Чернобыль: питают ли науки юношей?
Дата: 26/04/2013
Тема: Безопасность и чрезвычайные ситуации


Николай КУДРЯКОВ, Институт ядерной энергетики (филиал) Санкт-Петербургского Государственного политехнического университета в г. Сосновый Бор, доцент кафедры «Управление ядерными реакторами», к.т.н.

До каких пор можно обсуждать аварию на ЧАЭС? Что явится признаком того, что достигнуто должное понимание причин и обстоятельств этой  аварии? Мой вариант ответа – рубежом в понимании этих причин и обстоятельств как профессиональным сообществом, так и всеми гражданами будет, во-первых, преодоление в общественном сознании презумпции виновности оперативного персонала.


Что оперативный персонал виновен, и его вина бесспорна – такое понимание не просто до сих пор имеет место. Оно преобладает, оно растворено в воздухе, мы таким понимание дышим.

Автору этих строк периодически приходится участвовать в разного рода школьных мероприятиях, посвященных атомной теме – в диспутах, слушаниях и т.п. И если на таких мероприятиях вдруг возникает тема Чернобыля – а она с неизбежностью возникает – то как нечто само собой разумеющееся звучит словосочетание «человеческий фактор». Попытки выяснить, откуда вы, ребята, это взяли, что вы на эту тему конкретно читали – такие попытки абсолютно бессмысленны. Как бессмысленны в определенных кругах попытки выяснить, откуда вы взяли, что Ленин был германским шпионом, или откуда вы взяли, что Вторую мировую войну развязал СССР.

Это все знают, это не требует доказательств. С пониманием того, что в аварии виноват персонал, наши старшеклассники буквально родились. Такое понимание они впитали с молоком матери. Вдохнули с воздухом.

В данном случае устами младенцев глаголет не что иное, как факт массового сознания.
Разбираться с состоянием общественного сознанием и углубляться в социальную психологию и социальную философию давайте не будем.

Давайте отметим, что с таким пониманием наши десятиклассники приходят в технические вузы, в том числе – на специальности «Ядерные реакторы» и «Атомные электрические станции».

И с таким пониманием они из этих вузов выходят. Производство специалистов, которые не могут внятно объяснить почему взорвался чернобыльский реактор – это печальный факт.

Фактически здесь все отдано на понимание преподавателей, на их инициативу, на их информированность.

Есть преподаватели, которые это объясняют – но жизнь таких преподавателей осложнена тем, что «грифованных» пособий и учебников на эту тему практически нет, научные и технические материалы изданы мизерными тиражами или вообще не изданы, поэтому содержание и методику изложения темы Чернобыля приходится придумывать самостоятельно,

Есть преподаватели, которые, именно потому, что «грифованных» пособий и учебников на тему Чернобыля практически нет, в принципе не хотят связываться с этой темой.  Если люди не желают импровизировать и рисковать,  то осуждать их нельзя.

Есть, наконец,  преподаватели, которые убеждены, что физические предпосылки аварии на ЧАЭС объяснять студентам совершенно излишне, нельзя, вредно. Т.е. есть люди, до сих пор считающие, что дело оперативного персонала – исполнять регламент, не вникая в то, чем требования регламента обусловлены. Студент, выучившись у такого преподавателя, о Чернобыльской аварии твердо знает одно – было положено иметь 15 стержней оперативного запаса, а было 8. Если предположить, что ВИУР – это не инженер-физик, а дрессированная обезьяна, такой подход в обучении совершенно правилен.

Но даже если предположить, что ВИУРУ знать физические обоснования положений регламента излишне, преподаватель, стоящий на такой позиции, забывает, что учит он не только оперативника-ВИУРа, но и проектанта-расчетчика, и что с таким подходом он дает будущему проектанту индульгенцию: можно наколбасить в проекте что угодно, на ошибках своих предшественников учиться тоже не обязательно – во всем и всегда будет виноват оперативный персонал.

Из презумпции виновности инженера-управленца с неизбежностью вырастает презумпция безответственности инженера-проектанта.

И вот спустя без малого 30 лет после аварии на ЧАЭС из стен технических вузов выходят инженеры, с позволения сказать, физики, не обременённые пониманием физических предпосылок едва ли не самой значительной реактивностной ядерной аварии. А это примерно то же самое, что офицер-выпускник академии Генштаба, не знающий о факте Второй мировой войны.

Между тем изучение причин и обстоятельств Чернобыльской аварии может стать основой для значительного углубления и содержания, и методики обучения.

*   *   *

Конкретной учебной задачей, выполняя которую, студент физик не только выходил бы на понимание физических причин аварии, но и приобретал бы очень много полезных знаний и умений, является вариантный физический расчет ядерного реактора.

