16:41

Чернобылей больше не будет

Как удалось взорвать реактор

Анатолий Вассерман, инженер-теплофизик, инженер-энергетик (в запасе) атомной подводной лодки

Всё нижеизложенное почерпнуто (и сопоставлено) из множества разных источников. В их числе многочисленные публикации, связанные с катастрофой 1986.04.26, научные и научно-популярные труды по ядерной физике и ядерной энергетике, учебные материалы, мои собственные попытки анализа, беседы с людьми существенно более компетентными, нежели я сам. Вряд ли я смог бы перечислить все эти источники, за что и приношу их авторам свои извинения. Практически неизбежные нарушения чьих-либо авторских прав совершенно неумышленны.

Считаю также своим долгом заверить, что ничто из сказанного далее не является секретным не только по сути, но и формально.

Зелёный шум

С каждым годом всё заметнее борцы за сохранение экологии. Они протестуют против генетических экспериментов над животными и растениями, требуют повсеместного отказа от меховой одежды, готовы защитить весь мир от ядерной энергетики…

Конечно, зверюшек жалко. Да и загаживать промышленными выбросами (пусть неплохо очищенными) крупнейший в мире резервуар пресной воды — озеро Байкал — глупо.

Только по московским морозам — не говоря уж о сибирских — в шубе из синтетического Чебурашки долго не погуляешь. И накормить пятью хлебами пять тысяч голодных доселе удалось разве что Иисусу Иосифовичу Давыдову, да и то лишь однажды. А генная инженерия, между прочим, по сути очень мало отличается от классической селекции, чьими плодами человечество благополучно пользуется уже многие тысячелетия.

А уж ядерная энергетика — не просто единственный в обозримом будущем способ удовлетворить наши потребности. Она и безопаснее классических технологий. Например, обычная угольная тепловая электростанция выбрасывает в окружающую среду во много раз больше радиоактивности, чем равная по мощности ядерная. Уголь, конечно, не слишком радиоактивен — только проходят его через топки станции тысячи тонн ежесуточно. Грамм же урана заменяет примерно три тонны угля. Вдобавок среди продуктов сгорания угля не только радиоактивные вещества, но и разнообразная прочая грязь, включая сильные канцерогены. А ядерный реактор сложной химии не вырабатывает — кроме радиоактивности, он ничем не опасен. Наконец, продукты сгорания угля в воздухе прямо в тот же воздух и попадают. Зато реактор герметичен — и не только при работе: накапливающиеся в нём отходы тоже строго изолируются на многие века.

Правда, зелёные иной раз и угольную энергетику ругают. Но только за общий выброс загрязняющей окружающую среду золы. А радиоактивность этой золы они попросту не замечают: к чему беспокоиться, когда есть такая удобная мишень, как ядерная энергетика!

Но есть у зелёных активистов неубиенный аргумент. Взрыв в Чернобыле выбросил радиоактивности чуть ли не больше, чем весь сожжённый человечеством уголь. А то ли ещё будет!

Придётся подробно разобраться, что уже было. Может, тогда и догадаемся, скоро ли повторится этот кошмар.

Выбег

В конце апреля 1986-го четвёртый реактор Чернобыльской атомной электростанции планировалось остановить на ремонт. К этой остановке решили приурочить эксперимент по работе на выбеге.

Атомная электростанция по устройству мало отличается от прочих тепловых. Пар вращает обычную турбину, та — обычный электрогенератор. Только воду кипятят не газовым или угольным пламенем, а энергией, выделяющейся при делении ядер тяжёлых элементов.

Турбина и генератор весят многие десятки тонн и делают ежесекундно полсотни (на американском континенте — и все шестьдесят) оборотов. В их вращении накоплена немалая энергия. После отключения подачи пара эта энергия постепенно рассеивается в трении. А трение в турбогенераторном агрегате столь мало, что вращение по инерции — выбег — не останавливается долго. Но если без пара сохранять генератор включённым, энергия вращения будет по-прежнему переходить в электрическую. Так можно обойтись какое-то время без систем аварийного электропитания станционного оборудования. И время это несложно подсчитать: момент инерции и скорость вращения турбогенератора известны.

Куда сложнее подсчитать инерцию тепловую. Ведь в реакторе она не сводится к теплоёмкости конструкции. Даже после прекращения цепной реакции деления продолжаются разнообразные преобразования накопившихся в реакторе осколков деления. Преобразования эти самопроизвольны именно потому, что при них выделяется энергия. А поскольку количество и состав этих осколков существенно зависят от особенностей предыдущего поведения реактора, теоретические расчёты имеют заметную погрешность. Поэтому и время, в течение которого в реакторе будет выделяться достаточно пара для продолжения нормальной работы турбогенератора, известно не слишком точно.

В эксперименте планировалось определить, каково это время, сколько минут или хотя бы секунд в резерве у сотрудников станции. Хотя особого смысла в этом не было. Заранее ясно, что времени на спокойное выполнение всех положенных манипуляций персоналу хватило бы. Но очень уж хотелось знать, каков запас на возможное разгильдяйство.

Правда, разработчики реактора потакать разгильдяйству эксплуатационников не хотели — им и собственных проблем, как мы позже увидим, хватало. Программу эксперимента они согласовать отказались. Но нашёлся скромный НИИ, имеющий к реакторам весьма условное отношение, но имеющий право подписи подобных программ. С ним всё и согласовали.

Без страховки

Хотя разработчики не зря побаивались. Провести этот эксперимент не так уж просто. Поработать без аварийного электропитания практически невозможно: автоматика включает его при малейших намёках на любые проблемы — в том числе, естественно, и при снижении мощности реактора до установленного конструкторами предела.

Выход нашёлся простейший. Реактор всё равно останавливается, управлять им не понадобится — к чему тогда вся эта аварийщина! Можно спокойно её выключить и избавиться от помех эксперименту.

