допустимых величин. Подразумевается, что его основные авторы и исполнители – технические специалисты.

А закон /10/ устанавливает организационные и санитарно-гигиенические требования к обеспечению защиты субъекта, человека от радиоактивного излучения, устанавливает эти самые допустимые значения на человека, исходя из воздействия ионизирующего излучения на организм, и основные авторы и исполнители его – врачи и биологи.

2.2 Таким образом, в области использования атомной энергии применительно к атомным станциям существуют, минимум, четыре нормативных видов безопасности: ЯБ РУ АС,  ЯРБ АС, безопасность использования атомной энергии (БИАЭ) и радиационная безопасность населения (РБН). Впервые попытка объяснить и проиллюстрировать взаимосвязи между этими видами безопасности была представлена в /1/, но с тех пор картинка существенно изменялась, и в настоящее время она выглядит, как показано на рис.1.

Рис.1. Взаимосвязи видов безопасности

Логика этого рисунка многократно описана в моих предыдущих работах, например, в /11/ и вытекает из приведённых определений: БИАЭ как состояние защищённости обеспечивается соблюдением целого ряда свойств АС (видов безопасности) и совместным действием различных организационных и технических систем. Так, деятельность органов и организаций обозначает действия инфраструктуры атомной энергетики, установленной законом /3/: органы управления и регулирования безопасности, эксплуатирующие организации, организации, выполняющие работы и предоставляющие услуги, организации научно-технической поддержки. Одни органы и организации могут остановить объект, другие приостановить действие лицензии, пересмотреть её условия, оценить обоснованность безопасности и т. п.

Радиационное воздействие АС может быть реальным (действительным, активным) или потенциальным (виртуальным, пассивным). Реальные воздействия существуют при эксплуатации, постоянно, хронически и могут быть измерены в тех единицах, которые установлены в соответствующих ФНП (например, в Зивертах). Реальные воздействия возникают в результате выбросов в атмосферу, сбросов в водную среду и отбросов (отходов), хранящихся на поверхности или в недрах Земли.

Потенциальные воздействия при нормальных условиях существуют только в наших умах, реально возникают при авариях и могут быть лишь рассчитаны с учётом вероятности их возникновения. Коренными причинами ядерных аварий могут стать внутренние и внешние события, нейтронно-физические процессы и технологические отказы, ошибки персонала, диверсии и т.п. Для АС реальная составляющая обычно ничтожна по сравнению с последствиями крупных аварий, поэтому если  действия инфраструктуры не достигли цели и ЯРБ оказалась нарушенной, то главная причина этого – рост потенциальной составляющей ЯРБ.

А под сохранностью ядерных материалов (ЯМ) и ядерных установок (ЯУ) в данном контексте понимается простое осуществление деятельности систем учёта, контроля и физической защиты ЯМ и ЯУ, обеспечивающих, в том числе, нераспространение ЯМ. В соответствии с законом /3/ это отдельные виды деятельности, отличающиеся от обеспечения ядерной, промышленной и пожарной безопасности, которые выполняются специальным персоналом. Иногда в русских переводах документов МАГАТЭ используется фразеологизм «физическая ядерная безопасность», который, по нашему мнению, только затрудняет понимание. Причём сохранность также не имеет реального воздействия, которое возникает только после нарушений в работе этих систем.

И, наконец, важнейшей является взаимосвязь между безопасностью-состоянием (БИАЭ) и безопасностью-свойством (ЯРБ): в случае нарушения ЯРБ ещё можно обеспечить БИАЭ с помощью средств аварийной готовности, например,  эвакуацией. Так было и в Чернобыле, и на Фукусиме. Можно вполне ограничиться сказанным и перейти к результатам анализа предложенных взаимосвязей.


3. Анализ взаимосвязей

Из всего сказанного выше следует ряд разнообразных следствий, которые могут быть реализованы при дальнейшем развитии атомной энергетики.

3.1 Схема взаимосвязей видов безопасности – это не более чем иллюстрация, служащая для наглядного сопоставления нормативных терминов. Она позволяет глубже понять и объяснить механизмы обеспечения БИАЭ, которое, напомним, является основным принципом правового регулирования закона /3/. Рис.1 построен на базе понятий этого закона и сам является результатом анализа крупнейших аварий в атомной энергетике.

