Кіріспе

Ядролық реакторды қоршап тұрған құрылыс, радиоактивті заттардың шығуына жол бермеу үшін. Ол кез келген төтенше жағдайда радиоактивті будың немесе газдың шығуын тоқтатуға арналған. Бұл радиоактивті заттардың сыртқа таралуына кедеріс жасайтын төртінші және соңғы барьер (ядролық реактордың қауіпсіздік стратегиясының бір бөлігі), біріншісі – отын керамикасы, екіншісі – металл отын қаптамасы, үшіншісі – реактор ыдысы және салқындатқыш жүйесі. АҚШ-тағы әрбір ядролық станция "Қорлық қауіпсіздік туралы сараптамалық есепте" (FSAR) белгіленген шарттарға төтеп беруге арналған. FSAR жалпыға қолжетімді, әдетте ядролық станцияның жанындағы қоғамдық кітапханада орналасқан. Оқшаулау құрылысы әдетте сыртқы атмосферадан жабық реакторды қоршап тұратын, ауа өткізбейтін болаттан жасалған құрылым болып табылады. Болат тік тұрған немесе бетон қорғаныс қабырғасына бекітілген болуы мүмкін. АҚШ-та оқшаулау және қорғаныс қабырғасының дизайны мен қалыңдығы федералдық ережелермен (10 CFR 50.55a) реттеледі және толық жүктелген жолаушылар ұшағының соқтығысына жарылмай төтеп беруге жеткілікті мықты болуы керек. Ядролық реактордың ең ауыр апаттарында оқшаулау маңызды рөл атқарады, бірақ ол қысқа мерзімде (ірі бұзушылық жағдайларында) буды ұстауға немесе конденсациялауға ғана арналған, ал ұзақ мерзімді жылуды жоюды басқа жүйелер қамтамасыз етуі керек. Үш Майл аралындағы апатта оқшаулау қысым шекарасы сақталды, бірақ жеткіліксіз салқындату салдарынан, апаттан кейін операторлар қысымның артуын болдырмау үшін радиоактивті газды қасақана оқшаулаудан шығарды. Бұл, басқа да бұзушылықтармен бірге, апат кезінде атмосфераға 13 миллион кюриге дейін радиоактивті газдың шығарылуына әкелді. Фукусима Дайичи станциясы 1971 жылдан бері қауіпсіз жұмыс істесе де, жобалық есептерден асып түскен жер сілкінісі мен цунами салдарынан электр қуаты, резервтік генераторлар мен аккумуляторлар істен шығып, барлық қауіпсіздік жүйелері бұзылды. Бұл жүйелер реактор тоқтатылғаннан кейін отынды салқындату үшін қажет болды. Нәтижесінде отын таяқшалары ішінара немесе толықтай балқып, отын сақтау бассейндері мен ғимараттар зақымданды, айналағы аумаққа, ауаға және теңізге радиоактивті қалдықтар шығарылды, сондай-ақ пайдаланылған отын бассейндерін суыту үшін өрт машиналары мен бетон сорғыштарын жедел пайдалануға тура келді. Оқиға кезінде 1, 2 және 3 реакторлардың оқшаулау камераларындағы қысым жобалық шектен асып кетті, бұл радиоактивті газдарды шығару арқылы қысымды төмендету әрекеттеріне қарамастан, оқшаулаудың бұзылуына әкелді. Оқшаулаудан шыққан сутек ауамен араласып, 1, 3 және 4 блокта жарылыстарға себеп болды, реакторларды тұрақтандыру әрекеттерін қиындатты.

Түрлері

Ядролық электр станцияларындағы реакторларды қорғау жүйелері мөлшері, пішіні, қолданылатын материалдары және буды басу жүйелері бойынша ерекшеленеді. Қолданылатын қорғау түрі реактордың типіне, реактордың буынына және станцияның нақты қажеттіліктеріне байланысты анықталады. Буды басу жүйелері қауіпсіздік талдауы үшін маңызды және қорғаудың мөлшеріне үлкен әсер етеді. Буды басу – салқындату жүйесінен үлкен зақымдану салдарынан шыққан буды конденсациялау. Жылудың ыдырауы тез тоқтамайтындықтан, ұзақ мерзімді басу әдісі болуы керек, бірақ бұл қорғаудың бетіндегі сыртқы ауамен жылу алмасу арқылы да жүзеге асырылуы мүмкін. Негізгі конструкциялар бірнеше бар, бірақ қауіпсіздік талдауы мақсатында қорғаулар "ірі құрғақ", "суб-атмосфералық" немесе "мұз конденсатты" деп жіктеледі.

