Начало

Оценки теплового воздействия сделаны в расчёте на один топливный канал (ТК). Чтобы нагреть остатки графита на нижней плите (~ 80 кг на один ТК) до температуры 3200 °С, необходимо затратить 0,46 ГДж тепловой энергии. Для разогрева и расплавления стали и серпентенита – 1,1 ГДж.

Полагая, что разогретый до 3200 °С графит разрушается под действием потока плазмы и выносится из-под активной зоны в подреакторные помещения, а сталь и серпентенит расплавляются и также выбрасываются в подреакторные помещения, можем сделать грубую оценку температуры топлива, фактически его паров, и величину возрастания мощности в области юго-восточного квадранта. Похоже, что весь процесс разрушения четверти нижней плиты не превышает 5 секунд. В этом случае испаряющееся топливо вблизи выхода (разрыва) каждого ТК должно иметь температуру не ниже 17000 К, а увеличение мощности в этой области не менее, чем до 160 номиналов. В составе лавообразныхтопливосодержащих масс в подреакторных помещениях было обнаружено не более 25 т топлива [5], что соответствует примерно 1/8 первоначальной загрузки активной зоны.

Когда область разрушения юго-восточного сектора нижней плиты стала выходить за его геометрические границы, высокотемпературное воздействие от расплава и плазмы обрушилось на стойки опоры сх. С. Две из четырёх опорных стоек теряют несущую способность, опора теряет устойчивость. Нижняя плита весом 2600*0,75=2000 тонн повисает на целых ТК, а давление в полости разрыва (фактически давление в кладке) добавляет усилие, направленное вниз. На ТК появляется растягивающая нагрузка. Происходит множественный разрыв оставшихся ТК: часть потерявших прочность от перегрева рвётся по циркониевой части [28], другие отрываются от труб ВК по сварному шву [8, 26]. Массовый разрыв ТК создаёт скачёк давления в пространстве между нижней плитой и активной зоной. Нижняя плита устремляется вниз, сминая листы опоры сх. С и «калачи» трубопроводов ВК, а активная зона, точнее верхняя плита с подвешенными на ней топливными и иными каналами вместе с графитом выбрасывается вверх, долетает до потолка центрального зала, обрывая по пути трубы ПВК, теряя воду, и там взрывается.

Для оценки природы и величины сил, действовавших в этом процессе, воспользуемся установленными фактами [5, 8]: 1) высота, на которой произошёл взрыв и 2) характер разрушения облицовки стен подреакторных помещений, а именно, прорыв, срез стальных листов на опорах.

Подъёмную силу можно представить как

где G и w – соответственно массовый расход и скорость перегретого пара, смешанного с разрушающимся топливом, истекающего из разорванных ТК со стороны сепараторов пара;

Δр и s – перепад давления (избыточное давление в подреакторном помещении) и площадь поверхности верхней плиты;

F_сопр – сила сопротивления при разрушении труб ПВК.

С другой стороны

т.е. импульс силы равен изменению количества движения. Здесь m – взлетающая масса, u₀ – скорость, до которой масса разгоняется за время Δt.

Труба ПВК может быть разрушена различными способами: излом при разгибании колен, излом в контакте с кромкой верхней плиты, разрушение балки с заделкой в опорах. Кроме того, возможны отрывы трубы по сварному шву. Наименее энергозатратный первый способ: для разрушения трубы при её «выпрямлении» требуются разные усилия в зависимости от длины плеча, в среднем – 5 кН. Второй способ может иметь отношение только к трубам нижнего ряда ПВК, у других едва-ли будет возможность контактировать с верхней плитой при её подъёме. Для разрушения трубы здесь нужно приложить усилие 14 кН. Чтобы переломить трубу ПВК по механизму хрупкого разрушения как балку, нужно усилие около 54 кН. При движении верхней плиты вверх прежде всего будет происходить вытягивание, «выпрямление» труб ПВК, поэтому наибольшие шансы для реализации у первого способа. К тому же он наименее энергозатратен. Так что примем F_сопр=5*1600=8МН. Для реактивной силы, создаваемой истечением из разорванного ТК, сделаем максимальную оценку. Будем считать, что в выходном сечении достигается критическая скорость:

Тогда для перегретого пара:

где Р_тк – давление в ТК перед выходным сечением, площадь которого равна f.

