«Это как тлеющие угли в яме для барбекю». В Чернобыле снова тлеют ядерные реакции
Спустя тридцать пять лет после взрыва Чернобыльской атомной электростанции в Украине в результате самой страшной ядерной аварии в мире, реакции деления снова тлеют в урановых топливных массах, похороненных глубоко внутри искалеченного реакторного зала. «Это похоже на тлеющие угли в яме для барбекю», - говорит Нил Хаятт, химик-ядерщик из Университета Шеффилда. Теперь украинские ученые изо всех сил пытаются определить, исчезнут ли реакции сами по себе или потребуются чрезвычайные меры, чтобы предотвратить еще одну аварию.
Датчики отслеживают растущее количество нейтронов, сигнал деления, исходящий из одной недоступной комнаты, сообщил на прошлой неделе во время обсуждения демонтажа реактора Анатолий Дорошенко из Института проблем безопасности атомных электростанций (ИСПАЭС) в Киеве, Украина. «Есть много неопределенностей», - говорит Максим Савельев из ИСПАЭС. «Но мы не можем исключить возможность аварии». Количество нейтронов медленно растет, говорит Савельев, предполагая, что у менеджеров есть еще несколько лет, чтобы придумать, как подавить угрозу. Любое лекарство, которое придумает он и его коллеги, будет представлять большой интерес для Японии, которая пытается справиться с последствиями собственной ядерной катастрофы 10 лет назад на Фукусиме, отмечает Хаятт. «Это такая же опасность».
Призрак самоподдерживающегося деления или критичности ядерных руин давно преследует Чернобыль. Когда 26 апреля 1986 года часть активной зоны реактора четвертого блока расплавилась, урановые топливные стержни, их циркониевая оболочка, графитовые регулирующие стержни и песок вывалились на активную зону, чтобы попытаться потушить огонь, и превратились в лаву. Он потек в подвальные помещения реакторного зала и затвердел в образования, называемые топливосодержащими материалами (ТСМ), которые содержат около 170 тонн облученного урана - 95% исходного топлива.
Саркофаг из бетона и стали, названный Укрытием, возведенный через год после аварии для размещения останков четвертого блока, позволил дождевой воде просачиваться внутрь. Поскольку вода замедляет или замедляет нейтроны и, таким образом, увеличивает их шансы поразить и расщепить ядра урана, тяжелые дожди иногда вызывали резкое увеличение количества нейтронов. После ливня в июне 1990 года «сталкер» - ученый из Чернобыля, который рискует подвергнуться радиационному облучению, рискуя попасть в поврежденный реакторный зал, - ворвался и распылил раствор нитрата гадолиния, который поглощает нейтроны, на ТСМ, который, как он и его коллеги опасались, мог стать критичным. Спустя несколько лет завод установил спринклеры нитрата гадолиния на крыше «Укрытия». Но спрей не может эффективно проникнуть в некоторые подвальные помещения.
Чиновники Чернобыля предположили, что любой риск возникновения критичности исчезнет, когда в ноябре 2016 года над Укрытием будет надвинут массивный Новый безопасный конфайнмент (НБК). Конструкция стоимостью 1,5 миллиарда евро должна была изолировать Укрытие, чтобы его можно было стабилизировать и в конечном итоге демонтировать. НБК также защищает от дождя, и с момента его установки количество нейтронов в большинстве районов объекта «Укрытие» было стабильным или снижается.
Но в некоторых местах они начали расти, почти вдвое увеличившись за 4 года в комнате 305/2, которая содержит тонны ТСМ, погребенных под завалами. Моделирование ISPNPP предполагает, что высыхание топлива каким-то образом делает нейтроны, рикошетирующие через него, более, а не менее эффективными при расщеплении ядер урана. «Это правдоподобные и правдоподобные данные», - говорит Хаятт. «Просто непонятно, каким может быть механизм».
Угрозу нельзя игнорировать. Поскольку вода продолжает отступать, опасаются, что «реакция деления ускоряется экспоненциально», - говорит Хаятт, что приводит к «неконтролируемому высвобождению ядерной энергии». Нет никаких шансов на повторение 1986 года, когда взрыв и пожар послали радиоактивное облако над Европой. Реакция неуправляемого деления в ТСМ может произойти после того, как тепло от деления испарит оставшуюся воду. Тем не менее, отмечает Савельев, хотя любая взрывная реакция будет сдерживаться, она может грозить обрушить нестабильные части шаткого Укрытия, заполнив КНБ радиоактивной пылью.
Устранение недавно разоблаченной угрозы - непростая задача. Уровни радиации в 305/2 не позволяют подойти достаточно близко для установки датчиков. И распылять нитрат гадолиния на ядерные обломки не вариант, так как он погребен под бетоном. Одна из идей состоит в том, чтобы разработать робота, который сможет выдерживать интенсивное излучение достаточно долго, чтобы просверлить отверстия в FCM и вставить баллоны с бором, которые будут функционировать как управляющие стержни и поглощать нейтроны. Между тем, ISPNPP намеревается усилить мониторинг двух других областей, где FCM могут стать критическими.
Возобновляющиеся реакции деления - не единственная проблема, с которой сталкиваются хранители Чернобыля. Под воздействием интенсивной радиации и высокой влажности ТСМ распадаются, порождая еще больше радиоактивной пыли, что усложняет планы демонтажа Укрытия. Вначале формирование FCM под названием «Слоновья лапа» было настолько сложным, что ученым приходилось использовать автомат Калашникова, чтобы отрезать кусок для анализа. «Теперь он более или менее имеет консистенцию песка», - говорит Савельев.
