Авария на 4-ом энергоблоке Чернобыльской АЭС, ставшая одной из величайших техногенных катастроф в истории человечества, произошла 26 апреля 1986 г. И вот уже четверть века не утихают страсти при объяснении её причин [1].

Вокруг чернобыльской аварии сразу же сложилось множество мифов и главный из них это образ расхлябанного, безответственного эксплуатационного персонала, который грубейшим образом нарушал регламент и инструкции по эксплуатации, самовольно проводил опасный эксперимент, не согласовав его ни с кем, отключил и заблокировал все мыслимые защиты и системы безопасности, потому всё и произошло. Этот миф был сразу же подхвачен журналистами и вошёл в массовое общественное сознание, где он господствует до сих пор. На этом фоне особенности физики и дефекты конструкции реактора РБМК-1000, взорвавшегося на Чернобыльской АЭС, без которых авария не могла бы произойти, представляются некой второстепенной мелочью, не говоря уже о качестве регламентирующей документации, правила которой нарушил эксплуатационный персонал. Отражением этой точки зрения являются наиболее известное художественное произведение о Чернобыльской аварии (выдаваемое за документальный репортаж) [2] и наиболее популярная статья в интернете (претендующая на научный анализ) [3].

Существует и прямо противоположная точка зрения, отрицающая все эти обвинения в адрес эксплуатационного персонала и возлагающая главную вину за произошедшую аварию на создателей реактора РБМК-1000, его Главного конструктора и Научного руководителя. Согласно этой точке зрения причиной аварии являются ошибки в конструкции реактора и при обосновании его физических характеристик, а также нарушения правил ядерной безопасности, допущенные при его проектировании. А неправильные действия персонала, создавшего аварийную ситуацию, объясняются плохим качеством регламента эксплуатации, которые при этом никак не нарушались. Эта точка зрения детально отражена в книгах-воспоминаниях, написанных с изложением максимума технических подробностей непосредственными участниками и свидетелями аварии: А.С. Дятловым [4] и Н.В. Карпаном [5]. Оба автора работали в это время на чернобыльской АЭС заместителями главного инженера.

Как же так получилось, что за 20 с лишним лет «авторитетные каждый в своей области люди, изучали, фактически, одни и те же аварийные материалы, а пришли к диаметрально противоположным выводам»? Такое стало возможным, только потому, что первичные материалы по аварии не были опубликованы полномочной и авторитетной комиссией специалистов в виде какого-либо официального документа, имеющего юридическую силу. Это породило ещё один миф, усиленно муссируемый в [3], откуда и взята вышеприведённая цитата. Миф состоит в утверждении, что ничего толком неизвестно о том, как протекала авария, точных данных нет, а то что предлагают в качестве таковых, это в лучшем случае вольное изложение, а то и домыслы отдельных заинтересованных лиц и групп или, ещё того хуже, сознательная дезинформация.

Оставляя в стороне явно конспирологические теории, проясним ситуацию. Реактор РБМК-1000 и энергоблок в целом были оснащены большим количеством (несколько тысяч) датчиков внутриреакторного и технологического контроля. Их показания зарегистрированы показывающими и самопишущими приборами Блочного Щита Управления (БЩУ) и (или) записаны на магнитной ленте информационно-управляющего вычислительного комплекса СКАЛА специальной программой Диагностической РЕГистрации ДРЕГ. Все эти данные рассекречены только в 1990 г. Но к этому времени расследование причин аварии было уже закончено, и специалисты, непосредственно в нём участвовавшие, были давно с этими данными знакомы, а остальным, как считалось, «лишнюю» информацию знать не обязательно. Эти данные так и не были опубликованы в их первичном виде, а широкая общественность вообще не знает об их существовании. Но из этого отнюдь не следует, что нельзя доверять тем источникам, где такие данные приводятся. Во всех этих публикациях, как бы ни были различны взгляды их авторов, а порой даже диаметрально противоположны [6…9], фактические данные по аварии практически полностью совпадают. Дело не в отсутствии первичной информации, а в нежелании признать объективную реальность, когда она противоречит собственным убеждениям.

Сущность чернобыльской аварии невозможно понять, не получив сначала представления о реакторе РБМК-1000 и некоторых деталях протекающих в нём ядерно-физических процессов.

