Чернобыльская авария. Как это произошло.⁠⁠

Всем привет! На связи Семецкий.
Сегодня я хочу рассказать вам, как, с моей точки зрения, случилась авария на ЧАЭС, а так же о том, что именно произошло с реактором в ту злополучную ночь. Также, возможно, развею некоторые существующие мифы об этой аварии.

Сразу скажу, что мое мнение по этому поводу может не совпасть с вашим, тем более, что версий развития аварии сейчас придумано множество. Однако, есть официальные документы (например, доклад ИНСАГ-7), которым я, как человек с техническим (и ядерным) образованием, верю.

1. Что за эксперимент собирались проводить на АЭС, и повлиял ли он на развитие аварии?

Называть это экспериментом - несколько неверно. Это были запланированные испытания одной из систем безопасности ЧАЭС.

Самое важное для ядерного реактора - это надежный отвод тепла от активной зоны. На случай, например, полного обесточивания АЭС необходимо иметь как запас воды для обеспечения теплоотвода, так и надежные способы подачи этой воды в активную зону.

На каждой станции есть резервные дизель-генераторы, однако запускаются они и принимают нагрузку довольно долго (десятки секунд). Аккумуляторы, используемые на АЭС, не могут обеспечить работу мощных питательных электронасосов (ПЭН), которые и подают холодную питательную воду в первый контур. В то же время, у главных циркуляционных насосах (ГЦН) есть маховики, которые позволяют насосу при потере электроэнергии работать еще долгое время.

Главный Конструктор РБМК, придумал еще один, довольно интересный режим обеспечения подачи воды в активную зону. Когда реактор заглушается, турбогенераторы (ТГ) автоматически отключаются от сети, подача пара на них прекращается, но вращение, разумеется, сразу не останавливается. ТГ вращается вхолостую со скоростью в 3000 оборотов в минуту. Если позволить вращающемуся по инерции ТГ вырабатывать ток, то можно продлить время работы главных насосов на время, пока не запустятся дизель-генераторы, а значит, еще больше повысить надежность и безопасность работы энергоблока в целом.

Этот режим назвали "режим выбега турбогенератора". Его не успели опробовать до начала промышленной эксплуатации энергоблоков ЧАЭС и испытания проводили, в дальнейшем, на действующих энергоблоках в 1982, 1984, 1985 и 1986 годах.

Связаны ли эти испытания с аварией? Сложно сказать. Напрямую, скорее всего, нет, потому что (как мы в дальнейшем узнаем) непосредственно к аварии привели просчёты в нейтронной физике реактора, конструкции органов СУЗ, а также состояние активной зоны реактора перед остановом на ремонт (связанное с довольно глубоким выгоранием ядерного топлива).

Если бы испытаний в ту ночь не было, то, возможно, аварии бы не случилось. Однако, без принятия мер по повышению безопасности РБМК, такая же или похожая авария, рано или поздно, но произошла бы. Этот взрыв мог бы произойти на любой из действующих АЭС с РБМК, а таких в СССР было пять - Чернобыльская, Ленинградская, Курская, Смоленская и Игналинская АЭС.

2.1 Предпосылки к аварии. Паровой эффект реактивности.

Активная зона реактора РБМК очень большая. Это набранный из графитовых колонн цилиндр, высотой 7 метров, а диаметром - 12. Внутри каждой из колонны проходит труба из циркония, внутри которой либо стоит топливо, либо находится орган СУЗ, позволяющий поднимать/уменьшать мощность в определенном участке реактора и в реакторе в целом.

Вода подается снизу, а в самой активной зоне она нагревается, омывая топливные стержни. Постепенно, по мере прохождения воды через зону, появляется пар, его становится больше, и затем пароводяная смесь выходит из активной зоны, в дальнейшем разделяясь в барабане-сепараторе на воду и пар. Вода разбавляется более холодной и снова поступает в активную зону, а пар уходит на турбину.
Ядерная физика - штука сложная. На скорость протекания реакции деления влияет очень много факторов, и один из них - содержание пара в пароводяной смеси. Есть даже такая вещь, как паровой коэффициент реактивности (паровой эффект реактивности). Он показывает, насколько изменится реактивность реактора при полной замене воды в канале на пар. Про реактивность, кстати, можно почитать тут.
Сейчас, в 2016 году, паровой эффект реактивности у РБМК не должен превышать величины более одной эффективной доли запаздывающих нейтронов (одной беты). Это означает, что при любом изменении соотношения воды и пара, внесенная реактивность будет недостаточно велика чтобы заставить реактор очень быстро разгоняться на мгновенных нейтронах.

