Российские ученые помогут японским коллегам в устранении последствий аварии на АЭС «Фукусима-1»

Авария на АЭС «Фукусима-1» произошла в марте 2011 года. Землетрясение и последовавшее за ним цунами стало причиной сбоя электроснабжения на станции с шестью атомными энергоблоками. Волна высотой пять метров затопила резервные дизельные генераторы, и станция осталась без электричества, которое было необходимо для работы системы охлаждения реакторов. В результате ядерное топливо первого, второго и третьего реакторов начало плавиться. Из-за скопления водорода в зданиях, где расположены реакторы, прогремели разрушительные взрывы. Количество пострадавших от радиации в первые дни катастрофы, по разным данным, варьируется от 100 до 300 человек.

Более 150 тысяч человек покинули зараженные территории в радиусе 50 км от АЭС «Фукусима-1». В 20-километровую зону эвакуации до сих пор закрыт въезд, так как специалисты считают, что эти земли непригодны для жизни в течение ближайших десятилетий. В японской прессе сообщается, что большинство людей, эвакуированных с более удаленных от Фукусимы территорий, вряд ли решат вернуться на прежние места: они боятся радиации, безработицы и не хотят жить в опустевших «городах-призраках».

Кроме социального ущерба, катастрофа на АЭС в Японии нанесла серьезный экологический урон. По результатам исследования, которое провели ученые из Океанографического общества Вудс Холла (Woods Hole Oceanographic Society), Фукусимская катастрофа стала причиной «крупнейшего за всю историю выброса радиации в мировой океан». В апреле 2011 года в пробах океанской воды, взятых у берегов Фукусимы, уровень цезия-137 в 50 миллионов раз превышал доаварийный уровень.

Цезий, попадая в тело человека, беспрерывно облучает его изнутри, практически не снижая интенсивность в течение времени. Выведение цезия из организма – процесс очень долгий. А его радиоактивность снижается в два раза только через 30 лет. По расчетам Агентства ядерной и промышленной безопасности Японии (Nuclear and Industrial Safety Agency – NISA), количество радиоактивного цезия-137, выброшенного в атмосферу за время аварии, сопоставимо с 168 бомбами, сброшенными на Хиросиму в 1945 году.

По мнению ученых, невозможно предсказать, как в течение ближайших десятилетий радиация повлияет на экосистемы. В образцах морских водорослей и рыбы, взятых для проб специалистами Гринпис, содержание радионуклидов, то есть образующихся в ядерном реакторе радиоактивных атомов, значительно превышает предельно допустимые нормы. Радиоактивный стронций был обнаружен в водах Тихого океана в количестве выше нормы в 50 тысяч раз. Стронций способен накапливаться в организме человека и может увеличить риск заболеваний лейкемией и раком костей.

Ядерной аварии в Японии присвоен седьмой – самый высокий – уровень по международной шкале ядерных событий (International Nuclear Event Scale – INES). Авария на АЭС «Фукусима-1» стала второй по масштабам после Чернобыльской.

Взрыв ядерного реактора на Чернобыльской АЭС случился 26 апреля 1986 года. В отличие от аварии в Японии, ядерная катастрофа в СССР привела к загрязнению прежде всего воздушной среды. Радиоактивное облако, образовавшееся от горящего реактора, разнесло радионуклиды йода-131, стронция-90 и цезия-137 по большей части территории Европы, включая нынешние Украину, Беларусь и европейскую территорию России. В больницы Украины приходили сотни людей со всеми признаками лучевой болезни. В радиусе 30 км от Чернобыля улицы, проезжие части, стены и крыши домов, площади и парки показывали радиационный фон, в сотни раз превышающий его нормальное значение. Это побудило власти эвакуировать людей из населенных пунктов, которые и до сих пор остаются пустыми. В эти города заходят разве что ученые, чтобы сделать необходимые измерения радиационного фона, и так называемые сталкеры – люди в поисках сильных впечатлений.

2019 год объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Читайте наш материал о современных разработках в области химии и науки о полимерах, которыми занимается Институт высокомолекулярных соединений РАН в Петербурге.