Прежде всего, из него следует важное следствие о несравнимости разных видов безопасности между собой. Реальная и потенциальная составляющие ЯРБ взаимосвязаны подобно действительной и мнимой частям комплексного числа, так как они феноменологически различны, проявляются в разных формах, измеряются разными показателями и т.п. Также ЯРБ и БИАЭ разных АС не могут быть сравнимы между собой, а различные состояния одной АС не могут сравниваться по ЯРБ и БИАЭ, как несравнимы комплексные числа в силу их собственной природы. Этот вывод очевидно вытекает из рис. 1 и вызывает активное неприятие, так как повсеместно из самых разных уст можно слышать заявления о повышении и росте некой, неопределенной «безопасности», зачастую используемой без эпитетов и дополнений.

Анализ подобных деклараций показал, что, говоря о повышении безопасности, чаще всего имеют в виду радиационную безопасность человека, которая регулируется законом /10/, определяет состояние человека, а не свойство АС, и поэтому она отсутствует на рис.1. Основные нормы РБН установлены в этом законе отдельно для населения и работников (персонала) в виде индикаторов, превышение которых нарушает РБН: средняя годовая эффективная доза, эффективная доза за период жизни  или эффективная доза за период трудовой деятельности. Превышение любого индикатора нарушает РБН в каждом уже произошедшем случае, и говорить о повышении РБН можно при снижении количества таких нарушений.

А вот ЯБ в соответствии со своим нормативным содержанием может быть оценена количественно только по вероятностным показателям, хотя из рис.1 очевидно, что обеспечение потенциальной составляющей ЯРБ может быть нарушено в силу разнообразных причин. Этот факт тоже осознаётся ещё не достаточно, так как связывает разные виды безопасности с причинами их нарушения различной физической  природы. Из практики очевидно, что нарушение ЯБ может произойти из-за реактивностных аварий, как в Чернобыле, может быть следствием нарушения промышленной безопасности, как на Три-Майл-Айленд, или следствием внешних воздействий, вызвавших отказы оборудования  и химические реакции, приведшие к пожарам и взрывам, как на Фукусиме.

3.2 В книге /1/ приведено описание математической модели, связывающей вероятность ядерной аварии Р, количество проектируемых реакторов N, время их эксплуатации τ и частоту тяжёлого повреждения топлива λ, рассчитываемую методами вероятностного анализа безопасности (ВАБ).

P= 1 – exp (- λNτ)                      (1)

Эта модель, построенная с помощью теории массового обслуживания, позволила проиллюстрировать на рис 2 очевидные заключения о том, что при планировании серии из N реакторов вероятность ядерной аварии на них возрастает с ростом количества реакторов и времени их эксплуатации, то есть ЯБ снижается. Такую картинку полезно иметь в виду при разработке разнообразных планов развития атомной энергетики.  

Рис.2. Вероятность аварии в системе АС

Разумеется, теория массового обслуживания может быть применима к таким редким событиям, как авария, при целом ряде допущений. Поэтому уравнение (1) не следует воспринимать как расчётную формулу, оно может использоваться для качественных выводов, весьма сходных с теми, к которым пришёл В.А.Легасов на исходе своей жизни /12/. В частности, из (1) ясно следует понимание того, что снижение ядерной безопасности РУ АС – это естественный процесс роста энтропии, происходящий просто с увеличением количества АС и с течением времени их эксплуатации. Этот вывод также вполне согласуется с обыденными представлениями о самопроизвольном возрастании энтропии и постепенном разрушении любых объектов без необходимых энергетических затрат. Как формулировали в школе второй закон термодинамики: само собой всё только ухудшается.