Реактор РБМК-1000

Производство электроэнергии на энергоблоках атомной электростанции с реактором РБМК принципиально в общих чертах не отличается от того, как это происходит на энергоблоке тепловой электростанции ТЭС, оснащённом паровым котлом определённого типа, с многократной принудительной циркуляцией.

Рис. 1. Контур многократной принудительной циркуляции КМПЦ

В случае РБМК контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) состоит из двух одинаковых петель, охлаждающих каждая свою половину реактора (на рис. 1 изображена одна из них). В обоих случаях пар генерируется в вертикальных трубах, являющихся частью КМПЦ. В котельной установке это экранные трубы, устилающие внутреннюю поверхность топочной камеры и обогреваемые тепловым излучением факела горящего органического топлива и горячими газами – продуктами сгорания. В реакторе РБМК это топливные (технологические) каналы (ТК), пронизывающие графитовую кладку реактора, а нагрев осуществляется тепловыделяющими элементами (твэл), собранными в тепловыделяющие сборки (ТВС), находящиеся внутри этих каналов.

Ядерное топливо

Сами твэл представляют собой стержни, набранные из таблеток ядерного топлива (двуокись урана 2% обогащения по урану-235), заключённые в герметичную металлическую оболочку. Тепло выделяется как результат высвобождения внутренней энергии связи при делении ядер урана-235 в результате их взаимодействия с нейтронами в самоподдерживающейся цепной реакции (СЦР). Огромность этой энергии (при сгорании, т.е. делении 1 г урана выделяется 0,95 МВт·сутки тепловой энергии) создаёт ряд принципиальных отличий в использовании ядерного и органического топлива, из которых принципиально важны два.

1. Органическое топливо непрерывно поступает в топочную камеру парового котла и сразу же целиком сгорает, продукты сгорания также непрерывно удаляются, не оказывая влияния на процесс горения дальнейших порций топлива. В случае ядерного топлива всё обстоит наоборот. Весь запас топлива на три года вперёд находится в реакторе, и необходимо принудительно поддерживать очень медленный процесс его сгорания. А продукты сгорания (изотопы, образовавшиеся в результате ядерной реакции деления) остаются в составе топлива и участвуют вредным образом в процессе его дальнейшего горения (отравляют его).

2. Всё управление паропроизводительной (тепловой) мощностью парового котла осуществляется регулированием подачи топливовоздушной смеси через форсунки котельной установки в объём топочной камеры. Система регулирования непосредственно воздействует на материальные параметры (расход топлива, расход воздуха и т.д.) и этим определяет текущий уровень мощности котельной установки. В случае ядерного реактора управление его тепловой мощностью осуществляется сильно опосредованно, через влияние на нейтронно-физические процессы, сопровождающие ядерную реакцию деления. А протекание этих процессов помимо регулирования зависит и ещё от многих других факторов.

Реактивность

Система регулирования мощности реактора непосредственно воздействует на некую обобщённую характеристику физического состояния реактора, которая описывается теоретическим понятием – реактивность – отличие эффективного коэффициента размножения нейтронов от единицы. Если величина реактивности равна нулю (критический реактор), мощность реактора не меняется, если реактивность больше нуля, т.е. положительна (надкритический реактор), то мощность растёт, если реактивность отрицательна (подкритический реактор), то мощность падает. При этом уровень мощности может быть любым, реактивность определяет только относительную скорость его изменения, независимо от величины самого уровня.

Регулируется мощность стержнями из поглощающего нейтроны материала, погружаемыми в активную зону реактора. Стержни перемещаются в каналах, аналогичных топливным, и тоже охлаждаются водой. На каждые 14 топливных каналов приходится 2 канала системы управления и защиты (СУЗ). Погружение стержня в реактор уменьшает его реактивность, или, иначе говоря, вводит отрицательную реактивность, извлечение – положительную. Регулирование (т.е. поддержание) мощности осуществляется небольшим перемещением стержней около положения равновесия при малейшем отклонении мощности от заданного значения. Это выполняется автоматически одним из трёх регуляторов АР1, АР2, АР3, управляющих каждый группой из 4-х стержней, либо 12-ю одиночными стержнями системы ЛАР (локальное автоматическое регулирование). Возможно и непосредственное управление электроприводами всех стержней вручную.