Отключать силовое оборудование сложно. Для простоты решили в момент начала остановки реактора заглушить всю аварийную автоматику.

Поспешай медленно

Именно в начале. Остановка теплоэнергетического оборудования — дело очень медленное. Быстрое охлаждение трудно сделать равномерным. А при неравномерном перераспределении температур тепловые деформации могут покорёжить даже самую массивную конструкцию. Поэтому, например, для временного снижения мощности судового турбоагрегата пар пускают по обходному трубопроводу, мимо турбины: это гораздо быстрее и безопаснее, чем отключать нагрев котла.

Кстати, запускают теплосиловые установки ещё медленнее, чем останавливают. А уж для медленного пуска ядерных реакторов есть ещё и особые причины, о которых стоит поговорить позже.

Итак, вечером, когда нагрузка на энергосистему снижается, четвёртый реактор начали останавливать. Опустили нейтронопоглощающие стержни чуть поглубже — и цепная реакция пошла на спад.

Обождали, пока уровень реакции стабилизируется, вновь приспустили стержни — реакция ещё ослабла… Таких ступенек до отключения нужно пройти многие десятки, чтобы реактор не покорёжило.

На выручку

Когда мощность реактора снизилась уже чуть ли не на треть, на Чернобыльскую АЭС поступила команда от диспетчера КиевЭнерго.

Остановка агрегатов в энергосистеме — дело по возможности плановое. К моменту отключения реактора на одной из тепловых станций КиевЭнерго должны были запустить после ремонта котёл с турбогенератором. Стартующий агрегат взял бы на себя нагрузку, уходящую с широких чернобыльских плеч.

Но ремонт, в отличие от изготовления — дело штучное. Предсказать его ход можно не всегда. Ремонтники на несколько часов задержались.

И диспетчер КиевЭнерго попросил вновь вывести реактор на штатную мощность, чтобы в эти несколько часов избежать провала, чреватого повышенным изъятием энергии из общесоюзной системы. А при неблагоприятном раскладе что-нибудь и отключить бы пришлось.

Энергетики дисциплинированы. Работая в единой системе, понимаешь: любая твоя ошибка ударит по многим тысячам коллег. Так что просьба диспетчера была принята к немедленному исполнению.

Поглощающие стержни поползли вверх. И так же плавно, как предшествующее торможение, начался разгон.

По тем же ступенькам, но кубарем

Через несколько часов тепловая станция заработала. Из КиевЭнерго сообщили, что реактор уже точно можно останавливать.

Но время, запланированное для эксперимента, ушло. А утром начинался ремонт. Станционное руководство решило ускорить охлаждение реактора до намеченного уровня. В конце концов, штатный темп установлен с изрядным запасом. За допустимую скорость охлаждения проскакивали уже не раз — и все прекрасно знали, сколь далеко можно пойти без ущерба для реактора. Мощность стали сбрасывать не в штатном режиме, а чуть быстрее — на той самой скорости, безопасность которой уже проверена.

Аварийную автоматику отключили сразу же. Вдруг охлаждение пойдёт ещё быстрее и подачу пара на турбину надо будет прекратить досрочно?

Так оно и вышло. Уровень мощности, на котором намечалось стабилизироваться, чтобы в реакторе установился единый режим, с разгону проскочили. А хотелось отработать по первоначальному плану. Иначе всё равно придётся пересчитывать результаты — опять с погрешностью.

Ну что же, можно опять разогреться. Управляющие стержни вновь пошли вверх. Но мощность реактора оставалась сниженной.

Станция была укомплектована опытными энергетиками. Но особенности поведения именно ядерных реакторов были многим из них, похоже, непривычны. Судя по тому, что нежелание реактора вновь запускаться многих из них изумило. Изумило настолько, что включить системы автоматического управления они попросту забыли.

А может быть, вполне сознательно не захотели. Автоматика не позволила бы заняться делом запретным — извлечением реактора из йодной ямы.

Теплотехнические процессы — кипение воды, вращение турбины, конденсация пара — не слишком просты, но изучались веками. Так что малейшие их подробности знакомы если не каждому прохожему, то уж во всяком случае любому инженеру на электростанции. А вот цепочка событий, нагревающих ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы) в ядерном реакторе, куда менее привычна. Поэтому начну с азов — знающие процесс не хуже меня могут несколько следующих разделов (по крайней мере до раздела «Кто-то теряет») спокойно пропустить.

Ядерный клей

Ядерные реакторы и бомбы зачастую называют атомными. Но внешняя часть атома — электронная оболочка — удерживается около внутренней — ядра — сравнительно слабо. Поэтому реакции с её участием — например, горение угля — не слишком энергичны. Действительно заметные энергии связаны с преобразованиями внутри ядра.

Состоит ядро прежде всего из протонов, чей положительный электрический заряд и притягивает отрицательные электроны. Но друг от друга протоны, естественно, отталкиваются, ибо все заряжены одинаково. Поэтому в ядре они разбавлены нейтральными частицами — нейтронами. Время от времени нейтрон выбрасывает отрицательную частицу — пи-минус-мезон — и превращается в протон. А какой-нибудь соседний протон, поглотив эту частицу, становится нейтроном. Летают внутри ядра и положительные — пи-плюс — и нейтральные — пи-ноль — мезоны, стягивая другие комбинации массивных частиц — барионов. Так коктейль из протонов с нейтронами оказывается устойчивее тех и других по отдельности. Ведь одиночный нейтрон тоже нестабилен: за немногим более 900 секунд половина из них распадётся на пи-минус мезоны и протоны. А пи-минус-мезон в свою очередь распадётся на несколько нейтральных частиц и электрон. В целом эта цепочка событий зовётся бета-распад.