То есть не безопасность естественна, как полагали авторы /2/, а её падение, снижение её обеспечения, и это понимание, к сожалению, до сих пор не стало общепринятым. Напротив, многие, по-прежнему, говорят о естественной, гарантированной безопасности, тогда как гарантировано и детерминировано  только снижение ЯБ по мере эксплуатации АС. Аварии случайны для индивидуального объекта, но становятся закономерны при росте числа объектов и времени их эксплуатации. Сопоставляя это понимание с соображениями предыдущих разделов, можно сказать, что экономические индикаторы атомной энергетики детерминированы, а показатели её ядерной безопасности – вероятностны, поэтому-то они не могут быть сравнимы по своей природе.

Оба приведённых рисунка отражают авторские подходы к интерпретации различных видов безопасности, публикуемые уже почти десять лет, но, тем не менее, чаще вызывающие нападки, а не конструктивную критику. Хотя они представляют собой не более чем весьма удобные иллюстрации для понимания связей и различий видов безопасности, существующих в действующих нормативных актах.

3.3 Так, из рис.1 наглядно видно, что в числе причин тяжёлых аварий могут быть нарушения в работе тех систем, которых мы объединили в виде «Сохранности ЯМ и ЯУ». Тем не менее, за всё время существования атомной энергетики не было крупных аварий, причиной которых были бы, например, диверсии или кражи.  Факт отсутствия нарушений ЯРБ в силу недостатков в работе систем учёта, контроля и  физической защиты может трактоваться по-разному. Во-первых, долгое ожидание события может предшествовать его скорому наступлению. Или, может быть, эффективность  способов предупреждения диверсий просто выше, чем средств предотвращения ядерных аварий.  Во всяком случае, пока консервативнее придерживаться первого предположения и быть настороже.

Таблица 2. Физико-химические причины техносферных аварий

В таблице 2 представлены некоторые причины возможных аварий, обусловленные наличием градиентов параметров, запасов опасных веществ и различных видов энергии. Понятно, что размеры последствий аварии зависят от сочетания этих предпосылок. Так вот, диверсии опасны тем, что способны инициировать совместное воздействие физико-химических факторов разной природы, не связанных между собой в технологическом процессе. К сожалению, попытки целенаправленного разрушения АС уже имели место в ЮАР, США и Иране.               

3.4 Следует особо отметить, что долгое время ВАБ проводился сугубо для реакторных установок, даже критерий наступления аварии назывался ЧПЗ – частота повреждения зоны (core damage frequency). Редкие специалисты обращали внимание на то, что в бассейнах выдержки и пристанционных хранилищах ОЯТ находятся продукты деления и активации в количествах радиоактивных веществ, сравнимых с теми, что содержатся внутри реакторов. Но при этом число и эффективность защитных барьеров у них ниже, чем у реакторов. К сожалению, мы дождались Фукусимы, которая явно продемонстрировала, что опасность ядерной аварии связана с самим существованием ОЯТ не зависимо от места и условий их размещения.

3.5 Вместе с тем, после Фукусимы также стало очевидно, что цилиндрические твэлы, доставшиеся атомной энергетике от конверсионных реакторов, плохо пригодны для длительной выдержки ОЯТ. Постепенное выделение газообразных продуктов деления внутри цилиндра рано или поздно приводит к потере им герметичности, и на объектах хранения ОЯТ реальная составляющая ЯРБ может падать за счёт роста неплотностей в оболочках твэлов, приводящих к выбросам радиоактивных веществ.

Исходя из этих соображений, было бы целесообразней использовать в атомной энергетике будущего твёрдое топливо в форме сферы, например, как подробнее изложено в «научных рекомендациях», также описанных в /1/. Шаровые твэлы давно находятся в поле зрения реакторостроителей, предлагались в проектах газовых реакторов, но ещё не нашли своего применения в энергетике. Было предложено размещать топливо в микросферах, обработанных так, что их поверхность является герметичным барьером для распространения продуктов деления.

В других проектах цилиндрические твэлы формировались из микросфер. Во всяком случае, безопасность АС при хранении топлива в форме  шаровых твэлов, в которых легче удерживаются газообразные продукты деления в силу их геометрических особенностей, может стать важным аргументом при  разработках перспективных конструкций ядерных реакторов, обладающих высокой внутренней самозащищённостью.