Қысымды су реакторлары

Қысымды су реакторы үшін оқшаулау бу генераторлары мен қысым түзеткішті қамтиды және бүкіл реактор ғимараты болып табылады. Оның айналасындағы зымыран қалқаны әдетте биік цилиндр немесе күмбез пішіндес ғимарат болып табылады. PWR оқшаулаулары көбінесе үлкен (BWR-ден 7 есеге дейін) болады, себебі ақаулық жобалаудағы ақау кезіндегі оқшаулау стратегиясы бу/ауа қоспасының жеткілікті көлемін қамтамасыз етуді талап етеді, бұл салқындатқыш апаттан туындаған тоңазытқыш ғимараттағы соңғы қысымды (ақаулықтың қозғаушы күшін) шектейді. Siemens, Westinghouse және Combustion Engineering сияқты ерте жобалар көбінесе темір бетоннан жасалған цилиндр тәрізді пішінде болды. Бетонның кернеуге қарағанда қысымға төзімділігі жоғары болғандықтан, бұл құрылыс материалдары үшін логикалық шешім, себебі оқшаулаудың ауыр жоғарғы бөлігі төмен қарай үлкен күш түсіреді, оқшаулау қысымы кенеттен өскен жағдайда кернеудің пайда болуын азайтады. Реактор конструкциялары жетілдікке жеткен сайын, PWR үшін жартылай шар пішіндес оқшаулаулар да жасалды. Қолданылатын материалға байланысты, бұл ең логикалық конструкция болып табылады, өйткені шар үлкен қысымды ұстауға арналған ең тиімді құрылым. Қазіргі PWR конструкцияларының көпшілігі цилиндрлі төменгі бөлігі мен жарты шар пішіндес жоғарғы бөлігінен тұрады. Заманауи жобалар болаттан жасалған оқшаулау құрылымдарын пайдалануға көбірек бейімделген. Кейбір жағдайларда бетонның ішкі бетін болатпен қаптау қолданылады, бұл оқшаулаудың жоғары қысымға ұшырауы мүмкін болғанда екі материалдың да беріктігін арттырады. Басқа жаңа жобалар болат пен бетонды бірге пайдалануды көздейді, бұл қазіргі неміс PWR конструкцияларында, атап айтқанда AP1000 және Еуропалық қысымды реакторда ондаған жылдар бойы қолданылып келеді; сыртқы бетон зымыраннан қорғауды қамтамасыз етеді, ал ішкі болат құрылымы қысымды ұстауға мүмкіндік береді. AP1000 темір құрылымды қоршап тұрған бетон құрылымының төменгі жағында ауа ағынын қамтамасыз ететін және ірі апат жағдайында оқшаулауды салқындатуға көмектесетін желдеткіштерді орнату жоспарланған (салқындату мұнарасының жұмыс принципіне ұқсас). Ресейлік VVER 1000 конструкциясы басқа заманауи PWR конструкцияларымен салыстырғанда ұқсас, өйткені ол өзі PWR болып табылады. Алайда, VVER 440 конструкциясы салыстырмалы түрде нашар оқшаулауға ие, ол төмен конструкциялық қысыммен жұмыс істейтін көпіршік конденсаторы түрінде көрінеді.

Жеңіл сулы графит реакторлары

Жеңіл сулы графит реакторлары тек КСРО-да ғана салынды. RBMK конструкциялары екіншілік қорғау сияқты құрылымдарды пайдаланды, бірақ реактордың үстіңгі қақпағы қорғау құрылымының бір бөлігі болды. 1986 жылғы Чернобыль апаты кезінде қақпақ күтілмеген шектен асып кеткен қысымға ұшырап, жоғары көтерілді.