Реактивность может меняться и сама за счёт различных физических процессов в реакторе: изменение температуры топлива, замедлителя (графита), температуры и плотности теплоносителя. Больше всего влияет на реактивность выгорание урана и отравление ксеноном-135, сильным поглотителем нейтронов. Выгорание урана непрерывно действующий фактор. При работе на постоянном номинальном уровне мощности реактивность в реакторе РБМК-1000 уменьшается со скоростью примерно 1% в месяц. Это изменение реактивности компенсируется заменой топливных сборок (ТВС) с выгоревшим топливом на свежие. В реакторе РБМК эта замена производится на ходу, без остановки реактора, с помощью специальной перегрузочной машины.

Запас реактивности

Стержни СУЗ помимо регулирования мощности внесением малых изменений реактивности выполняют ещё и другую функцию – компенсация больших изменений реактивности, возникающих в реакторе. Эту функцию выполняют все остальные (кроме автоматических регуляторов) стержни, погружаемые в реактор. Выгорание топлива идёт непрерывно, а его перегрузка (хотя её и называют непрерывной) выполняется дискретно во времени, поэтому в реакторе должно постоянно присутствовать некоторое избыточное количество урана, создающее положительную реактивность. Она и компенсируется между перегрузками. То есть, создаётся запас реактивности, который расходуется по мере выгорания топлива.

Первоначально при загрузке реактора, когда все ТВС в активной зоне содержат свежее топливо, запас реактивности чрезмерно велик, и тогда он компенсируется дополнительными поглотителями (ДП), размещаемыми вместо ТВС в топливных каналах. Эти ДП постепенно извлекаются и заменяются на ТВС так что, в конце концов, наступает стационарный режим перегрузок, когда ДП больше не извлекаются, и перегрузка состоит только в замене выгоревших ТВС на свежие, а положительная реактивность компенсируется стержнями СУЗ. Запас реактивности, остающийся при этом, называется оперативным. Поскольку оперативный запас реактивности (ОЗР) играет важную роль в чернобыльской аварии, остановимся на нём несколько подробней.

Запас реактивности в практике эксплуатации реактора принято измерять в эффективных стержнях РР (ручного регулирования). 1 ст. РР – это реактивность, которая, которая в среднем вносится в реактор при полном перемещении одного стержня из одного крайнего положения в другое. В этих же единицах измеряться может и сама реактивность, но, вообще говоря, реактивность это безразмерная величина, измеряемая в абсолютных единицах (а.е.р.), в процентах (%) или в долях некоторой пороговой величины β. Для реактора РБМК, работающего в режиме стационарной перегрузки топлива, 1 ст. РР = 0,13 β = 0,063% = 0,00063 а.е.р. [10].

Под оперативным запасом реактивности понимается любая появляющаяся в реакторе положительная реактивность, скомпенсированная стержнями СУЗ. Расходуется этот ОЗР на компенсацию любой отрицательной реактивности, появляющейся в процессе работы реакторе, и это без сомнения в первую очередь ксеноновое отравление.

Ксеноновое отравление

Различают два вида отравления: 1) стационарное отравление, когда имеет место равновесие между образованием ксенона и его радиоактивным распадом и выгоранием на стационарном уровне мощности; 2) нестационарное отравление, когда изменение мощности реактора нарушает это равновесие. Стационарное отравление (отрицательная реактивность) может компенсироваться избыточным количеством топлива в реакторе. Но при остановке реактора произойдёт в конце концов его полное разотравление (радиоактивный распад ксенона), и возникает положительная реактивность, которая компенсируется органами регулирования, и тем самым появляется (или увеличивается, если он уже имелся) ОЗР.

Рис. 2. Нестационарное ксеноновое отравление. Йодная яма

При быстром снижении мощности реактора отравление сначала растёт, так как сразу прекращается выгорание ксенона, а образование его ещё продолжается из распада предшественника ксенона изотопа йод-135 (в цепочке радиоактивного распада продуктов деления), и скорость образования ксенона-135 превышает скорость его распада. Когда эти скорости сравняются, концентрация ксенона и соответственно отравление достигнет максимума, а затем начнёт уменьшаться, в конце концов, ксенон полностью распадётся и наступит полное разотравление. Если окажется, что ОЗР на момент перед началом снижения мощности меньше чем отравление в максимуме (см. рис. 2), то запаса реактивности для поддержания мощности реактора не хватит, и он заглохнет. Все стержни регулирования будут полностью извлечены, и реактор нечем удержать в критическом состоянии. Остаётся только ждать, когда распадётся ксенон, и можно будет снова выводить реактор на мощность. Такая ситуация называется йодной ямой.

