Для более ясного представления, как в процессе аварии разрушились металлоконструкции реактора и помещения 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС, на рис. 1 показано их состояние до аварии.

На момент аварии в активной зоне реактора находилось 1659 кассет с 190257,3 кг урана, или 215006,4 кг его диоксида [1, 2]. Масса урана в одной кассете составляет 114,7 кг, диоксида урана в одном твэле — 3,6 кг [3]. Кроме ядерного топлива в южном бассейне выдержки хранилось по разным источникам 109 [4], 169±3 [5], 135 — данные сотрудников авторского надзора НИКИЭТа, проверявших журналы по ядерной безопасности, 116 [6] отработавших кассет — от 12502,3 до 19728,4 кг урана, или от 14126,4 до 22291,2 кг его диоксида. В центральном зале на узле развески свежего топлива на восточной стене находилось 11 кассет — 1261,7 кг урана, или 1425,6 кг его диоксида. Масса графита составляла 1760 т, циркония — 177 т.

Рис. 1. Центральная часть реактора 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС: 1 — короба схемы Г; 2 — плитный настил сборки; 3 — металлоконструкция схемы Е; 4 — верхние стальные блоки защиты; 5 — верхний кольцевой компенсатор; 6 — активная зона; 7 — металлоконструкция схемы КЖ; 8 — металлоконструкция схемы Л; 9 — песчаная засыпка монтажного пространства шахты реактора; 10 — нижние стальные блоки защиты; 11 — металлоконструкция схемы ОР; 12 — нижний кольцевой компенсатор; 13 — металлоконструкция схемы С; 14 — металлическая облицовка стен; 15 — 300-мм теплоизоляционный слой; 16 — паросбросный аварийный клапан

Послеаварийное обследование помещений шахты реактора показало следующее. В реакторном пространстве нет активной зоны вместе с металлоконструкцией схемы КЖ. В шахте образовалось единое пространство из двух ранее изолированных помещений 504/2 и 305/2. От активной зоны остались небольшое число графитовых блоков, несколько кассет (кассета — две ТВС длиной по 3,5 м на одном центральном стержне) в северо-западной части помещения 305/2 и висящие на металлоконструкции схемы Е отдельные мелкие фрагменты твэлов и ТВС, 11 неповрежденных каналов охлаждения отражателя в северной части помещения.

Нижняя металлоконструкция схемы ОР, смяв под собой опорную металлоконструкцию схемы С и разрушив нижние компенсаторы с серпентинитовой засыпкой, опустилась в подреакторное помещение 305/2 почти на 4 м. Верхняя металлоконструкция схемы Е вместе с активной зоной, графитовыми отражателями с периферийными каналами охлаждения, металлоконструкцией схемы КЖ, верхними трактами наращивания, тепловой защитой и плитным настилом, разгрузочно-загрузочной машиной оказалась поднятой на высоту не менее 15 м над полом центрального зала. В то время, когда шахта реактора была открыта, в нее упали части железобетонных стен помещений барабанов-сепараторов вместе с металлическими листами облицовки, фрагменты других бетонных строительных конструкций. Нижняя часть загрузочного контейнера оказалась в потолке помещения операторской на отметке 46 м, а в шахту реактора упали железобетонные плиты длиной более 10 м. Металлоконструкция схемы Е, опустившись, осталась стоять на ребре (под углом около 15° к вертикали), перекрыв собой проем шахты реактора; оставшееся свободное пространство между стенами шахты реактора и металлоконструкцией схемы Е перекрыто спутанными трубами верхних пароводяных коммуникаций, бетонными и металлическими фрагментами строительных конструкций (рис. 2, 3) [7—10].

При обследовании обнаружены следующие последствия воздействия избыточного давления в период активной стадии аварии:

– опустилась в подаппаратное помещение 305/2 металлоконструкция схемы ОР, разрушив опору — металлоконструкцию схемы С и нижние компенсаторы с серпентинитовой засыпкой;

– срезана у основания пола на отметке 9,70 м и вдавлена стена подаппаратного помещения 305/2 толщиной 0,9 м в помещение 304/3;

– прогнулась верхняя часть стены с северной стороны бассейна выдержки (возможно, это произошло при вылете или падении металлоконструкции схемы Е);

– металлическая облицовка стен помещений 305/2, 404/3 и 404/4 смяла 300-мм слой теплоизоляции и обжала узлы стальных конструкций, к которым эти листы приваривались;

– сорваны с направляющих откатные защитные ворота подаппаратного помещения 305/2 с южной и северной сторон;

– сорваны металлоконструкции крепления подвесок нижних водяных коммуникаций в южной части помещения 305/2;

– обрушились полы в помещениях 617/3 и 4 на отметке 22,35 м, 706/3 и 4 на отметке 26,6 м.

