Чернобыльская катастрофа: что, как, почему
Дата: 05/08/2011
Тема: Безопасность и чрезвычайные ситуации


В.А.Винокуров, к.т.н., ВМИИ, (филиал ВУНЦ в Санкт-Петербурге)

26 апреля 1986 г. Ночь с пятницы на субботу. Ни в этот день, в субботу,  ни в воскресенье население ничего не знает. К вечеру воскресенья появились слухи об информации, то ли из Швеции, то ли из Польши, что в Советском Союзе произошел выброс радиоактивных веществ. Я ощутил этот выброс  28 апреля, в понедельник  утром. 



В Севастопольском ВВМИУ на  исследовательском реакторе ИР-100 были спланированы мои занятия с курсантами 4 курса по экспериментальному определению нейтронно-физических характеристик ЯР. Курсанты, прибывшие на территорию  лаборатории ИР-100, надевают халаты, шапочки и бахилы и проходят в высокую зону, где находится реактор и смонтированы экспериментальные установки. Некоторые из курсантов проходят в зону через радиометрическую установку РУСИ-1 (рис.1), предназначенную  для измерения и автоматической сигнализации о наличии поверхностной загрязненности бета-активными веществами кожных покровов и одежды личного состава при выходе из зоны.

                          Рис.1

Один из этих курсантов забывает надеть бахилы, и когда он встает под рамку РУСИ, раздается звуковой сигнал, свидетельствующий о том, что обувь у этого человека радиоактивно грязная. Проверка переносным прибором КРАБ (1-25000 β-частиц/с) подтверждает диагноз. А далее обнаруживается, что территория, по которой прошагали эти ноги, вся загрязнена бэтта-частицами. В эту ночь в Севастополе прошел дождь, который и принес радиоактивный  «подарок» из Чернобыля.

Само название Чернобыльская АЭС не совсем точное.


                               Рис.2


Чернобыльская атомная электростанция находится на севере Украины в Киевской области около впадения реки Припять в Днепр. Город  Чернобыль расположен в  15 км южнее места расположения блоков АЭС. Непосредственно место, где находится атомная станция и городок обслуживающего персонала, называется город Припять. В 112 километрах южнее АЭС находится  Киев, а в 100 км восточнее - Чернигов,  в 16 км на север -  граница с Республикой Беларусь.


ЧТО функционировало на ЧАЭС

К весне 1986 г. на Чернобыльской АЭС действовали четыре энергоблока.

4-й энергоблок был введен в эксплуатацию в декабре 1983 г. Каждый энергоблок состоит из ядерного реактора и двух паровых турбин. Реакторы однотипные РБМК-1000 (Реактор большой мощности канальный). Реакторы этого типа эксплуатировались кроме Чернобыльской еще на Ленинградской, Курской, Смоленской, Игналинской АЭС.


Рис.3  Схема Чернобыльской АЭС



Рис.4. Сборка с ТВЭЛами в канале реактора;  рис.5  - управляющий стержень в канале реактора

В ядерном топливе (ЯТ) (в виде таблеток диаметром около 1 см и высотой около 1.5 см) содержится 2 %  двуокиси урана 235, и 98 % урана 238.

Двести таблеток ЯТ загружаются в трубку из циркония длиной 3, 5 м,  диаметром 135 мм. 36 ТВЭЛов собираются в кассету - "сборку" в два этажа по 18 ТВЭЛов на каждом этаже.

 Реактор   типа РБМК-1000 (эл. мощностью 1000 МВт, тепловой 3200 МВт)  представляет собой цилиндр диаметром 11.8 м и высотой 7 м, сложенный из графитовых блоков размером 25х25х60 см. Через  сборку графита проходят  1872 сквозных канала. 1661 канал предназначен для кассет с ядерным топливом, а 211  - для управляющих стержней, содержащих   поглотитель нейтронов.

По условию безопасной эксплуатации ядерного реактора при его работе в активной зоне должно постоянно находиться не менее 28 стержней - так называемый неснижаемый запас реактивности. Если по каким-либо причинам это число требуется уменьшить, реактор должен быть остановлен (заглушен).

В исключительных ситуациях по разрешению главного инженера АЭС  неснижаемый запас реактивности может быть уменьшен до 15 стержней. При необходимости извлечения из этих 15 стержней дополнительно хотя бы ещё одного стержня реактор должен быть немедленно заглушен всеми поглотителями.

Конструктивно каждый из стержней состоит из блочков, заполненных карбидом бора. При опускании он погружается в индивидуальную гильзу, заполненную водой. В нижней части стержней регулирования несколько блочков  заполнены графитом. Поэтому при опускании стержней вначале в гильзе происходит замещение воды на графит, в результате чего высвобождается положительная реактивность.