Площадь проходного сечения трубы dу50 и топливного канала с ТВС почти одинаковы, тогда как для отрыва по сварному шву dу50, так и по циркониевой части:

В расчётных исследованиях аварий [8] определялись параметры теплоносителя при разрывах трубопроводов циркуляционного контура, в том числе и труб ТК. Давление перед полным разрывом ТК внизу для потока со стороны БС составляет (1,5 – 2,0) МПа в зависимости от энтальпии. Тогда реактивная сила для одного ТК от 3,3 до 4,5 Кн, или для всей активной зоны – от 5,5 до 7,5 МН.

Для взлетающей массы можно принять приблизительно 5500 т, куда входят 3600 т, воспринимаемыми катковыми опорами, около 1500 т графита и около 400 т – масса, «подхваченной» разгрузочно-загрузочной машины (РЗМ).

По известной высоте подъёма центра масс определим начальную скорость:

Процесс разгона этой массы до скорости u₀ занял, по-видимому, не больше секунды, а давление действовало на всю площадь верхней плиты S =227 м². Тогда перепад давления составил Dр = 0,6 МПа, т.е. в подреакторном помещении давление подскочило до 0,7 МПа. Этого давления оказалось достаточно, чтобы забросить активную зону под потолок ЦЗ. Кроме того, что этим импульсом давления была выброшена многотонная масса из реакторной шахты, им же был оставлен заметный след в подреакторном помещении. В частности, этой волной давления были резко прижаты к бетону стен стальные листы толщиной 6 мм, которые закреплены сваркой на опорах высотой ~ 100 мм. Так что этот стомиллиметровый зазор исчез, а опоры с приваренными обрывками стального листа «выглядывают» наружу [5]. Произошло разрушение листа «на срез», как на ножницах. Сила, приходящаяся на единицу длины среза:

где t_р = 0,6·s_вр– касательное напряжение разрушения, для стали 20 s_вр=40 кгс/мм², тогда t_р = 25 кгс/мм². Для перепада давления получим:

При таком перепаде давления выталкивающая сила составит F=333 МН. Тогда при односекундной длительности импульса начальная скорость n₀=60,5 м/с, а возможная высота подъёма 187 м. Таким образом, активная зона взорвалась по пути к этой высоте. Очевидно, при подъёме до 30 м оказались оборваны почти все трубы ПВК и контура СУЗ, что привело к полному обезвоживанию ТК и частичному – каналов СУЗ. А это уже означало, что ввелась положительная реактивность больше 5 b (b - доля запаздывающих нейтронов).

Чем это закончилось

Верхняя плита с активной зоной, поднимаясь из реакторной шахты, западным краем цепляет контейнер РЗМ (более 400 т). Так что кроме поступательного движения вверх появляется вращательное движение. В результате, под потолком ЦЗ перед взрывом верхняя плита оказывается повернутой почти на 90°, такчто нижний торец активной зоны теперь «смотрит» в сторону третьего блока, на вентиляционную трубу. В этом положении происходит взрыв. Что за взрыв – послушаем члена аварийной комиссии от Минэнерго, директора ВНИИАЭС А.А. Абагяна[36]: «… на одном из заседаний Правительственной комиссии – я это отчётливо помню – В.А. Сидоренко, который был заместителем председателя Госатомэнергонадзора, докладывал, что принципиальным является осознание комиссией факта разгона на мгновенных нейтронах. Это очень принципиальное утверждение. Потом от этого заключения ушли. Старались не говорить, что это был ядерный взрыв.

