5. Построение картины аварии

Для дальнейшего надо понять, что же происходит в самом ядерном реакторе (ЯР), для чего приведём некоторые сведения в стиле «Занимательной физики», тогда как достаточно полное, хотя и краткое, описание всего этого можно найти в параграфах 4 и 5 книги [24]. В ЯР типа РБМК загружается «горючее» в виде таблеток оксида урана UО₂, причём под знаком U скрываются две разновидности урана, называемые его изотопами. Это атомы — «близнецы», приписанные к одному номеру 92 (= заряду ядра, т. е. числу протонов в нём) в таблице Менделеева (сокр. М-таблица), ядра которых отличаются только числом нейтронов, и которые обычно имеют весьма различные физико-химические свойства. Так, уран имеет 14 изотопов, из которых в природе встречаются только три, но нам здесь интересны лишь два из них — ²³⁸U (уран-238), и ²³⁵U (уран-235), являющиеся главными акторами.

Дело в том, что только они, да ещё один изотоп, ²³³ U, могут делиться после поглощения их ядрами одиночных нейтронов, однако распад каждого из них происходит при весьма различных обстоятельствах и влечёт разные же последствия. Так, ядро «лёгкого» урана-235 при поглощении теплового нейтрона (т. е. имеющего энергию менее 0,1 Эв) распадается согласно следующей символической формуле:

²³⁵U + п=А,+А₂ + 2,5п + 200 МэВ (1)

Из формулы видно, что на выходе кроме ядер-осколков A ₍ и Я, (суммарная масса которых меньше массы исходного ядра) снова получаются два или три свободных нейтрона. Причём каждый из них в принципе способен вызвать распад других ядер посредством таких же реакций (1) — если попадет в них. Последняя оговорка весьма существенна — ведь в природном уране на одно ядро изотопа ²³⁵U приходится 139 ядер других изотопов урана!

И вот если два-три таких нейтрона при определённых обстоятельствах, о которых речь будет ниже, тоже породят реакции типа (1), тогда и получается цепная реакция деления (в данном случае — урана). Особо подчеркнём, что один тепловой нейтрон высвобождает в результате элементарного акта, т. е. процесса (1), энергию в сотни млн. раз большую!

Замечание 12. Это явление было открыто О. Ганом и Ф. Штрассманом, чуть позже объяснено О. Фришем и Л. Мейтнер, а затем полностью разъяснено теоретически на базе «капельной модели» ядра Н. Бором (в 1939 г.). А через год оно было подтверждено экспериментом, который показал, что ядра-осколки А₁ и А₂ являются изотопами элементов бария (№ 56 в М-таблице)¹³⁷Ва и радиоактивного криптона (№ 36 в М-таблице) ⁸⁴Кг соответственно.

Но и в СССР спонтанное деление урана независимо в том же 1940 г. обнаружили советские физики Г.Н. Флёров и К.А. Петржак.

В действительности оказалось, что при делении ядер урана большинство нейтронов вылетают из них сразу (это быстрые нейтроны, имеющие энергии порядка 1-15 МэВ), но есть и меньшая доля их, обычно меньше, чем 1–1,5 % (обозначаемая как Ь), нейтронов запаздывающих — вылетающих из осколков ядра некоторое время спустя — от долей секунды до минут ([9]), имеющих энергии до 0,1 эВ, и потому называемых также тепловыми (или медленными).

В большинстве работающих ныне ЯР используются нейтроны второго типа, и чтобы «включить в игру» часть быстрых нейтронов, используется замедлитель, т. е. вещество, способное «притормозить» их, превращая в тепловые, которые затем более эффективно поглощаются другими ядрами ²³⁵ U, вызывая их деление.

А ЯР является тем устройством, которое способно использовать энергию, выделяющуюся в реакциях типа (1), для нагрева теплоносителя, который применяют затем для выработки электроэнергии через турбогенератор (сокр. ТГ) [8]. Для реактора РБМК топливом служил слабо обогащённый (от 1,8 до 2 % — по ²³⁵ U) природный уран (впрочем, для корабельных ЯР необходимо обогащение топлива до более чем 20 % — по ²³⁵ U).