Цилиндр реактора с каналами окружен стенкой  толщиной в 1 м из таких же графитовых  блоков, но не имеющих отверстий. Все это сооружение окружено стальным баком, заполненным водой. Вся конструкция лежит на металлической плите и сверху накрыта другой плитой-крышкой.  

Общий вес реактора 1850 т. Общая масса ядерного топлива  в реакторе 190 т.

Каждый реактор подает пар на две турбины. Электрическая мощность каждой из турбин 500 МВт. Принцип работы энергоблока  (рис.6)  заключается в следующем:


Рис.6 Принципиальная схема одной из петель охлаждения ЯР РБМК-1000


Вода под давлением 70 атмосфер  главными циркуляционными насосами (ГЦН  или ЦНПК) (12)   подается  по трубопроводам  в нижнюю часть реактора, откуда по каналам  (1) поднимается в верхнюю часть реактора, омывая сборки с ТВЭЛами.  При этом вода нагревается до температуры 248оС и вскипает. Смесь, состоящая из 14% пара и 86% воды, поступает по трубопроводам  в барабаны - сепараторы (6), где происходит отделение пара от воды. Пар по трубопроводу  подается в турбину (7).

Из турбины пар проходит через конденсатор (9),  и уже превратившийся в воду с температурой 165оС возвращается в барабан-сепаратор, где смешивается с горячей водой, поступившей из реактора, и охлаждает ее до 170оС. Эта вода  вновь поступает в насосы. Цикл замкнулся. На две петли приходится восемь главных циркуляционных насосов. Шесть из них находятся в работе, а два составляют резерв. Высота ГЦН около 8 м.


КАК развивалась авария

Когда начались нестационарные процессы в энергоблоке ночью 26.04.1986, начальник смены, заметив,  что верхняя часть ГЦН колеблется с амплитудой 1 м, и, памятуя, видимо о событиях, показанных в фильме «Китайский синдром», дал команду немедленно открыть клапаны аварийной проливки реактора системы САОР, которые, для обеспечения чистоты эксперимента по выбегу турбоагрегата, были закрыты. Одним из двух погибших в первые минуты катастрофы был как раз тот человек, который открывал клапаны аварийного охлаждения реактора


Обычно часть электрической мощности турбин отбирается на собственные нужды реактора,  в основном на питание ПЭН и ГЦН. Если реактор остановлен (для замены топлива, профилактических работ, аварийной остановки), электропитание на эти элементы энергоблока  подается от соседних блоков от внешней электросети.

На крайний аварийный случай предусмотрено питание от резервных дизель-генераторов. Но, как показала практика,  дизель-генераторы  в самом лучшем случае  могут начать выдавать электроэнергию не раньше, чем через две-три минуты. Чем же питать насосы при отключении внешней электросети пока дизель-генераторы не выйдут на режим? Необходимо было выяснить - сколько времени с момента отключения подачи пара на турбины, они, вращаясь по инерции, будут вырабатывать ток, достаточный для аварийного питания основных систем реактора, в том числе, и ГЦН. Первые испытания показали, что турбины не могут обеспечить электроэнергией основные системы в режиме вращения по инерции - режиме выбега.

Специалисты "Донтехэнерго" предложили свою систему управления магнитным полем турбины, что обещало решить проблему энергопитания реактора  при аварийном отключении подачи пара  на турбину.

25 апреля 1986 г. как раз и предполагалось опробовать эту систему в работе, так как 4-й энергоблок в этот день планировалось остановить для ремонтных работ.

Поскольку проведение эксперимента предполагалось проводить на мощности 700-1000 МВт, а на этой мощности неизбежно сработает  система аварийного охлаждения  реактора (САОР), и реактор при этом будет остановлен, а значит повторить эксперимент несколько раз из-за его ксенонового отравления будет невозможно, было принято решение систему САОР заблокировать. Кроме этого в качестве балластной нагрузки для турбогенератора предполагалось использовать резервные ГЦН.

Как оказалось, это были ПЕРВАЯ и ВТОРАЯ трагические ошибки, повлекшие за собой все остальное.


ПОЧЕМУ произошла авария

В последние годы появилось большое число публикаций, посвященных причинам аварии на Чернобыльской АЭС. Обсуждение этого вопроса продолжается с 1986 г., и до сих пор единого мнения нет. В предлагаемых гипотезах превалируют две точки зрения:

- виноват оперативный персонал;

- виновата конструкция реактора.

Первую точку зрения отстаивают, в основном, проектанты и конструкторы, вторую – персонал, занимающийся эксплуатацией АЭС.

