Вдруг с неба упадет самолет: АЭС и устойчивость к внешним угрозам

Представления людей о той или иной опасности часто не соответствуют реальности. АЭС — один из типичных примеров такого рода. Зачастую мы слышим: на реактор может упасть самолет (или его могут направить туда террористы). Он способен выйти из строя из-за землетрясения или цунами. В атомной войне они станут целями для боеголовок противника — и тем самым серьезно усложнят выживание любой стране, у которой они есть. Более того, многие думают, что если реактор подвергнется настолько серьезному воздействию, то сам может взорваться как атомная бомба.

Живучесть и древность этих представлений необычайна: даже в первом фильме бондианы, вышедшем в 1962 году, британский правительственный агент занимается именно диверсией на АЭС бассейнового типа (аналогичные ей реально существовали в ту эпоху). Он умудряется разогнать реактор так, что на острове загадочного доктор Ноу из СПЕКТРа происходит взрыв — и всей его преступной инфраструктуре наступает конец.

Как бы ни было смешно, но в основе этой нереальной истории лежат те же идеи, что и в основе описанных выше кошмаров наших современников: непонимание того, как работают реакторы на самом деле.

Начнем с простейшего: нет, реактор не может взорваться как атомная бомба. Для этого нужно 47 килограммов оружейного (практически чистого) урана-235, сложенные компактной «горкой», а затем еще резко «обжатых» взрывом. В современных реакторах не используется топливо и с 50% обогащения, даже 20% — редкость. Большинство использует топливо, в котором урана-235 вместе с плутонием не более 5%. Что ни делай с таким топливом, ядерный взрыв из этого не получится. Бонд не смог бы устроить ядерный взрыв на острове доктора Ноу. Вернемся к более реалистичным сценариям.

Падение самолета

Этой теме с самого 2001 года отдается немало внимания прессы. Типичные суждения тут подобные вот этим с bellona.ru: «Ни у действующих, ни у строящихся АЭС нет серьезной защиты от этого».

На самом деле, все не так: например, для реакторов ВВЭР-ТОИ предусматривается защита от падения 20-тонного истребителя, а как запроектное воздействие рассматривается падение 400-тонного самолета типа «Боинга-747». Но даже до появления подобных усиленных видов защиты реальной опасности от падения авиалайнера для АЭС не было.

Как ни странно, современному реактору просто не нужна какая-либо особая защита от случайного падения самолета — даже от преднамеренной атаки пассажирским авиалайнером, как 11 сентября 2001 года. Причина проста: энергоблок защищает контейнмент — наружная оболочка со стенами из железобетона толщиной до полутора метров.

Напомним: самолеты — это конструкции из дюралюминиевых сплавов с типичной толщиной внешней оболочки 1,5 миллиметра или в тысячу раз меньше. Внутри они практически пустые. Действительно плотные части самолета — его моторы, но у авиалайнеров они разнесены далеко в сторону, отчего не смогут обеспечить удар «плотно сжатым кулаком», только растопыренными пальцами.

Шансы такой конструкции пробить метровый железобетон — такие же, как у куриного яйца пробить стену толщиной в полкирпича. Даже если яйцо ударит в стену на скорости 500 километров в час — а больше авиалайнеру не набрать даже в пикировании, — кирпичная стена от этого не развалится.

Однако не так много людей знают, какой толщины обшивка авиалайнера или защитная оболочка реактора. Многие исходят из примера башен-близнецов — огромных небоскребов, погибших от атак самолетов под управлением террористов. Там, правда, обрушение случилось вовсе не от удара самолета о здание, а от того, что из разрушившихся при столкновении авиалайнеров вытекало топливо. Оно горело, стальные конструкции, на которых держатся небоскребы, нагрелись до сотен градусов, потеряли прочность и в итоге сложились. В АЭС этот сценарий нереален: они не небоскребы, их оболочка куда толще, поэтому прочность контейнмента нельзя нарушить нагревом от топлива авиалайнера.

Но публика редко об этом задумывается, поэтому в 2002 году в США в связи со страхами общественности было проведено исследование: что будет, если «Боинг-767» врежется в здание с атомным реактором внутри. Оказалось, ситуация для реактора облегчается еще и тем, что ударить в него на полной скорости авиалайнер не может.

