40 лет минуло со дня Чернобыльской катастрофы (апрель 1986), ставшей одной из величайших техногенных катастроф в истории человечества, но в российском общественном сознании, как и прежде, господствует миф о расхлябанности и безответственности работников 4-го энергоблока, которые затеяв эксперимент, грубейшим образом нарушили инструкции по эксплуатации и взорвали ядерный реактор. На фоне этого мифа уходят на второй план изъяны в физике реактора и ошибки в конструкции взорвавшегося реактора РБМК-1000 (главный конструктор, Н. Доллежаль, НИКИЭТ и научный руководитель А. Александров, ИАЭ им. Курчатова). Ошибки тщательно ретушировались и замалчивались и были представлены творцами взрывоопасного реактора как «особенности», как некие второстепенные «мелочи», о которых и говорить‑то несолидно. Но именно эти «особенности» и плохое качество регламента эксплуатации и программы испытаний взорвали реактор.
Наиболее неприятное впечатление осталось от поведения на суде так называемых «экспертов» (творцов реактора РБМК, которые затесались в «эксперты» и их околонаучных прихлебателей), которые «молвили словечко» в свою пользу, оговаривая эксплуатационный персонал. Создав взрывоопасный ядерный реактор и скрыв его свойства от эксплуатации, то есть будучи на самом деле главными виновниками аварии, они имели возможность выступать на суде как обвинители, превосходя в этом качестве прокуроров и судей.

Причины аварии

Что бы кто не говорил про Чернобыльскую катастрофу, совершенно очевидно, что главную роль в этой аварии сыграла аварийная защита (АЗ) из‑за «особенностей» конструкции стержней регулирования. На всех без исключения реакторах, начиная с самого первого, построенного в 1942 Энрико Ферми, аварийная защита предназначена для безусловного останова ядерного реактора при любых ситуациях путем быстрого введения большой отрицательной реактивности.

А в реакторе РБМК аварийная защита, при нажатии на кнопку АЗ-5, в первые 3 секунды не глушила, а разгоняла реактор, вводя вместо отрицательной положительную реактивность. Как такое может быть, чтобы нажатие на педаль «тормоза» (на кнопку АЗ-5) разгоняло автомобиль, то бишь реактор?

Реактивность и оперативный запас реактивности.

Для безопасной эксплуатации ядерного реактора необходима отрицательная обратная связь, при которой случайное возрастание мощности реактора уменьшало бы реактивность и способствовало возвращению мощности ректора к исходному уровню. Было ли такое в РБМК-1000 на всех режимах работы? Нет, такого не было.

Состояние работающего реактора характеризуется коэффициентом размножения нейтронов k в активной зоне. Вместо k для описания поведения реактора обычно используется другая величина — реактивность r:

При r < 0 цепная реакция гаснет, при r = 0 идет стационарный процесс, а при r > 0 интенсивность цепной реакции нарастает. При стационарной работе реактора реактивность постепенно падает за счет отравления активной зоны осколками деления. Из этих осколков особенно вредны изотопы — ксенон-135 и самарий-149 — которые сильно поглощают нейтроны. Поэтому для обеспечения длительной непрерывной работы реактора без смены горючего необходимо, чтобы он имел оперативный запас реактивности.

Система регулирования мощности реактора воздействует на обобщённую характеристику физического состояния реактора, на его реактивность. Мощность регулируется стержнями из поглощающего нейтроны материала (в РБМК — карбид бора), 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.

Стержни РБМК состоят из двух секций: секции поглотителя нейтронов из карбида бора, имеющей длину практически равную высоте активной зоны (7 м) и секции вытеснителя из графита (≈ 4,5 м). Секции соединены между собой телескопической тягой. Стержни перемещаются в каналах СУЗ, которые охлаждаются водой и которые аналогичны топливным каналам, в которых размещаются тепловыделяющие сборки ТВС. Когда стержень находится в крайнем верхнем положении (рис. 1a), в активной зоне размещается только его графитовая часть.

Если стержень находится в крайнем нижнем положении (рис. 1b), то в активной зоне реактора расположен только сильный поглотитель нейтронов — карбид бора — который быстро глушит цепную реакцию. Так в чем же дело?

