Рассматривая ленты ДРЕГ, Калугин обнаружил запись оперативного запаса реактивности перед взрывом: всего 2 стержня СУЗ. Это катастрофическое, грубейшее нарушение Технологического регламента, при снижении запаса реактивности до 15 стержней реактор должен быть заглушён. А перед взрывом он работал при 2 стержнях.

Начальник группы безопасности на ЧАЭС страшно удивился когда узнал, что реактор РБМК-1000 мог взорваться в любой момент, если нарушить Регламент, допустить снижение оперативного запаса реактивности до состояния, когда все стержни СУЗ находятся в верхнем положении, мощность снижена, а температура воды на входе в каналах максимальная и близка к насыщению. Если в этот момент по любой причине сработала бы аварийная защита реактора, взрыв был бы неизбежен. А мы, говорил он, несколько раз выходили на мощность после кратковременных остановок в таком состоянии реактора. Не успевали вовремя поднять и теряли запас реактивности, боялись попасть в «подводную яму» с длительным простоем реактора. Диспетчер требовал подъёма мощности реактора (для него — это самовар), любой ценой. Обычно такая ситуация возникала зимой, когда требовалась энергия. Везло.

Следует так же напомнить, что на ЧАЭС не единожды поднимали мощность реакторов после кратковременных остановок с минимальным количеством стержней СУЗ в активной зоне (менее 15). Это было требование подъёма мощности диспетчером даже ценою нарушения положения Регламента. Такие нарушения Регламента проходили без заметных последствий. Поэтому и шли операторы на нарушения Регламента по запасу реактивности, потому что считали, видимо, требования Регламента не совсем обоснованным. Ситуация похожа на сидение на пороховой бочке с факелом в руке.

Немного истории.

В августе 1986 года, перед поездкой в МАГАТЭ, я возвращался из командировки на ЧАЭС вместе с начальником группы по безопасности. В самолете и у меня на квартире долго беседовали о причинах взрыва реактора. Собеседник мой страшно удивился, когда узнал, что реактор РБМК-1000 на ЧАЭС мог взорваться в любой момент, если нарушить Регламент, допустить снижение оперативного запаса реактивности до состояния, когда все стержни СУЗ находятся в верхнем положении, мощность снижена, а температура воды на входе в каналы максимальна и близка к насыщению. Если в этот момент по любой причине сработала бы аварийная защита реактора, взрыв был бы неизбежен. А мы, проговорил он, несколько раз в году выходили на мощность после кратковременных остановок в таком состоянии реактора. Не успевали вовремя подняться и теряли запас реактивности, боялись попасть в «йодную яму» с длительным простоем реактора. Диспетчер требовал подъёма мощности реактора (для него — «самовара») любой ценой. Обычно эта ситуация возникала зимой, когда требовалась энергия. Везло.

Как известно, прототипом реактора РБМК стал промышленный реактор — наработчик оружейного плутония (уран-графитовый реактор с водой-теплоносителем АДЭ).

В начале 60-х годов в нашем отделе стали рассчитывать и проектировать энергетический канальный реактор РБМ (Реактор Большой Мощности с тепловой мощностью более 3000 МВт), прототипом которого стал промышленный энергетический реактор типа АДЭ, производящий оружейный плутоний.

Энергетическая реакторная установка рассматривалась двухконтурной.

Из-за большой тепловой мощности реакторная установка оказалась весьма громоздкой, с большим расходом воды и «тяжелым» энергетическим «хвостом», то есть теплообменным оборудованием на стыке первого и второго контуров.

По предложению С.М. Фейнберга было принято решение проектировать реактор РБМ кипящим (РБМК) с отбором пара из сепараторов пара непосредственно на турбины (без использования громоздких теплообменников). Технические условия на проектирование реактора РБМК были составлены осенью 1964 года.

Так вот, в технических условиях на промышленный энергетический реактор много лет назад было записано, что стержни аварийной защиты должны останавливать реактор за 2-3 секунды. Это требование на промышленных реакторах практически выполнено с момента их строительства, стержни аварийной защиты полностью вводятся в активную зону за время около 5-6 секунд, а «глушится» реактор к 3-ей секунде, когда стержни примерно наполовину входят в активную зону реактора.