Мезоны и барионы в свою очередь сооружены из частиц помельче — кварков, для связи обменивающихся глюонами. Но эта тонкая внутренняя структура проявляется при энергиях, часто встречавшихся лишь в первые несколько минут существования нашей Вселенной. Температуры же, соответствующие характерным энергиям обмена мезонами, обычны для внутренностей нынешних звёзд. Для сравнения: энергия преобразований электронных оболочек соответствует температуре привычного пламени.

Статистика — дело надёжное

Итак, примерно за 900 секунд распадается половина свободных нейтронов. Но за следующие 900 секунд распадутся не все оставшиеся нейтроны, а опять же половина из них. Процессы, связанные с элементарными частицами, случайны, и судьба каждой частицы не зависит от судеб других — конечно, пока они не соприкасаются. Поэтому обычная оценка продолжительности любого такого процесса — период полураспада: время, за которое процесс затронет половину частиц.

Казалось бы, на столь ненадёжном фундаменте, как случай, твёрдые инженерные расчёты не построишь. Но в случайном процессе относительное отклонение от средних значений обратно пропорционально числу участников процесса. А даже крошечные песчинки состоят из бесчисленных миллиардов атомов. Поэтому случайными отклонениями можно пренебрегать практически всегда — чтобы сделать их значимыми, нужны особо хитрые конструкции, вроде квантовых генераторов. Весь наш мир, построенный по статистическим законам квантовой механики, выглядит вполне стабильным и предсказуемым.

Дистанции огромного размера

Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны. Они невесомы — значит, связанная с ними энергия может быть сколь угодно мала. Пи-мезоны довольно массивны (около седьмой части массы протона), так что переносят гарантированно большую энергию. Поэтому обеспеченное ими взаимодействие называют сильным. Хотя на фоне обмена сверхтяжёлыми по ядерным меркам глюонами оно не так уж внушительно, но в привычном нам мире не слишком высоких энергий сильнее межбарионного взаимодействия и впрямь ничего не найти.

Но по законам квантовой механики большей энергии соответствует меньшее время, в течение которого эта энергия может проявляться произвольным образом, без явных взаимодействий. Это ограничивает дальность полёта временно порождаемых — виртуальных — частиц: ведь их скорость заведомо не превышает световой. Поэтому электромагнитное взаимодействие распространяется сколь угодно далеко (хотя, конечно, ослабевает по квадрату расстояния — далеко летят лишь низкоэнергичные фотоны) — а сильное ограничено дистанциями, сопоставимыми с размером ядра. И это, в свою очередь, ограничивает сам размер ядра.

Чем больше в ядре протонов, тем мощнее общее их отталкивание, тем больше должна быть концентрация нейтронов. Два протона может связать даже единственный нейтрон: гелий-3 вполне устойчив — хотя вследствие других, достаточно сложных, законов мира элементарных частиц несравненно более распространён гелий-4 с двумя нейтронами. Замечу к слову, что химические свойства полностью определены числом электронов и равным ему числом протонов, так что атомы, отличающиеся только числом нейтронов, занимают в таблице Менделеева одну клетку и поэтому зовутся изотопами — единоместными. А 92 протона уранового ядра приходится удерживать почти полутора сотням нейтронов: в природе наиболее распространён уран-238.

В таком громадном ядре противоположные частицы уже не скреплены сильным взаимодействием: пи-мезоны просто не успевают пролететь от края до края. А электрическое отталкивание, не скованное расстоянием, продолжается. Поэтому уран неустойчив. За четыре с половиной миллиарда лет распадается половина ядер урана-238, и на Земле он встречается в заметных количествах лишь благодаря тому, что ей от роду всего 5–6 миллиардов лет. Более тяжёлые элементы успели распасться полностью. Поэтому привычная таблица Менделеева кончается ураном.

Ядра сложнее урана делают искусственно. Например, плутоний-239 образуется после попадания в уран-238 дополнительного нейтрона. 92 протонов уже не хватает для поглощения всех выделяемых столькими нейтронами пи-минус-мезонов, и те уходят за пределы ядра. Бета-распад рождает сперва нептуний-239 с 93 протонами, а затем и плутоний-239 с 94. Правда, примерно за 24.4 тысячи лет половина этих ядер распадается. А более тяжёлые элементы, образуемые попаданиями дополнительных нейтронов, выдерживают и того меньше. Например, ядерная бомба на основе калифорния-252 может весить считанные граммы — но пролежит на складе недолго: период его полураспада всего 2.2 года. А ведь наработка нужного количества калифорния даже в очень мощном реакторе тоже занимает годы! Поэтому — после множества довольно удачных экспериментов — от крупнокалиберных пуль с ядерным зарядом отказались.

Уран рубят — осколки летят

Нестабильные ядра выбрасывают лишние частицы разнообразными способами. Но самый важный для ядерной энергетики — распад ядра на примерно равные половинки. Примерно — потому что этот процесс, как и всё в микромире, развивается случайным образом. Например, ядро урана вроде бы должно раскалываться на два 46-протонных палладиевых. Увы, на самом деле столь ценный металл образуется так редко, что его выделение из радиоактивной каши куда дороже, чем сам продукт. Среди урановых осколков встречается в заметных дозах всё от цинка (30 протонов) до неодима (62). Хотя, конечно, чем ближе к 46, тем вероятность выше — но не настолько, чтобы это радикально влияло на состав отходов.

Разлетаются пополам не только урановые ядра. Начиная с тория-232 этот путь распада встречается довольно часто. Но уран — самый доступный из делящихся таким способом материалов.

Нейтронный клин

Уран-238 от попадания нейтрона превращается в нептуний, а потом в плутоний. При этом выделяется примерно столько же энергии, сколько и привнесено попавшей частицей. Заметную энергию это ядро отдаёт только при распаде пополам. Но пока ещё этого распада дождёшься! Период полураспада урана-238 путём деления — примерно 40 миллионов миллиардов лет. То есть проще дожидаться распада и выделения энергии другими, более быстрыми, способами.