В традиционно-вузовском (школярском) физрасчете определяются нейтронно-физические характеристики для размножающей системы с однозначно заданным материальным составом и геометрией. Умение выполнять такой физрасчет, на выходе которого мы имеем одно значение коэффициента размножения, соответствующее заданной конструкции и составу активной зоны –это основы, это хрестоматия, без этого куда же.

А чем от такого физрасчета отличается физрасчет исследовательский, физрасчет научный, физрасчет, дающий понимание причин и следствий?

Тем, что его результатом является множество значений критичности, соответствующих различным сочетаниям геометрических и материальных характеристик. Впрямую к пониманию темы чернобыля нас подводит, например, классическая монографии А. Вейнберга и Е. Вигнера «Физическая теория ядерных реакторов»:

«При проведении физического расчета реактора на природном уране бо´льшая часть усилий связана с выбором величины отношения числа ядер замедлителя к числу ядер урана…»

Физрасчет, в котором критичность выбирается из многих значений, в котором она рассматривается как переменная величина, как функция, зависящая от отношения количества замедлителя к количеству урана, - такой физрасчет в вузовской практике встречается скорее как исключение, чем как правило. Между тем если такой вариантный расчет внедрить в вузовский курс физики реактора в качестве правила, если снабдить такой расчет методическими указаниями, то с пониманием физических причин чернобыльской аварии будет все в порядке, и мы вплотную приблизимся к пониманию природы парового эффекта реактивности. Как именно и почему это так- чуть ниже. Для начала давайте разберемся, почему вариантные расчеты – физический, теплогидравлический, прочностной, – в вузовской практике не находят применения.

Очень просто: потому что вариантный расчет – это большой объем вычислений, которые по одному алгоритму повторяется для разных исходных данных. Дай-то бог нашему студенту рассчитать критичность для одного варианта!

А компьютер, вы спросите, на что?

А компьютером в современном техническом вузе пользоваться не учат.

Этого не может быть? Это именно так.

В 70-х - 80-х годах студент мог проучиться все пять лет, не написав не отладив ни одной вычислительной программы. Вплоть до начала 90-х годов было трудно обеспечить свободный доступ к ЭВМ студента, обучающегося не на математической специальности. Общий дефицит вычислительных ресурсов и слабая оснащенность вузов вычислительной техникой – вот та объективная причина, которая не позволяла сделать цифровое моделирование полноценным направлением учебной деятельности. Сегодня доступность вычислительной техники стала абсолютной, её функциональные возможности неизмеримо выросли.

Сейчас компьютер доступен студенту практически круглосуточно, но компьютером в современном техническом вузе учат пользоваться для чего угодно, только не для инженерных расчетов. Учат студентов вычислительной математике и инженерным расчетам энтузиасты и подвижники.

Как заметил Юрий Иванович Рыжиков, профессор Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, характерным стало явление «непрограммирующего пользователя», по существу – «компьютеризованного дебила».

Выходящий из стен «атомного» вуза инженер-физик, не знающий, почему взорвался чернобыльский реактор и «непрограммирующий пользователь» – это явления одного порядка, мало того – одно явление порождает другое. Решив одну запущенную педагогическую задачу – сделав математическое моделирование традицией, внедрив в вузовскую практику построение и исследование математических моделей по максимуму дисциплин (т.е покончив с «непрограммирующим пользователем»), мы решим другую запущенную педагогическую и методическую задачу –задачу адекватного описания физических предпосылок аварии на ЧАЭС.

В объем нейтронно-физического расчета реактора, выполняемого в рамках традиционного курсового проектирования, следует включать определение полного эффекта реактивности по плотности кипящего теплоносителя, а также выполнение вариантного расчета с различными значениями уран-графитового соотношения. Такая модель позволяет на физически прозрачном уровне объяснить предпосылки реактивностной аварии.

В качестве самостоятельного познавательного эффекта от  идентификации реактора РБМК (в его первоначальной версии) как реактора, не обладающего свойством внутренней самозащищенности, следует ожидать если не полного преодоления, то, по крайней мере,  определенного ослабления продолжающих бытовать представлений об однозначной вине оперативного персонала.

*   *   *

Природа знакопеременного парового эффекта реактивности, взорвавшего чернобыльский реактор, лежит, как неоднократно отмечено в самых разных источниках, в уран-графитовом соотношении. При заданном материальном составе активной зоны (при заданном обогащении топлива) уран-графитовое соотношение определяется величиной шага графитовой решетки.

Из четырех сомножителей, определяющих коэффициент размножения, от шага решетки зависят два – коэффициент использования тепловых нейтронов и вероятность избежать резонансного захвата. Построим зависимости этих величин от относительного шага решетки. Минимальной величиной шага будем считать шаг, равный диаметру технологического канала – т.е. когда каналы касаются друг друга, а внешняя окружность канала вписана в квадрат графитового блока. Газовый зазор не учитываем, т.е. внутренний диаметр отверстия в графите равен наружному диаметру канала. Абсолютный шаг при этом равен 88 мм., относительный – 1.