В технических условиях на реактор РБМК-1000 было записано такое же требование, как и на промышленные реакторы. Однако в процессе работы над проектом реактора оказалось, что осуществить ускоренный ввод стержней СУЗ в активную зону за 2-3 сек затруднительно. Пошли по другому пути. Как оказалось, трагическому.

В промышленных реакторах контур охлаждения стрежней СУЗ разомкнут, охлаждающая вода, пройдя реактор, не возвращается обратно в контур. Поэтому в нём сравнительно легко организовать охлаждение каналов СУЗ путём так называемого плёночного охлаждения, при котором стержни под собственным весом «падают» практически в пустой канал, так как охлаждающая вода стекает в виде плёнки по поверхности трубы. В реакторе РБМК контур замкнут, каналы СУЗ заполнены водой полностью, плёночное охлаждение организовать затруднительно, поэтому стержни СУЗ вводятся принудительно и с меньшей скоростью (вода тормозит движение стержней вниз, поэтому сброс стержней под собственным весом исключён). Конструкторы пошли по упрощённому пути: физический «вес» стержней, т.е. способность поглощать тепловые нейтроны, увеличили, а скорость принудительного ввода уменьшили так, что в активную зону стержни вводились за 18 секунд, т.е. почти в три- четыре раза медленнее, чем в промышленных реакторах. Для группы стержней аварийной защиты замедление ещё большее, почти в 5 раз. Когда об этой особенности реактора услышали американцы в Вене в МАГАТЭ в 1986 году из уст В.А. Легасова (он подробно рассказывал о Чернобыльской катастрофе), то очень удивились, заявив, что еще в 1953 году ими было выдвинуто категорическое требование к скорости ввода аварийных стержней в 2-3 секунды, чтобы исключить любую возможность неуправляемого разгона реактора на мгновенных нейтронах. Это требование на промышленных реакторах реализовано с момента их проектирования и пуска, т.е. с 1947-48 гг.

Ещё об одной роковой особенности аварийной защиты реактора. Однажды в середине 70-х годов в институте Курчатова обсуждался проект строительных конструкций Чернобыльской АЭС. Речь зашла о бетонных конструкциях подреакторного помещения: уж слишком оно показалось глубоким. В результате обсуждения было принято предложение сэкономить бетон и уменьшить глубину подреакторного пространства почти на 2 метра. В результате пришлось уменьшить длину вытеснителей стержней СУЗ до 4,5 м, так как полная их длина (7 м) уже не помещалась в подреакторном пространстве, если поглощающие нейтроны стержни СУЗ введены в активную зону на всю их длину. Решение было обоснованным: вытеснители стержней СУЗ были введены в проект для экономии нейтронов, а эффективность их оптимальна, если вытеснители (в случае вывода поглощающих стержней полностью из активной зоны) располагаются в центральной её части. Верхние и нижние края вытеснителей, располагаясь на периферии, неэффективны, так как там мало тепловых нейтронов.

Это решение привело к тому, что в нижней части активной зоны в каналах СУЗ оказался столб воды около 1,2 м высотой, в верхней части около 1,3 м высотой, когда поглощающая часть стержней СУЗ выведена из активной зоны. Такая ситуация часто возникает в переходных режимах на всех реакторах, особенно после кратковременных остановок, или при переводе реактора с большей мощности на меньшую. В это время снижается запас реактивности вследствие «отравления» активной зоны продуктами деления урана (в основном, ксеноном), стержни из реактора выводятся в верхнее положение. Чтобы поддержать мощность на меньшем уровне или вывести её на необходимый уровень при пуске, нужно уменьшить «бесполезное» поглощение тепловых нейтронов, что и делается путем извлечения стержней СУЗ из активной зоны.

