Объекты с отработавшим ядерным топливом
Почти три четверти суммарной активности техногенных радионуклидов в составе ОЯТ, находящегося на дне арктических морей, обусловлено тремя объектами — затонувшими АПЛ «Комсомолец», «К-159» и затопленной экранной сборкой с частью ОЯТ реактора № 2 первой ЯЭУ атомного ледокола «Ленин».
В свою очередь, активность экранной сборки сравнима с активностью двух других затопленных объектов с ОЯТ — АПЛ «К-27», оснащенной ЯЭУ с двумя реакторами с жидкометаллическим теплоносителем (ЖМТ), и реакторным отсеком АПЛ заказа № 901, оснащенной ЯЭУ с двумя водо-водяными реакторами.
Затонувшая АПЛ «Комсомолец»
АПЛ «Комсомолец» проекта 685 затонула в апреле 1989 г. в Норвежском море в 180 км юго-западнее острова Медвежий на глубине 1685 м (рис. 1.1).
Архитектурно она создана по двухкорпусной конструкции (легкий и прочный корпуса). АПЛ имеет длину 118 м, диаметр ее легкого корпуса — 11 м, прочного — 8 м, полное водоизмещение — 8500 м3. Прочный корпус разделен на семь отсеков. В четвертом отсеке расположена ЯЭУ — водо-водяной реактор мощностью 190 МВт с соответствующим оборудованием. В качестве конструктивного материала легкого и прочного корпусов использован титановый сплав.
Перед затоплением реактор ЯЭУ была переведен в режим устойчивого расхолаживания, что обеспечило ядерную безопасность АПЛ в момент гибели и при длительном нахождении в затопленном положении на грунте. На борту АПЛ также находятся две торпеды, оснащенные ядерными боеголовками.
После затопления к месту аварии с целью оценки общей обстановки, изучения радиационного и радиоэкологического состояния окружающей среды было направлено научно-исследовательское судно (НИС) «Академик Мстислав Келдыш» с глубоководными обитаемыми аппаратами «Мир-1» и «Мир-2», которые совершили шесть погружений. В общей сложности 1989—1998 гг. в район гибели АПЛ «Комсомолец» в Норвежском море было организовано и проведено В 1989—1995 гг. в морских экспедициях принимали участие ведущие специалисты более 20 организаций страны. В 1994 г. было констатировано, что после выполнения первого этапа работ в районе носовой оконечности АПЛ остался еще один не перекрытый путь возможного выхода продуктов коррозии плутония из торпед через разрывы казенных частей торпедных аппаратов в первый отсек и далее в морскую воду.
Семь экспедиций. Глубоководные аппараты «Мир» совершили 70 погружений на глубину до 1685 м (рис. 1.2).
В результате подводных исследований, выполненных с помощью глубоководных аппаратов, установлено, что прочный корпус в носовой части АПЛ оказался разрушен. Поперечные разрывы длиной до 2 м обнаружены в области первого и второго отсеков. Далее по прочному корпусу образовалась трещина длиной свыше 20 м с раскрытием до 400 мм. АПЛ лежит на грунте курсом 15° без крена и дифферента, на 2—4 м заглублена в грунт. Примерно в 900 м от нее на дне находится заглубленный в ил до 1 м всплывающий спасательный колокол (рис. 1. 3). Прозрачность воды соответствует 1,5— 3,0 м, придонное течение имеет скорость 1,0— 1,3 узла, грунт — мягкий ил.
В 1995—1996 гг. в ходе специальных морских экспедиций на НИС «Академик Мстислав Келдыш» на АПЛ были установлены титановые экраны для снижения скорости протока морской воды через носовой отсек, в котором содержатся две торпеды со специальными боевыми частями (СБЧ) (рис. 1.4).
Гидрофизические измерения подтвердили, что в результате установки защитных экранов удалось обеспечить почти полную герметизацию ее носовой части и значительно ограничить движение морской воды в районе нахождения торпед с СБЧ.