3.6  В последние годы изредка слышны предложения о необходимости систематических поисков возможностей прямого преобразования ядерной энергии в электрическую. Должен признаться, что я и сам участвую в этом хоре. В своих работах я не раз писал о перспективных проблемах энергетики, которые пока представляются лишь «хотелками»:

Ò утилизация низкопотенциальной энергии, связанной с градиентами в несколько десятков градусов;

Ò прямое преобразование ядерной энергии (синтеза или деления атомов) в электрическую, минуя тепловую;

Ò ёмкие и экономичные источники длительного хранения энергии;

Ò экономичная передача электроэнергии на большие расстояния без потерь;

Ò дальнейшее широкое развитие энергетически ничтожноёмких производств и технологий.

Думается, что подобные предложения в большей степени вытекают из оптимистических взглядов их авторов на природу человека, чем из физических предпосылок самой природы. Во всяком случае, все они не более, чем гипотетические научные основания для поисковых НИР.

Ведь при делении выделяются нейтроны и энергия в виде тепла – наименее выгодного энергетического вида для трансформации и передачи. Существующие термоэлектрические и термоэмиссионные устройства, к сожалению, малопригодны для энергетики в силу их низких кпд. Хотя кпд действующих АС, в общем-то, тоже невелик и составляет 30 – 35%.  Вместе с тем, известно, что в системах централизованного теплоснабжения России производится в полтора раза больше тепла, чем электроэнергии. Это обстоятельство побуждает рассмотреть вариант раздельного производства электричества и тепла в атомной энергетике и сконцентрировать отдельные усилия на создании ядерных реакторов с внутренней самозащищённостью целенаправленно только для теплоснабжения. Во всяком случае, мне не встречались в литературе предложения по созданию реакторов сугубо для производства тепла, исходя именно из соображений их безопасности.

Атомные станции теплоснабжения, строительство которых в СССР остановилось после Чернобыля, представляли собой продолжение развития конверсионных реакторов ВВЭР. Разумеется, взяв корпус от ВВЭР-1000 и снизив параметры теплоносителя на порядок до 16-и атмосфер, существенно уменьшили вероятность ядерной аварии. Но это было не главной, а сопутствующей интенцией для конструкторов. А на этих страницах речь идёт о создании специальных конструкций  реакторов для теплоснабжения с максимально доступной самозащищённостью. Вполне возможно, что для таких конструкций ещё просто нет физических предпосылок.

3.7 Анализ крупнейших аварий на АС привёл к необходимости разобраться в существующих  связях между нормативными видами безопасности, что, в свою очередь, позволило иначе взглянуть  на историю и перспективы развития атомной энергетики. Эти аварии, не в последнюю очередь, стали причинами не только современного природоохранного законодательства России, но и глобальных международных экологических соглашений,  которых прежде человечество не знало.

В частности, широко распространяется стремление к тому, чтобы технологии по возможности были максимально природоподобны, а объекты техносферы и их отходы легко утилизировались самой природой. И всё чаще можно слышать, что для благополучия человечества не следует создавать материалы и осуществлять процессы, которых не сотворила на Земле сама природа. Или, изготовляя новые материалы, нужно одновременно предусматривать эффективные меры по их утилизации, минимально воздействующие на окружающую среду.

Разумеется, подобные высказывания следует воспринимать как пожелания, а не императив. Например, природа не создала живые организмы, передвигающиеся на колёсах. А впрочем, никто ведь не оценил, насколько изобретение колеса повысило антропогенную нагрузку на Землю.

Так что если применить эти общие соображения к существующей повсеместно уран-плутониевой энергетике, то становится очевидно, что кажущиеся сегодня перспективными  ВВЭРы и БНы им не удовлетворяют.  Как известно, в первых атомных бомбах использовались обогащённый уран или плутоний – искусственный элемент, полученный в ядерных промышленных реакторах и которого до тех пор не было на Земле за исключением следов, образовавшихся в результате спонтанного деления урана.