Всё дело в «особенностях» конструкции стержней регулирования и аварийной защиты и в физике реактора. Стержни состоят из двух секций: секции поглотителя нейтронов (из карбида бора), имеющей длину практически равную высоте активной зоны (7 м) и секции вытеснителя воды (из графита ≈ 4,5 м). Секции соединены между собой телескопической тягой. Стержни перемещаются в каналах СУЗ, которые тоже охлаждаются водой и которые аналогичны топливным каналам, в которых размещаются тепловыделяющие сборки (ТВС).
Когда стержень находится в крайнем верхнем положении (рис. 1a), в активной зоне размещается только его графитовая часть. Поставщиком тепловых нейтронов является графитовая кладка реактора. Графит, это замедлитель нейтронов до тепловых скоростей, именно тепловые нейтроны активно поглощаются топливом РБМК — низкообогащенным ураном-235 и обеспечивают цепную реакцию. Графитовый вытеснитель, вообще говоря, нужен не для того, чтобы «добавить» замедления (оно мало по сравнению с графитовой кладкой реактора), а для того, чтобы вытеснить воду из канала СУЗ.

Если стержень находится в крайнем нижнем положении (рис. 1b), то в активной зоне реактора расположен только сильный поглотитель нейтронов — карбид бора — который быстро глушит цепную реакцию.

Тем самым перемещение стержня из крайнего верхнего в крайнее нижнее положение вносит в реактор большую отрицательную реактивность, способную заглушить реактор, как предполагалось разработчиками, при любом раскладе. Как выяснилось, такое возможно не всегда и не из‑за персонала АЭС. Почему? Проблема в длине графитового вытеснителя: глубина активной зоны — 7 метров, а длина графитового вытеснителя короче — всего 4,5 метра — что оставляет столбы воды над и под графитовым вытеснителем (по 1,25 метра).

Именно замещение воды (поглощающей нейтроны) графитом (не поглощающим нейтроны) в самой нижней части каналов СУЗ при опускании стержней с целью останова реактора (АЗ-5) привело к катастрофе. Сравните длину диффузии. В воде нейтрон в среднем успевает пройти всего около 2,8 см от момента, когда он стал тепловым до момента его поглощения. В графите этот путь составляет около 50 см.

«Концевой эффект» стержней регулирования в ректоре РБМК-1000 — это не «особенность» (как утверждали разработчики), а конструкторская ошибка. Почему «концевой эффект» сработал? На то были причины, с которыми разберёмся.

В чем была ловушка на 4-м блоке ЧАЭС? В «отравлении» реактора ксеноном-135.

Извлечение почти всех стержней из активной зоны не было простой случайностью — операторы пытались «поднять» мощность реактора, который стремился заглохнуть из‑за отравления ксеноном-135 (см. поведение мощности на рис. 2).

25 апреля, когда вовсю велась подготовка к плановым испытаниям и мощность реактора была снижена до 50% поступил запрет от Киевэнерго на дальнейшее снижение мощности. И начальник смены вместо отказа взял под козырёк, хотя у него в сменном задании было написано совершенно другое, а именно, испытание режима «выбега ротора турбогенератора». которое он уже начал выполнять (вряд ли была возможность отказать). Это смешало все планы.

Суть и цели испытаний заключались в следующем: специалисты хотели выяснить, сможет ли механическая энергия вращающегося по инерции турбогенератора (в случае его отключения) вырабатывать достаточно электричества для питания насосов охлаждения реактора, пока не запустятся резервные дизель‑генераторы (на что требовалось около 40–50 секунд). Эксперимент проводился во время вывода энергоблока на плановый ремонт. Для чистоты эксперимента, в соответствии с программой, была отключена система аварийного охлаждения реактора.

Перед началом самого эксперимента операторы уменьшили подачу воды в реактор. С той же идеей чистоты эксперимента. Вода стала сильнее нагреваться. Мы помним, что в РБМК горячая вода ближе к кипению, а это ведет к уменьшению поглощения нейтронов из‑за снижения плотности водной среды, что дает рост мощности.

Отравление ксеноном-135. Эта задержка по требованию диспетчера «Киевэнерго» (с 14:00 до 23:10 25 апреля) стала одной из главных предпосылок катастрофы — 11 часов реактор 4-го энергоблока работал на половинной мощности. Именно из‑за этого реактор начал интенсивно «отравляться» ксеноном-135. Вот как развивались события в физике активной зоны:

Начало «отравления». Когда мощность снизили с 3200 МВт до 1600 МВт (50%), количество нейтронов в активной зоне уменьшилось вдвое. Механизм отравления ксеноном-135 широко известен (еще со времен реактора Энрико Ферми). При делении урана-235 или плутония-239 тепловыми нейтронами с вероятностью 6% получается осколок теллура-135, который распадается по следующей цепочке:

Из этой цепочки нам важен отрезок:

В работающем с постоянной мощностью реакторе устанавливается определенная равновесная концентрация ядер ксенона-135. При больших потоках тепловых нейтронов эта равновесная концентрация мала из‑за убыли ядер ксенона-135 в связи с поглощением тепловых нейтронов по реакции

Отметим, что ксенон-135 обладает громадным сечением поглощения в 2,6 млн барн, а у ксенона-136 сечение захвата тепловых нейтронов является очень низким (0,26 барн), так как это стабильный изотоп с замкнутой нейтронной оболочкой.