Последствия термического воздействия в период активной стадии аварии можно охарактеризовать:

– образованием лавообразной топливосодержащей массы, которая разлилась по помещениям энергоблока;

– отсутствием в юго-восточной части помещения 305/2 около 1/4 металлоконструкции схемы ОР;

– отсутствием металлической облицовки с теплоизолирующим слоем и металлическими узлами крепления на стене в юго-восточной части помещения 305/2 и выплавленным «гротом» в восточной бетонной опоре схемы Л на отметке 11—12 м;

– выплавлением основания южной металлической опоры схемы Л;

– снятием, как газовым резаком, нескольких труб нижних водяных коммуникаций;

– оплавлением (остекловыванием) поверхности щебенки, высыпавшейся на пол подаппаратного помещения 305/2 из засыпки нижних кольцевых компенсаторов;

– обгоревшими особым образом графитовыми блоками в юго-восточной части подаппаратного помещения на отметке 11,7 м.

Рис. 2. Шахта реактора после аварии, четверть стен и оборудования условно удалены

Рис. 3. План центрального реакторного зала после аварии: 1 — скафандр разгрузочно-загрузочной машины; 2 — мост разгрузочно-загрузочной машины; 3 — металлоконструкция схемы Е; 4 — погнутые трубы нижних водяных коммуникаций; 5 — завал из материалов, сброшенных с вертолетов; 6 — бассейн выдержки с северной стороны; 7 — балка; 8 — металлоконструкция схемы КЖ; 9 — ТВС и их фрагменты

Высокотемпературный процесс, по-видимому, протекал очень короткое время, о чем свидетельствует:

– не обгоревшая и не изменившая цвет окраска дна металлоконструкции схемы ОР в непосредственной близости от края, где эта конструкция была расплавлена;

– не обгоревшие листы металлоконструкции опоры С, лежащие под металлоконструкциями схемы ОР и окрашенные в светло-зеленый цвет;

– сильно изменившие форму в результате уноса массы с поверхности графитовые блоки в юго-восточной части помещения 305/2 и целые графитовые блоки, лежащие совсем рядом без какой-либо защиты в юго-западной части этого же помещения;

– небольшое число целых и разрушенных графитовых блоков без следов горения на верхней поверхности металлоконструкции схемы ОР, точнее, на ее тепловой защите из стальных блоков;

– упавшие в шахту реактора и сохранившие окраску — светло- зеленый цвет листы металлической облицовки стен центрального зала;

– упавшая в шахту реактора железобетонная строительная конструкция в виде короба, сохранившая изнутри окраску розового цвета;

– бетонные плиты, лежащие после аварии на металлоконструкции схемы ОР, не подвергшиеся высокотемпературному воздействию и не потерявшие прочности. Исследования показали, что они не нагревались выше 250°С [11].

Результаты обследования центрального зала должны быть учтены при моделировании процессов, протекавших во время активной стадии аварии. Наиболее характерные результаты обследования следующие:

– вертолетная засыпка образовала холм из песка, свинца и других материалов за бассейнами выдержки (по видеосъемкам того времени в этом месте находился основной очаг горения), а не над шахтой реактора;

– почти все крышки люков центрального зала оказались вскрытыми, и часть некоторых тяжелых защитных створок упала в шахты;

– у восточной стены центрального зала, более чем в 30 м от шахты реактора, обнаружена разрушенная металлоконструкция схемы КЖ с краями, вывернутыми наружу;

– на восточной стене свежие ТВС оказались деформированными взрывной волной;

– в центральном зале из-под завалов вертолетной засыпки торчат фрагменты твэлов, наибольшее их число находится у восточной стены. Обнаружены фрагменты ТВС всего нескольких десятков, а в активной зоне на момент аварии было 1659 кассет;

– металлические фермы перекрытия, сохранившиеся над восточной частью центрального зала, имеют характерный несимметричный прогиб, свидетельствующий о направлении прохождения ударной волны;

– внутренняя стенка кольцевого бака защиты схемы Л почти не имеет следов механического воздействия, что говорит о характере движения активной зоны вверх;

– с крыши 3-го энергоблока в сентябре 1986 г. в центральный зал сброшено 170 т графитовых блоков [12].