Микроскопические сечения соответствуют 20°С (~300К), среднее по активной зоне обогащение топлива – 0.013 (при обогащении свежего топлива 0.018).



Рис. 1. Зависимость коэффициента использования тепловых нейтронов от относительного шага решетки



Рис. 2. Зависимость вероятности избежать резонансного захвата от относительного шага решетки

Полученные результаты, в известном смысл тривиальны. Значения коэффициентов использования тепловых нейтронов (рис. 1) монотонно падают как для воды, так и для пара, не пересекаясь, поскольку монотонно растет макроскопическое сечение поглощения в графите, но при этом кривая, соответствующая пару, лежит выше – размножающие свойства системы, заполненной паром, в этом отношении лучше.

При малых шагах решетки вероятность избежать резонансного захвата (рис. 2) для канала, заполненного паром, исчезающее мала – при любых прочих обстоятельствах это означает, что и коэффициент размножения в этой области будет мал, т.е. система будет глубоко подкритичной, но с увеличением шага, т.е. с увеличением количества замедлителя, вероятность избежать резонансного захвата быстро растет и приближается к величине, соответствующей заполнению водой. Т.е. при малых значениях шага переход от пара к воде существенно улучшает размножающие свойства, а обратный переход от воды к пару (т.е. обезвоживание) – ухудшает. В этой области  будет наблюдаться отрицательный паровой эффект реактивности.

Как промежуточные (подготовительные) результаты покажем зависимости произведений коэффициентов использования тепловых нейтронов и вероятностей избежать резонансного захвата от шага решетки. Эти зависимости в решающей степени определяют зависимости от шага решетки коэффициентов размножения.

Произведение двух зависимостей, одна из которых монотонно уменьшается, а другая монотонно возрастает, дает вид зависимости, имеющий возрастающий и падающий участки с максимумом – т.е полученный результат наглядно подтверждает, что имеется такое значение шага решетки, при котором критичность максимальна.
 
Рис. 3. К определению коэффициента размножения для уран-графитовой решетки с водой


Рис. 4. К определению коэффициента размножения для уран-графитовой решетки с паром

Домножив полученные зависимости (произведения) на величины количества вторичных нейтронов и на коэффициенты размножения на быстрых нейтронах, получим зависимости от шага решетки «бесконечных» коэффициентов размножения.

Видим, что в области значений относительного шага от 1 до ~3 коэффициент размножения для системы, заполненной паром, имеет меньшие значения, чем для системы, заполненной водой. Это означает, что при переходе от воды к пару (обезвоживание по любой причине, в т.ч. вскипание) критичность системы уменьшается, здесь паровой эффект реактивности отрицателен. При относительных шагах, больших ~3, переход от воды к пару приводит к увеличение коэффициента размножения, т.е. здесь паровой эффект реактивности положителен.



Рис. 5. Зависимость «бесконечного» коэффициента размножения от шага решетки.


Вычитая из кривой «для пара» кривую «для воды», строим зависимость от шага решетки парового эффекта реактивности.



Рис. 6. Зависимость парового эффекта реактивности от шага решетки.

Разумеется, полученные численные значения здесь достаточно условны. Относительный шаг решетки, при котором эффект реактивности переходит в положительную область, оказался равен ~3, т.е. 26.4 см.

Но на этом примере показано, что, выполняя вариантный расчет даже по соотношениям, данным в пособии Румянцева, можно выявить качественные зависимости, тенденции. Можно показать, что от шага решетки в уран-графитовой системе зависит знак и величина парового эффекта реактивности, и что неоптимальный выбор шага решетки  делает реактор динамически неустойчивым, т.е. – способным к неуправляемому разгону.

Но чтобы показать это, нужно всего-навсего написать программу, в которой организован цикл, изменяющий в качестве независимой переменной величину графитового блока и вычисляющий в зависимости от величины шага макроскопические сечения графита и соответствующие два из четырех сомножителей.

Далее в рамках этой задачи можно наблюдать, что при фиксированном шаге решетки   величина парового эффекта уменьшается при появлении в системе металлического поглотителя, и физически это достаточно несложно объяснить.

Значит, уменьшение оперативного запаса реактивности при данном шаге решетки приводит к  увеличению парового эффекта и делает реактор взрывоопасным.

Главный конструктор и Научный руководитель проекта забыли предупредить об этом станционный персонал.

*   *   *

В Институте ядерной энергетики первые вариантные расчеты уран-графитовых решеток в рамках дипломного проекта выполнил в 2010 г. студент Сергей Боровых.






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

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=4496