Для ученых Чернобыльская авария стала экспериментом, поставить который в лаборатории не представлялось возможным. Здесь в рекордные сроки были разработаны и впервые протестированы способы, позволяющие обнаружить и обезвредить сильнейшие радиоактивные источники, которые впоследствии повлияли на системы безопасности объектов атомной энергетики во всем мире.

Участники ликвидации аварии на ЧАЭС вспоминают, что жизнь людей в той ситуации измерялась буквально секундами. «Радиационный фон внутри отсека с взорвавшимся реактором был настолько высоким, что предельно допустимую дозу облучения человек получал уже в первые 40 секунд пребывания там. Нам нужны были точная электроника и надежные роботы, которыми мы могли бы управлять на большом расстоянии, чтобы понимать, где радиация зашкаливает», – вспоминает доктор физико-математических наук, сотрудник НИЦ «Курчатовский институт» Александр Боровой.

В помощь «ликвидаторам» – в устранении последствий аварии на ЧАЭС было задействовано 600 тыс. человек – было решено привлечь роботов. Предполагалось, что неодушевленная техника могла проникнуть в места, где радиационный фон был смертельным для человека (порядка 1500-2000 рентген в час) и таким образом обнаружить наиболее активные источники радиации. Но, как выяснилось, далеко не все роботы подходили для этой работы. Специально закупленные аппараты из ГДР выходили из строя в течение часа, попав в зону, где излучение превышало нормы в десятки раз. Как тогда говорили: роботы сходили с ума. Эту проблему решили коллегиально.

«Заседания» ученых проходили на автовокзале в Припяти. Это пустое здание в безлюдном городе стало тогда чем-то вроде конструкторского бюро, где проводились расчеты, создавались чертежи, принимались решения. На одном из таких совещаний было решено, что конструкция нового робота для ЧАЭС должна быть очень простой и содержать минимум электроники, которая так быстро выходила из строя под воздействием радиации. Основу для такого робота решено было купить в... детском магазине. Игрушечный танк стал именно тем, что было нужно. У него был только мотор, позволяющий легко передвигаться на большом расстоянии от человека. Оставалось оснастить его длинным проводом для дистанционного управления и дозиметрами, чтобы они смогли выполнить свою главную функцию – измерить уровень радиации. Эти недетские игрушки тогда не только помогли составить своеобразную карту местности, понять, на каких участках аварии самый высокий уровень излучения, но и сохранили жизнь и здоровье многим «ликвидаторам». Танки успешно работали до тех пор, пока на Чернобыльской АЭС не появились полноценные роботы отечественного производства.

Их в рекордные сроки сконструировали в Ленинградском Институте робототехники (современный ЦНИИ робототехники и космической кибернетики) под руководством его директора и главного конструктора Евгения Юревича. Трудились в режиме военного времени: в две смены по 12 часов. В ход шли модули недостроенных роботов, детали отжившей свое техники... Благодаря такой интенсивной работе на аварийной атомной станции тогда оказались первые в СССР дистанционно управляемые роботы-разведчики, снабженные подвижными телевизионными камерами, гамма-локаторами и дозиметрической аппаратурой. Роботы успешно работали в условиях самых интенсивных ионизирующих излучений с мощностью до 20000 рентген в час.

Читайте также из рубрики Наука: Работа над ошибками: в России вновь создадут гиперзвуковой гражданский самолет

В первые дни «полевых» действий управлять роботами приходилось самим инженерам из Института робототехники в присутствии будущих операторов. При смене экспедиций (а их с июня 1986 года по март 1987 года было десять) уже обученные операторы роботов пару дней работали вместе с операторами из новой экспедиции, передавая свой опыт.