Последовательность разрушений в шахте реактора, вероятно, могла быть такой, 26 апреля 1986 г. в 1 ч 23 мин 40 с на балкон центрального зала в районе узла подвески свежего топлива (восточная стена) вышел с обходом начальник смены реакторного цеха В.И. Перевозченко. В момент начала аварии он видел перед собой центральный зал. Затем начались сильные и частые гидроудары, на поверхности реактора начали подниматься и опускаться кубики верхней радиационной защиты (масса одного кубика, стоящего на технологическом канале, 350 кг). Следовательно, металлоконструкция схемы Е в это время находилась в штатном положении. Можно предположить, что в это время могли разрушаться металлоконструкция схемы КЖ и нижние компенсаторы, а металлоконструкция схемы ОР, сминая опору — схему С, опускалась вниз на 3,85 м в подаппаратное помещение. В этот момент сработали восемь предохранительных клапанов, и к объему подаппаратного помещения подключились помещения парораспределительного помещения на отметке 6,00 м и бассейна-барботера на отметках 2,20 и −0,65 м. Объем реакторного пространства увеличился во много раз. Наверное, в это же время выдавливается и трескается 900-мм стена шахты реактора помещения 304/3, срываются защитные двери с транспортных проемов подреакторного помещения 305/2 и обрушиваются перекрытия помещений 617/3, 617/4, 706/3, 706/4. По-видимому, этот процесс продолжался около 20 с, в течение которых металлоконструкция схемы Е могла оставаться на месте, а из канальных отверстий активной зоны истекали в помещение 305/2 высокотемпературные струи диспергированного топлива, в результате чего расплавились металлоконструкции, серпентинит и бетон в юго-восточной части помещения 305/2 и образовалась лавообразная топливосодержащая масса, которая растекалась тремя потоками. О том, что этот интервал времени мог быть не менее указанного, говорят данные о распределении глубины погружения стержней СУЗ: 17 стержней достигли нижних концевых выключателей, из них 12 — из верхнего положения (время опускания стержня 18 с).

Главный вопрос, стоящий перед специалистами, — где, сколько и в каком состоянии находится ядерное топливо?

Послеаварийными исследовательскими работами ядерное топливо обнаружено в следующих видах: таблетки диоксида урана в отдельных ТВС, твэлах и их фрагментах; диспергированное топливо в виде горячих частиц, как пыль и аэрозоль; топливо, попавшее в состав лавообразной топливосодержащей массы и растекшееся по нижним помещениям блока; топливо в водных растворах и кристаллических легкорастворимых оксикарбонатных соединениях. Из перечисленных видов ядерного топлива на фрагменты ТВС и твэлов обращали внимания мало. Это было связано с тем, что до начала 1990 г. не было обнаружено ни одного крупного скопления фрагментов активной зоны. Удавалось найти отдельные поврежденные и целые ТВС, но не более 20 в одном месте. Тем не менее некоторая информация о расположении фрагментов активной зоны была собрана при обследовании помещений 4-го энергоблока. В настоящий момент нет достоверных данных о количестве ядерного топлива во фрагментах активной зоны.

Количество диспергированного топлива оценивали экспертным методом. В различных отчетах, статьях и докладах приведены оценки от 10 до 17 т [5, 6]. Научно обоснованных и экспериментально подтвержденных методов определения количества топлива в пыли и аэрозолях в помещениях объекта «Укрытие» на данный момент нет. Отчасти это связано с исключительной сложностью объекта, высокими дозовыми нагрузками, сложностью и разнообразием типов поверхностей, на которых осело диспергированное топливо. Некоторые работы с пылевидными частицами топлива проводились. Со стен помещений брали мазки по одной методике и с одинаковой площади поверхности, затем проводили гамма- спектрометрический анализ и определяли состав исследуемых образцов. Но расчеты по оценке количества топлива на поверхностях не проводили.