Главный из них, кстати — альфа-распад, то есть выброс ядра гелия-4. Остаток образует торий-234. Из него следующим альфа-распадом получается радий-230. Но куда вероятнее другие цепочки, с промежуточными превращениями нейтронов в протоны и выделением электронов (бета-распад). Так что самый распространённый изотоп радия — 226. Его и обнаружили супруги Кюри. Радий в свою очередь превращается в радон, тот — в полоний (тоже открытый Кюри) и, наконец, в стабильный свинец. Другие цепочки распадов дают протактиний, актиний, франций, астат, висмут. Квантовомеханические закономерности внутреннего устройства ядер приводят к тому, что все элементы между висмутом и ураном малостабильны. В сырье, из которого слеплена Солнечная система — осколках взрывов звёзд первого поколения — их было немало. Но до наших дней почти все эти первичные ядра не дожили, и на Земле эти элементы бытуют только как продукты распада существенно более стабильного урана.

К счастью, другой изотоп урана — 235 — делится пополам не только по собственному желанию. Желания немного: период полураспада по отношению к делению — сто девяносто миллионов миллиардов лет (ещё больше, чем у урана-238: ядро чуть меньше — сильному взаимодействию проявиться чуть легче). Зато попадание нейтрона гарантирует урану-235 столь же энергичное деление. То есть распад этого изотопа — одно из немногих в ядерном мире событий, которыми можно управлять искусственно: выделение свободных нейтронов слишком больших энергозатрат не требует. Более того, на самом деле их летает вокруг нас так много, что измерение вероятности самостоятельного — не вызванного нейтронами — деления урана-235 требует немыслимых экспериментальных усилий.

Два с половиной нейтрона

При делении уранового ядра также выделяются нейтроны. Чего и следовало ожидать. Больше протонов в ядре — больше нейтронов нужно на каждый из них. Делится ядро пополам — часть нейтронов в каждой половинке оказывается лишней. Они могут распадаться сразу. Но немалая их часть вылетает из новых ядер, а распадается уже в свободном полёте.

В среднем на одно распавшееся урановое ядро приходится два с половиной (ох уж эта квантовая статистика!) нейтрона. Если все они пойдут в дело, реакция разовьётся устрашающим темпом. Ведь от распада ядра до выделения и поглощения всех нейтронов проходит (опять же в среднем) примерно сотая доля секунды (этого, кстати, достаточно, чтобы автоматика успевала регулировать работу реактора). Значит, за секунду число распадающихся ядер вырастет примерно в шесть тысяч миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз. На самом деле стольких атомов урана не найдётся во всей обозримой Вселенной, а любой реально достижимый заряд выгорит меньше чем за полсекунды.

Кто-то теряет

Конечно, далеко не каждый нейтрон, вылетевший из распавшегося ядра, разделит другое ядро. Коэффициент разветвления — отношение количеств делящихся ядер в соседних поколениях — неизбежно оказывается гораздо меньше теоретически возможных двух с половиной.

Какие-то нейтроны попадут в ядра других элементов, присутствующие в реакторе. Те, правда, могут от этого в свою очередь как-то измениться: искусственные радиоактивные изотопы — важный побочный продукт ядерного реактора. Погружая в активную зону реактора стержни с большой концентрацией ядер, хорошо поглощающих нейтроны, можно очень точно дозировать поток нейтронов. И даже полностью останавливать реакцию. Не зря часть стержней снабжают не очень точными, зато быстродействующими, приводами и используют не для тонкого управления, а только для аварийной остановки реактора. Остальную конструкцию строят из материалов, тщательно очищенных от поглощающих примесей. А заодно и от прочих: когда на одном электродном заводе размещали особо секретный заказ на графит для первого советского реактора, директор попросил Курчатова хоть намекнуть, каким именно способом предполагается изготовлять алмазы — другого применения для столь чистого графита в годы Великой Отечественной войны никто и вообразить не мог.

В природном уране на каждое ядро 235 приходится целых 140 ядер 238: уран-235 имеет период полураспада (по всем видам распада, вместе взятым) всего 713 миллионов лет — мелочь по сравнению с 4.5 миллиарда лет для урана-238 — и до наших дней дожило менее процента его ядер, запасённых в момент образования Солнечной системы. Поэтому заметная часть нейтронов поглотится ядрами урана-238. Получится плутоний-239, тоже способный делиться от попаданий нейтронов и поэтому вполне эффективный в качестве топлива для ядерного реактора. «Но это, пойми, потом!» Образование ядра плутония-239 занимает более двух суток — по ядерным меркам вечность. То есть на природном уране реакция развиваться не будет. Поэтому его обогащают: отделяют часть урана-238, пользуясь ничтожной — чуть больше процента — разницей в массе ядер. В реакторном уране обычно 10–15 % урана-235, в оружейном — больше 50 %.

Наконец, часть нейтронов просто вылетает за пределы уранового блока, так ни во что и не попав. Если блок слишком мал, вылетать будет так много нейтронов, что реакция вовсе не начнётся. Знаменитая критическая масса зависит, очевидно, и от формы блока, и от плотности размещения делящегося вещества. Например, для взрыва бомбы два куска урана плотно стыкуют — и в образовавшемся блоке поглощается достаточно нейтронов, чтобы реакция стала развиваться. А плутоний в бомбу помещают единым куском и окружают обычной взрывчаткой. Если её подорвать со всех сторон одновременно, плутоний так уплотнится, что станет сильнее поглощать нейтроны и реакция в нём пойдёт в полную силу.

