Атомная станция против землетрясения или дрона: как рассчитать стойкость АЭС

Как землетрясение влияет на конструкцию АЭС

В 2011 году у берегов Японии произошло одно из самых сильных землетрясений за всю историю наблюдений. Поземные толчки вызвали цунами, которое обрушилось на восточное побережье страны, нарушив работу атомной электростанции Фукусима-1. АЭС оказалась обесточена, а системы аварийного охлаждения перестали работать, из-за чего ядерное топливо расплавилось. Три энергоблока взорвались, и радиоактивные элементы попали в окружающую среду. После этого происшествия повышение сейсмостойкости атомных электростанций стало одной из ключевых задач для проектировщиков и строителей АЭС.

В зависимости от места расположения современные атомные станции рассчитаны на 8- и 9-балльное землетрясение. Но проектируя здание, нужно учитывать, что подземные толчки доходят до него двумя основными типами упругих волн. Первая — это продольная P-волна, которая сжимает и растягивает породу вдоль направления своего движения. Вторая — поперечная S-волна, которая сдвигает частицы поперёк. У них разные скорости, и на каждой границе разных сред волна частично отражается, а частично превращается в волну другого типа.

Измерение радиационного фона на территории АЭС «Фукусима» в Японии Фото: © AP/TASS

Как проверяют сейсмостойкость АЭС

Сейсмостойкость конструкций можно проверить на вибростенде — это специализированное оборудование, которое симулирует разные виды вибраций, в том числе подземные толчки. Но очевидно, что здание на платформу вибростенда не поставишь, поэтому сегодня при строительстве АЭС всё чаще применяется компьютерное моделирование. Уже на этапе проектирования станции создаётся её цифровой двойник, то есть виртуальная модель, повторяющая ключевые характеристики объекта. На такой модели, как в видеоигре, можно проверить землетрясение любой силы и типа.

Для тестирования сейсмоустойчивости сооружений АЭС, в том числе подземных, обычно применяют специальный метод решения гиперболических систем дифференциальных уравнений — сеточно-характеристический подход. Его результаты сопоставляют с натурными данными по рассеянию сейсмических волн в трещиноватой среде и проверяют на задаче роста трещины в композитном материале.

Обычно при использовании сеточно-характеристического метода конструкцию станции делают упрощённой: с однородным куполом, без армирующих включений. Но железобетон — контрастная среда, а скорость продольных волн в стали составляет 5890 м/с против 3688 м/с в бетоне. К тому же каждый арматурный стержень работает как отражатель. Большой плюс цифровой модели в том, что она позволяет менять не только степень армирования, но и пространственное расположение стержней, проверять прочность многослойных и композитных материалов.

Осенью 2025 года в Баварии управляемым взрывом уничтожили две градирни бывшей АЭС «Гундремминген» Фото: © dpa/picture-alliance

Армирование купола и защита реакторного отсека

Покажем, как применяется компьютерное моделирование с двумя типами сеток, на примере недавней исследовательской работы, которую провели российские физики для расчёта устойчивости конструкции атомной электростанции вместе с металлическими включениями в бетоне. Были просчитаны три геометрически одинаковых варианта станции: с бетоном, усиленным 146 арматурными стержнями; промежуточный вариант с 82 стержнями; однородный бетон без каких-либо включений. На каждый из них направляли плоскую P- или S-волну амплитудой 10 м/с или 20 м/с, падающую под углом 15 градусов. Разрушение описали критерием главных напряжений. Если в узле сетки главное напряжение превышает предел в 80 МПа для бетона и 390 МПа для металла, там моделируется трещина перпендикулярно направлению соответствующего ему собственного вектора. Если в узле возникает вторая трещина, материал считается разрушенным. 

Оказалось, что при сильном воздействии будут разрушены и армированное, и обычное основания станции. А вот при слабом землетрясении переотражение волн в неоднородной армированной стене заметно меняет характер повреждений фундамента. Поперечные S-волны разрушают большую его площадь, но для целостности реакторного отсека опаснее продольные. При этом степень армирования купола и стен АЭС при рассмотренных нагрузках практически не влияет на уровень защиты реакторного отсека.

Устойчивость АЭС к атакам дронов

Атомные станции проектируются так, чтобы выдерживать не только подземные толчки, но и удары с воздуха. Так, недавняя атака украинского дрона на градирню энергоблока № 1 Курской АЭС-2 нанесла лишь незначительные повреждения и не повлияла на работу АЭС. Защищены станции и от более серьёзных атак.

Первый и второй энергоблоки Курской АЭС были выведены их эксплуатации в 2021 и 2024 годах, сегодня продолжают работу третий и четвёртый Фото: © Егор Алеев/ТАСС

«Стены и купол энергоблока в состоянии выдержать столкновение с боевым самолётом, пикирующим под углом 45 градусов, притом что основной удар будет нанесён ротором двигателя — самой тяжёлой частью самолёта», — сообщил руководитель проектного офиса по региональной политике и развитию территорий концерна «Росэнергоатом» Ренат Карчаа.

Впрочем, на атомных станциях есть другие объекты, которые гораздо более уязвимы в свете подобных ударов. Так что российские физики намерены продолжить работу по трёхмерному моделированию с учётом возможных интенсивных техногенных воздействий на купол станции.