Последующие многолетние наблюдения показали, что с 1993 г. по настоящее время внешний вид корпуса лодки не изменился. По данным морской экспедиции МЧС 2007 г. АПЛ лежит на практически горизонтальном плоском участке дна. Нижние лопасти гребного винта утоплены в грунт, признаков их разрушения или деформации не отмечено. Кормовые горизонтальные стабилизаторы целы и прилегают к грунту. Корма не деформирована, на ней откинуты или сорваны отдельные лючки подпалубных устройств.
Входной люк в середине настройки, где располагалась всплывающая спасательная камера, завален. Существенные нарушения корпуса сохраняются только в носовой части (от рубки до носа): по правому борту в верхней части корпуса перед рубкой, в районе нахождения аварийного буя и в районе расположения горизонтальных рулей. По сравнению с 1996 г. количество осадка на корпусе АПЛ и наружных конструкциях возросло несущественно, но заметно увеличилось их биологическое обрастание.
По оценке экспертов, исходивших из сведений об энерговыработке корабельной ЯЭУ, в активной зоне реактора в момент его остановки содержалось примерно 1,55 ПБк (42 кКи) 90Sr и 2 ПБк (55 кКи) 137Cs. Радиоактивность двух торпед с СБЧ определяется присутствующим в них 239Pu и составляет около 16 ТБк (430 Ки).
Радиационный потенциал АПЛ «Комсомолец» составляет четверть суммарной активности всех российских объектов с ОЯТ, затопленных в арктическом регионе в 1965—1981 гг. Отличительной особенностью является факт разгерметизации первого контура ЯЭУ в результате удара АПЛ о грунт и выход техногенных радионуклидов в реакторный и смежные отсеки, а также в прилегающую морскую воду. В результате этого принято считать, что контакт ядерного топлива с морской водой наступил уже через год после затопления АПЛ. Данных о выходе техногенных радионуклидов из СБЧ торпед нет.
Затонувшая АПЛ «К-159»
АПЛ «К-159» проекта 627А (ныне «Б-159») была построена на судостроительном заводе «Севмашпредприятие» (СМП) и вошла в состав Военно-морского флота (ВМФ) в ноябре 1963 г. Ее длина — 107 м, ширина — 8 м, полное водоизмещение — 4050 м3. Прочный и легкий корпуса выполнены из стали толщиной 27 и 5 мм соответственно (рис. 1.5).
АПЛ «К-159», выведенная из состава Северного флота в 1989 г., длительное время находилась в отстое в поселке Гремиха (Мурманская область) совместно с другими подводными лодками. В 2003 г. в плановом порядке их стали переводить на судоремонтный завод «Нерпа» в бухту Кут (Снежнегорск) для передачи на утилизацию. К концу августа почти все находившиеся в поселке Гремиха АПЛ были успешно доставлены судами флота на завод.
30 августа 2003 г. на рекомендованном маршруте перехода АПЛ «К-159», которую вел спасательный буксир, попала в шторм. Перед выходом в море на ней были проведены необходимые специальные технические мероприятия для обеспечения непотопляемости, в том числе дополнительно заведены две пары судоподъемных понтонов (рис. 1.6). Однако во время шторма понтоны оборвались и, несмотря на принятые меры по спасению, АПЛ затонула (рис. 1.7).
Район гибели расположен в южной части Баренцева моря перед входом в Кольский залив на склоне Кильдинской части Мурманского желоба. Уклон дна составляет около 2°. С юга и юго-востока от АПЛ имеется поднятие дна. По данным морских навигационных карт, тип грунта в указанном районе — глинистый ил. Развиты преимущественно ледниково-морские осадки, перекрытые прерывистым чехлом морских глинистых отложений. Нижний слой осадков представлен буровато-серыми и серыми с зеленоватым оттенком уплотненными глинами мягкопластичной консистенции (по результатам российско-британских исследований 2007 г. по международной программе АМЕС установлено, что грунт состоит приблизительно на 50% из глины, на 40% из ила и на 10% из песка).