Как бы то ни было, сокращать нейтронный поток несравненно легче, нежели наращивать. Из двух с половиной нейтронов, выделяющихся в одном акте деления, до следующего деления должен добираться ровно один — тогда реакция не будет ни разрастаться, ни затухать.

Разгон без спешки

Такой точный баланс поддержать трудно. Из-за неизбежных случайностей какие-то поколения нейтронов будут то многочисленнее, то беднее предыдущих. Соответственно и реакция будет то нарастать, то угасать.

К счастью, чем меньше коэффициент разветвления отличается от единицы, тем медленнее меняется интенсивность реакции. Поэтому времени на регулировку её хода перемещением управляющих стержней хватает. Исследовательские реакторы первых поколений вообще вручную управлялись — и никаких вредных последствий не было.

Вот запуск реактора сложнее. Коэффициент здесь обязательно должен превышать единицу — иначе реакция вовсе не будет нарастать. Поэтому малейшая невнимательность обернётся разгоном настолько быстрым, что можно и упустить момент выхода на номинальную мощность. Не говоря уж о температурных деформациях, сопутствующих быстрому нагреву.

Так что запускают реактор по ступенькам. Чуть поднимут мощность — и вновь приспускают управляющие стержни, доводят коэффициент разветвления до единицы. Дадут реактору поработать на установившейся мощности, убедятся, что реакция под контролем — и вновь приподнимут стержни, позволят реакции ещё немного разрастись. Штатный процесс запуска может занять в большом реакторе несколько суток.

Самоотравление

Такая медлительность важна ещё и потому, что активные поглотители нейтронов не только включены в состав управляющих стержней. Изрядное их количество образуется непосредственно в ходе работы. Среди осколков урановых ядер встречаются самые разнообразные ядра — в том числе и поглотители. По мере пуска реактора их концентрация меняется — и к этому надо успевать приспособиться. Реактор, подобно живому существу, сам себя отравляет отходами собственной деятельности.

Самые мощные из них — ксенон-135 и самарий-149. Изотоп самария стабилен, то есть из реактора его убирает только сам нейтронный поток, превращая в равнодушный к нейтронам самарий-150. А вот период полураспада ксенона-135 немногим более 15 минут. То есть этот тормоз и в неработающем реакторе очень быстро исчезает.

Но самарий-149 при распаде урановых ядер образуется сравнительно нечасто. Да и прометий-149, бета-распад которого даёт самарий — тоже осколок довольно редкий. Зато йод-135, бета-распадом превращающийся в ксенон, образуется в очень заметных дозах. Поэтому ксенона-135 в работающем реакторе куда больше, чем самария-149.

Период полураспада йода-135 — 6.7 часа. Поэтому количество короткоживущего ксенона-135 в реакторе практически полностью определяется концентрацией йода. И поведение реактора после остановки обычно называют йодной ямой.

Заплывающая яма

На один акт деления выделяется в среднем два с половиной нейтрона — полтора из них можно расходовать как угодно. А поглотители нейтронов рождаются далеко не при каждом делении. Поэтому, пока реактор работает, самоотравление незаметно.

Но снижение мощности сокращает нейтронный поток — а концентрация поглотителей остаётся прежней. Значит, доля нейтронов, теряющихся в этих осколках, растёт. При достаточно резком сбросе останется меньше одного нейтрона на деление — и реакция заглохнет сама собой.

Вновь запустить реактор будет невозможно, пока естественный распад не сведёт концентрацию поглотителей до достаточно скромного уровня. Реактор как бы попадает в яму, глубина которой со временем падает. Время это определяется в основном распадом йода-135. Чтобы его в реакторе осталось не слишком много, приходится выжидать несколько суток.

Из болота за волосы

Когда реактор останавливали в первый раз, процесс был квазистационарным — настолько медленным, что практически все естественные поглотители успевали выгореть, и их концентрация всё время соответствовала текущей мощности. Во второй же раз тормозили быстрее — и поглотителей оставалось больше положенного. Реактор угодил в йодную яму.

Чернобыльские реакторщики суток на ожидание не имели: утром начинался ремонт. Запустить реактор хотелось немедленно.

Решение нашлось простейшее. Раз в реакторе слишком много естественных поглотителей — надо убрать побольше искусственных.

Регулирующие стержни выдвигались из активной зоны до упора один за другим. Редкие одиночные нейтроны получали всё больше шансов долететь до урановых ядер, не поглотившись по дороге. Рано или поздно суммарное поглощение должно упасть настолько, что коэффициент размножения нейтронов превысит единицу — и реакция пойдёт.

Так в конце концов и вышло. Когда из реактора вышли почти все стержни, он наконец ожил. Ксенона, самария и прочих, менее заметных, поглотителей уже не хватало, чтобы без поддержки содержимым регулирующих стержней поглощать все нейтроны, образующиеся при распаде урановых ядер. Каждое деление порождало всё больше новых делений. Цепная реакция разрасталась.

Барон Мюнхгаузен рассказывал, что выдернул себя из болота за собственные волосы. Увы, он не сказал, далеко ли после этого рывка пролетел.

Разгон без тормозов

Каждое ядро поглотителя способно справиться с одним нейтроном. После этого оно превращается в какое-то другое — как правило, заметно менее жадное по нейтронной части. Поэтому, в частности, управляющие стержни приходится время от времени менять: запасы поглощающих нейтроны веществ в них достаточно быстро исчерпываются.

По мере роста нейтронного потока запасы ксенона-135 и самария-149 в четвёртом реакторе стремительно выгорали. Распад йода-135 и прометия-149, сравнительно медленный, не успевал восполнить и ничтожную долю этой убыли. В считанные секунды естественные поглотители выгорели практически полностью. И из нейтронов, образующихся при каждом делении, новые деления стали вызывать если не все два с половиной (есть и другие пути потери нейтронов), то уж никак не меньше полутора.