Интенсивность поглощения пропорциональна потоку нейтронов. Но… При снижении мощности реактора поток нейтронов тоже снижается, а накопившийся изотоп йод-135 продолжает распадаться, превращаясь в ксенон-135. В результате количество ксенона-135 постоянно растёт (в соответствии с уравнением (1а)), до тех пор, пока не распадется большая часть йода-135.

Что в результате? В результате, при малом оперативном запасе реактивности не удается быстро запустить реактор. Причем, именно из‑за «ксенонового отравления», то есть банальной нехватки тепловых нейтронов для цепной реакции — ксенон-135 буквально «сжирает» тепловые нейтроны, препятствуя началу цепной реакции урана-235.

Именно так развивались события в ночь на 26 апреля 1986. На половинной мощности поток нейтронов стал вдвое слабее, ксенон начал накапливаться быстрее, чем исчезать. Образовалась скрытая «йодная яма» (см. рис. 3 и 4). Реактор еще не «свалился» в неё полностью, но он уже в нее сползал (11 часов на 50% мощности, это много). К моменту, когда диспетчер разрешил дальнейшее снижение мощности (в 23:10), в активной зоне реактора уже было накоплено огромное количество ксенона-135 («нейтронного яда»). Когда операторы начали снижать мощность еще ниже (планировалось снизить до 700 МВт по программе), то «ксеноновое отравление» лишь усилилось.

В ту ночь ксеноновая «пробка» в центральной части активной зоны (где были графитовые стержни и не было поглотителя — воды) практически остановила ядерную реакцию. А в краевых зонах по 1,25 метра (где была вода) ядерная реакция продолжалась с меньшей мощностью.

Геометрия стержня РБМК не просто «допускала» наличие двух зон активности, она их фактически формировала, оставляя края реактора без графитового замещения, но с поглощающей нейтроны водой (рис. 5).

Роковая ошибка управления. Из-за того, что реактор уже был «отравлен» 11-часовой работой на 50% мощности, при попытке снизить мощность до 700 МВт произошел неконтролируемый провал мощности почти до нуля (30 МВт). Реактор оказался в глубокой «йодной яме» (см. рис. 2, время 0:28).

Чтобы «оживить» реактор и довести плановые испытания до конца, операторы начали массово извлекать поглощающие стержни, чтобы таким образом компенсировать отравление ксеноном-135. Именно поэтому все стержни РР оказались наверху, а не в активной зоне реактора. Виноват персонал? У него плановое задание. Причина скорее в несогласованности действий руководства АЭС и Киевэнерго.

Если бы снижение мощности шло без остановок, у операторов был бы гораздо больший ОЗР к моменту начала испытаний, и физические дефекты реактора РБМК не проявились бы так фатально.

Кстати. Работа на тепловой мощности 200 МВт не была запрещена программной испытаний и регламентом по эксплуатации. Более того она была предусмотрена как ступень при выходе реактора на мощность после длительного останова, и время нахождения на этой ступени ограничивалось не сверху, а снизу (не менее 2-х часов). Ограничивался только расход теплоносителя, который 26-го апреля 1986 г. был превышен.

Работа с малым ОЗР. В случае с РБМК-1000 малый ОЗР (когда почти все стержни извлечены) создавал три критические угрозы:

Потеря эффективности защиты (главная опасность). Когда почти все стержни подняты вверх, их поглощающая часть (карбид бора) находится вне активной зоны. В нажатии кнопки аварийной защиты (АЗ-5) стержням нужно немалое время (18 … 20 сек ввиду небольшой скорости их движения 0,4 м/с), чтобы просто войти в активную зону и начать поглощать нейтроны, останавливая цепную реакцию.

Возможность «концевого эффекта». По команде на останов реактора гравитовые вытеснители шли вниз и замещали воду (которая очень хорошо поглощает нейтроны!), что вносило положительную реактивность.