Дело в том, что при попытке спикировать под большим углом на таком самолете любой пилот либо потеряет контроль над машиной (чья система управления исходно не была предназначена для таких резких маневров), либо вообще разрушит самолет в воздухе. Атака возможна только при пологом пикировании (то есть в самую толстую, горизонтальную часть контейнмента) и на умеренной для авиалайнера скорости. Иначе (на большой скорости) точно управляемый полет в приземном слое реализовать сложно, а без хорошей управляемости «воткнуть» самолет в не самый большой объект будет сложно.

Топливо в таком сценарии, кстати, вовсе не может стечь сверху на здание: оно будет находиться у подножия, где и выгорит, не подвергнув серьезной опасности ни контейнмент, ни тем более находящийся внутри реактор.

К сожалению, полнозаразмерный тест такого рода никто не проводил (только моделирование). Однако фрагмент стены, типичной для контейнмента, испытывали ударом старого истребителя «Фантом», разогнанного до 770 километров в час: Истребитель этот меньше лайнеров, но зато его моторы (самая плотная часть авиационной конструкции) расположены очень близко друг к другу. Поэтому эффект от удара этого истребителя о железобетон, как ни странно, вполне сопоставим с ударом в ту же стену крупного лайнера.

После теста максимальная глубина следа на железобетоне составила 60 миллиметров. Неудивительно, что и французское исследование 2012 года посчитало сомнительным разрушение контейнмента от падения на него самолета.

Хорошо, мы убедились, что сам контейнмент самолету пробить не удастся. Но через него идут трубы с водой — они при ударе могут дать течь, верно? Чисто теоретически это возможно: если лайнер случайно ударит как раз над участком, где проходят трубы. Но что это даст? Вода из второго контура нерадиоактивна, да и из первого, если честно, умеренно опасна, поскольку при ее обстреле нейтронами просто не создается значительное количество долгоживущих радионуклидов (благо в воде из атомов только водород и кислород).

А как же «радиоактивная вода Фукусимы», спросит читатель? Увы, никак: вечно возобновляющиеся публикации в СМИ про эту воду — исключительно результат радиофобии. Да, активная зона реактора на Фукусиме частично расплавилась, а использовавшуюся для ее охлаждения морскую воду действительно рано или поздно начнут сбрасывать в океан. Вот только это добавит в местный радиационный фон, получаемый жителями… 1,2 микрозиверта, то есть меньше, чем если они раз в год сходят на рентген. Более того: и с этой добавкой фон у Фукусимы будет много меньше, чем естественный и вполне безопасный для здоровья радиационный фон в целом ряде других регионов планеты.

Предпоследний вопрос: а что если самолет упадет на контейнеры, где хранится отработавшее ядерное топливо (как мы уже объясняли, его неверно называть «ядерными отходами»)? Как ни странно, снова ничего. Эти контейнеры проверяли на прочность, пуская в них разогнанные до больших скоростей поезда, и не смогли нанести им заметных повреждений. Самолет сделан из намного более тонкого металла заметно меньшей плотности. Кроме того, он легкий (относительно железнодорожных объектов). Из-за всего этого авиалайнер не сможет всерьез повредить топливо в таком контейнере.

И, наконец, последний вопрос: что, если удар придется по залу управления и уничтожит его полностью, со всеми операторами? В случае нынешних реакторов — практически ничего. Дело в том, что сейчас стержни над активной зоной удерживают электромагниты. Утрата энергоснабжения (вероятная при разрушении зала управления) или любые опасные необычности в поведении реактора приведут к тому, что питание, подаваемое на эти электромагниты, будет отключено, и стержни сами, под действием одной силы тяжести, упадут внутрь активной зоны, останавливая там цепную реакцию.

Из всего этого становится понятно, почему террористические атаки на АЭС сегодня редко попадают в СМИ: их не так много (слишком защищенный объект).

Землетрясение: что случится с реактором после него

Устойчивость того иного объекта к землетрясениям напрямую зависит от того, насколько он подготовлен к различным видам нагрузок. Бетон слабо переносит нагрузку на растяжение, поэтому его давно армируют стальной арматурой. В случае АЭС эта арматура предварительно напряженная — то есть бетон заливают на заранее натянутые армирующие тросы. В результате прочность здания даже очень старых реакторных сооружений огромна. Кроме того, специальные гидроамортизаторы связывают плиту основания и оборудование станции в одно целое, не позволяя ему смещаться даже при очень сильных толчках.