Украина давно намеревалась удалить ТСМ и сохранить их в геологическом хранилище. К сентябрю с помощью Европейского банка реконструкции и развития он планирует разработать для этого всеобъемлющий план. Но поскольку в Убежище все еще мерцает жизнь, может быть труднее, чем когда-либо, похоронить беспокойные останки реактора.
Опубликовано в: ЕвропаФизика
DOI: 10.1126 / science.abj3243
Оригинал:
‘It’s like the embers in a barbecue pit.’ Nuclear reactions are smoldering again at Chernobyl
By Richard StoneMay. 5, 2021 , 11:20 AM
Thirty-five years after the Chernobyl Nuclear Power Plant in Ukraine exploded in the world’s worst nuclear accident, fission reactions are smoldering again in uranium fuel masses buried deep inside a mangled reactor hall. “It’s like the embers in a barbecue pit,” says Neil Hyatt, a nuclear materials chemist at the University of Sheffield. Now, Ukrainian scientists are scrambling to determine whether the reactions will wink out on their own—or require extraordinary interventions to avert another accident.
Sensors are tracking a rising number of neutrons, a signal of fission, streaming from one inaccessible room, Anatolii Doroshenko of the Institute for Safety Problems of Nuclear Power Plants (ISPNPP) in Kyiv, Ukraine, reported last week during discussions about dismantling the reactor. “There are many uncertainties,” says ISPNPP’s Maxim Saveliev. “But we can’t rule out the possibility of [an] accident.” The neutron counts are rising slowly, Saveliev says, suggesting managers still have a few years to figure out how to stifle the threat. Any remedy he and his colleagues come up with will be of keen interest to Japan, which is coping with the aftermath of its own nuclear disaster 10 years ago at Fukushima, Hyatt notes. “It’s a similar magnitude of hazard.”
The specter of self-sustaining fission, or criticality, in the nuclear ruins has long haunted Chernobyl. When part of the Unit Four reactor’s core melted down on 26 April 1986, uranium fuel rods, their zirconium cladding, graphite control rods, and sand dumped on the core to try to extinguish the fire melted together into a lava. It flowed into the reactor hall’s basement rooms and hardened into formations called fuel-containing materials (FCMs), which are laden with about 170 tons of irradiated uranium—95% of the original fuel.
The concrete-and-steel sarcophagus called the Shelter, erected 1 year after the accident to house Unit Four’s remains, allowed rainwater to seep in. Because water slows, or moderates, neutrons and thus enhances their odds of striking and splitting uranium nuclei, heavy rains would sometimes send neutron counts soaring. After a downpour in June 1990, a “stalker”—a scientist at Chernobyl who risks radiation exposure to venture into the damaged reactor hall—dashed in and sprayed gadolinium nitrate solution, which absorbs neutrons, on an FCM that he and his colleagues feared might go critical. Several years later, the plant installed gadolinium nitrate sprinklers in the Shelter’s roof. But the spray can’t effectively penetrate some basement rooms.
Chernobyl officials presumed any criticality risk would fade when the massive New Safe Confinement (NSC) was slid over the Shelter in November 2016. The €1.5 billion structure was meant to seal off the Shelter so it could be stabilized and eventually dismantled. The NSC also keeps out the rain, and ever since its emplacement, neutron counts in most areas in the Shelter have been stable or are declining.
But they began to edge up in a few spots, nearly doubling over 4 years in room 305/2, which contains tons of FCMs buried under debris. ISPNPP modeling suggests the drying of the fuel is somehow making neutrons ricocheting through it more, rather than less, effective at splitting uranium nuclei. “It’s believable and plausible data,” Hyatt says. “It’s just not clear what the mechanism might be.”
The threat can’t be ignored. As water continues to recede, the fear is that “the fission reaction accelerates exponentially,” Hyatt says, leading to “an uncontrolled release of nuclear energy.” There’s no chance of a repeat of 1986, when the explosion and fire sent a radioactive cloud over Europe. A runaway fission reaction in an FCM could sputter out after heat from fission boils off the remaining water. Still, Saveliev notes, although any explosive reaction would be contained, it could threaten to bring down unstable parts of the rickety Shelter, filling the NSC with radioactive dust.
Addressing the newly unmasked threat is a daunting challenge. Radiation levels in 305/2 preclude getting close enough to install sensors. And spraying gadolinium nitrate on the nuclear debris there is not an option, as it’s entombed under concrete. One idea is to develop a robot that can withstand the intense radiation for long enough to drill holes in the FCMs and insert boron cylinders, which would function like control rods and sop up neutrons. In the meantime, ISPNPP intends to step up monitoring of two other areas where FCMs have the potential to go critical.
The resurgent fission reactions are not the only challenge facing Chernobyl’s keepers. Besieged by intense radiation and high humidity, the FCMs are disintegrating—spawning even more radioactive dust that complicates plans to dismantle the Shelter. Early on, an FCM formation called the Elephant’s Foot was so hard scientists had to use a Kalashnikov rifle to shear off a chunk for analysis. “Now it more or less has the consistency of sand,” Saveliev says.
Ukraine has long intended to remove the FCMs and store them in a geological repository. By September, with help from European Bank for Reconstruction and Development, it aims to have a comprehensive plan for doing so. But with life still flickering within the Shelter, it may be harder than ever to bury the reactor’s restless remains.
Posted in: EuropePhysics
doi:10.1126/science.abj3243
Добавить отзыв