Искажение «нейтронного поля». Паровой коэффициент. Когда стержней в активной зоне мало, поток нейтронов по громадной активной зоне распределяется крайне неравномерно. В одних частях реактора мощность может быть низкой, а в других — критически высокой. Это создает локальные «горячие пятна», которые трудно контролировать. Оператор видит общую тепловую мощность, например, 1 600 МВт, но это в среднем по реактору, а в локальных местах реактора из‑за сильной деформации нейтронного поля из‑за парового эффекта она уже может зашкаливать и привести к разрушению ТВС с топливом.

Невозможность маневра. Если ОЗР близок к нулю, у оператора нет «запаса» стержней, чтобы скомпенсировать увеличение или потерю мощности. Малый ОЗР — это опасный «люфт» аварийной защиты.

Почему такая небольшая скорость стержней? Скорость 0,4 м/с (стержень проходит 7 метров за 18–20 секунд) не была случайностью. Это был осознанный инженерный выбор, основанный на философии безопасности того времени. Главный принцип управления реактором тогда гласил: любые изменения должны быть плавными. Считалось, что если стержень (особенно регулирующий) будет двигаться слишком быстро, это может вызвать резкие скачки мощности, которые автоматика не успеет отработать. Медленная скорость гарантировала, что оператор или автоматика всегда имеют время на реакцию. В результате после аварии пришлось признать ошибку и увеличивать скорость стержней на порядок (вместо 20 сек — сейчас время 2 сек).

Плохая визуализация

До катастрофы реактора ОЗР не был «живым» параметром. Оператор не видел на пульте «спидометр» со стрелкой, которая, уходя в красную зону, предупреждала бы об опасности. Он получал распечатку из ЭВМ всего лишь раз в 15–20 минут. Операторы на ЧАЭС знали, что ОЗР мал, но они не воспринимали это как «чеку из гранаты». Было ли отсутствие визуализации об ОЗР ошибкой? Скорее это не ошибка, это конструктивная недоработка системы защиты — ее отсутствие не позволяло смене работать грамотно и осмысленно. Откуда им знать, что они на грани, что из‑за «концевого эффекта» стержней при замещении воды графитом торможение превращается в ускорение. После катастрофы информация об ОЗР в режиме реальном времени стала доступной, была выведена на табло.

Где именно скапливался ксенон?

Ксенон-135 — это «пепел», это продукт распада, деления урана-235. В режиме работы на номинальной мощности его больше всего там, где реакция идет интенсивнее всего — то есть вдоль длины графитового вытеснителя, где нет поглотителя, то есть воды. На краях зоны, там, где вода, его меньше ибо здесь меньше нейтронов ввиду их поглощения.

Когда же мощность резко снизили перед экспериментом ксенон-135 продолжал активно нарабатываться из йода-135. В итоге в центральном поясе цилиндра активной зоны (на длине 4,5 м) возникла «непроницаемая» для нейтронов прослойка из ксенона-135. Почему это привело к перекосу вниз?

Поскольку центральная часть была «отравлена» ксеноном-135, цепная реакция там практически остановилась. Она «прижалась» к краям цилиндра — к его верхней и нижней крышкам.

• Снизу заходила более холодная вода, которая является не только поглотителем, но и отличным замедлителем, что поддерживало реакцию.

• Сверху тоже был примерно такой же всплеск активности из‑за положительного парового эффекта (а тепловые нейтроны присутствовали благодаря графитовой кладке).

В результате профиль мощности по высоте стал похож на букву «М» (два горба — внизу и вверху, а в центре активной зоны — провал, см. рис. 5).

Нижние 1,25 метра — это была та самая зона, где реактор был «живым» и предельно чувствительным. Верхний горб был съеден движением стержня с карбидом бора, но в нижней части произошло замещение воды (поглотителя) графитом, который не поглощает нейтроны, а тормозит их, делая пригодными для ядерной реакции и захвата ураном-235 (рис 5 с).

Огромный размер (высота 7 метров и диаметр 12 метров) делает реактор нейтронно‑нестабильным. Из‑за таких масштабов разные части реактора начинают жить «своей жизнью». А в случае малого ОЗР особенно.

«Двугорбость» — это следствие того, что ксенон-135 «вырезал» середину активной зоны, превратив реактор в два слабо связанных между собой слоя (рис. 5 а).

После аварии на РБМК установили систему локальной автоматической защиты, которая умеет следить за «частями» реактора отдельно.

Главный триггер: Паровой коэффициент. Когда начался эксперимент, турбина стала вращаться медленнее, насосы стали качать меньше воды:

• вода в каналах начала закипать интенсивнее;

• появилось много пузырьков пара (пустот);

• поскольку пар почти не поглощает нейтроны (в отличие от воды), ядерная реакция начала ускоряться.