В 1986 году такого жесткого ограничения не было, как не было и стандартизированной, общей методики расчёта парового эффекта. Как потом показали расчёты, на момент взрыва паровой эффект реактивности на реакторе 4 блока ЧАЭС составил величину около восьми бет. Это, на мой взгляд, было вызвано тем, что топливо в реакторе было довольно хорошо выгоревшим, а значит влияние наличия жидкой фазы воды в реакторе на реактивность - увеличилось. Также здесь сыграл роль малый ОЗР, о чем будет написано далее.

Это (большой паровой коэффициент реактивности) стало одной из причин, которые позволили аварии случиться.

2.2 Предпосылки к аварии. Неудачная конструкция стержней СУЗ.

В каждом реакторе есть органы регулирования (стержни-поглотители, жидкий поглотитель, вывод замедлителя и т.д.), которые позволяют нам управлять ядерной реакцией.
Ввод, например, стержней-поглотителей должен, по логике вещей, немедленно и надежно ввести отрицательную реактивность, которая позволит снизить уровень мощности в реакторе вплоть до заглушения.
У РБМК образца 1986 года, однако, с этим были проблемы. Дело всё в том, что из-за больших размеров активной зоны стержни-поглотители там были такие же большие. Под каждым из стержней (кроме укороченных стержней-поглотителей, вводящихся снизу) висела специальная подвеска, состоящая из графита.

Слева (а) - схема размещения графитового вытеснителя в активной зоне до модернизации.
Справа (b) - то, как это выглядит сейчас.

Как видим, в нижней части активной зоны, когда стержень полностью извлечен, есть небольшой по высоте (1.25 метра) столб воды. В нем то и кроется проблема - когда мы вводим стержень в зону, этот столб воды замещается графитом. Вода, в сравнении с графитом, играет роль поглотителя нейтронов, и при замещении её графитовым вытеснителем, в нижней части активной зоны высвобождается положительная реактивность.
Эта реактивность, в принципе, небольшая, но на ЧАЭС-4, в силу того что на момент аварии почти все стержни были извлечены из зоны (об этом далее), оказалась существенной.
Когда, при проведении эксперимента по выбегу, была нажата кнопка АЗ-5 и стержни пошли в зону, в нижнюю часть зоны была внесена довольно большая положительная реактивность, и именно этот момент, на мой взгляд, стал началом неуправляемого разгона реактора и повлекло за собой его разрушение.

2.3 Предпосылки к аварии. Оперативный запас реактивности (ОЗР)

Для начала, о самом понятии ОЗР. В РБМК ОЗР - это текущий запас реактивности на стержнях управления и защиты, который можно высвободить, если стержни эти извлечь.
Говоря очень грубо, если у нас сейчас в активной зоне полностью введены 30 стержней, то ОЗР, с натяжкой, составит 30 эффективных стержней.
На самом деле количество стержней не равно запасу реактивности на них. Физический вес стержня (количество реактивности, которое может быть высвобождено при его извлечении), зависит от того в какой области находится стержень, как в этой области выражено радиальное, высотное поле, в конце концов от типа стержня и выгорания поглотителя в нем.
В 1986 году на РБМК минимальным разрешенным был ОЗР в 15 стержней. С точки зрения действующего на тот момент Регламента по эксплуатации энергоблока и ПБЯ, низкий ОЗР не был опасен ничем, кроме увеличенного времени прохождения йодной ямы (о ней можно прочесть тут).
Однако, при низком ОЗР большинство стержней регулирования оказываются извлеченными из активной зоны. И при нажатии кнопки аварийной защиты все эти стержни сразу идут в зону, вызывая в РБМК образца 1986 года сначала ввод положительной реактивности, а уже затем - отрицательной.