Қайнаған су реакторлары

BWR-де оқшаулау стратегиясы сәл өзгеше. BWR-дің қоршауы реактор мен оған байланысты салқындату жабдықтары орналасқан құрғақ ұңғымадан және ылғалды ұңғымадан тұрады. Құрғақ ұңғыма ПВР-ге қарағанда әлдеқайда кіші және маңызды рөл атқарады. Теориялық жобалық есептік жағдайда реактордың салқындатқыш сұйығы құрғақ ұңғымада буға айналып, оны жылдам қысымға түсіреді. Құрғақ ұңғымадан шығатын желдеткіш құбырлар немесе түтіктер буды ылғал ұңғымадағы (сонымен қатар тор немесе басқындыру бассейні деп те аталады) сақталатын су деңгейінен төменге бағыттап, буды конденсациялап, соңында жететін қысымды шектейді. Құрғақ және ылғал ұңғымалары қосалқы қоршау ғимаратымен қоршалған, олар қалыпты жұмыс істеу және отын ауыстыру кезінде аз мөлшерде атмосфералық немесе теріс қысымда ұсталады. Көпте қолданылатын оқшаулау конструкциялары Mark I, Mark II және Mark III деп аталады. Mark I ең көнесі, құрғақ ұңғысы суды қамтитын болат тор болып табылатын ылғал ұңғының үстіндегі кері шамға ұқсайды. Mark II соңғы BWR 4 және BWR 5 реакторларымен қолданылды. Бұл "үстіңгі-астыңғы" конфигурация деп аталады, құрғақ ұңғы бетон плитасында қысқартылған конус пішіндес құрайды. Төменде металл емес, бетоннан жасалған цилиндр тәрізді басқындыру камерасы орналасқан. Екеуі де жеңіл болат немесе бетоннан жасалған "екіншілік қоршауды" пайдаланады, ол ауаны сүзгілеу үшін аздаған теріс қысымда ұсталады. Жоғарғы деңгей – екі ұзын қабырға арасында ауыр отын контейнерлерін жерден жылжыту және реактор мен реактор ұңғымасынан жабдықты алып тастау/ауыстыру үшін аспалы кранмен бірге үлкен ашық кеңістік. Реактор ұңғымасын сумен толтыруға болады және екі жағынан қақпалармен бөлінген бассейнмен жабдықталған, олар отын таяқшаларының үстінде әдетте орналасқан реактор жабдықтарын сақтауға және отын сақтауға арналған. Отын ауыстыру платформасында отын таяқшаларын жинағын "мал төбесінен" реактордың негізгі аймағына дәлдікпен көтеру және түсіру үшін арнайы телескоптық мачта бар. Mark III ПВР сияқты бетон күмбезін пайдаланады және пайдаланылған отын таяқшаларын басқа еден деңгейінде сақтауға арналған бөлек ғимараты бар. Сонымен қатар, үш типте де басқындыру бассейндеріндегі судың үлкен көлемі реактор жүйесінен шыққан буды уақытша сөндіру үшін қолданылады. Mark I оқшаулауы Фукусима I ядролық апатына қатысқан Фукусима I АЭС-індегі реакторларда қолданылған. Бұл жерде екі жобалық есептен тыс жағдайдың жиынтығы болды: реактордың құбырлары мен конструкциясына зақым келтірген болуы мүмкін күшті жер сілкінісі және 15 метрлік цунами, ол отын резервуарларын, генераторларды және сымдарды жойды, резервтік генераторлардың істен шығуына және батареямен жұмыс істейтін сорғылардың да ақырында істен шығуына себеп болды. Қайнап кеткен суды жоғалту үшін қажетті жеткіліксіз салқындату және сорғылардың істен шығуы отын таяқшаларының ішінара немесе толық балқыуына әкелді, олар сумен толық жабылған жоқ. Бұл ауа мен теңізге радиоактивті материалдың көп мөлшерін шығаруға және сутегі жарылысына әкелді. Жіңішке екіншілік қоршаулар сутегі жарылысына төтеп беруге арналған емес, шатырлары мен қабырғалары жарылып немесе қирады, сондай-ақ жанармай құю қабатындағы барлық жабдықтар, соның ішінде крандар мен жанармай құю платформасы жойылды. 3-ші блок ерекше әсерлі жарылыстан зардап шекті, ол 300 метрден жоғары биіктіктегі қалдықтардың құйылуын тудырды, нәтижесінде жоғарғы қабаттың солтүстік бөлігі құлап, батыс жағындағы бетон бағаналары бүктелді, бұл әуе суреттерінен көрінеді. Олар сутегіні шығарындыларға шығаратын модификацияланған нығайтылған желдеткіш жүйелерімен жабдықталған болса да, олар қуатсыз тиімді болмаған болуы мүмкін. Фукусима оқиғасынан бұрын Mark I оқшаулау жүйесі тоқ өшірілуі кезінде бұзылуы ықтимал деп сынға алынды. Алыстан қарағанда, BWR конструкциясы ПВР конструкциясынан өте ерекшеленеді, өйткені әдетте екіншілік қоршау үшін төртбұрышты ғимарат қолданылады. Сонымен қатар, турбиналар мен реактор арқылы тек бір цикл болғандықтан және турбиналар арқылы өтетін бу да радиоактивті болғандықтан, турбина ғимараты да айтарлықтай қорғалуы керек. Осылайша, ұқсас құрылыстағы екі ғимарат пайда болады, жоғарырақ ғимаратта реактор, ал ұзын ғимаратта турбина залы мен тірек құрылымдары орналасқан.