Среднее время появления нейтронов при делении урана — примерно одна сотая секунды. Это примерно соответствует скорости реакции систем автоматического регулирования. Но только если стержни уже находятся в реакторе и регулировка требует лишь небольшого их перемещения. Кстати, именно поэтому автоматика управления реактором и не допускает полного выведения из него большинства стержней. Но автоматика была вовсе выключена. Потому, собственно, реактор вообще удалось запустить. А теперь, в отсутствие управления, оставалось надеяться на собственные защитные возможности конструкции реактора.

У большинства реакторов возможности эти и впрямь немалы. Особенно велики они у самых распространённых реакторов — водо-водяных.

Быстрые и тепловые

Распадается от нейтронного удара только уран-235. А из урана-238 плутоний-239 образуется так нескоро, что попавший в него нейтрон можно считать истраченным бесполезно. То есть, конечно, в дальнейшем плутоний-239 тоже распадётся от нейтрона. Но в центре реактора, способного таким способом размножать делящийся материал, приходится помещать активную зону, почти не содержащую урана-238, чтобы в этой зоне могла идти нормальная реакция. Весь уран-238 только окружает зону и перехватывает вылетающие из неё нейтроны. Управление таким реактором имеет свои сложности — слишком уж мало отличается он по режиму работы от ядерной бомбы. Перечисление всех инженерных хитростей, понадобившихся для его укрощения, заняло бы больше места, чем вся эта статья. Но все проблемы давно решены, и любые происшествия с размножителями много лет назад отошли в область легенд.

К счастью, уран-238 жаден только к быстрым нейтронам, несущим в себе всю полученную при вылете из ядра энергию. Нейтроны медленные, чья энергия практически не отличается от энергии теплового движения самих атомов в реакторе, он почти не поглощает. Зато уран-235 одинаково охотно делится от нейтронов с любой энергией. Если нейтроны охладить, отняв у них основную часть энергии, они скорее всего пролетят мимо ядер урана-238 незамеченными. Конечно, «скорее всего» — не гарантия. Для реактора на тепловых нейтронах природный уран всё равно приходится обогащать. Но уже не до 50–60 % урана-235, а до коммерчески приемлемых 10–15 %. Высвобождающийся при ядерном разоружении высокообогащённый уран, чтобы использовать в реакторах на тепловых нейтронах, даже разбавляют ураном-238 до уровня низкообогащённого.

Замедлить нейтроны не так уж сложно. Сталкиваясь с другими, не столь энергичными, частицами, нейтрон делится с ними энергией. И после нескольких столкновений его энергия уже равна энергии остальных частиц — энергии теплового движения.

Обмен энергией тем эффективнее, чем ближе по массе сталкивающиеся частицы. Поэтому для замедления нейтроны пропускают через толщу сравнительно лёгких атомов. Наиболее эффективный замедлитель (с учётом дополнительных обстоятельств, анализ которых слишком объёмен для такой статьи) — дейтерий, водород-2, в ядрах которого с положенным водороду единственным протоном связан один нейтрон. Поэтому во многих исследовательских реакторах применяется тяжёлая вода — соединение кислорода не с обычным водородом, а с дейтерием. Но выделение дейтерия из массы водорода — удовольствие дорогое. В большинстве промышленных реакторов замедлителем служит обычная вода (в основном, конечно, входящий в неё водород-1 — кислород-16 слишком массивен для эффективного энергообмена с нейтронами) или очень удобный в качестве конструкционного материала — графита — углерод-12.

В Чернобыле замедлитель графитовый. Такая конструкция удобнее. В частности, все урановые и регулирующие стержни размещаются в каналах внутри графитовых блоков, надёжно изолируясь друг от друга. Поэтому в РБМК можно менять отработанные ТВЭЛы и регулирующие стержни на ходу — остановки требуются только для серьёзного ремонта. И течение воды в узких каналах организовать легче. Недаром чернобыльские реакторы так и зовутся РБМК — реактор большой мощности канальный.

Тепло из активной зоны большинства промышленных реакторов выносит вода — образующийся пар идёт на турбину. Поэтому самые распространённые реакторы, в которых эта же вода замедляет нейтроны, называют водо-водяными. Если такой реактор разогреется сверх меры, вода начнёт кипеть сильнее, в активной зоне её останется меньше, нейтроны будут замедляться слабее, больше их поглотит уран-238, и реакция сама собою ослабнет до прежнего уровня.

Увы, графитовые РБМК таким саморегулированием не наделены. Более того, с началом кипения эффективность замедления в них даже несколько растёт. Ведь графит как замедлитель несколько эффективнее воды: в ней работает только водород, а кислород, составляющий почти 89 % общей массы, почти не тормозит нейтроны (разве что изредка их поглощает).

Поэтому, кстати, РБМК работают даже на уране, обогащённом всего втрое — 2 % урана-235 вместо природных 0.7 %. Это колоссальный экономический выигрыш: основной расход в ядерной энергетике — именно обогащение урана. Ради экономии на обогащении топлива можно и не обращать внимания на такие пустяки, как положительная реактивность по пару — ведь в штатных условиях эксплуатации в положение, в котором она проявляется, попасть невозможно.

Увы, на сей раз попали. Так что по мере разогрева реакция усиливалась.

Бикфордов хвост

Наконец кто-то из эксплуатационников сообразил, что реактор выходит из-под контроля, и включил автоматику и аварийную защиту. Техника среагировала мгновенно: все выведенные из реактора регулирующие стержни дружно пошли вниз, в активную зону.

Как бы велика активная зона ни была, какие-то нейтроны (хотя бы те, что выделились близко к её границам) из неё вылетают. Терять их не хочется — к чему снижать эффективность реакции? Да и выбрасывать в окружающее пространство мощное и трудно изолируемое излучение тоже нежелательно. Поэтому реактор окружён толстым слоем чистого замедлителя. Нейтроны после множества столкновений начинают двигаться случайным образом и обретают немалую вероятность возвращения в активную зону. Зато вероятность вылета из замедлителя наружу ничтожна.