Ядерная энергетическая установка АПЛ включает два водо- водяных реактора мощностью 70 МВт каждый, размещенных последовательно друг за другом в диаметральной плоскости в пятом реакторном отсеке (рис. 1.8).
Последний доковый ремонт подводная лодка прошла в 1986 г., из состава ВМФ выведена в 1989 г. Активные зоны реакторов загружены ядерным топливом в 1972 г., ЯЭУ выведена из действия и переведена в ядерно безопасное состояние в 1988 г. Активность техногенных радионуклидов в реакторах в основном определяется 90Sr и 137Cs и составляла около 6, 6 ПБк (177 кКи), т.е. почти половину суммарной активности всех российских объектов с ОЯТ, затопленных в Арктике в 1961—1981 гг. Вклад актиноидов в ОЯТ невелик: суммарная активность плутония и америция не превышает 20 ТБк (0,5 кКи).
По пессимистическим оценкам контакт оболочек твэлов и топливной композиции с морской водой может произойти через 30—50 лет, по оптимистическим — через 150—200 лет.
Обследование технического состояния затонувшей АПЛ в первые сутки после затопления было выполнено специалистами Северного флота с борта спасательного судна «Алтай» с использованием буксируемой аппаратуры и видеозаписи. По данным, полученным в ходе этого обследования, АПЛ затонула на границе склона на глубине 246—252 м и лежит на грунте без крена, но с дифферентом 2—3° на корму. Характер грунта — плотный ил. Визуально зафиксирован ряд повреждений: наблюдались разрывы (вырваны куски) легкого корпуса на правом и левом бортах в районах крепления понтонов, отрыв кормовой части легкого корпуса начиная со 168-го шпангоута и пр. (рис. 1. 9).
Посторонних предметов на дне на расстоянии до 50 м по обоим бортам не обнаружено. По левому борту от АПЛ на кормовых курсовых углах 150— 160° лежат два затонувших носовых понтона, расстояние между которыми составляет 4— 6 м ( два других кормовых понтона через несколько дней после затопления подводной лодки были обнаружены на берегу).
Российско- британские исследования состояния АПЛ «К-159» в 2007 г. показали, что после ее потопления обстановка практически не изменилось:
• явных коррозионных повреждений при нахождении в морской воде не наблюдается;
• обрастание корпуса и слой ила на его поверхности незначительные;
• крышки люков закрыты, видимых повреждений не имеют;
• кормовая оконечность оторвана, не наблюдается видеосъемкой и акустическим сигналом;
• штоковые устройства ШУ- 200 находятся в нормальном состоянии.
С помощью погружного управляемого аппарата палуба надстройки была частично очищена от посторонних предметов.
Полученные в 2007 г. данные по характеристике грунта подтверждают расчеты, выполненные ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова в 2004 г. по параметрам движения лодки при соприкосновении с грунтом в момент катастрофы. Согласно этим расчетам для мягкопластичного глинистого грунта максимальная величина заглубления кормовой оконечности могла вначале составлять 6, 5—7,5 м, а к моменту окончания движения — 3—4 м при дифференте 4—7°. Расчетное давление на легкий корпус составляло 0,15—0,20 МПа, соответственно в кормовой части, по бортам и в районе днища он должен был получить существенные повреждения (вмятины, разрывы и пр.). Прочный корпус не мог быть поврежден. Для глинистого ила, у которого удельное сцепление оказалось в четыре раза, а угол внутреннего трения — в два раза меньше, чем было заложено в расчетах, заглубление кормы не могло быть больше указанного выше. Однако полный или частичный отрыв кормы все же был возможен. Несмотря на это, выхода радиоактивных веществ в окружающую среду не обнаружено.