Больше мощности → больше пара → еще больше мощности.

В проекте РБМК-1000 изначально предусматривалось, что для выбранного уран‑графитового соотношения величина парового эффекта реактивности будет иметь знак минус и значение -1ß. Но практика показала обратное — при выгорании топлива и выгрузке дополнительных поглотителей (ДП) из активной зоны паровой эффект реактивности меняет свой знак на «плюс»

Расчеты разработчиков показывали им, что «концевой эффект» (внесение положительной реактивности при вытеснении нижнего столба (1,25 м) воды графитом) будет незначительным и автоматика легко всё компенсирует. В расчетах не учли, что может сложиться ситуация (как в ночь на 26 апреля), когда реактор будет работать на малой мощности с малым ОЗР, а поле нейтронов будет «прижато» к самому низу и почти все стержни (около 200 штук) для компенсации малого ОЗР из‑за «ксенонового отравления» будут подняты из зоны одновременно.

Когда эти 200 «поршней» по команде АЗ-5 пошли вниз и начали одновременно вытеснять воду (поглотителя нейтронов) в нижней части активной зоны реактора, суммарное воздействие оказалось таким мощным, что реактор просто пошел вразнос раньше, чем поглотитель из карбида бора успел опуститься, что показано на рис 5b, 5c.

Таким образом, нажатие на кнопку АЗ-5 сработало не как «тормоз», а как «детонатор» и вызвало мгновенный паровой взрыв.

Остановимся еще раз на реакции оператора. Мощность начала сначала медленно, но затем все увереннее и быстрее ползти вверх. Акимов (начальник смены блока) увидел это на приборах. Было понимание, что в реакторе возникла нестабильность, которую уже не удавалось подавить ручными стержнями (их почти не осталось в зоне). Что оставалось делать?

В 01:23:40 была нажата кнопка АЗ-5, чтобы заглушить реактор из‑за опасной тенденции быстрого роста мощности. И вот тут, повторюсь, сработал «концевой эффект»:
Нажатие на «тормоз» (АЗ-5) превратилось в нажатие на «газ» — графитовые наконечники вошли в «нижний горб», вытесняя поглотитель нейтронов (воду) и резко увеличивая положительную реактивность, и подъем мощности превратился в мгновенный паровой взрыв (см рис. 5с и рис. 2 — время 01:23:40...01:23:47 — мощность растёт вертикально, она практически мгновенно выросла до невероятных величин (по различным оценкам от 200 000 до 500 000 МВт).

Конструкция стержней СУЗ была такова, что в первые секунды движения... они вносили положительную реактивность. Это было настолько невероятно, что в это трудно было поверить, пока расчеты и сама жизнь не подтвердили этот печальный факт. (В. Легасов)

Следует отметить, что в ту ночь стержни вообще не дошли до конца. Они прошли всего 2–3 метра и замерли. Что их остановило? Как только «концевой эффект» стержней и паровой коэффициент дали всплеск мощности в нижней части реактора, топливо в ТВС (тепловыделяющих сборках) разогрелось до огромных температур за доли секунды.

Циркониевые оболочки ТВЭЛов не выдержали внутреннего давления и температуры. Они начали трескаться и плавиться. Топливные таблетки начали крошиться и вступать в прямой контакт с охлаждающей водой. Контакт раскаленного топлива с водой вызвал мгновенное парообразование («взрывное кипение»). Давление в технологических каналах подскочило настолько, что их начало раздувать и разрывать.

Стержни СУЗ (те самые, которые так медленно ползли вниз) находились в таких же каналах, расположенных по соседству с ТВС. Когда технологические каналы с топливом начали лопаться и деформировать графитовую кладку, каналы СУЗ тоже искривились. Их геометрия была нарушена, и сервомоторы просто не смогли протолкнуть стержни дальше вниз. Они «сели намертво» в изогнутых и разрушенных каналах.

Операторы на пульте увидели, что указатели положения стержней замерли, не дойдя до нижних концевиков. Они попробовали обесточить муфты, чтобы стержни упали под собственным весом, но это уже не имело значения — реактор к этому моменту физически перестал существовать как управляемая система.

Верхняя плита реактора весом в 2 500 тонн (так называемая «Елена») была сорвана и подброшена в воздух высоким давлением пара из разорванных каналов.

Весь этот процесс занял меньше времени, чем нужно человеку, чтобы просто осознать опасность.