Высота активной зоны мощного реактора — несколько метров. Регулирующий стержень такой длины в мощном водяном потоке будет болтаться и может удариться о стенки канала, куда погружён. Чтобы такого не случилось, нижний его конец стараются зафиксировать. В РБМК этот конец просто погружён более чем на метр в толщу графитовой отражающей оболочки. И сам сделан из графита. Благодаря этому даже небольшой подъём стержня уменьшает количество поглотителя в реакторе — иначе пришлось бы ждать, пока весь конец выдвинется из оболочки. Да и дешевле графит, нежели поглощающий нейтроны сплав. А когда стержень выведен из реактора полностью, графитовый наконечник закрывает отверстие в верхнем слое оболочки, не давая нейтронам вылетать в зал.

Но когда стержни пошли вниз, первыми оказались в активной зоне именно графитовые наконечники. Общее количество замедлителя резко возросло. Соответственно улучшилось замедление — и реакция начала разгоняться ещё интенсивнее. За те несколько секунд, которые нужны были для продвижения наконечников внутрь, реактор разогрелся настолько, что от температурных деформаций стержни заклинило. Поглощающая их часть в активную зону так и не попала.

Мгновенно

Как уже не раз отмечалось, среднее время высвобождения средних двух с половиной нейтронов — примерно одна сотая секунды. Но эта средняя величина складывается из двух существенно разных компонент. Большинство нейтронов высвобождается почти мгновенно, непосредственно при разлёте осколков уранового ядра. А потом из некоторых осколков вываливаются дополнительные нейтроны. Естественно, первая волна нейтронов именуется мгновенной, а вторая — запаздывающей.

Доля запаздывающих нейтронов в общем потоке невелика. Зато время их запаздывания очень существенно — несколько секунд. Отсюда и получается изрядное по ядерным меркам среднее время вылета.

Пока ход реакции близок к равновесному, ключевую роль играют малейшие отклонения коэффициента размножения от единицы. Поэтому запаздывающие нейтроны заметно влияют на режим работы. Средняя по больнице температура оказывается вполне информативным показателем.

Зато при высоком коэффициенте размножения запаздывающими нейтронами можно пренебречь — и без них хватает. Поэтому в ядерной бомбе удвоение нейтронного потока занимает не сотую, а чуть ли не миллионную долю секунды.

Чернобыльский реактор под конец жизни, похоже, выбрался именно на такой режим. Шансов на срабатывание каких-то систем управления не осталось. Реактор за ничтожную долю секунды нагрелся до тысяч градусов.

Грязь навылет

Чем больше в активной зоне веществ, не учтённых конструкторами, тем больше нейтронов поглощается без ощутимой пользы. Поэтому ядерная энергетика требует высочайшей чистоты. Разве что в полупроводниковом производстве примесей меньше.

Вода в реакторе очищается настолько, что святой её называют только в шутку (святая вода куда грязнее). Поэтому даже в мощнейшем нейтронном потоке радиоактивных загрязнений в ней накапливается ничтожно мало. А ядра самих водорода и кислорода к нейтронам равнодушны. Так что довольно частые — к сожалению — аварийные выбросы пара заметной радиационной опасности не представляют. Тем более что в штатных режимах этот пар немедленно попадает в аварийные уловители. Но даже полный выброс из любого реактора всей находящейся в нём воды прямо в атмосферу несёт радиоактивности меньше, чем выбрасывается туда за год с дымом угольной электростанции сопоставимой мощности. Не зря популярные на заре ядерной энергетики двухконтурные схемы, в которых вода из реактора обогревала отдельный парогенератор, сменились одноконтурными, подающими пар из реактора прямо на турбину: протечки сквозь турбинные подшипники признаны совершенно безопасными.

Хорошо очищен и реакторный графит. Даже если бы весь чернобыльский реактор, проработавший уже немало лет, сгорел — радиоактивное загрязнение окружающей среды было бы далеко не катастрофичным. Хотя, конечно, радости тоже не прибавилось бы.

Основная радиоактивность накапливается непосредственно в самой урановой массе. Это осколки разделившихся урановых ядер и продукты дальнейшего распада этих осколков. Уже неоднократно помянутый йод-135 — один из самых безобидных компонентов этой дьявольской каши. Чего стоит, к примеру, йод-131 с периодом полураспада 8 дней! Вылетев из реактора, он за это время успеет в изрядных дозах накопиться во всех щитовидных железах, до которых долетит, и основательно покалечить нежную ткань, управляющую множеством процессов в организме. А средний период полураспада всей смеси — годы. Не зря отработанные ТВЭЛы несколько лет выдерживают в охлаждающих бассейнах и только потом пускают в химическую переработку. Некоторые отходы этой переработки приходится отправлять на выдержку в течение сотен лет. Их смешивают с бетоном или сплавляют со стеклом — но и тогда приходится искать для могильников надёжно изолированные места, чтобы вездесущая вода не вымыла из блоков ни капли радиоактивного яда.

В самом же реакторе ТВЭЛы покрыты защитной оболочкой из циркониевого сплава. Плавится он примерно при 1800°C. То есть пока температура реактора не дойдёт до столь заоблачных высот, опасаться выброса действительно большой радиоактивности не приходится. Не зря даже крупнейшая до Чернобыля катастрофа — на Трёхмильном острове в США — окончилась лёгким испугом без прочих последствий.

Увы, в РБМК собственных защитных механизмов, предотвращающих такой разогрев, не оказалось. А системы принудительного регулирования, как уже рассказано, оказались выведены из строя. И меньше чем через через секунду после заклинивания регулирующих стержней защитные оболочки ТВЭЛов расплавились. Выход радиоактивной грязи открылся.