Теперь этот опыт поможет устранить последствия аварии на АЭС «Фукусима-1». Страна восходящего солнца по праву является одним из мировых лидеров по производству робототехники. Дистанционно управляемые помощники человека появились на аварийной АЭС через несколько месяцев после рокового цунами. В условиях повышенной радиационной активности они разбирали завалы, делали фотографии внутренностей разрушенных энергоблоков и добывали информацию о наиболее радиоактивных участках. Но у этих аппаратов был существенный недостаток: они были недостаточно мобильными, часто застревали в развалинах, возникших после взрыва, не могли пролезть в небольшие проемы и проходы между частями разрушенных сооружений. Это качество роботам было совершенно необходимо, чтобы люди могли приступить к самому сложному этапу устранения последствий аварии на АЭС «Фукусима-1» – созданию карты мест, где находится расплавленное топливо из реакторов.

«Расплавленное топливо – основной источник радиации на АЭС, оно отравляет воду, которую используют для охлаждения реакторов. Ее пока невозможно полностью очистить от радиоактивных элементов. В настоящий момент такой воды на станции скопилось более 100 тыс. тонн. Очередное землетрясение может разрушить резервуары, в которых она хранится. Если такая вода попадет в Тихий океан, случится экологическая катастрофа. Да, реакторы удалось охладить, но они по-прежнему загрязняют окружающую среду», – поясняют ситуацию в японской прессе.

Помочь создать карту расплавленного топлива на «Фукусиме-1» могут только малогабаритные аппараты: нейтронные детекторы, оснащенные мощными дозиметрами и способные выдержать высокие уровни радиации. Их-то и создали российские ученые.

Весной 2017 года для выполнения первого этапа работ японский исследовательский институт «Mitsubishi» выбрал возглавляемый «РосРАО» консорциум из нескольких научных предприятий «Росатома». В России были разработаны нейтронные счетчики размерами меньше спичечного коробка и с линией связи до 60 метров. Также были протестированы уже имеющиеся промышленные нейтронные детекторы. Ученых интересовало, смогут ли они функционировать в условиях очень сильного гамма-излучения.

Для этого были изучены образцы смеси расплавленного ядерного топлива и бетона, по-научному – кориума, с аварийного энергоблока № 4 Чернобыльской АЭС. Образцы этого вещества сохранились в петербургском Радиевом институте им. В. Г. Хлопина. Сотрудники института принимали непосредственное участие в исследованиях последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

На основании и проанализированных данных был создан нейтронный детектор, который может успешно работать в гамма-полях мощностью до 1000 грей в час и даже выше (1 грей – это такая доза, при которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего излучения в 1 джоуль). Доза облучения выше 10 грей в час – смертельна для человека.

Дороги без пробок и ДТП, подводное дыхание, инвалидное кресло, управляемое силой мысли, – еще больше открытий отечественных ученых в рубрике Наука 

«Главная технологическая особенность такого аппарата заключается в том, что он остается чувствительным к нейтронам в условиях очень высокого гамма-излучения и электромагнитных помех. Другое важное ноу-хау: наш детектор может проходить в отверстия от 100 до 130 мм, потому что его диаметр составляет всего 20 мм, а длина – 40 мм», – рассказал руководитель проектного офиса инновационного развития «РосРАО» Сергей Флоря.

«Используя последние цифровые технологии, мы приспособили обычный нейтронный детектор для работы в очень плотных радиационных полях. Эта разработка, по сути, шаг к созданию цифровой спектрометрии, в определенном смысле – прорыв. Такие цифровые приборы будут полезны не только на «Фукусиме-1», но и для других атомных станций, хранилищ ядерного топлива, так как они способны повысить эффективность и надежность измерения радиационных полей. А это выведет систему безопасности на таких объектах на новый уровень», – пояснил генеральный директор Физико-технического института им. А. Е. Лейпунского Андрей Говердовский.

На АЭС «Фукусима-1» нейтронные детекторы из России появятся в конце 2018 года. Созданная ими система измерений будет накапливать полученные результаты в базу данных, а также строить трехмерные карты плотности мощности гамма-излучения и нейтронного излучения. Таким образом будут найдены точные места скопления радиоактивных топливных фрагментов, которые впоследствии предстоит извлечь при разборке аварийных энергоблоков японской АЭС. По оценкам специалистов, полный вывод из эксплуатации реакторов «Фукусима-1» займет примерно 40 лет.