Впервые такую сейсмоустойчивость в СССР продемонстрировала Армянская АЭС с двумя реакторами ВВЭР-440, построенными в 1970-х. 7 декабря 1988 года близ нее случилось Спитакское землетрясение. В эпицентре оно дало семь баллов по шкале Рихтера, а у самой АЭС — 5,5 балла. Всего в Армении тогда погибло 25 тысяч человек, а на территории атомной станции — ни одного.

Но если реакторы оказались прочны, то про советский образовательный фундамент это сказать уже сложнее. Дело в том, что на тот момент в СССР антиатомные настроения были на пике и пресса регулярно и успешно запугивала общество, рассказывая об опасностях атомной энергетики — правда, что характерно, все больше без цифр, но качественно напирая на эмоции. От этого значительная часть неквалифицированного персонала Армянской АЭС просто бежала со своих рабочих мест, что потребовало переброски персонала аж с Кольского полуострова.

Политики позднего СССР, как несложно догадаться, были такой же добычей СМИ, как и все остальные. Поэтому они, недолго думая, приняли решение об остановке абсолютно нормально работавшей тогда станции, по сути «не заметившей» самого землетрясения. Обоснование? «Учитывая общую сейсмическую обстановку в связи с землетрясением на территории Армянской ССР… остановить первый блок ААЭС».

Вдумаемся: станция отлично пережила событие, убившее в ее окрестностях 25 тысяч человек, — нигде ни одной трещины, никаких повреждений. Как можно «учитывая сейсмическую обстановку» закрыть то, что блестяще показало способность проходить через сложности такой обстановки? Кстати, станция была рассчитана на девятибалльное землетрясение — то есть куда мощнее, чем случалось на территории Армении за ее историю.

Разумеется, необоснованное решение стоило довольно дорого. После остановки было решено провести «исследование» — вырезать куски из парогенераторов, чтобы посмотреть, нет ли в них незаметных трещин. Строго говоря, такие вещи можно исследовать и без разрушений, но в эпоху антиатомных настроений казалось очевидным, что АЭС никогда не запустят, поэтому «исследование» провели, отчего первый блок лишился работоспособности. С него начали срезать часть оборудования и распродавать задешево — благо правовая и коммерческая культура того времени не видела в таких действиях ничего особенного.

Однако в 1990-х в Армении начались экономические трудности плюс часть традиционных путей подвоза топлива из-за блокады были утеряны. Поэтому к 1995-му АЭС перезапустили — правда, на половинной мощности, потому что первый энергоблок, как мы отметили выше, успешно загубили. Сегодня работает только второй, давая 40% электроэнергии республики.

И все же атомным электростанциям пришлось показать и свою способность пережить девятибалльное землетрясение. Случилось это в районе Фукусимы. Обычно события там оцениваются как тяжелейшая катастрофа в истории атомной энергетики XXI века. АЭС оказалась рядом с эпицентром сильнейшего землетрясения в истории Японии, но от самого землетрясения там не вышло из строя буквально ничего, ни один объект. Между тем размах сейсмической активности был огромным: от самого землетрясения и последующего цунами погибли или пропали без вести 18,5 тысячи японцев.

А что же цунами?

Действительно, нельзя не признать, что цунами, если оно не предусмотрено проектом, весьма опасно — впрочем, не только для реакторов, а для кого угодно. Но весь вопрос в том, как именно оно опасно.

Известные события на АЭС «Фукусима Даити» обычно воспринимаются как некая катастрофа. Напомним: хотя станция спокойно перенесла девятибалльное землетрясения без каких-либо проблем — и первую волну цунами высотой в четыре метра (исключительно сильную, по обычным меркам), — вторая волна в 15 метров превысила высоту защитной дамбы в 5,7 метра. Поэтому она залила большое количество вспомогательных зданий станции. В том числе ее дизель-генераторы, которые должны были обеспечивать охлаждение реакторов при полной потере энергоснабжения. Потеря, конечно же, произошла: цунами частично оборвало линии электропередач.