Есть еще один нюанс, связанный с провалом мощности (30 МВт). В 00:28 из‑за «ксенонового отравления» и инерции системы управления тепловая мощность реактора упала почти до нуля (с 1600 МВт до 30 МВт). Реактор начал «травиться» ксеноном-135 еще быстрее, который стал поглощать нейтроны быстрее, чем они успевали рождаться.

Надо было спасать эксперимент. Согласно программе испытаний, мощность должна была составлять 700–1000 МВт. Чтобы поднять её обратно из «ксеноновой ямы», операторы начали извлекать все возможные стержни управления. А. Дятлов разрешил продолжить эксперимент при достижении мощности в 200 МВт (что не противоречило инструкции и программе испытаний), но даже такая мощность была пока не достижима. Пришлось «крутится»: сначала были выведены основные стержни, идущие вверх. Когда этого не хватило, персонал начал извлекать укороченные стержни‑поглотители (УСП), которые находились в нижней части активной зоны (вниз).

УСП — это единственное, что «давило» цепную реакцию в нижней части реактора. Когда их полностью вывели вниз (под активную зону), нижний горб нейтронного поля остался абсолютно незащищенным.

• Операторы считали, что это просто стандартный способ добавить реактивности.

• Они не подозревали, что, убрав УСП, они лишили себя единственного инструмента, который мог бы остановить всплеск мощности внизу после нажатия АЗ-5.

УСП были выведены из зоны потому, что реактору «не хватало дыхания» из‑за ксенона-135. Операторы буквально «выскребали» остатки реактивности «со дна реактора», чтобы достичь хотя бы 200 МВт и выполнить задание, провести тест. Операторы вывели УСП в ту ночь не по злому умыслу, а из‑за жесткой необходимости «оживить» реактор.
В результате к моменту взрыва реактор остался без каких бы то ни было «тормозов». 

Почему УСП не спасли 4-й энергоблок ЧАЭС?

Это не менее важный момент. В ночь аварии эти 32 стержня были почти полностью выведены вниз (под реактор). Но… Когда операторы нажали АЗ-5, пошли вниз только верхние стержни. Укороченные стержни (УСП) в ту секунду не пошли вверх навстречу! Почему? Система защиты была настроена так, что по кнопке аварийной защиты падали только верхние стержни. УСП остались стоять на месте. Если бы УСП автоматически вошли в нижнюю часть активной зоны, то реактор остался бы цел. Увы, это была еще одна недоработка конструкции РБМК-1000.

В результате верхняя часть реактора (верхние 5.5 м) была «мертва» для цепной реакции — убита ксеноном-135 и карбидом бора — кроме узкого нижнего слоя. Когда в 01:23:40 была нажата АЗ-5, графитовые вытеснители вытеснили остатки воды, превратив локальный перегрев в мощнейший паровой взрыв.

Могли ли УСП помочь физически? Если бы в момент 01:23:40 кто‑то чудом ввел бы все 32 стержня УСП снизу, взрыва бы действительно не произошло — карбид бора УСП зашел бы в нижний горб (поскольку они были выведены прямо под срез активной зоны) и компенсировали положительную реактивность от графитовых «недохвостов» верхних стержней. УСП не были связаны с кнопкой АЗ-5 — это был один из главных системных дефектов защиты реактора РБМК-1000.

Трагедия в том, что по проекту УСП предназначались для выравнивания «перекосов» поля, а не для спасения реактора при взрыве. Проектировщики считали, что защиты сверху хватит на все случаи жизни.

После аварии это исправили: теперь УСП летят вверх автоматически при нажатии кнопки АЗ-5.

Но тогда всё было иначе. Чтобы ввести УСП снизу, оператору нужно было либо дождаться, пока сработает локальная автоматика (АР), которая медленно потащит их вверх или вручную переключать тумблеры и поднимать их с той же скоростью 0,4 м/с.

В условиях, когда всё произошло за 3–4 секунды, у людей просто физически не было времени сообразить, что верхние стержни «подвели», и нужно вручную «поднимать низы».

Почему конструкторы вообще решили сделать вытеснитель короче самой активной зоны, зная о водяных столбах?

Конструкторы решили сэкономить на высоте здания: они сократили длину графитовой части с 7 метров до 4,5 метров. Это позволило сделать здание реакторного зала значительно ниже (и дешевле). Считалось, что 4,5 метров графита в центре зоны вполне достаточно для нормального регулирования, а водяные столбы по 1,25 метра сверху и снизу при положении графитовой части стержня в середине — «ни на что особо не влияют». Увы, повлияло. Когда оператор нажал кнопку АЗ-5 (экстренное глушение реактора), все стержни управления и защиты пошли вниз. Верхняя «живая» часть реактора начала успешно «глушиться» бором (рис. 5b).