Сразу после Чернобыльской аварии для расследования ее причин и обстоятельств было организовано пять комиссий и групп.

Первая группа специалистов входила в состав Правительственной комиссии.

 Вторая – комиссия ученых и специалистов при Правительственной комиссии.

Третья – следственная группа прокуратуры.

Четвертая – группа специалистов Минэнерго.

Пятая – комиссия эксплуатационщиков ЧАЭС.

Собственное расследование провел и Комитет государственной безопасности СССР.

Большая часть комиссий пришла к выводу, что причиной аварии стало грубое нарушение регламента эксплуатации при подготовке и проведении испытаний в ночь на 26 апреля 1986 г.

На основании такой точки зрения была подготовлена информация для МАГАТЭ. Причиной аварии было названо «крайне маловероятное сочетание нарушений».

Также отмечались «небрежность в управлении реакторной установкой», недостаточное понимание персоналом «особенностей протекания технологических процессов в ядерном реакторе» и потеря персоналом «чувства опасности».

Судебная коллегия Верховного Суда СССР в июле 1987 г., рассмотрев материалы следствия об аварии на АЭС, признала, что основными причинами, приведшими к аварии, явились грубые нарушения установленных правил ядерной безопасности и преступно-халатное отношение к исполнению своих обязанностей руководством и оперативным персоналом АЭС. Директор ЧАЭС Брюханов В.П., главный инженер Фомин Н.М., заместитель главного инженера Дятлов А.С., начальник реакторного цеха № 2 Коваленко А.П., начальник смены станции Рогожкин Б.В. и инспектор Госатомэнергонадзора СССР Лаушкин Ю.А были приговорены к различным срокам лишения свободы.

Недостатки самих правил ядерной безопасности отмечены не были, хотя приговоры были вынесены за нарушение правил эксплуатации взрывоопасных предприятий, к которым АЭС никогда не относились, а не за нарушение правил эксплуатации АЭС. Понятие «ядерно-опасные работы» было введено только в правилах ПБЯ РУ АС-89, введенных в действие с 01.09.1990 г.


В 1991 г. государственная комиссия, образованная Госатомнадзором и состоящая в основном из эксплуатационщиков, дала другое объяснение причин Чернобыльской аварии.  Его суть сводилась к тому, что у реактора 4-го энергоблока имеются некоторые «конструкционные недостатки», которые «помогли» дежурной смене довести реактор до взрыва. В качестве главных из них обычно приводят положительный коэффициент реактивности по пару и наличие длинных (до 1 м) графитовых вытеснителей воды на концах управляющих стержней. Графитовыех вытеснители  поглощают нейтроны хуже чем вода, поэтому одновременный ввод в активную зону после нажатия кнопки АЗ-5 управляющих стержней приводит в первый момент  к вытеснению  воды из каналов СУЗ, чем вносит положительную реактивность.

Именно после нажатия кнопки АЗ-5 в реакторе началась неуправляемая цепная реакция, которая и привела его к первому тепловому взрыву, за которым последовал второй.

Разрушение носило взрывной характер, реактор был полностью разрушен, и в окружающую среду было выброшено большое количество радиоактивных  веществ. Авария расценивается как крупнейшая в своём роде за всю историю ядерной энергетики, как по количеству погибших и пострадавших от её последствий людей, так и по экономическому ущербу. В отличие от бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, взрыв напоминал очень мощную «грязную бомбу» — основным поражающим фактором стало радиоактивное заражение.

Облако, образовавшееся от горящего реактора, разнесло различные радиоактивные материалы, и. прежде всего, радионуклиды йода и цезия, по большей части территории Европы. Наибольшие выпадения отмечались на значительных территориях в Советском Союзе, расположенных вблизи реактора и относящихся теперь к территориям Беларуси, Российской Федерации и Украины.

Чернобыльская авария для СССР стала событием большого общественно-политического значения, что наложило определённый отпечаток на ход расследования её причин. Подход к интерпретации фактов и обстоятельств аварии менялся с течением времени, и единого мнения нет до сих пор.

Тем не менее, можно констатировать, что авария явилась результатом нейтронно- физических и конструктивных недостатков реактора и грубых нарушений обслуживающим персоналом требований инструкций по эксплуатации установки.


Недостатки реакторов типа РБМК

1. Пространственная неравномерность распределения плотности потока нейтронов в активной зоне, приводящая к возникновению «ксеноновых волн».