Наиболее полно изучена к настоящему времени лавообразная топливосодержащая масса. Это вызвано тем, что в 1989 г. были обнаружены ее скопления в помещениях парораспределительного коридора, бассейна-барботера и помещении 217/2. В начале 1990 г. по отдельным измерениям температуры и теплового потока с помощью теплометрических расчетов, при которых считалось, что единственным источником тепла является топливо, были получены первые данные о количестве топлива в парораспределительном коридоре — 23±7 т урана [12] и подаппаратном помещении 305/2 — 75±25 т урана [13]. В то время считали, что почти все топливо, находившееся в активной зоне, перешло в лаво-образную массу [14]. Основные работы в 1989—1991 гг. были сконцентрированы на изучении скоплений. В результате удалось установить, что лаво-образное топливо растекалось по помещениям тремя потоками (рис. 4), различающимися концентрацией диоксида урана, содержанием магния и железа, урана в цирконо-урано-кислородной фазе, окраской лавы.

Рис. 4. Распространение лаво-образной топливосодержащей массы по помещениям 4-го, энергоблока Чернобыльской АЭС

Первый поток вместе с расплавленным металлом из юго-восточной части подреакторного помещения 305/2 на отметке 10,0 м перетек в ее юго-западный квадрат и через паросбросный клапан — в помещение парораспределительного коридора 210/7 на отметке 6,00 м. В этом помещении произошло разделение металла и лавы, металл слоем более 50 мм оказался на полу, лава как шлак сверху (в ее составе есть металлические образования, в основном, в виде мелких шариков). Так как слой лавы достигал 0,5 м, а паросбросные трубы бассейна-барботера выступают над полом на 350 мм, поток пролился в помещения бассейна-барботера 012/15 на отметке 2,20 м и 012/7 на отметке 0,65 м. Концентрация диоксида урана в этом потоке максимальная 8—10%, железа минимальная 0,5%. Цвет лавы — коричневый.

Второй поток из юго-восточной части помещения 305/2 на отметке 10,0 м через два паросбросных клапана протек до отметки 6,0 м в помещение 210/6 парораспределительного коридора. Вероятно, в начальной стадии через эти клапаны протекал только расплавленный металл без лавы, так как количество металла в этой зоне значительно больше, чем было в первом потоке. Поток чистого металла разлился до центральной оси реактора, через стенные люки перетек в соседнее помещение 210/5 и застыл там на площади в 12 м2, в зоне оси Л (проходит по центру реактора), видимо, расплавив выступающие части паросбросных труб, пролился в четыре трубы, где застыл. В соседнем помещении 210/5 по той же оси Л металл частично расплавил трубный стояк (в расплавленной трубе застывшего металла не обнаружено) и протек до первого этажа бассейна-барботера. Можно предположить, что поток расплавленного металла совместно с теми высокотемпературными термическими процессами, которые протекали в юго-восточной части помещения 305/2, расплавил металлическую облицовку пола этого помещения вместе с узлами крепления паросбросных клапанов и они под собственной массой и массой заполнившего их металла и лавы опустились вниз, насколько позволила им приваренная облицовка потолка помещения парораспределительного коридора. Слой скопления лавы в помещении 210/6 в основном не превышает 200 мм и, следовательно, не мог попасть в нижние помещения бассейна-барботера. Концентрация диоксида урана в этом потоке 5—7%, железа 8—10%. Цвет лавы — черный.

Третий поток из юго-восточной части помещения 305/2 на отметке 10,0 м протекал через пролом в стене шахты реактора в помещение 304/3 до отметки 9,3 м. Поток, вероятно, был бурным, так как сорвал, деформировал и вынес к дверному проему металлоконструкции ограждения электрошкафов. Далее поток по коридору обслуживания помещения 301/5 частично залил помещение 303/3 (все эти помещения находятся на отметке 9,3 м), далее помещение 306/1 на отметке 9,0 м, где через трубные проходки и люк в полу начал стекать в помещение 217/2 на отметке 6,0 м и, застывая, образовал «слоновьи ноги», «сталактиты», «натеки» и «каплю». Концентрация в этом потоке диоксида урана минимальная 3—5%, магния в 2,5—3 раза больше, чем в первых двух потоках. Цвет лавы — черный.

В настоящее время есть две версии определения количества ядерного топлива в лаве. По первой версии, используя результаты теплометрических измерений, количество урана определено в 135±30 т (1990 г.), по второй, по результатам прямых измерений топливной массы, значительно меньше — 23,45±4,4 т диоксида урана (1992 г.). Фактически ядерного топлива должно быть еще меньше, так как не учтены газовые пустоты в скоплениях лавы, и неизвестно, какие не содержащие ядерного топлива материалы оказались внутри этих скоплений. Следует учесть и тот факт, что при определении концентрации топлива в сотне представительных образцов нейтронным методом в РНЦ «Курчатовский ин-т» результат оказался на 1 % ниже, чем при радиохимических методах.