Третья особенность реактора РБМК. Во время проектирования реактора, да и в последующие годы во время их работы уже в стационарном режиме перегрузок, не знали с достаточной уверенностью (не было расчетных программ и условий для надёжных реакторных экспериментов), каковы будут изменения реактивности реактора, если в рабочих каналах в случае роста мощности возрастёт количество пара, т.е. уменьшится количество «плотной» воды, поглощающая способность которой значительно выше «бесплотного» пара (этот эффект назван «плотностным эффектом реактивности»). Тогда считалось, что плотностной (или паровой) эффект реактивности если и положителен, то только на этапе среднего изменения плотности теплоносителя, а когда вода в канале полностью заменяется паром — эффект отрицателен, т.е. при замене воды (или пароводяной смеси) на пар мощность реактора должна снижаться (при положительном плотностном эффекте реактивности мощность реактора возрастает с ростом количества пара в активной зоне, соответственно «подхлёстывается» и рост мощности реактора). Как оказалось впоследствии в результате расчётов по новым программам, замена воды паром вызывала резкий положительный скачок реактивности (до 5-6 β), причём такой величины, что мощность реактора должна была возрастать неуправляемо на «мгновенных» нейтронах за несколько секунд до значений, превышающих начальную в десятки и сотни раз (пока не развалятся твэлы и не изменится состав и геометрия активной зоны: гомогенизация топлива в трубе канала, а затем и распространение топлива и продуктов деления по кладке после разрыва труб каналов снижают реактивность системы вследствие увеличения поглощения тепловых нейтронов в уране-238 и продуктах деления, что приводит к прекращению цепной реакции).

Есть ещё один эффект, значение которого для устойчивой работы реактора не было достаточно осознано — это «двугорбость» распределения энерговыделения по высоте активной зоны (эффект бактриана, двугорбого верблюда), когда физическая связь верхней и нижней частей активной зоны ослаблена. Двугорбость распределения энерговыделения связана с большим выгоранием топлива в центре активной зоны по сравнению с верхней и нижней периферией (в условиях стационарного режима перегрузок топлива, когда в реакторе находятся тепловыделяющие сборки разного выгорания топлива; среди них есть сборки с большим выгоранием топлива в центральной по высоте зоне). При сравнительно малом выгорании топлива распределение энерговыделения по высоте активной зоны косинусоидальное, «одногорбое», схожее с горбом верблюда — дромадера.

Эксперименты со стержнями СУЗ непосредственно на реакторе также показали, что при сбросе группы стержней с верхнего положения возникает кратковременный всплеск реактивности и мощности. Такие результаты были получены при пуске реакторов и на ЧАЭС, и на Игналинской АЭС с реактором РБМК-1500 (об этом эффекте должны были бы знать работники станции). Проводились также расчёты по анализу плотностного эффекта реактивности. Результаты расчёта свидетельствовали, что возможен довольно большой положительный плотностной эффект реактивности, существенно превышающий коэффициент β, относительную величину количества запаздывающих нейтронов, при превышении которой возможен рост мощности на мгновенных нейтронах. Однако в то время результаты этих расчётов всерьёз не были обсуждены, и они были в какой-то мере забыты.

В связи с этим и по другим причинам, обусловленным устойчивостью работы реактора, в Технологическом регламенте существовал пункт, категорически требующий «глушить» мощность реактора, если количество стержней СУЗ в активной зоне достигает пятнадцати, то есть оперативный запас реактивности при работающем реакторе должен быть не менее 15 стержней СУЗ. В этом случае в соответствии с экспериментами на реакторе поглощающая часть стрежней СУЗ, находящаяся внутри активной зоны, по мере их дальнейшего ввода в активную зону снижала реактивность реактора и приводила к его остановке. (Под оперативным запасом реактивности понимается определённое количество погруженных в активную зону стержней СУЗ, находящихся в пределах высокой дифференциальной их эффективности, то есть высокой поглощающей способности (нейтронов) в случае дальнейшего введения их в активную зону. Оперативный запас определяется пересчётом на количество полностью погруженных стержней СУЗ).

В результате получилась система защиты, которая при срабатывании в условиях верхнего положения всех или большей части стержней СУЗ снижает мощность верхней половины активной зоны за счёт введения поглотителя сверху (верхнего участка воды и поглощающей части стержней) и увеличивает мощность нижней половины за счёт вытеснения участка воды внизу вытеснителями.

За три года до аварии были приняты решения о переделке стрежней СУЗ с целью исключить «эффект вытеснителей» и ускорить действие аварийной защиты. Например, предлагалось временно просто сдвинуть вытеснители в нижнюю часть активной зоны из середины. Обсуждалась также возможность введения стержней УСП (укороченные стержни-поглотители, которые вводятся в активную зону снизу для коррекции осевого поля энерговыделения) вместе со стержнями аварийной защиты. Однако воз двигался медленно. Твёрдого решения не было. Никто не стукнул кулаком и не остановил реакторы. Ситуация назревала. О ней не догадывались, уповая на силу регламента, основного закона реакторщиков-эксплуатационников (операторов реактора).