Вообще, дальше серьезных проблем могло и не быть — если бы американские проектировщики этой довольно старой станции сделали ее проект более продуманно. Почему-то в нем резервные дизель-генераторы, питающие расхолаживающие насосы в реакторах, были расположены в подвальных помещениях, а не выше уровня земли, как остальные части станции. Естественно, подвалы оказались затоплены водой. Строго говоря, в зонах, где возможно затопление, резервные генераторы располагают как раз так, чтобы их не залило водой. Но Фукусиму спроектировал так, как спроектировали, что и привело к аварии.

Сразу после начала толчков на местных реакторах сработала защита на случай тяжелых землетрясений. Стержни с поглощающим нейтроны веществом были введены в активную зону, то есть реакторы заглушили.

Однако после остановки топливо все еще выделяет некоторое количество тепла, поэтому реакторы надо какое-то время расхолаживать. Вот с расхолаживанием возникли большие проблемы. Герметичные здания-контейнменты фукусимских реакторов были спроектированы под небольшое давление в пять-шесть атмосфер, а все, что больше, аварийные клапана должны были стравливать в атмосферу, чтобы контейнмент не «порвало» этим самым нерасчетным давлением. В этом не было бы проблемы, если после потери питания японские реакторы могли бы отводить остаточное тепло от ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент с ядерным топливом внутри) сами, без внешней подпитки водой от насосов вне контейнментов.

Но они не могли: у японских реакторов (по сути, американского дизайна полувековой давности) был всего один контур охлаждения. На строящихся сегодня российских реакторах типа ВВЭР — двухконтурные схемы, поэтому воды в системе охлаждения намного больше, а тепло может отводиться без участия каких-либо внешних источников водоснабжения на протяжении 72 часов. На Белоярской АЭС контуров охлаждения вообще три.

Другой важный момент: фукусимский реактор — кипящий, то есть вода в нем кипит, и при ее перегреве отвод тепла от ТВЭЛ может резко снизиться. Ведь когда вся вода выкипит в пар, теплопроводность которого много ниже, теплоотвод от ядерного топлива упадет.

В такой ситуации циркониевые оболочки ТВЭЛ реагируют с водяным паром и образуют кислород и водород — крайне взрывоопасную смесь. На Фукусиме она скопилась внутри реакторов, а при подаче на объектов источников искр еще и взорвалась. Разрушения контейнментов при этом не случилось, но в самом факте взрыва ничего хорошего, конечно, нет, пусть от него никто и не погиб.

Однако на современных реакторах типа ВВЭР такой сценарий принципиально невозможен — и вот почему. Контейнмент ВВЭР имеет объем в 75 тысяч кубических метров и выдерживает внутреннее давление в 50 тонн на квадратный метр. Следовательно, даже если бы ВВЭР внезапно оказался бы там, где возможны цунами, и был бы построен без защитной дамбы, то полное лишение его электроснабжения привело лишь к выкипанию воды из первого контура — и не сразу, а сильно после 72 часов. Но и после полного выкипания водяной пар не смог взломать изнутри контейнмент — в отличие от японского аналога, его размеры и прочность позволяют удержать внутри все, что там есть.

Иными словами: да, если внешний теплоноситель для охлаждения реактора не будет подаваться трое суток — только после этого вода закипит, — то возможен перегрев ТВЭЛ с их повреждением. Цирконий из оболочек ТВЭЛ способен прореагировать с водой и дать водород — но в верхней части ВВЭР стоят поглощающие водород реагенты, поэтому накопиться здесь в больших количествах водород не сможет. На этом список реалистичных последствий любых цунами можно для современных реакторов заканчивать: в крайнем случае реактор «загубит» свою активную зону, но не выпустит ничего заметно радиоактивного наружу.

Неоцененная безопасность старых реакторов

Напоследок стоит обратить внимание вот на что. Хотя реакторы Фукусимы были предельно устаревшего дизайна и поэтому куда менее безопасны, чем современные (те же ВВЭР-1200), как ни странно, они оказались весьма безопасными для населения во время цунами.

Звучит странно: ведь СМИ постоянно трубят нам о том, что Фукусима была страшной ядерной катастрофой, которая сделала необитаемыми огромные территории и до сих пор продолжает загрязнять океан радиоактивной водой. Как же можно называть ее реакторы «безопасными для населения»? Ответ на этот вопрос прост: цифры.