Отметим, что наиболее эффективным замедлителем в ЯР является «тяжёлая» вода D₂O, но можно использовать и простую («лёгкую») воду Н₂0. Однако в случае ЯР типа РБМК для этого использован особо чистый графит, почему они и называются уран-графитовыми (кипящими) реакторами. А в общем-то при работе ЯР образуются около двухсот изотопов в качестве продуктов деления, но только часть их — как осколки в процессе (1), остальные же — как продукты распада других изотопов [9]. Та же реакция (1) используется при создании оружия, хотя для этого необходимо повысить содержание ²³⁵U до более 90 %, и разрушающее действие атомной бомбы обусловлено колоссальным выделением энергии. Но взрыв получается лишь тогда, когда лёгкий уран сплотится в единое компактное тело критической массы (которая для него составляет около 50 кг)!

ЯР же использует энергию деления ²³⁵U«постепенно» — для нагревания теплоносителя, поэтому И.В. Курчатов называл его «тлеющей атомной бомбой»; другое название — «атомный котёл», что тоже понятно, почему… Но кроме лёгкого урана, в ЯР присутствует гораздо больше изотопа ²³⁸U. А с последним ситуация несколько иная: попадание нейтрона (притом быстрого — с энергией ~15 Мэв) в ядро урана-238, хотя и не расщепляет его, однако тоже приводит к ядерным трансмутациям, которые можно изобразить следующей цепочкой:

²³⁸U + п ® ²³⁹U® ²³⁹Np ® ²³⁹Ри. (2)

Из неё видно, что в этом процессе появляется новый элемент — нептуний (с номером 93 в М-таблице) ²³⁹Np, который тоже нестабилен, имея период полураспада всего в 56 часов, после чего появляется ещё один новый элемент (№ 94 в М-таблице), названный плутонием Ри. Также выделяется определённая порция энергии, хотя и меньшая, чем в (1), но об этом скажем позже.

Замечание 13. Вышеуказанные две реакции являются главными для понимания нашей темы, и тут стоит отметить отличие физики микрообъектов от обычной классической физики. Если в рамках последней нейтрон (и протон) представлять в виде маленького твёрдого шарика, а атомное ядро — в виде большого шара, «склеенного» из таких шариков, то ясно, что попадание медленно двигающегося (низкоэнергетиче-ского) шарика в большой (состоящий из 235 таковых) произведёт незначительный эффект. А попадание быстрого (высокоэнергетического) шарика даже в больший (из 238) вполне может разбить его (т. е. ядро) вдребезги. В физике же микромира, как видим, эффект совершенно обратный — в этом-то и проявляется её специфика…

Вернёмся к плутонию. Он был обнаружен при изучении ядерных реакций в ЯР, хотя позже нашли его следы и в природе, правда, настолько редкие, что общий вес его на Земле оценивают не более чем в один килограмм. С другой стороны, на всех работающих АЭС на планете за год нарабатывается ныне около 60 тонн плутония (см. [26])!

Плутоний имеет 15 изотопов (с массовыми числами от 232 до 246), но и тут делящимися среди них есть лишь три изотопа: ²³³ Ри, ²³⁹Ри, да ещё ²⁴¹ Ри, которые потому обычно и используются на практике. Но при этом лишь два последних могут порождать цепную реакцию — поскольку они делятся при поглощении медленных нейтронов, а значит, могут использоваться в качестве топлива для ЯР. ²³⁹Ри часто используется и для создания атомных бомб, тем более что его критическая масса почти на порядок меньше таковой для урана — она составляет от 5,6 до 10,5 кг (в зависимости от чистоты ²³⁹Ри от примесей). Кроме всего прочего, отметим: плутоний очень и очень ядовит…

Однако нам он интересен здесь тем, что при работе ЯР лёгкий уран потребляется (или выгорает), тогда как плутоний накапливается, причём его «коэффициент размножения со временем увеличивается…, сечение ²³⁹Ри больше, чем в два раза превосходит сечение ²³⁵U», согласно очень интересной книге американских авторов [9]. Вот откуда взялись те полтонны плутония в ЯР, о коих говорил акад. Велихов!

Но это не всё — еще академик Прохоров привлёк моё внимание к работам авторов-радиохимиков, точнее, к результатам измерений изотопного состава остатков топлива, которые были проведены ранее академиком Э.В. Соботовичем с сотрудниками ещё в 1986 г. (и опубликованы в статье [20], а затем и в ряде позднейших его работ), как и к работам других авторов.

Но ведь упомянутые исследования ещё с 1990 г. показывали, что «повсеместно отмечалось избыточное содержание изотопов урана U²³³и U²³⁴… В почвах ближней зоны ЧАЭС присутствует специфическая форма техногенного урана, характеризуемая высокой степенью обогащения изотопом U²³⁵» (там же, с. 888).