Но в нижней части графитовые вытеснители начали вытеснять воду. Поскольку графит поглощает нейтроны гораздо слабее, чем вода, замена воды на графит в нижней части зоны привела к локальному всплеску положительной реактивности. Вместо того чтобы мгновенно остановить цепную реакцию, стержни в первые 3 секунды движения ускорили ее.
В условиях, когда реактор и так был крайне нестабилен, этого кратковременного всплеска положительной реактивности в нижней части хватило, чтобы начался неконтролируемый разгон ректора и разрушение тепловыделяющих сборок (ТВС). ТВС деформировались, каналы искривились, тяжелые стержни просто заклинило в начале пути.

В некоторых наиболее тепло‑напряжённых ТК топливо разогрелось до чрезмерно высоких температур (превышающих температуру плавления) и тепловыделяющие сборки (ТВС) стали разрушаться. Разрушение ТВС и контакт топлива со стенкой ТК вызвали разрушение самого ТК. Пар получил выход в реакторное пространство (РП), герметически ограниченное цилиндрическим кожухом реактора и защитными плитами, сверху и снизу, в которых жёстко, на сварке, были закреплены каналы. Обезвоживание и парообразование в каналах и рост реактивности ещё более ускорились. Разрушение нескольких ТК вызвало сильный рост давления в РП, достаточный для отрыва и подъёма верхней защитной плиты (2 500 тонн). Это в свою очередь (чисто механически) вызвало массовое разрушение технологических каналов и выход пара (под давлением порядка 70 атм) в открытое пространство. Всё происходило практически мгновенно, и это было первым (паровым) взрывом. Как взрыв парового котла.

Почему было два взрыва?

Свидетели и приборы зафиксировали два мощных удара с интервалом в пару секунд. Специалисты выделяют следующие этапы: Первый взрыв — паровой (тепловой). Это был мощнейший выброс пара из разрушенных каналов. Давление было огромным, оно сорвало и подбросило «Елену» — верхнюю защитную плиту реактора в 2 500 тонны. Это окончательно разрушило все оставшиеся каналы и открыло реактор, что привело к контакту водорода с кислородом воздуха и второму взрыву. Но это был не ядерный взрыв, как писали многие ранее. Пароциркониевая реакция, идущая с выделением тепла, классический пример того, как при сверхвысоких температурах металл начинает вести себя как активное горючее (как в РДТТ). В этой реакции произошла наработка большого количества водорода, что привело к образованию большого количества гремучей смеси (вторая реакция).

Некоторые пояснения. Обе реакции экзотермические, идут с выделением теплоты.
Zr (Цирконий) — это материал оболочек ТВЭЛов ( в которых находятся таблетки уранового топлива). В нормальном режиме Zr инертен, но при температуре выше 900°C он начинает жадно отбирать кислород у воды.

Образование гремучей смеси и её детонация выглядит просто, но она чудовищна по своей энергетике (Q = 484 кДж). Именно эта реакция превратила аварию из внутреннего разрушения реактора в катастрофу, уничтожившую здание четвертого энергоблока.

Результат: Первый взрыв «открыл» реактор, а второй — полностью его уничтожил, разбросав обломки графита и топлива на сотни метров вокруг.

О «концевом эффекте» как об конструктивной «особенности». Можно ли было обнаружить эту «особенность» стержней (так на суде эту ошибку называли разработчики) на этапе проектирования, или такие вещи проверяются лишь такой «практикой»? Так вот, этот эффект был обнаружен задолго до 1986 года.

В истории атомного проекта СССР были моменты, когда катастрофу можно было предотвратить, еще в чертеже конструкции, или хотя бы во время пусковых испытаний:

1. Урок Ленинградской АЭС. События 30 ноября 1975 года на первом энергоблоке ЛАЭС во многом зеркально отражали будущую катастрофу в Чернобыле:
   
   — Сходный сценарий: При попытке подъема мощности после случайного срабатывания автоматики произошел неконтролируемый локальный разгон, приведший к разрушению одного технологического канала и выбросу радиации.
   
   — Физика процесса: Главной причиной стал тот же положительный паровой коэффициент реактивности и неустойчивость нейтронного поля, из‑за которой «горбы» мощности гуляли по активной зоне.
   
   — Всё тот же «концевой эффект»: Уже тогда специалисты зафиксировали странное поведение реактора при вводе стержней, но на официальном уровне этот дефект решили «не замечать».