Запас реактивности падал из-за «отравления» ксеноном. Чтобы поддержать мощность и довести эксперимент до логического конца, операторы практически все стержни СУЗ вывели из активной зоны (осталось в соответствии с записями на лентах ДРЕГ всего 2 стержня). Тем самым было нарушено важное для безопасности положение Регламента. Эксперимент почти закончили, реактор работал неустойчиво. Слышен был шум в насосном помещении (кавитационный грохот, с которым хорошо знаком эксплуатационный персонал, при нарушении оптимальных условий работы насосов; например, при расходе, превышающем оптимальный, и повышенной температуре воды на входе ГЦН). В насосную был послан оператор, чтобы выяснить, что там происходит. В этот момент, видимо, оператор реактора заметил небольшой рост мощности реактора, связанный с ростом количества пара в каналах (на входе в каналы вода практически с температурой насыщения; питательная, холодная вода в реактор не поступает, расходы выше номинальных). Ситуация напряженная, стержни автоматического регулирования мощности бездействуют. Принято вполне разумное решение остановить реактор «кнопкой» аварийной защиты. Все стержни защиты пошли вниз, в активную зону. Через две-три секунды вода снизу была вытеснена из всех каналов СУЗ, введена положительная реактивность, достаточная для роста мощности нижней части активной зоны. Верхняя часть активной зоны снижает свою мощность, так как в неё вводятся поглощающие стержни (Во всём реакторе в целом в первые 2-3 сек мощность могла снижаться. На ленте самописца мощности с малой скоростью протяжки был виден небольшой «клевок» мощности вниз, а дальше подъём мощности вертикально вверх практически до «зашкала»). Однако нижняя часть а.з. продолжает разгоняться, так как реактор в какой-то степени разделён на две мало связанные друг с другом части вследствие двугорбости кривой распределения энерговыделения по высоте активной зоны.

Практически уже к концу второй-третьей секунды ввода стержней СУЗ нейтронный «горб» в нижней части а.з. стал расти, стало возрастать количество пара в рабочих каналах. Начался разгон мощности реактора вследствие вытеснения воды из нижней части каналов СУЗ и положительного эффекта реактивности из-за роста количества пара в нижней части рабочих каналов, загруженных тепловыделяющим сборками (твэлами). Появление пара в нижней и средней части рабочих каналов (для начала кипения большого роста мощности не требовалось, т.к. вода находилась практически при температуре насыщения) привело к быстрому и полному выталкиванию воды из технологических каналов и замещению её паром (удельный объём пара примерно в 20 раз больше удельного объёма воды, т.е. нужно испарить одну двадцатую часть воды, чтобы вытолкнуть из канала всю воду). Произошел быстрый дополнительный (главный) скачок реактивности, который вызвал разгон реактора на мгновенных нейтронах. Поглощающая часть стержней СУЗ к этому моменту вошла в активную зону всего на 2,5-3 метра и не препятствовала росту реактивности в нижней пятиметровой части активной зоны. Разгон мощности на мгновенных нейтронах в десятки, возможно, и сотню раз от номинала за первые 2-3 секунды после выталкивания воды из каналов «взорвал» твэлы нижней половины реактора.

Топливо при таких нагрузках могло нагреться за 1,5—2 сек, т.е. практически мгновенно, до 5000—7500°С (оценка проведена без отвода тепла и учёта теплоты плавления и испарения). Поэтому и диспергировало (разрушилось в пыль) и испарилось топливо в зоне максимальных нагрузок, особенно если учесть рост объёма газообразных и легколетучих осколков деления (температура плавления диоксида урана примерно 2650°С, кипения — 3730°С).