Также, при соблюдении регламентного значения ОЗР при работе реактора, поглотитель, содержащийся в активной зоне, компенсировал влияние воды, как поглотителя, и снижал значение парового эффекта реактивности. При малом же ОЗР паровой эффект довольно серьезно возрастал.
На момент аварии, в 1986 году, значение ОЗР составляло 8 стержней РР. Почему ОЗР был настолько мал? Дело в том, что при снижении мощности, СИУР не смог удержать её автоматикой реактора, и в итоге она снизилась почти до нуля (30 МВт тепловых и 0 МВт нейтронной мощности по ИНСАГ-7). Реактор стал отравляться, и для подъема мощности были извлечены почти все немногие оставшиеся стержни управления.

Однако надо добавить, что прибора, который в режиме "онлайн" показывал бы ОЗР, на блочном щите управления тогда не было. Чтобы узнать текущее значение, необходимо было запрашивать ЭВМ системы СКАЛА, чтобы она рассчитала ОЗР и выдала его либо на распечатке, либо на пульт СИУРа. Так что я бы не стал винить персонал в том, что они не уследили за этим параметром.

В итоге, малый ОЗР при проведении испытаний привел к проявлению положительного эффекта реактивности на стержнях СУЗ (начало аварии), а также к большому паровому эффекту реактивности (обеспечило масштабы аварии).

2.4 Предпосылки к аварии. Расход воды в активной зоне.
Непосредственно для проведения испытаний по выбегу турбогенератора были включены все восемь ГЦН реактора. Четыре запитывались от турбины, на которой собирались проводить испытания, а еще четыре - от надежного внешнего энергоисточника.

Работа с таким количеством насосов тогда не запрещалась, однако, она привела к тому, что расход воды превысил рекомендованный для уровня мощности, на котором проводились испытания. Это привело к снижению общего уровня паросодержания в активной зоне, а также к тому, что недогрев теплоносителя до температуры насыщения (когда начинает образовываться пар) на входе в активную зону был минимальным, а может быть, и нулевым. Это привело к началу кипения воды в нижней части активной зоны.
В итоге, как только начались испытания и четыре ГЦН, запитывающихся от выбегающего ТГ, стали замедляться - сразу же стал уменьшаться расход воды через активную зону. Это привело к увеличению паросодержания, а также к росту мощности из-за парового эффекта реактивности.

3. Авария

Написанное в этом разделе - это исключительно мои логические выводы, заключения и предположения, основанные на ИНСАГ-7. Я могу быть неправ, и буду рад, если вы укажете на недоработки и упущения.

После начала испытаний, из-за снижения расхода воды в активной зоне и связанного с этим увеличения паросодержания, начала расти мощность реактора. Расти пока незначительно, но, как мне кажется, нажатие кнопки АЗ-5 при проведении испытаний было вызвано именно этим, неожиданным и ненужным увеличением мощности.

При нажатии АЗ-5 стержни, большинство из которых было извлечено из активной зоны, пошли вниз, из-за своей конструкции вызвав всплеск положительной реактивности в нижней части активной зоны. И, как мне кажется, именно в этот момент внесенная положительная реактивность превысила значение в 1 бету, а значит, в нижней части реактора ядерная реакция превратилась в мгновенную и неуправляемую.
Это вызвало разрушение одного или даже нескольких технологических каналов, что повлекло за собой превращение воды в них в пар (и еще большее увеличение реактивности из-за парового эффекта), что повлекло за собой дальнейшее разрушение активной зоны, повышение давление в реакторном пространстве до запредельных значений и отрыв, а затем и подъем верхней плиты реактора (схемы "Е").

Что было дальше - вы знаете. Полное разрушение реактора и реакторного здания, топливо и графит оказались снаружи. Радиоактивная грязь из реактора разлетелась по всему миру, а огромные территории на Украине, в Белоруссии и России оказались заражены настолько, что ощущается это даже сейчас.

Я попытался очень кратко всё описать, но получилось неожиданно много.
Также я специально не стал затрагивать тему виновности/невиновности персонала АЭС и конструктора РБМК, в аварии. На мой взгляд, оперативники (смена) действовали в рамках действующих на тот момент регламентов и инструкций, и им в вину поставить ничего нельзя.

Думаю, что в рамках упрощения процесса протекания аварии я опустил/пропустил довольно много подробностей, так что ваши вопросы в комментариях - приветствуются. И да, еще раз приведу ссылку на ИНСАГ-7