Затем авторы этой статьи сделали осторожное замечание: «Что же касается непосредственного источника поступления в окружающую среду этой мелкодисперсной формы урана, то он, к сожалению, пока не установлен…

Присутствие на РБМК-1000 ядерного топлива такой степени обогащения труднообъяснимо. Тем не менее, эта гипотеза среди всех прочих представляется нам наиболее приемлемой»([20], с. 888; выделено нами. — Н.К.).

Кроме того, не только вне блока наблюдались упомянутые «странности». И в самом деле, в работе [21] (уже других авторов) читаем: «К моменту аварии в активной зоне реактора… большая часть загрузки имела выгорание от 11 до 15 Мет сут/кг, в активной зоне было также некоторое количество свежего топлива» (с. 39; выделено нами. —Н.К.). В результате исследования авторами «препаратов вторичных урановых материалов, взятых с поверхности лавообразной топливосодержащей массы» во внутренних помещениях блока «соотношение пиков ²³⁵U и ²³⁸U соответствует обогащению ~2 %. Можно было бы предположить, что исследуемые минералы выросли из свежего топлива.Вместе с тем пик ²³⁹Ри примерно в 2,5 раза больше, чем ²³⁵U, хотя для случая среднего топлива отношение Pu/U должно было бы быть в 5 раз меньше.Такое несоответствие велико и не может быть объяснено методическими погрешностями. Также маловероятно, что отношение Pu/U вследствие каких-либо геохимических факторов становится больше, чем в исходном топливе» ([21], с. 42–43; выделения наши. —Н.К.). Иначе говоря, авторами выявлено превышение отношения плутония к урану в 5 раз (!), как если бы это должно было быть. А завершают они так: «Таким образом, вопрос об изотопном отношении в продуктах изменения облучённого ядерного топлива остаётся открытым» (с. 43).

Таким образом, авторы статьи как бы подводят нас к мысли, что всё это уже было в реакторе той апрельской ночью 1986 г. Но мы-то приводили цитаты из [9], где содержатся возможные объяснения такого явления, из которых следует, что упомянутое изотопное отношение возможно, если в каких-то двух или более полиячейках ТВС не были заменены свежими, тогда избыток ²³⁹Ри (как и ²³⁵U) мог стать источником повышенного потока нейтронов.

Теперь отметим ещё один момент — к сожалению, в ажиотаже, который наблюдался после аварии, да и впоследствии никто не обратил должного внимания на аргументацию главного конструктора реактора академика Н.А. Доллежаля. Так, в 1988 г. он высказал следующее мнение, к которому следовало бы отнестись со всей серьёзностью (цитируется по книге [16]): «Ни здесь, ни в любом другом энергетическом реакторе атомный взрыв случиться не может в силу естественных физических причин. Ведь для него необходимо, чтобы лёгкий изотоп урана (в чистом виде!) сплотился в компактное тело определённой массы. Только при таком условии возможна цепная реакция с мгновенным выделением гигантской энергии». И это абсолютно верно — при «штатных начальных условиях»… Поэтому далее он уточняет их так: «А в реакторе, в ТВЭЛах (тепловыделяющих элементах. — Н.К.), этот изотоп лишь обогащает уран природный, он рассеян в нём, его содержание составляет всего несколько процентов»! И это звучит как подсказка — а что случится, если этот изотоп (или же изотоп ²³⁹Ри) не везде рассеян?!

Именно под влиянием этих работ и неких теоретических расчётов я и предположил (в заметке [10]), что главной причиной аварии было нарушение изотопного состава топлива в некоторых ТВЭЛах, отличного от штатного. Но как объяснить это, я тогда не знал — разве что предположить сознательную диверсию, хотя и были сильные сомнения в возможности осуществить нужную подмену. Однако позже, после внимательного исследования всей проблемы в целом, получилась картина, уже не требующая такой подмены.

Вдруг мне сообщили, что якобы академик Э. Соботович отказался от своих выводов, и я решил выяснить это у него самого. Пришел к нему на приём в Институт радиохимии поверхностей НАНУ, где он был директором, но сначала Эмлен Владимирович отнесся ко мне с прохладцей — тем более что пришёл я к нему менее чем за полчаса до обеда (а он строго придерживался режима питания, как мне сообщили позже). Но когда он узнал, что я принёс ему своё видение аварии, то проявил большой интерес, отложил как обед, так и намеченные встречи со своими сотрудниками, и беседа наша длилась более двух с половиной часов, пока секретарь директора буквально не выставила меня из кабинета! Говорили мы о разном, и многое узнал я от него — из первых уст, но когда сообщил ему о слухах, Эмлен Владимирович возмутился: «Наоборот, я имею подтверждение тех данных!»