CANDU зауыттары

CANDU электр станциялары, канадалық Deuterium Uranium дизайнымен ойлап табылғандықтан осылай аталған, басқа станциялардың дизайндарына қарағанда кең ауқымды оқшаулау дизайны мен қысымды төмендету жүйелерін пайдаланады. Ядролық конструкцияның ерекшелігіне байланысты, бірдей қуат деңгейіндегі оқшаулау көлемі әдеттегі PWR станцияларына қарағанда көбінесе үлкен болады, бірақ көптеген жаңалықтар бұл талапты азайтты. Көптеген көпблокты CANDU станциялары су шашырату құрылғысымен жабдықталған вакуумдық ғимаратты қолданады. Құрылыстағы барлық жеке CANDU блогы осы вакуумдық ғимаратқа үлкен қысымды түсіретін арна арқылы қосылады, ол сонымен қатар оқшаулау жүйесінің бөлігі болып табылады. Вакуумдық ғимарат кез келген буды жылдам сіңіріп, конденсациялайды, реакторлық ғимараттың қысымын атмосфералық қысымнан төмендетуге мүмкіндік береді. Бұл қоршаған ортаға радиоактивті ыдырау өнімдерінің таралуын азайтуға көмектеседі. Сонымен қатар, екі блоктан тұратын оқшаулау жүйесі бар, кез келген ауыр апат жағдайында үлкен оқшаулау көлемін қамтамасыз ететін ұқсас жобалар да болды. Мұндай жобаны алғаш рет үнділік HWR дизайнының бірі, екі блок пен су бассейнін пайдалана отырып жүзеге асырды. Дегенмен, CANDU-дың ең соңғы үлгілері әрбір блок үшін бір ғана стандартты құрғақ оқшаулау контейнерін талап етеді.