Поддержание достаточно большого ОЗР, работая на постоянной мощности, гарантирует от попадания реактора в йодную яму, следовательно, от простоев и недовыработки электроэнергии. Но с другой стороны большой ОЗР это больше вредного поглощения в активной зоне реактора, которое можно компенсировать только снижением выгорания (или повышением обогащения урана). Т.е. поддержание как слишком малого, так и слишком большого ОЗР приведёт к неэффективному использованию ядерного топлива и соответственно к потере экономичности АЭС с реактором РБМК-1000. При создании реактора РБМК-1000 оптимальным, видимо, считался ОЗР в диапазоне 1…2% ([10], стр. 34…35).

Ядерная безопасность

Работа ядерного реактора основана на том же самом физическом явлении, что и действие ядерного оружия. Но в отличие от атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму, СЦР в ядерном реакторе находится под контролем, и вместо ядерного взрыва представляет собой медленное «горение». Такое оказалось возможным только благодаря тому, что при делении урана не все рождающиеся нейтроны, вылетают мгновенно, а некоторая малая их доля β рождается с запаздыванием в несколько секунд (запаздывающие нейтроны). Такой реактор на одних мгновенных нейтронах всегда подкритичен и становится надкритическим только при учёте запаздывающих нейтронов. Быстродействия системы управления реактором вполне хватает для того, чтобы держать СЦР под контролем, если реактивность реактора заметно меньше β.

Аварийная защита реактора

Самое страшное, что в принципе может произойти с ядерным реактором, это его неконтролируемый разгон на мгновенных нейтронах, или, проще говоря, неорганизованный ядерный взрыв. Для этого нужно чтобы в реакторе по какой-то причине появилась большая положительная реактивность, больше значения β, и система регулирования не успевает и не может её скомпенсировать. Такого развития событий нельзя допустить ни в коем случае, поэтому на всех реакторах, начиная с самого первого, построенного в 1942 г, помимо системы регулирования имеется аварийная защита, единственное назначение которой – введение в реактор как можно быстрее большой отрицательной реактивности и прекращение тем самым СЦР (заглушение реактора).

Тогда же эта функция аварийной защиты получила специальное название SCRAM, чтобы выделить её среди всех прочих технических средств и защитных функций, обеспечивающих безопасную работу реактора. Аббревиатура SCRAM расшифровывается обычно, как Safety Control Rod Axe Man или Simulated Chicago Reactor Axe Man. В любом случае это ассоциация с образом человека с топором, перерубающего канат, на котором висят стержни, падающие в реактор. Что, собственно в большинстве случаев, и заложено в механизм работы аварийной защиты, только вместо перерубания каната, происходит разъединение электромагнитной муфты, удерживающей стержни в поднятом положении. Как только снимается питание электромагнита, стержни свободно падают вниз. Иногда для увеличения быстродействия стержни выстреливаются сжатой пружиной.

Считается, что быстродействие в 4 секунды (т.е. время, в течение которого стержни погружаются на полную длину) и эффективность в 2% (т.е. вносимая отрицательная реактивность) достаточны для обеспечения ядерной безопасности реактора. В реакторе РБМК-1000 (до 1986 г.) аварийная защита была значительно менее быстродействующей (полное перемещение стержней за 18 с), но зато значительно более эффективной (вносимая отрицательная реактивность 9,5%). Если поделить одно на другое, то получатся требуемые величины – 2% за 4 с. Т.е. таким нетрадиционным способом, как бы выполняются требования по ядерной безопасности. Но чернобыльская авария показала, что это не так.

Защита от неконтролируемого разгона реактора (SCRAM) автоматически срабатывает при превышении мощности реактора или скорости её роста выше заданного предела. Никогда никому не придёт в голову отключать эту защиту на работающем реакторе. Да это и невозможно без взлома. Эта защита является автономной частью Системы Управления и Защиты (СУЗ) реактора. Помимо всего прочего её высокая надёжность достигается за счёт многократного дублирования и логической защиты от ложных срабатываний. Аварийный сигнал SCRAM (в реакторе РБМК он называется АЗ-5) вырабатывают по показаниям нейтронных датчиков независимо две разные электронные схемы: аварийная защита по мощности (АЗМ) и по скорости её роста (АЗСР).

Авария ЧАЭС. Причины её известны. Часть 2|Авария ЧАЭС. Причины её известны. Часть 3

Просмотров: 0