Когда СМИ рассказывают о фукусимских ужасах, они тщательно избегают называть конкретные цифры — уровень радиоактивного загрязнения в результате аварии. Восполним их недоработку: люди в префектуре Фукусима в результате этой аварии получили и получат за всю жизнь 10 миллизивертов.

Много это или мало? Естественный радиационный фон в Японии — 3,83 миллизиверта в год. То есть в самой вроде бы пострадавшей части страны радиационное заражение оказалось равным 2,5 года местной фоновой радиации. Если брать США, где, в силу образа жизни, радиационный фон составляет 6,24 миллизиверта в год, то речь идет о 1,5 года нормального фона.

Быть может, нормальный фон — это и так много, и превышать его даже незначительно опасно? Достоверно известно, что это не так. Например, за 30 лет работы авиапилоты на коммерческих авиалиниях получают 50 миллизивертов — впятеро больше, чем «жертвы» из префектуры Фукусима (мы просим прощения за кавычки, но при такой дозе без них писать это слово было бы нечестно). Может, пилоты безумно рискуют жизнью и все как один умирают рано? Увы, на практике средняя продолжительность их жизни на четыре-пять лет выше, чем у населения в целом.

Да что пилоты. Одна компьютерная томография дает от 10 до 30 миллизивертов — то есть за считаные минуты доставляет в организм больше радиации, чем «жертвы» Фукусимы получают за всю жизнь. Люди, которые бежали из префектуры в 2011 году и многие из которых так и не вернулись в свои дома, боятся радиации от станции, но никто никогда не слышал, чтобы они боялись компьютерной томографии. Почему так?

Все дело в том, что современное общество хронически плохо информировано: информацию оно черпает из прессы, а та… Ну, чего греха таить, она живет от кликов. Ясно, что писать про Фукусиму, значит получать больше кликов, да и сам журналист далеко не всегда достаточно трудолюбив, чтобы найти цифры доз населения от аварии и понять, что они за всю их жизнь ниже, чем от одной (!) компьютерной томографии (вполне безвредной для здоровья).

Разумеется, персонал АЭС получил несколько большие дозы — шесть человек получили от 309 до 678 миллизивертов, что уже довольно значимо. Для сравнения можно указать, что астронавт НАСА за свою карьеру не должен получать более 500 миллизивертов ни в один год службы — то есть пара работников местной атомной электростанции все же вышли за лимиты вполне безопасного облучения. Но из этих работников пока никто так и не умер от рака или иных последствий полученного ими облучения. Нет у них и хронических проблем со здоровьем, которые можно было бы связать с радиацией.

Почему? Дело в том, что даже 500 миллизивертов и более далеко не всегда ведут к раку или преждевременной смерти. В 1940-х годах в США в ходе эксперимента над, как считалось, смертельно больным человеком ему вкололи внутривенно плутоний-238, отчего он ежегодно получал 3000 миллизивертов, а за жизнь в целом — 64 тысячи миллизивертов. Тем не менее умер он в 79 лет — без рака и других заметных следов радиационного воздействия.

И это не единственный пример. Допустим, человек, выкуривающий по пачке в день, получает от сигаретного дыма в легкие 53 миллизиверта в год (сигареты содержат ряд делящихся изотопов, в частности полония). То есть за 19 лет курения получит дозу выше, чем любой работник Фукусимы или астронавт NASA.

Облучение, получаемое курильщиком от сигарет, на порядок выше того, что он получает от естественного радиационного фона, и во много раз выше, чем облучение, полученное жителями префектуры Фукусима. Но кто-нибудь видел хоть одного курильщика, который был бы этим обеспокоен? Во-первых, они об этом не знают, а то, чего мы не знаем, нас не беспокоит. Во-вторых, даже если бы они вдруг об этом узнали, узнали бы и то, что почти весь риск от курения дает вовсе не эта доза радиации, а куда более опасные микрочастицы, вызывающие сердечно-сосудистые заболевания.

