Номер 5, страница 215 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 58. Использование энергии деления ядер. Ядерная энергетика. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 5, страница 215.

5. Охарактеризуйте основные меры безопасности, необходимые при работе АЭС.

Безопасность атомных электростанций (АЭС) обеспечивается комплексной системой мер, основанной на принципе «глубокоэшелонированной защиты». Этот принцип предполагает создание нескольких уровней (барьеров) безопасности на пути возможного распространения ионизирующего излучения и радиоактивных веществ в окружающую среду. Рассмотрим основные меры.

1. Принцип глубокоэшелонированной защиты

Это фундаментальная концепция обеспечения ядерной безопасности. Она включает в себя последовательное применение нескольких уровней защиты, спроектированных таким образом, чтобы отказ одного уровня не приводил к отказу всей системы. Если один барьер или мера защиты не срабатывает, следующий уровень должен предотвратить или смягчить последствия. Эта система включает физические барьеры, автоматические системы безопасности, а также организационные меры.

Ответ: Основополагающим принципом безопасности АЭС является глубокоэшелонированная защита, представляющая собой многоуровневую систему независимых барьеров и мер для предотвращения аварий и ограничения их последствий.

2. Физические барьеры безопасности

Это система последовательных герметичных оболочек, препятствующих выходу радиоактивных продуктов во внешнюю среду. Основные барьеры:

- Топливная матрица: Спеченные таблетки из диоксида урана ($UO_2$) удерживают большинство газообразных и твердых продуктов деления в своей кристаллической решетке.

- Оболочка тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ): Герметичная трубка из циркониевого сплава, в которую помещены топливные таблетки. Она предотвращает попадание продуктов деления в теплоноситель первого контура.

- Граница первого контура: Прочный стальной корпус реактора и герметичные трубопроводы, по которым циркулирует теплоноситель. Они удерживают теплоноситель под высоким давлением и предотвращают его утечку.

- Защитная герметичная оболочка (контейнмент): Массивное сооружение из предварительно напряженного железобетона, которое полностью окружает реакторное оборудование. Контейнмент способен выдержать экстремальные нагрузки (высокое давление, температуру, падение самолета), предотвращая выброс радиоактивности в атмосферу в случае тяжелой аварии.

Ответ: Для физической изоляции радиоактивных веществ используется система из четырех последовательных барьеров: топливная таблетка, оболочка ТВЭЛа, корпус реактора с первым контуром и защитная герметичная оболочка (контейнмент).

3. Системы управления и аварийной защиты

Для управления цепной ядерной реакцией и ее экстренного прекращения используются стержни управления и защиты (СУЗ), сделанные из материалов, хорошо поглощающих нейтроны (например, бор, кадмий). В штатном режиме они регулируют мощность реактора. В случае отклонения параметров от нормы срабатывает система аварийной защиты (АЗ), и поглощающие стержни под действием силы тяжести или специальных приводов быстро вводятся в активную зону, полностью прекращая цепную реакцию за несколько секунд. Существуют также дублирующие системы, например, система ввода в теплоноситель раствора борной кислоты, которая также эффективно поглощает нейтроны.

Ответ: Управление и экстренная остановка ядерной реакции обеспечиваются системами управляющих и поглощающих стержней (система АЗ), а также дублирующими химическими системами для гарантированного глушения реактора.

4. Системы безопасности (активные и пассивные)

Это инженерные системы, предназначенные для предотвращения аварий или ограничения их последствий, в первую очередь для обеспечения охлаждения активной зоны.

- Активные системы: Требуют для своей работы внешнего источника энергии и командных сигналов. К ним относятся насосы системы аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ), спринклерная система для снижения давления в контейнменте, аварийные дизель-генераторы для обеспечения электропитания при потере внешних сетей.

- Пассивные системы: Срабатывают без внешнего энергоснабжения и вмешательства персонала, используя естественные физические процессы (гравитацию, естественную циркуляцию, разность давлений). Примерами являются гидроемкости САОЗ (вода из них поступает в реактор самотеком при падении давления), системы пассивного отвода тепла. Современные проекты АЭС (например, ВВЭР-1200) имеют развитые пассивные системы безопасности, что значительно повышает их надежность.

Ответ: Безопасность АЭС поддерживается как активными системами, требующими энергии (насосы, генераторы), так и пассивными, работающими на основе естественных физических принципов, что обеспечивает надежное охлаждение и контроль даже при полном обесточивании станции.

5. Радиационная защита и мониторинг

Эта мера направлена на защиту персонала, населения и окружающей среды от радиационного воздействия. Она включает биологическую защиту (стены из бетона со специальными добавками, свинцовые и водяные экраны), строгий контроль доступа в различные зоны станции (зонирование), использование средств индивидуальной защиты и постоянный дозиметрический контроль персонала с помощью индивидуальных дозиметров. Также ведется непрерывный автоматизированный мониторинг радиационной обстановки на территории АЭС и в ее окрестностях (АСКРО), который отслеживает содержание радионуклидов в воздухе, воде, почве и сельхозпродукции.

Ответ: Радиационная защита обеспечивается физическими экранами, зонированием территории, индивидуальными средствами защиты и дозиметрами для персонала, а также непрерывной системой мониторинга радиационной обстановки на станции и вокруг нее.

6. Обращение с радиоактивными отходами (РАО) и отработавшим ядерным топливом (ОЯТ)

Безопасность АЭС неразрывно связана с безопасным обращением с отходами ее деятельности. Для этого существуют строгие процедуры сбора, сортировки, переработки и хранения РАО. Отработавшее топливо после выгрузки из реактора сначала выдерживается в бассейне выдержки при АЭС для снижения остаточного тепловыделения и радиоактивности, а затем отправляется в специальные хранилища или на переработку для извлечения ценных компонентов (урана, плутония) и последующей иммобилизации (остекловывания) высокоактивных отходов для их безопасного долговременного захоронения.

Ответ: Безопасность включает строгие регламенты и технологии для сбора, переработки, хранения и захоронения радиоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива, исключающие их негативное влияние на окружающую среду.

7. Организационные меры и культура безопасности

Ключевую роль в обеспечении безопасности играет человеческий фактор. Поэтому на АЭС действуют строжайшие требования к квалификации, подготовке, аттестации и психофизиологическому состоянию персонала. Все операции строго регламентированы, а для подготовки операторов используются полномасштабные тренажеры. Важнейшим элементом является «культура безопасности» — система ценностей и правил, при которой приоритет вопросов безопасности является безусловным для всех сотрудников. Деятельность АЭС находится под строгим надзором государственных регулирующих органов (в России — Ростехнадзор) и международных организаций (МАГАТЭ).

Ответ: Организационные меры включают высокую квалификацию и дисциплину персонала, строгие регламенты, формирование культуры безопасности (приоритет безопасности над всем) и постоянный надзор со стороны регулирующих органов.