А ведь если подходить строго научно, то это был именно разгон на мгновенных нейтронах, т. е. реактивность была больше, чем доля запаздывающих нейтронов». Потом стали называть тепловым взрывом, не уточняя, что именно взорвалось. Ядерный взрыв – это одна из разновидностей теплового взрыва, просто здесь тепло производится за счёт цепной ядерной реакции, а не за счёт химических превращений, как в обычных взрывчатых веществах. Конечно, этот взрыв отличается от взрыва классического ядерного боеприпаса, в котором «взрывчатка» слегка разбавлена неделящимся изотопом. В нашем случае неделящегося изотопа примерно в 50 раз больше, кроме того присутствует графит (по объёму в 30 раз больше топлива), который в твёрдом состоянии имеет теплоёмкость в 7 раз больше, чем диоксид урана. Поэтому здесь недостижимы те миллионные уровни температур и давлений, которые характерны для классического ядерного взрыва. Тем не менее, по результатам разнообразных исследований можно заключить, что давление в центре взрыва было не ниже 200 МПа, а температура достигала десятков тысяч градусов. Мощность взрыва, который произошёл под потолком ЦЗ, оценивается как (100-150) тонн ТНТ [5, 8].

Перемешивание диспергированного и расплавленного топлива с пылеобразным графитом приводило к снижению температуры. Превращению графитовых блоков в мелкодисперсную пыль содействовали два процесса – силовой и тепловой, который тоже превращался в силовой. В квадратной решетке с шагом 250 мм взрываются топливные каналы, цилиндрические ударные волны распространяются в графите навстречу друг другу, усиливая импульсы давления при встрече. За волной сжатия следует волна разрежения. Одновременно происходит всплеск температуры графита за счёт захватного энерговыделения и теплообмена с топливом, а также за счёт сжатия. Графит – материал пористый, до 27% объёма – это поры микронного размера, заполненные газом. Разогрев этого газа повышает давление в порах, создавая разрушающее усилие [28].

Как видим, при взрыве устройства такой конфигурации создаются прекрасные условия для мгновенного перемалывания графита. Размеры частиц – кроме испарившегося графита- от микронов, это ближе к центру активной зоны до долей миллиметра и целых блоков бокового отражателя, это ближе к периферии активной зоны. Из разнообразных проявлений взрыва для нашего анализа наибольший интерес представляет термик. Образовавшийся при взрыве термик подхватывал всю эту пыль вместе с диспергированным, расплавленным и частично испарившимся топливом и устремил её вверх на сотни метров. Вот тут-то испарившийся и мелкодисперсный раскалённый графит мог прореагировать с кислородом воздуха, подхваченного термиком. Это увеличило температуру термика, увеличивая высоту заброса радиоактивности.

Дувший в эту ночь ветер с востока (около 3 м/с вблизи земной поверхности [37]) «уложил» этот пылевой столб на запад от станции длинным чёрным клином. Эту картинку продемонстрировал профессор М.Голдман во время работы Международной рабочей группы по тяжёлым авариям в Дагомысе [38]. Он показал фотоснимок ЧАЭС, сделанный спутником LANDSAT-5 29 апреля 1986 г. [36]. На снимке – длинный чёрный клин, протянувшийся на запад от АЭС. Он спросил: «Что это? Графит?». Мы должны были согласиться. То, что он перемешан с топливом, никто не отрицал. Всем было понятно, что трёх-пятипроцентный выброс радиоактивных веществ за пределы АЭС – это политическое решение, никак не связанное с реальностью. Этот чёрный клин, конечно, оставил след, рис. 3 [37]. На его пути оказался и сосновый лес, который потом стал рыжим. Судя по распределению мощности дозы, топливная пыль, как наиболее тяжёлая, выпала в ближайшей окрестности станции, а менее радиоактивная и лёгкая графитовая пыль улетела более, чем на 40 км на запад.