2. Положительный паровой эффект реактивности. После аварии на ЧАЭС осенью 1986 г. трижды были выполнены экспериментальные измерения эффектов обезвоживания холодных разотравленных реакторов на двух энергоблоках ЧАЭС и на одном блоке Смоленской АЭС. Установлено положительное значение этого эффекта (рис.7), равное 4,5 βэф. (Полное выпаривание воды практически аналогично эффекту обезвоживания холодного реактора).

Рис.7 Паровой эффект реактивности


3. Недостаточное быстродействие и низкая эффективность стержней аварийной защиты реактора.

4. Оболочки твэлов и рабочих каналов выполнены из циркониевого сплава. Цирконий обладает гораздо меньшим сечением поглощения тепловых нейтронов, чем нержавеющие стали. Однако при температуре пара более 950 0С начинается экзотермическая пароциркониевая реакция. Она протекает в соответствии с уравнением:


и сопровождается  выделением теплоты  Q = 6530 кДж/кГ.

При Т > 12000 С пароциркониевая реакция становится самоподдерживающейся.

Неправильные действия личного состава

1. Эксплуатация реактора на недопустимо низком уровне мощности перед выводом его из действия.

2. Отключение системы аварийного охлаждения реактора.

3. Уменьшение количества стержней регулирования, которые постоянно должны находиться в активной зоне при работе реактора.

4. Блокировка сигналов аварийной защиты реактора.


Обстоятельства аварии

Авария произошла  в процессе планового останова энергоблока на средний ремонт. С процессом останова были совмещены испытания одного из турбогенераторов в режиме выбега с нагрузкой его для собственных нужд (подачи питания на основные механизмы блока после их обесточивания). После остановки турбогенератора он продолжает вращаться на холостом ходу еще несколько часов (3-4 часа). Целью испытаний была экспериментальная проверка возможности использования механической энергии ротора останавливающегося турбогенератора для подачи питания на основные механизмы блока в условиях полного обесточивания АЭС.

Подобные испытания проводились на ЧАЭС ранее. Из-за слишком быстрого падения тока возбуждения генератора и обусловленного этим снижения напряжения на шинах, ожидаемый эффект достигнут не был. Этот недостаток предполагалось устранить с помощью специального регулятора магнитного поля. Замыслом предусматривалась работа ЯР в этот период на мощности 700-1000 МВт. Предполагалось, что при снижении мощности до этого уровня будет прекращена подача пара ко второй турбине и начнется выбег турбогенератора. Чтобы исключить срабатывание САОР в ходе эксперимента, она была отключена.

25 апреля 1986 г. в 01.00 началось снижение мощности реактора с номинальной. В 13.05 при мощности 1600 МВт (50% Nном.) был отключен от сети первый турбогенератор. В 14.00 отключена САОР. Однако, по требованию диспетчера энергосистемы дальнейшее снижение мощности было задержано, и более девяти часов реактор в нарушение регламента эксплуатации работал  при половинной мощности с отключенной САОР. В процессе этого происходило нестационарное отравление реактора ксеноном. Компенсация отрицательной реактивности производилась выдвижением из активной зоны стержней-поглотителей СУЗ, что последовательно уменьшало оперативный запас реактивности. В 23.00, по существу в момент максимальной йодной ямы снижение мощности блока было продолжено. Оператор должен был стабилизировать ее на уровне 700-1000 МВт. Однако из-за нестабильной работы реактора на низких уровнях мощности в  00.28 мощность реактора «провалилась» до 30 МВт (<1% Nном.) и только к 01.00 ее удалось стабилизировать на  уровне 200 МВт (около 6,3 % Nном.). К этому моменту в активной зоне оставалось  6-8  стержней регулирования, вместо необходимых  15 стержней.  Сигналы аварийной защиты реактора были заблокированы оператором, так как происходили значительные колебания  давления и уровня в барабане-сепараторе.  В 01.23 отведен пар от второго турбогенератора. (Сигнал по остановке двух АТГ также был заблокирован).

Сорвало 4 ЦНПК (из-за кавитации или из-за того, что они не получали достаточное электропитание от остановленного АТГ).  Началось медленное увеличение мощности, по-видимому за счет паровогоэффекта реактивности.  В 01 час 23 минуты 40 секунд начальник смены, осмыслив ситуацию,  дал команду на сброс аварийной защиты. По команде АЗ-5 все стержни пошли вниз, но через несколько секунд раздались удары и стержни остановились. Примерно в 01.24 последовательно прогремели два взрыва.


Предположительные причины неконтролируемого разгона реактора

1. При движении стержней регулирования вниз, до того как их активные части, заполненные карбидом бора, вошли в активную зону, из-за вытеснения воды из гильз стержней реактивность могла возрасти до 1βэф., что послужило «запалом» для нарастания мощности.