Обследование показало, что подъем АПЛ «К-159» возможен по разработанному в 2004 г. ФГУП «СПМБМ “Малахит”» техническому проекту, который должен учесть полученные в 2007 г. данные о состоянии лодки и характеристики грунта в районе ее затопления, но для ее подъема потребуется создание специального судоподъемного комплекса.
Затопленные ядерно опасные объекты
На 1960-е годы пришлась масштабная замена реакторов на ряде АПЛ и атомном ледоколе «Ленин», что объясняется произошедшими авариями и ремонтными работами на корабельных и судовых ЯЭУ первого поколения. Вырезанные реакторные отсеки (РО) и реакторы создали проблему, связанную с необходимостью их безопасного хранения. Для ее решения были проведены научно-исследовательские работы по консервации этих объектов, способам хранения, обоснованию выбора мест хранения и затопления, сравнению экономических затрат при реализации альтернативных сценариев, гарантирующих достаточную радиационную безопасность для людей и нанесение минимального ущерба окружающей среде. По результатам этих работ было принято решение об индивидуальном затоплении каждого аварийного реактора и РО, для чего разработаны соответствующие проекты их консервации, транспортировки и затопления.
В интересах захоронения объектов с ОЯТ были использованы приведенные на рис. В.8 во Введении районы в мелководных бухтах восточного побережья архипелага Новая Земля и в сравнительно глубокой Новоземельской впадине Карского моря, специально выделенные для регулярных сбросов РАО, сопровождающих ремонт и эксплуатацию атомных кораблей ВМФ и судов гражданского флота.
Всего в Арктике в 1965—1981 гг. было затоплено пять объектов с ОЯТ: одна АПЛ, оснащенная двумя реакторами с жидкометаллическим теплоносителем, два реакторных отсека, реактор АПЛ и экранная сборка, содержащая часть ОЯТ реактора № 2 первой ЯЭУ атомного ледокола «Ленин» (табл. 1.1).
К важнейшим характеристикам затопленных объектов с ОЯТ относятся данные о подготовке к затоплению, от которых зависит их потенциальная радиационная и радиоэкологическая опасность, а также возможность окончательного захоронения на месте, перемещения или извлечения в интересах реабилитации морских акваторий. Такие сведения представлены ниже в хронологическом порядке для каждого из этих объектов.
РО АПЛ заказа № 901. В 1965 г. вырезанный реакторный отсек с невыгруженным ОЯТ в реакторах обоих бортов был подвергнут консервации в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1.10, которая включала специальную подготовку реакторов и герметизацию прочного корпуса. Важным подготовительным этапом являлось заполнение свободных объемов реакторов твердеющим радиационно стойким консервантом на основе фурфурола, который согласно экспертным оценкам должен был ограничить контакт ОЯТ с морской водой на срок от 100 до 500 лет.
Для обеспечения плавучести реакторного отсека при транспортировке к месту затопления к нему были приварены герметичные носовой и кормовой були. В районе затопления були заполнили морской водой, и вся конструкция опустилась на дно залива Абросимова восточного побережья Новой Земли. Герметичные носовой и кормовой були и всю конструкцию затопили в заливе Абросимова восточного побережья Новой Земли (см. рис. 1.10).
Экранная сборка ледокола «Ленин». Затопленная в 1967 г. экранная сборка с частью ОЯТ реактора № 2 первой установки ОК-150 атомного ледокола, содержащая 125 отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС), была размещена в специальном контейнере и залита твердеющим радиационно стойким консервантом на основе фурфурола. Контейнер загерметизировали, наварив на него крышку из нержавеющей стали. После длительного хранения на берегу (выдержки) его вставили в кессон, вваренный в центральную часть цилиндрического понтона (рис. 1.11). Для поддержания допустимой радиационной обстановки свободный объем его центральной части заполнили бетоном. Понтон отбуксировали в залив Цивольки восточного побережья Новой Земли и затопили.