2. Пуск Игналинской АЭС и пуск 4-го блока ЧАЭС, 1983: При физическом пуске было замечено, что при опускании стержней из крайнего верхнего положения приборы фиксировали кратковременный рост мощности вместо падения. Научный руководитель (Институт им. Курчатова) и Главный конструктор (НИКИЭТ) получили письма об этом «неожиданном» поведении. И что же?
   
   Реакция была бюрократической: Опасность признали «незначительной». Вместо изменения конструкции стержней, в регламент по эксплуатации просто вписали ограничение: не выводить стержни из зоны полностью. Но это было оформлено не как жесткий запрет, а как рекомендация, что и позволило операторам в ночь аварии нарушить это правило в попытке поднять мощность.

3. Большой положительный паровой коэффициент: Как только вода превращалась в пар, мощность резко росла. Это «врожденный порок» физики РБМК (того времени)

4. Математические модели: На тот момент расчеты проводились на ЭВМ, которые были на порядок слабее современных. Расчет делался «в среднем» по всему объему. Никто не прогнал модель для экстремального случая:
   
   «минимум мощности» + «отравление ксеноном-135» + «почти все стержни вверху».
   
   Считалось, что такая комбинация факторов физически невозможна или невероятна.

Масштабная модернизация реакторов РБМК-1000

Команду на масштабную модернизацию реакторов РБМК-1000 по всему СССР дало высшее руководство страны — ЦК КПСС и Совет Министров СССР — практически сразу после аварии.

Этот процесс не был результатом доброй воли конструкторов и науки. Это была экстренная государственная программа «спасения» атомной отрасли, которую курировала правительственная комиссия под руководством Б. Е. Щербины и ведущие ведомства (Минсредмаш и Минэнерго).

Основные изменения, ставшие обязательными для всех блоков РБМК:

• Концевой эффект стержней: Длину графитовых вытеснителей увеличили до 7 метров, чтобы они полностью перекрывали активную зону. Это исключило водяные столбы снизу.

• Паровой коэффициент реактивности: Чтобы снизить риск разгона на паре, обогащение топлива подняли с 1,8–2,0% до 2,4–2,8%. Также в активную зону установили дополнительные неподвижные поглотители (ДП), которые должны были быть изначально.

• Стержни УСП: Их полностью включили в схему аварийной защиты. Теперь при нажатии кнопки АЗ-5 они автоматически поднимаются навстречу верхним стержням.

• Оперативный запас реактивности (ОЗР): Были введены жесткие ограничения — запрет на работу при ОЗР менее 30 стержней (до аварии порог был 15).

• Визуализация и контроль: Была внедрена система индикации ОЗР в реальном времени, чтобы оператор видел текущий запас реактивности ежесекундно, а не с задержкой, как раньше.

• Быстрая защита (БАЗ): В дополнение к АЗ-5 была разработана и установлена система быстрой защиты, вводящая стержни в зону за 2 секунды вместо прежних 18 сек. Они всегда находятся над активной зоной. У них нет длинных «хвостов»‑вытеснителей, которые медленно вытесняют воду. Вместо этого сам канал БАЗ охлаждается тонкой пленкой воды или газом и поглотитель «выстреливается» в активную зону всего за 2 сек.

Интересно, что после аварии в РБМК пришлось внести столько изменений, что он фактически перестал быть тем самым «дешевым и простым» реактором. Его эксплуатация стала стоить огромных денег.

Почему не исправили ошибки в конструкции сразу?

• Признать дефекты конструкции и физике ректора РБНК означало:

• Остановить все работающие РБМК (а это гигантская доля электроэнергии СССР).

• Признать ошибку в расчетах академиков.

• Потратить огромные деньги на реконструкцию зданий (из‑за той самой высоты шахт, о которой мы говорили).

В итоге решили, что «и так сойдет», если операторы будут осторожны. Чернобыль доказал, что в ядерной энергетике нельзя полагаться на человеческую осторожность там, где есть фундаментальный физический дефект.

Модернизация реакторов РБМК после 1986 года сделала их пригодными к эксплуатации в плане «железа». Но системный дефект — закрытость, непогрешимость «авторитетов» и поиск виноватых среди исполнителей — никуда не исчез. Живя в такой парадигме, мы всегда рискуем наступить на те же грабли, просто в другой отрасли — будь то космос, экология или новые технологии типа ИИ или генетики.

Отсюда вопрос: справедливо ли всю вину возложили на персонал, хотя налицо дефекты в конструкции и просчеты в физике РБМК?

(окончание следует)