Заявления в прессе о том, что якобы один из работников Фукусимы умер от рака легких через несколько лет после событий, увы, не выдерживают никакой критики. Во-первых, аварию ликвидировали более 3500 человек, а риск умереть от рака для японца — порядка 20%. За девять прошедших с тех пор лет кто-то из персонала обязательно должен был от него скончаться. Во-вторых, умерший получил много меньше упомянутых выше пиковых значений, то есть конкретно его риски были минимальными. В-третьих, он погиб от рака легких, а не от лейкемии: иными словами, от того типа рака, который не бывает последствием радиационных аварий.

А как же быть с периодическими публикациями об угрозе радиоактивной воды, которую вот-вот сольют с территории этой АЭС в Тихий океан? Все достаточно просто: вода, которую использовали для охлаждения расплавленных активных зон местных реакторов, действительно слегка радиоактивна, но именно слегка. Ее полный слив в океан приведет к росту дозы для жителей префектуры Фукусима на 2,01 микрозиверта. Микро — не милли. То есть она повлечет рост ежегодной фоновой дозы облучения живущих там японцев на менее чем одну тысячную от обычного радиационного фона. Такое превышение вполне безопасно для здоровья и сильно уступает нагрузкам от авиаперелетов. Не сможет оно заметно навредить и морским обитателям.

В общем, трудно удивляться тому, что в отчете Всемирной организации здравоохранения об аварии честно написали: дозы, полученные из-за нее, так малы, что последствия будут находиться ниже уровней, которые можно обнаружить наблюдениями или статистически.

Конечно, это не значит, что события в Фукусиме не убили множество японцев: несомненно, да. Вот только не радиацией, а «психической эпидемией». Дело в том, что политики падают на нашу планету не из космоса, а получаются из обычных людей. Поэтому ровно так же, как обычные люди, они понятия не имеют, сколько миллизивертов угрожают человеку в зоне Фукусимы и сколько он может получить при безобидном походе на компьютерную томографию.

Поэтому им казалось, что люди в префектуре подверглись страшной опасности. И 164 тысячи местных эвакуировали. Из-за связанных с эвакуацией стрессов и травм, а также плохого ухода за пожилыми и больными людьми в итоге случилось 2259 избыточных смертей (официальные оценки японского правительства).

Проблема в том, что этих людей никак нельзя записать в жертвы радиации: это жертвы плохого образования. Причем даже не своего, а японских журналистов и властей — именно их пробелы в знаниях о мире привели к решению об эвакуации.

Как заключает научная работа 2016 года, опубликованная в рецензируемом журнале Process Safety and Environmental Protection, эвакуация в итоге вызвала множество смертей и заметное сокращение продолжительности жизни эвакуированных. И это, подчеркивают авторы, несмотря на то, что на деле никакой нужды в ней не было. По-хорошему, тех, кто принимал такое решение, надо судить, но, увы, сделать это некому: судьи не читают научные журналы.

От безопасности для других — к безопасности для себя

Анализ возможностей террористических атак на АЭС, воздействия на них падающих самолетов и землетрясений показывает, что никакой угрозы для окружающих в случае всех этих событий не несут даже самые старые атомные электростанции — построенные в 60-х и 70-х.

Единственный случай, когда внешней угрозе удалось вывести АЭС из работоспособного состояния, — это уникальное цунами, случающееся в Японии реже, чем раз в тысячу лет. Пятнадцатиметровая волна от него действительно опасна, но даже она смогла лишь вывести из строя реакторы: они «умерли» на боевом посту, но ни один человек при этом не погиб. На фоне 18,5 тысячи погибших от тех событий на неядерных японских объектах Фукусима выглядит неплохо. Она показывает, что степень устойчивости атомной энергетики в случае внешних угроз действительно серьезно недооценивается.

Это не значит, что АЭС некуда расти. Новые конструкции типа ВВЭР-1200 в фукусимской ситуации не только не причинили бы никому вреда, но и с высокой вероятностью не вышли бы из строя сами: трое суток они бы расхолаживались за счет «встроенной» пассивной безопасности. И даже если бы за эти дни не подвезли работающие генераторы, сам реактор смог бы удержать ситуацию от взрыва водорода (за счет встроенных поглотителей этого газа). Наконец, после Фукусимы строить АЭС в зоне цунами будут только при наличии дамбы, защищающей даже от такой волны, что бывает раз в тысячу лет.