В ходе регулярно проводимых МЧС морских экспедиций совместно с РНЦ «Курчатовский институт» к местам захоронений подводных потенциально опасных объектов в 2004 г. в заливе Цивольки с помощью гидролокатора бокового обзора был обнаружен объект, подобный затопленной экранной сборке. В повторной морской экспедиции в 2006 г. дополнительное обследование с помощью телеуправляемого подводного аппарата ГНОМ позволило идентифицировать его как понтон с экранной сборкой атомного ледокола (рис. 1.12).
Следует отметить, что хотя экранная сборка содержит небольшую часть (примерно 11%) всей активности объектов с ОЯТ, затопленных в Арктике, но по итогам международных проектов IASAP ( МАГАТЭ) и «Карское море» (Европейский союз) после разрушения ее защитных барьеров в 2300—2500 гг. она даст наибольший вклад в выход техногенных радионуклидов в морскую воду.
Реактор АПЛ заказа № 421. В 1972 г. при подготовке к затоплению аварийного реактора все патрубки, входящие в него, были заглушены, свободные внутренние объемы заполнены твердеющим консервантом на основе фурфурола, а верхняя и средняя части дополнительно окружены защитным слоем бетона (по данным, только этому объекту с ОЯТ был обозначен выход техногенных радионуклидов с момента затопления, так как существовала неуверенность относительно эффективности выполненной защиты). Реактор разместили на барже и затопили вместе с ней в Новоземельской впадине Карского моря (рис. 1.13).
Это единственный ядерно опасный объект, захороненный в открытой части Карского моря на достаточно большой глубине (около 300 м). Все другие объекты такого типа находятся в мелководных бухтах восточного побережья архипелага Новая Земля.
АПЛ «К-27». С 1960 по 1990 гг. в составе ВМФ России эксплуатировалось несколько самых скоростных (до 41 узла) в мире АПЛ класса «Альфа», оснащенных реакторными установками с жидкометаллическим теплоносителем. В основу их строительства были положены результаты, полученные в ходе эксплуатации АПЛ «К-27», которая была создана в Северодвинске и вступила в строй в 1962 г. (рис. 1.14).
В те годы АПЛ с жидкометаллическим теплоносителем были в мировой практике действительно последним словом науки и техники. Ядерный реактор на промежуточных нейтронах с теплоносителем свинец-висмут разрабатывался в ОКБ «Гидропресс» и ОКБМ. Главным достоинством ЯЭУ является ее динамичность.
Однако эксплуатация АПЛ оказалась более сложной по сравнению с АПЛ, имеющими реактор ВВР. Специфика заключалась в том, что существовала опасность остывания и затвердевания сплава-теплоносителя, а это повлекло бы вывод из строя ЯЭУ. В местах, где базировались АПЛ, всегда создавался специальный береговой комплекс для их обеспечения. Сложность эксплуатации объяснялась также высокой автоматизацией этих кораблей и особенно класса «Альфа». Все отсеки АПЛ за исключением двух были необитаемы. Операции по управлению системами и оборудованием выполнялись с пультов центрального поста.
После вступления в строй АПЛ «К-27» в 1964—1965 гг. совершила два похода на полную автономность. Во время походов она ходила на различных глубинах и скоростях. В мае 1968 г. АПЛ в очередной раз вышла в море для проверки работоспособности энергетической установки. На режимах полного хода произошло резкое падение мощности реактора. Причиной возникновения аварии послужило ухудшение теплосъема в активной зоне из-за попадания в нее окислов сплава свинец-висмут и шлаков.
После аварии восстановление АПЛ «К-27» было признано нецелесообразным. В течение 13 лет она находилась в резерве, после чего была затоплена в Карском море.