2. Вследствие резкого уменьшения расхода теплоносителя, нагретого практически до кипения на входе в реактор,  после срыва ГЦН и резкого увеличения массового паросодержания (обезвоживания активной зоны), на базе положительного парового эффекта реактивности началось неуправляемое нарастание мощности реактора. Через 4 секунды после попытки ввести в активную зону стержни-поглотители нейтронов, мощность реактора в 100 раз превысила номинальную. По расчетам высвобождаемая реактивность превысила эффективную долю запаздывающих нейтронов (ρ > βэф. = 0,5%), и реакция шла на мгновенных нейтронах. Продолжавшееся снижение расхода теплоносителя сопровождалось интенсивным парообразованием, а затем кризисом теплоотдачи, разогревом топливной композиции и разрушением оболочек твэлов.

Бурное вскипание теплоносителя привело к резкому повышению давления в технологических каналах и взрыву, разрушившему реактор. Парообразование и резкое повышение температуры в активной зоне создали условия для возникновения самоподдерживающейся экзотермической пароциркониевой реакции. Спустя 2 секунды после первого взрыва произошел второй, причиной которого, по мнению многих специалистов, было образование смесей кислорода с водородом (гремучая смесь) и оксидом углерода. При этом разрушилась часть здания реакторного цеха, наружу было выброшено около четверти графита и часть топлива.

Взрывы принято классифицировать по природе запасенной энергии и механизму ее быстрого высвобождения. При химических взрывах высвобождается  энергия межатомных связей, при ядерных – энергия атомного ядра. Авария на ЧАЭС, связанная с совокупностью разнородных процессов, не поддается элементарной классификации. Второй, самый мощный и разрушительный взрыв был типично химическим. По природе запасенной энергии первый взрыв следовало бы отнести к ядерным, так как при саморазгоне реактора выделялась энергия деления ядер урана. По механизму же высвобождения энергии взрыв был тепловым, обусловленным тем, что система охлаждения реактора не справилась с отводом теплоты, вследствие чего увеличилось объемное паросодержание. Но в этом механизме присутствуют элементы ядерного взрыва, так как положительная обратная связь по тепловыделению замыкалась через паровой эффект реактивности и цепной процесс деления урана, причем роль этого эффекта резко возросла в период разгона реактора на мгновенных нейтронах. Наконец, по поражающим факторам авария имела два фактора, присущих ядерным взрывам, - проникающую радиацию и радиоактивное заражение, но в ней не было двух других, характерных для ядерных взрывов факторов – ударной волны и светового излучения. Принципиальное отличие чернобыльской аварии от взрыва атомной бомбы состоит в том, что в бомбе радиоактивные осколки рождаются в момент взрыва, в чернобыльской же аварии были выброшены радиоактивные продукты деления, накопившиеся под оболочками твэлов с начала кампании. Вследствие этого, уступая, более чем на пять порядков хиросимскому взрыву по энергии механических разрушений, чернобыльская авария превосходит его более чем на два порядка по радиоактивному заражению долгоживущими нуклидами.

Результатом аварии явилось радиоактивное заражение огромной территории, гибель и заболевания множества людей.


Мероприятия по повышению безопасности реакторов типа РБМК

С целью уменьшения величины положительного парового эффекта реактивности предусмотрены следующие мероприятия:

1. Осуществлен перевод реакторов на топливную композицию с х = 2,4%.

2. Уменьшается количество графита в активной зоне. Это осуществляется либо за счет установки графитовых блоков не квадратного, а шестигранного сечения (на пятом блоке Курской АЭС), либо за счет рассверливания  этих блоков (на Ленинградской АЭС).

3. Установка дополнительных поглотителей нейтронов в количестве от 80 до 90 штук. Кроме этого, оперативный запас реактивности увеличен до  43 или 48 стержней ручного регулирования.

4. Предусмотрено автоматическое срабатывание аварийной защиты реактора при снижении запаса реактивности до 30 стержней.

5. С целью снижения величины эффекта обезвоживания контура охлаждения СУЗ разработан новый тип стержней с ленточным поглощающим звеном. Это практически исключает вытеснение воды в нижней части гильз при погружении стержней.

6. Усовершенствованы сервоприводы стержней ручного регулирования, что уменьшило время их ввода в активную зону с 18 до 12 секунд.

7. Разработана и внедрена на всех РБМК быстрая аварийная защита (БАЗ), позволяющая вводить  24 стержня АЗ менее чем за 2,5 секунды.

8. Создана новая топливная композиция с повышенным обогащением урана 235 (х5 = 2,8%) и  с выгорающим поглотителем – эрбием.







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=3183