Затем Соботович предложил свою версию явления, объяснив, что чаще всего на специальных химкомбинатах перерабатывали уже использованное в реакторах на АПЛ (подводных лодках) высокообогащённое топливо, понижая уровень обогащения по урану-235 до требуемых для РБМКА 1,8–2 %. А делалось это сложными и дорогостоящими радиохимическими методами, и тут Эмлен Владимирович говорит мне: «А вы знаете, в те позднезастойные годы везде царил редкостный бардак. И я не исключил бы возможности того, что какие-то “рационализаторы”решили сократить и удешевить (чтобы получить премию) процесс упомянутой переработки исходного материала путём механического его измельчения, разбавив затем чем-то нейтральным… Вот это-то определённо могло приводить к появлению локальных скоплений урана-235, и таким образом стать причиной катастрофы!»

Признаюсь, что меня сильно поразило замечание Соботовича, хотя я и не стал включать его в свою работу, тем более что уже пришёл к иному выводу. А именно, что главным виновником аварии был всё же плутоний-239, который не надо было вносить в реактор (что утверждают некоторые журналисты), ибо он там и нарабатывался, притом достаточно интенсивно, хотя об этом старались не упоминать! При этом по регламенту ТВС (топливные сборки) следовало регулярно переставлять из одной зоны в другую в определённом порядке, а затем тоже регулярно изымать. Об этом я узнал из книги американцев Белла и Глесстона «Теория ядерных реакторов», изданной в Союзе ещё в 1974 г. А если бы их вовремя не изъяли, или не переставили, то и получили бы требуемый избыток. Но все эти процессы должны были отражаться в оперативных журналах, которые после аварии, как ныне известно, не выдавались даже членам правительственной комиссии по несколько дней, а то и недель! Почему? — возникает вопрос. А потому, чтобы срочно переписать их, и делал это, по-видимому, не один человек — что может объяснить наблюдаемую доныне «солидарность» и сплочённость персонала станции.

Теперь опишем, как мог случиться «паровой взрыв», для чего следует кратко описать конструкцию РБМК-1000. Активная зона (АЗ) его заключена в прочный стальной цилиндр высотой 7 метров и диаметром 11,8 метра, стоящий на таком же стальном основании, опирающемся на массивный металлический крест, который, в свою очередь, лежит на железобетонном днище реакторного пространства (РП). Само оно представляет собой прямоугольный железобетонный «ящик» со стенками 25x25 метров и высотой около 26 метров, стенки которого выполнены из особо прочного железобетона толщиной 1,8 метра.

АЗ накрыта массивной стальной крышкой, так что сама она есть как бы громадная металлическая «кастрюля», причём масса крышки, по оценкам разных авторов, составляет от 1500 до 2000 тонн (а ведь ещё есть тысячетонная крыша реакторного пространства)! Внутри же этой герметической «кастрюли» размещена кладка из графитовых блоков с отверстиями для ТК (технологических каналов); последние представляют собой толстостенные металлические трубы (толщина 4–5 мм), проходящие как через крышку, так и днище, такого диаметра, чтобы в них помещались ТВС (тепловыделяющие сборки, т. е. собранные из ТВЭЛов) и проходил достаточный объём воды-теплоносителя.

Все размеры там, в т. ч. высота ТВС, рассчитаны так, чтобы вода, подающаяся отдельно в каждый ТК снизу под давлением в 75–80 атм, к выходу из ТК уже превращалась в пар, который через барабан-сепараторы идёт на турбину (ТГ). И таких ТВС в РБМК-1000 имелось 1659 штук. Подчеркнём, что концы ТК прикреплены к крышке и к днищу (приварены к ним) так, чтобы ни пар, ни вода не попадали внутрь АЗ (и тем более — в РП!), т. е. каждый ТК автономен в известном смысле. Но когда разрушается хоть один ТК, происходит серьёзная авария ЯР, называемая в просторечии «малый козёл» — таковая и произошла на блоке № 1 на ЧАЭС 9.09.1982 г. Там по ошибке ремонтников был перекрыт клапан для пропуска воды через ТК, вследствие чего не было циркуляции воды через него, и через «40 секунд ТВЭЛы в нём разогрелись до температуры 800 °C», затем из-за подъёма давления пара произошёл разрыв ТК и пароводяная смесь проникла в АЗ — в графит и т. д. Но и при этом персонал блока удерживал его на мощности 700 МВт около 20 минут ([24])! В результате катастрофы удалось избежать, заглушив блок, и он был остановлен на продолжительный ремонт.