Использование конверсионных технологий в «урановой» атомной энергетике привело к тому, что в результате ядерных реакций в топливе образовывались продукты деления и трансурановые актиноиды, изменяющие элементный и изотопный состав  астрономического тела, коим является наша планета.  Именно они являются одним из важнейших факторов, создающим опасности при обращении с ОЯТ в современной атомной энергетике. Эти изотопы не участвовали в эволюции живых существ, и поэтому пока неизвестно долговременное воздействие их на будущие поколения. А ведь это, пожалуй, самое страшное воздействие на Землю. При двухкомпонентной энергетике на одних реакторах нарабатываются актиноиды, а на других они должны сжигаться, да и то вроде бы не все.

Поэтому даже среди специалистов довольно распространено мнение, что главный недостаток ядерной энергетики состоит в том, что возможность ядерных аварий не исключена, а обращение с образующимися в ОЯТ трансурановыми актиноидами сопряжено с целым рядом проблем, кажущихся неразрешимыми. Наиболее ярким и последовательным представителем такой позиции является автор /13/. Подобные аргументы столь весомы, что заставляют пересмотреть основы развития атомной энергетики, вспомнив прежние отложенные предложения.

На заре атомной эры рассматривалась возможность промышленного  использования тория для производства электричества, который имеет ряд преимуществ перед топливом урановой энергетики  /12/. В настоящее время применение тория системно изучается, пожалуй, только в Индии.

Несмотря на опрометчивость сопоставления действующей и проектируемой технологии принято считать, что торий широко распространён в природе, требует не обогащения, а инициации реакции деления, он энергетически эффективнее урана, поэтому  топливные кампании дольше, чем на уране чуть ли не в десять раз и, самое главное, в ториевых реакторах не образуются трансурановые актиноиды, хотя отсутствующий в природе U233 возникает и продукты его деления весьма опасны.

Существуют разные мнения о причинах слабого интереса к ториевой энергетике. Наиболее распространено понимание, что за недолгий период своего развития атомная энергетика была и остаётся падчерицей военного использования. В ториевых реакторах не образовывался плутоний, и те несколько из них, что были построены, благополучно остановлены и забыты в силу их бесполезности для оборонных целей. Хотя среди них рассматривались не только твёрдотопливные, но и жидкосолевые конструкции. Вполне возможно, что материальные и интеллектуальные затраты на развитие принципиально новых технологий человечеству пока не по плечу. Но именно потому, что ядерные технологии должны выбираться не из экономических критериев, а исходя из их БИАЭ, целесообразно пересмотреть имеющийся опыт.

То есть и общие соображения, и анализ конкретных действующих технологий подтверждают необходимость широкомасштабных исследований ториевого цикла, тем более актуальных, что стратегический переход к ториевой энергетике обусловлен не только традиционной преемственностью научных знаний, но и развитием общечеловеческих экологических представлений о перспективах жизни на Земле.

Разумеется, атомная теплофикация, ториевые реакторы так же, как шаровые твэлы, – это давно известные технологии, по разным причинам не используемые в современной энергетике. Смысл данной работы не в том, чтобы напомнить известные вещи, а в том, чтобы показать их связи со стремлением сделать атомную энергетику максимально безопасной.

3.8  Высказанные выше гипотезы вытекают из очевидного факта, что будущее атомной энергии прямо зависит от условий, которые формируются сегодня, и наша задача предугадать причинно-следственные связи. Наиболее явная из них – это зависимость технологии от качества и эффективности образования. В этом отношении уже многое делается, но ещё больше предстоит сделать. Каждое ведомство печётся о сохранении и развитии вузов, готовящих  отраслевые кадры, но наряду с этим существует государственная задача поддержки естественных и технических наук, обеспечивающих интересы народов нашей страны и человечества в целом. И, к сожалению, просматривается мировая тенденция снижения интереса к производительным отраслям за счёт возрастания сферы разнообразных услуг и повышения времени и ценности досужих занятий.

В последние десятилетия, благодаря усилиям МАГАТЭ, широко распространены представления о важности «воспитания нового менталитета как населения, так и руководства стран, стремящихся к развитию ядерных технологий». Это пример реализации принципа «культуры безопасности», расширенного на всё человечество. Разумеется, любая антропогенная технология зависит от человека по-разному для этапов её создания: проектирование, сооружение, эксплуатация и т.д. Но чем сильнее эта зависимость при эксплуатации, тем технология несовершенней. И это очевидное доказательство необходимости поиска иных технологий.