В 1981 г. перед затоплением АПЛ оборудование ЯЭУ и реакторного отсека было подвергнуто особой консервации. Свободные объемы реактора и связанного с ним оборудования, в частности змеевики охлаждения и обогрева корпуса и выемной части, содержащей ОЯТ, паровая рубашка и водяной кожух, конденсаторы расхолаживания, а также зазоры в чехлах стержней системы управления и защиты (СУЗ) реакторов были заполнены твердеющим консервантом на основе фурфурола. Для обеспечения ядерной безопасности в него добавили азотнокислый кадмий. При этом чехлы СУЗ были обрезаны и заглушены, уплотнения выемных частей реактора заглушены и заварены, на крышку установлена стальная выгородка, приварена по периметру корпуса и залита битумом.
Свободные объемы первого контура реактора, парогенераторы второго контура, баки свинцово-водной защиты, выгородки парогенераторов, насосы первого контура и боксы баков насосов для возврата протечек и пр. были заполнены битумом, а для обеспечения ядерной безопасности в битум добавили ортоборную кислоту. По завершении этих работ реакторный отсек был заполнен битумом на 70 см выше крышек реакторов (рис. 1.15). АПЛ с разгерметизированным реакторным отсеком затопили в заливе Степового архипелага Новая Земля, на глубине 33 м.
В общей сложности по состоянию на 2000 год в затонувших и затопленных объектах с ОЯТ в Арктике содержалось около 11 600 ТБк (317 кКи) радиоактивных веществ (табл. 1.2).
Затопление объектов без ОЯТ
В момент затопления активность каждого реактора без ОЯТ была сопоставима по величине с активностью реакторов, содержащих ОЯТ, но к 2000 г. они стали сильно различаться. Объяснение состоит в том, что активность продуктов деления в ОЯТ оценивали, исходя из кампании последней активной зоны, а продуктов активации в реакторе — по суммарной его наработке с учетом нескольких перегрузок ядерного топлива.
РО АПЛ заказов № 254 и 260. Перед затоплением реакторных отсеков из реакторов было выгружено ОЯТ, их подвергли такой же консервации с помощью фурфурола, как и РО АПЛ заказа № 901. Аналогичным образом к затоплению были подготовлены и корпуса реакторов ледокола. Затопление реакторных отсеков АПЛ было выполнено в 1965 и 1966 гг. в заливе Абросимова восточного побережья Новой Земли.
Реакторы АПЛ заказа № 538. Перед затоплением двух реакторов на все входные отверстия установили заглушки, верхнюю часть корпуса каждого из них залили бетоном и закрыли стальной крышкой, затем поместили в посадочные места «Лихтера-4» (баржи) и затопили вместе с ним в заливе Течений восточного побережья архипелага Новая Земля (рис. 1.16).
РО атомного ледокола. Реакторный отсек ледокола с установкой ОК-150 и тремя реакторами без ОЯТ в 1987 г. загерметизировали и уникальным способом (путем взрывного подрыва внутри корпуса судна) отделили от посадочного места и затопили в заливе Цивольки восточного побережья архипелага Новая Земля, а ледокол отбуксировали на судоремонтный завод для продолжения ремонтных работ (рис. 1.17 и 1.18, приложение 4).
Основные характеристики радиационно опасных объектов без ОЯТ, затопленных в Арктике, представлены в табл. 1.3 и 1.4.
Из данных, приведенных в табл. 1.4, следует, что наибольшее количество радиоактивных веществ находится в «Лихтере-4» (около 85%) и оно сопоставимо с отдельными объектами с ОЯТ (см. табл. 1.2). По этой причине «Лихтер-4», как и объекты с ОЯТ, целесообразно рассматривать в качестве потенциального источника радиоэкологической опасности. Активность остальных радиационно опасных объектов на сегодня не превышает 1—10% активности объектов с ОЯТ. Еще меньшую активность имеют составные части реактора, такие как крышки и корпус (табл. 1.5).
Саркисов А.А. Атомное наследие холодной войны на дне Арктики