В момент быстрого роста паросодержания и выброса воды из каналов все главные циркуляционные насосы прекратили подачу воды вследствие резкого повышения гидравлического сопротивления активной зоны (по записям на самописцах осциллографов, которые были включены в период эксперимента с выбегом насосов). Раскалённая топливная «пыль» с паром (на фоне роста давления в активной зоне и в сепараторе с 70 до 80-85 атмосфер и полного прекращения расхода в насосах; локально, на участке роста мощности твэлов давление в каналах могло быть существенно выше) перегрела, в основном тепловым и гамма-излучением и нагревом в момент роста мощности, циркониевые трубы технологических каналов до температур, при которых произошел их массовый разрыв. Именно в это время слышались шум, рокот и вибрация, которые приняли за первый взрыв в центральном зале. Вода и пар с перегретой топливной «пылью» разрушили кожух реактора и заполнили реакторное пространство. Искривились графитовые колонны. Разрушался и размывался горячий графит, температура которого к этому времени была порядка 350-400°С. В это время вероятно смятие труб каналов СУЗ внешним давлением и заклинивание стержней регулирования. Именно поэтому стержни СУЗ остановились все разом, войдя в активную зону примерно на 3 метра.

Следует также напомнить, что на ЧАЭС не единожды поднимали мощности реакторов после кратковременных остановок с минимальным количеством стержней СУЗ в активной зоне (менее ^стержней). Это было требование подъёма мощности диспетчером даже ценой нарушения положений регламента. Такие нарушения регламента проходили без заметных последствий, так как не было отмечено существенных локальных перекосов энерговыделения и ни разу не срабатывала аварийная защита в момент отсутствия допустимого запаса реактивности. Значит, не настолько был неустойчив режим работы на малой мощности с температурой воды на входе, близкой к насыщению, чтобы его не заметить. Поэтому и шли операторы реактора на нарушение регламента по запасу реактивности, потому что считали, видимо, требования регламента не совсем обоснованными. Ситуация похожа на сидение на пороховой бочке с факелом в руке. Если бы в таком режиме подъёма мощности сработала аварийная защита по любому сигналу, реактор был бы взорван и без эксперимента с выбегом турбогенератора.

В результате выводы:

Чем же можно закончить?

Если бы не было нарушений регламента, не было бы и взрыва.

Если бы оператор знал и понимал, к чему может привести нарушение пункта регламента по предельному запасу реактивности и минимальному количеству стержней СУЗ в реакторе …

Если бы был подготовленный, дисциплинированный и квалифицированный персонал…

Если бы научное сопровождение, проектанты-конструкторы всерьёз провели исследование возможных аварийных ситуаций и довели их результаты до эксплуатационного персонала…

Если бы в начале 80-х годов провели ВАБ реакторов РБМК…

ВАБ — вероятностный анализ безопасности. В США основные принципы ВАБа были разработаны после аварии на атомной станции в Пенсильвании Тримайл Айленд в 1979 году. В ВАБе рассматриваются самые вероятные и невероятные, возможные и невозможные аварийные события и их сочетания и наложения. Уж возможность этой аварии при сочетании положительного плотностного эффекта реактивности и сброса всех стержней СУЗ при их расположении сверху была бы тщательно рассмотрена, а её вероятность была бы минимизирована и даже исключена (вплоть до требования немедленной остановки реактора и ускоренной модернизации СУЗ).

Если бы реактор был спроектирован добротно, без отмеченных недостатков в системе управления и защиты (СУЗ) и в нейтронно- физических характеристиках активной зоны, не было бы аварии, да еще таких масштабов, несмотря на вопиющие нарушения Технологического регламента операторами реактора.

Если бы вовремя модернизировали СУЗ… и т.д. Много ещё «если». Например, реактор можно было спокойно заглушить, введя снизу в активную зону так называемые стержни УСП (укороченные стрежни-поглотители), которые существуют на реакторах РБМК и предназначены для регулирования высотного распределения энерговыделения в активной зоне, если бы…

Если бы… Если бы догадались хотя бы мысленно объединить известные факты в цепочку и представить последствия.

А закончить хочется известным выражением: не ищите злого умысла там, где всё объясняется глупостью. Или ещё: не ищите потусторонние силы там, где всё объясняется силами земными. Это по поводу фантазий вроде землетрясения под реактором, взрыва водорода, шаровой молнии в активной зоне или взрыва «сверхновой звезды» миллиарды лет до того. Хотя землетрясение, надо признать, — тоже сила земная, но не имеет никакого отношения к взрыву 4-го блока ЧАЭС. А публикаций такого сорта немало.