Вместе с тем, в России высока доля государства в финансировании инновационных исследований и разработок, так что наши недостатки могли бы стать достоинствами. Но для этого необходимо осознание важности естественнонаучного образования. Решение такой задачи значительно сложнее, чем создание конструкций новых реакторов, так как надо сначала вырастить детей, способных и хотящих заниматься ядерной физикой. К сожалению, существующая ныне система образования ориентирована на «лириков-игроков», живущих в виртуальном мире информационных технологий, 3D принтеров, компьютеров и тому подобных устройств, по большей части, зарубежного изготовления. Самое печальное, что ещё не возникли те профессии, которые станут модными и востребованными в перспективе хотя бы ста лет, но вряд ли физика будет занимать среди них ведущее место. Так что любая стратегия развития атомной энергетики в качестве одного из важнейших намерений должна формировать общественное мнение и окружающую среду таким образом, чтобы они были благоприятны для её безопасного развития.


Заключение

Отношение к атомной энергетике существенно изменялось за недолгое время её существования. Эпиграфы к статье отчасти характеризуют амплитуду мнений: от восторженных славословий новых физических открытий до требований отказаться от распространения ядерных технологий из-за их глобальной опасности, продемонстрированной практикой. Но эта же практика свидетельствует о захватывающих возможностях технологии, несравнимых ни с одним из существующих способов производства энергии, так что мнения об этом всех атомщиков необходимы и весомы. А так как возможные перспективы измеряются тысячелетиями, то не хотелось бы ошибиться на младенческом этапе её развития.

Поэтому так важны и актуальны поиски физических основ новых реакторов, обеспечивающих за счёт их собственных свойств ядерную и радиационную безопасность. Отличие послечернобыльского этапа таких поисков состоит в изменении целеполагания: критерием приемлемости ядерных реакторов должна быть не их дешевизна, эффективность или выгода, а только безопасность. И хочется надеяться, что данная статья послужит созданию условий для совершенствования нашей уникальной отрасли. 


Литература

1. Гордон Б.Г. Безопасность ядерных объектов, М., НИЯУ МИФИ, 2014.

2. Орлов В.В., Аврорин Е.Н., Адамов Е.О. и др. Нетрадиционные концепции АЭС с естественной безопасностью//Атомная энергия. Т. 72. Вып. 4. 1992.

3. Федеральный закон «Об использовании  атомной энергии» от 21.11.1995 г. № 170-ФЗ.

4. Аврорин Е.Н., Адамов Е.О., Алексахин Р.М. и др. Концептуальные положения стратегии развития ядерной энергетики России в ХХI веке.  – М.: ОАО «НИКИЭТ», 2012.

5. Карпан Н.В.Чернобыль. Месть мирного атома. 2006.  E-libra.ru.

6. Наследие Чернобыля: Медицинские, экологические и социально-экономические последствия и рекомендации правительствам Беларуси, Российской Федерации  и Украины. Чернобыльский форум. Отчет ООН. Вена, 2005.

7. Общие положения обеспечения безопасности атомных станций  (ОПБ АС), НП-001-15. М.: НТЦ ЯРБ, 2016.

8. Термины и определения по ядерной и радиационной  безопасности. Глоссарий. М.: НТЦ ЯРБ, 2004.

9. Правила ядерной безопасности РУ АС (ПБЯ РУ АС), НП-082-07, М.,НТЦ ЯРБ, 2007.

10. Федеральный закон «О радиационной безопасности населения» от 09.01.1996 г. № З-ФЗ.

11. Гордон Б.Г. Взаимосвязи видов безопасности объектов ядерного топливного цикла, Атомная стратегия, № 7, 2020.

12. Легасов В.А. Высвечено Чернобылем, Изд. АСТ, М. 2020.

13. Дементий Башкиров    Америций-241 - основная проблема современной атомной энергетики, сайт ПроАтом от 21.02.2019.









Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=9614