Тепловой или ядерный

О происшедшем в последующие секунды эксперты спорят до сих пор: можно ли считать происшедший взрыв ядерным, как в классических бомбах, или это всего лишь тепловой взрыв, подобный обычным происшествиям с паровыми котлами? Спор далеко не академический. От его исхода зависит многое в совершенствовании будущих конструкций реакторов.

Лично мне кажется, что взрыв следует всё-таки классифицировать как тепловой. Конструкция РБМК явно не приспособлена к возникшим в конце бурных чернобыльских событий температурам и давлениям. Ядерную бомбу конструируют так, чтобы как можно больше урана вступило в реакцию до того, как нагрев и мощное излучение разнесут остатки заряда далеко в стороны. Здесь же внешняя оболочка лопнула и разлёт содержимого активной зоны начался задолго до того, как температура выросла до значений, обычных при ядерном взрыве. Да и мощность излучения не достигла уровня, необходимого для наведения значительной вторичной радиоактивности в окружающих реактор сооружениях.

То есть до ядерного взрыва даже столь масштабная катастрофа не дотянула. Соседний третий блок не пострадал и работает до сих пор. Немалая часть конструкций машинного зала четвёртого блока уцелела — их пришлось потом специально обрушивать. И графит взорвавшегося реактора не испарился, как следовало бы при ядерном взрыве, а долго ещё горел.

Впрочем, мало всё равно не показалось. Взрыв и последующий пожар вынесли в атмосферу немалую долю содержимого расплавленных ТВЭЛов, отравив радиоактивными отходами округу на десятки километров. А сплавленная масса остатков конструкции, включая непрореагировавший уран, всё ещё выделяет немало тепла и радиоактивного излучения. Так что защитный купол над обломками четвёртого блока ещё сотни лет будет необходим для нашей общей безопасности.

Чтобы не было мучительно больно

Но от будущих взрывов нужна защита понадёжнее саркофага. Теперь, когда мы знаем, что случилось в Чернобыле, можно наконец разобраться: что сделано, чтобы второй подобный случай стал не просто маловероятен (пока не случился первый взрыв, его вероятность тоже казалась пренебрежимо малой), а в принципе невозможен?

Уже понятно, что в реакторах с водяным замедлением до плавления оболочек ТВЭЛов дело заведомо не дойдёт: задолго до такой температуры вода испарится, замедление прекратится и реакция заглохнет. Безопасны и реакторы на быстрых нейтронах — правда, чтобы удостовериться в этом, надо прочесть во много раз больше, чем может вместить статья. Так что серьёзно менять пришлось лишь РБМК. Хотя, конечно, и на других реакторах некоторые защитные меры приняты.

Прежде всего, разумеется, переделали системы управления регулирующими стержнями. Уже просто невозможно вывести из реактора опасное количество стержней на опасное расстояние. Взаимные блокировки не отключаются с пульта управления реактором. Извлекать стержни даже для замены и ремонта можно лишь поштучно.

Аварийную автоматику на работающем реакторе отключит теперь разве что направленный взрыв — столько в неё введено дополнительных блокировок. Но в этом случае все регулирующие стержни немедленно и полностью погрузятся в реактор. Пусть даже что-нибудь в конструкции покоробится от слишком уж быстрого охлаждения — зато ни малейшей возможности выдернуть реактор из йодной ямы не остаётся. А при любых других обстоятельствах реактор разгоняется так медленно, что время на какие-то аварийные действия всегда найдётся.

Заменены законцовки стержней. Вместо графита — удобного в штатных режимах, но опасного в аварийных — поставлена обычная реакторная конструкционная сталь. Эффективность отражения нейтронов несколько снизилась. Зато безопасность выросла многократно.

Наконец, несколько изменена геометрия каналов. Заметно выросла доля воды в общем замедлении нейтронов. Теперь аварийное кипение воды уже не повышает, а снижает интенсивность замедления. Реакторы обрели автоматическую стабилизацию, ранее достигнутую в других типах реакторов. Теперь они наконец вполне безопасны.

Правда, не знаю, рассверлены ли каналы уже действующих реакторов — теоретически это несложно, но тогда нужно работать на более обогащённом (с 2 % хотя бы до 2.4 %, что повышает цену топлива чуть ли не вдвое) уране. А строительство новых РБМК практически прекратилось. Но и без переделки каналов в ныне работающих РБМК изменено более чем достаточно, чтобы они не представляли ни малейшей угрозы.

Ложная тревога

Так что закрытие Чернобыльской АЭС — лишь дань Украины страхам и предрассудкам европейцев. Дань, впрочем, выгодная: Запад выплатил Украине куда больше, чем она теряет от прекращения работы одной из лучших своих электростанций.

А возмущённые вопли экологистов — всего лишь попытка обратить те же страхи и предрассудки в собственный политический капитал. Попытка небезуспешная: к сожалению, разбирающихся в поведении ядерных реакторов долго ещё будет куда меньше, чем опасающихся всего непонятного. Но реальной защиты человечеству эта имитация кипучей деятельности не прибавляет. Наоборот: слишком часто крича «Волки!», экологисты добьются разве что, что их перестанут слушать. И не услышат, даже если очередная опасность окажется реальной.

© 2000.06.09.23.57, Анатолий Вассерман

Перепечатка без предварительного согласия (но с последующим уведомлением) автора допускается только в полном объёме, включая данное примечание.

Источник


Просмотров: 1763
Рейтинг: 5.0/1
Добавлено: 30.04.2011

Темы: катострофа, атомная энергия, Чернобылей больше не будет, чернобыль, Анатолий Вассерман, причина катострофы в чернобыле, ядерная энергетика, реактор
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]