По моему, нет здесь связи и с политическим строем того времени в СССР, о чём часто в последнее время вещают современные хулители прошедших советских десятилетий, насаждающих патологическую ненависть к прошлому и старательно забывающих «великолепные» достижения и последствия почти двух десятилетий нового «либерального» режима в современной России.

Если бы не было нарушения Регламента, не было бы и взрыва.

Рассматривая ленты ДРЕГ, Калугин обнаружил запись оперативного запаса реактивности перед взрывом: всего 2 стержня СУЗ. Это катастрофическое, грубейшее нарушение Технологического Регламента: при снижении запаса реактивности до 15 стержней реактор должен немедленно быть заглушён. А перед взрывом он работал при 2-х стержнях.

Внимание переключилось на появившийся над блоком вертолет. Снова сбросил мешки с песком (как потом выяснилось) в развал шахты реактора. Через секунду над разрушенным блоком поднялся чёрный гриб топливо—графитовой пыли и гари (точь-в-точь как гриб атомного взрыва, только миниатюрный и очень чёрный). Шляпа чёрного зловещего гриба за 3—4 секунды достигла высоты примерно двух третей вентиляционной трубы и медленно, со сдвигом в сторону от станции, стала оседать вниз чёрными косматыми, тяжелыми струями, похожими на дождь из тучи на фоне серого неба. Через 10—12 секунд гриб исчез, небо очистилось. Ветер снёс тучу-гриб не в нашу сторону. Повезло: автобус направили по самому безопасному маршруту. Эта картинка с клубящимся чёрным грибом над разрушенным реактором в голове и перед глазами больше 20 лет.

В.М.Ф. Горение графита прекратить песком и свинцом невозможно, так как шахта реактора вскрыта, но закрыта «Еленой». Бросать песок и свинец бесполезно, в активную зону на графит не попадут. Даже вредно и очень: каждый бросок-порция вызывает подвижку радиоактивной пыли, остатков диспергированного топлива и графита, всё это вылетает с раскалёнными газами наружу после сброса порции песка. Тому мы были свидетели. Жидкий азот не прекратит поступление в кладку кислорода. Охлаждение азотом — дело сомнительное, а работы в радиационных полях потребуются большие. О загрязнении окрестностей свинцом тогда не говорили.

В.М.Ф.: Действие водяной пушки бесполезно и даже вредно. Вода усилит, активизирует горение графита. Недаром уголь в былые военные времена в «буржуйках» смачивали водой для лучшего горения. Да и в промышленной технологии применяют водяной пар для активизации горения угля и кокса, а в уран-графитовых реакторах появление влаги в кладке активизирует окисление графита. Поток воды в виде разрозненных капель дождя превратится в пар на раскаленных поверхностях конструкций и графита, вынос активности с паром значительно усилится. Это всё равно, что лить воду в не полностью прогоревший костёр. Конечно, со временем костер погаснет, но сколько радиоактивного пепла улетит с паром?

В.М.Ф.: Подкапываться под реактор и строить под ним теплообменник не нужно. Проплавления схемы «ОР» не будет. Почему? Схема «ОР» сейчас превратилась в колосник кузнечного горна. Нижние водяные коммуникации взрывом сорваны («калачи» каналов оторваны). Верхние участки каналов тоже оторваны (схема «Е», верхняя биологическая защита, заметно смещена вверх и в сторону, это было видно на видеоплёнке). Циркониевые трубы каналов горят или уже сгорели. Стены помещений главных циркуляционных насосов (ГЦН) разрушены. Взрывная волна дошла до ГЦН, а это значит, что «калачи» оторваны, доступ воздуху через отверстия в схеме «ОР» к горящему графиту снизу открыт, сверху тоже отток газов свободен. Так что гореть графит будет беспрепятственно, пока не сгорит весь, а схема «ОР» — колосник останется целой, так как охлаждается потоком воздуха снизу.

У нас единственное, в повествовании, упускают роль диспетчера, который дал команду. Здесь вопрос, кому он может дать команду, имеет ли он право вмешиваться в Регламент ядерных установок. Между прочим, он (диспетчер), фигурирует и на аварии Саяно-Шушенской ТЭС, хотя она и не атомная.

Подводя некоторые итоги, можно сказать, что любая катастрофа — это анализ и выводы и как не печально, но это движение вперед.

В.М. Федуленко, НИЦ «Курчатовский институт»