Құрылыс пен сынақ талаптары

Құрама Штаттарда Федералды ережелер кодексінің 10-тарауы, 50-бөлімі, А қосымшасы, Жалпы жобалау критерийлері (GDC 54 57) немесе басқа жобалау негіздері, тығыздау қабырғасына енетін құбырларды оқшаулаудың негізгі жобалау критерийлерін анықтайды. Тығыздаудан өтетін әрбір ірі құбыр, мысалы, бу құбырлары, А қосымшасында рұқсат етілген конфигурацияда орналасқан оқшаулау клапандарымен жабдықталған; әдетте екі клапан. Кішірек құбырлар үшін біреуі ішкі, біреуі сыртқы жағына орнатылады. Ірі, жоғары қысымды құбырлар үшін, қақпа клапандарына орын табу және техникалық қызмет көрсету талаптары дизайнерлерді оқшаулау клапандарын құбырдың тығыздаудан шығу жеріне жақын орнатуға мәжбүр етеді. Реакторды салқындататын сұйықтықты тасымалдайтын жоғары қысымды құбырларда ақау пайда болған жағдайда, бұл клапандар радиоактивті заттардың тығыздаудан шығуына жол бермес үшін жылдам жабылады. Қауіпсіздік жүйелеріне арналған құбырлардағы клапандар әдетте жабық күйде болады. Тығыздау оқшаулау клапандары жоғары энергиялы құбырдың үзілуі кезінде (мысалы, негізгі бу немесе тамаша су құбырлары) байқалатын тығыздаудың жоғары қысымы сияқты басқа да сигналдарға жабылуы мүмкін. Тығыздау ғимараты буды / одан туындаған қысымды ұстап тұруға арналған, бірақ қысымды су реакторында мұндай үзілістен туындаған радиологиялық салдар болмайды. Қалыпты жұмыс кезінде тығыздау ауа өткізбейтін және теңіз стиліндегі шлюздер арқылы ғана қол жетімді. Ядродан шығатын жоғары температура және сәулелену қызметкерлердің тығыздау ішінде толық қуатпен жұмыс істеп тұрған станцияда өткізе алатын уақытын минуттармен шектейді. Ең нашар жағдай, NRC ережелерінде "жобалау негізіндегі апат" деп аталатын жағдайда, тығыздау жабылып, балқыуды тоқтатуға арналған. Балқыудың алдын алу үшін қосымша жүйелер орнатылған, бірақ саясат бойынша, оның орын алуы мүмкін деп есептеледі, сондықтан тығыздау ғимаратының қажеттілігі туындайды. Жобалау мақсатында реактор ыдысының құбырларының зақымдануы мүмкін деп есептеледі, бұл "LOCA" (салқындатқыш жоғалту апаты) апатына әкеледі, онда реактор ыдысындағы су атмосфераға шығарылып, буға айналады. Тығыздаудың ішіндегі қысымның артуы, оған төтеп беруге арналған тығыздау спрейлерін ("су шашу спрейлері") буды конденсациялау және қысымды төмендету үшін іске қосады. Үзіліс болғаннан кейін дереу СКРАМ ("нейтрондық тоқтату") басталады. Қауіпсіздік жүйелері ауа өткізбейтін тығыздауға қажетті емес құбырларды оқшаулау клапандарын жабып, жабады. Төтенше жағдайда ядроны салқындату жүйелері жанар-жағар майды салқындату және оның балқуын болдырмау үшін жылдам іске қосылады. Оқиғалардың нақты тізбегі реактордың конструкциясына байланысты. АҚШ-тағы тығыздау ғимараттары 10 CFR 50-бөлімінің J қосымшасына сәйкес тығыздау және оқшаулау ережелерін міндетті түрде тексеруге жатады. Тығыздаудың интегралды ағып кету деңгейін тексеру ("А" типіндегі сынақтар немесе CILRT) 15 жыл сайын жүргізіледі. Жергілікті ағып кету деңгейін тексеру (В немесе С типіндегі сынақтар немесе LLRT) апат кезіндегі мүмкін болатын ағып кетуді анықтау және ағып кету жолдарын анықтап түзету үшін одан да жиі жүргізіледі. LLRT тығыздау оқшаулау клапандары, люктер және тығыздауға енетін басқа да құрылғыларда жүргізіледі. Ядролық станцияның жұмыс істеу лицензиясы әрбір тоқтаудан кейін реакторды қайта іске қосу алдында тығыздаудың тұтастығын растауды талап етеді. Бұл талапты жергілікті немесе интегралды сынақтардың қанағаттанарлық нәтижелерімен (немесе ILRT жүргізілген кезде екеуінің де үйлесімімен) орындауға болады. 1988 жылы Сандия ұлттық зертханасы ұшақтың үлкен бетон блогына соғылуын сынап көрді. Блок ракеталық қалқан сияқты салынбаған және тәжірибе ядролық электр станциясының тығыздау құрылымының беріктігін көрсетуге арналмаған, бірақ нәтижелері көрсеткіш деп саналды. Электр энергиясын зерттеу институты (EPRI) коммерциялық авиакомпаниялар қауіп төндірмейтінін анықтады. 1992 жылы "Эндрю" даулымы Түркия нүктесіндегі ядролық электр станциясына тікелей соқты. Түркия Пойнт қаласында екі қазба отын қондырғысы және екі ядролық қондырғысы бар. 90 миллион доллардан астам залал келтірілді, негізінен су резервуары мен бірінің түтін шамына, бірақ тығыздау ғимараттары зақымданбады.