Таким образом, по результатам обследования 4-го энергоблока в настоящее время установлено состояние основных элементов конструкции реактора после аварии. Наиболее важный вывод — отсутствие активной зоны в шахте реактора. Собрано большое число данных, на основании которых может быть сформирована модель развития аварийных процессов, но такой задачи пока никем и ни перед кем не поставлено. На данный момент достоверно не установлено местонахождение большей части ядерного топлива в различных его модификациях. Необходимо проведение экспертизы достоверности оценок количества топлива в различных его модификациях и оценка вероятности местонахождения. С 1992 г. есть две самостоятельные версии о количестве ядерного топлива в лаве: 47—93 и от 9—13% соответственно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Киселев А.Н. Послеаварийный баланс ядерного топлива на 4-м блоке Чернобыльской АЭС: Препринт ИАЭ-5716/3, 1994. 16 с.

2. Киселев А.Н. Сколько же ядерного топлива находится в лавообразной топливосодержащей массе 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС — Атомная энергия, 1995, т. 78, вып. 4, с. 256—259.

3. Авария на Чернобыльской АЭС и ее последствия. Информация, подготовленная для совещания экспертов МАГАТЭ. Ч. 1, 2. (25—29 августа 1986 г.).

4. Седов В.М., Курносов В.А., Епифанов А.В. Проект захоронения 4-го блока Чернобыльской АЭС. Главный корпус (реакторное отделение и машинный зал). Т. 1. Общая пояснительная записка. С-Петербург, ВНИПИЭТ, инв. № 34304 от 03.08.1986.

5. Дикарев В.С, Шикалов В.Ф., Шерашев Г.С. Концепция безопасности объекта «Укрытие» (требования обеспечения ядерной безопасности). Отчет, РНЦ «Курчатовский ин-т», инв. № 30/1-1029-90 от 18.03.90 г.

6. Объект «Укрытие» сегодня. — НИМБ, 1994, № 4, с. 27—30.

7. Вазингер В.В., Василевский В.П., Десятников И.И. и др. Чернобыльская авария, исходные данные для анализа. Ч. 2. Отчет НИКИЭТ, инв. № 270-Щт-3966 от 06.02.92.

8. Габарев Б.А., Жуков Н.В., Кобзев П.В. и др. Исследование факторов, действовавших при разрушении реактора 4-го блока Чернобыльской АЭС. Отчет НИКИЭТ, инв. № 270-001-4025 от 29.06.92.

9. Киселев А.Н., Ненаглядов А.Ю., Сурин А.И., Чечеров К.П. Экспериментальные исследования лавообразных топливосодержащих масс (ТСМ) на 4-м блоке ЧАЭС (по результатам исследований 1986— 1991 годов): Препринт ИАЭ-5533/3, 1992.

10. Киселев А.Н., Сурин А.И., Чечеров К.П. Результаты дополнительных исследований мест скоплений лавообразных топливосодержащих масс на 4-м блоке Чернобыльской АЭС: Препринт ИАЭ-5783/3, 1994.

11. Карасев В.С. Концепция преобразования объекта «Укрытие» и проблемы воздействия высоких радиационных полей на конструкции и материалы объекта. Доклад на научно-практической конф. «Проблемы преобразования объекта “Укрытие” Чернобыльской АЭС». Киев, 23—25 марта 1993 г.

12. Боровой А.А., Огородник С.С., Попов В.Д. Уточнение оценки количества ядерного топлива, находящегося в помещениях ПРК объекта «Укрытие» реактора 4-го блока ЧАЭС. Промежуточный отчет КЭ при ИАЭ, инв. № 11.07-06/188, Чернобыль, 1986.

13. Боровой А.А., Огородник С.С., Попов В.Д. Оценки количества топлива в скоплениях ТСМ в подаппаратном помещении. Промежуточный отчет КЭ при ИАЭ, инв. № 11.06/26, Чернобыль, 1990.

14. Боровой А.А. Расчетные оценки по уточнению места нахождения и количества топлива в объекте «Укрытие». Отчет ИАЭ, инв. № 50.05/82 от 31.01.90 г. 17 с.

Киселев А.Н., Сурин А.И., Чечеров К.П. (РНЦ «Курчатовский ин-т»)