«Летальные эффекты облучения сосен при D>1000 рад визуально проявились к концу лета 1986 г. В течение последующего осенне-зимнего периода площадь погибшего лесного массива, примыкающего с запада к промплощадке АЭС, достигла 400 га». Так что гореть после аварии в шахте реактора было нечему. В центральном зале было достаточно горючего материала – это сотни килограммов изоляции кабелей мостового крана и РЗМ, пластикат на полу. Сначала было непонятно, как удалось оставить в шахте реактора большую часть графитовой кладки и топлива, если предполагали множественный разрыв ТК наверху с подъёмом/сдвигом верхней плиты. В этом случае топливо, разрушенные в верхней части ТВС должны быть выброшены из активной зоны потоком теплоносителя снизу.

После этого говорить о горении кладки, которую заливает водой/пароводяной смесью, затруднительно. Её даже поджечь нечем. Однако «выход» был найден. В «Итоговом докладе Международной консультативной группы по ядерной безопасности»[39] в разделе 5 «Описание аварии» находим: «Выделение энергии сдвинуло 1000-тонную защитную крышку реактора и привело к тому, что были срезаны все каналы охлаждения по обеим сторонам активной зоны реактора. Через 2-3 секунды был услышан второй взрыв, и горячие куски реактора были выброшены из разрушенного здания. До сих пор неясно, какую роль мог бы сыграть в этом взрыве водород. Разрушение реактора обеспечило доступ воздуха, который, соответственно, привёл к горению графита». Т.е. неведомые силы «срезали» топливные каналы внизу, прекратив подачу воды в активную зону. В этом случае можно надеяться на то, что большая часть топлива останется в активной зоне. Но! Авторы «забыли», что в тот момент реактор обладал большим пустотным эффектом. Вместо ожидавшегося ими горения мог произойти взрыв в шахте реактора с разрушением бака биологической защиты, сх. Л. Поскольку этого не произошло, можно было говорить о горении графита в реакторной шахте, взрыве неизвестно чего (водорода?) и выбросе радиоактивности на уровне 3%. Такая «ложь во спасение»… мировой атомной энергетики.

Источники

1.      В.А. Легасов Из сегодня – в завтра. Мысли вслух. М. Аврора, 1996

2.      В.А.Легасов Об аварии на Чернобыльской АЭС (текст кассеты №1). http://www.royallib.com/

3.      В.П. Александров, О.Ю. Новосельский, А.Ф. Финякин О проблеме горения графитовой кладки РБМК, препринт НИКИЭТ ЕТ-07/74, М. ГУП НИКИЭТ, 2007

4.      В.М. Федуленко ЧАЭС: авария, потрясшая мир. «Энергия: экономика, техника, экология», №4, 2006 с. 10-20

5.      Ю.М. Черкашов и др. Состояние 4-го энергоблока ЧАЭС после аварии. «Уроки Чернобыля. Технические аспекты», Международный семинар, Десногорск, 15-19 апреля 1996 г. Сб. докладов, том 2, с. 224-251

6.      Р.Н. Давлетбаев Последняя смена // Чернобыль десять лет спустя. Неизбежность или случайность? М. Энергоатомиздат, 1995, с. 366

7.      Н.А. Доллежаль, Н.Я. Емельянов Канальный ядерный энергетический реактор. М. Атомиздат, 1980 г.

8.      Канальный ядерный энергетический реактор РБМК. Под общей редакцией Ю.М.Черкашова, М. ГУП НИКИЭТ, 2006 г.

9.      О.Ю. Новосельский. Причины чернобыльской аварии. Доллежалевские чтения, 1 цикл, сб. лекций и презентаций, М. НИКИЭТ. 2018 г. с. 8-45

10.  Nuclear News, December 1987, р. 67-68

11.  O.R. Fletcher et al. Simulation of the Chernobyl accident. – Nucl. Eng. And Design. 1988. v.105, p. 157-172

12.  МАГАТЭ INSAG-7. Чернобыльская авария: дополнение к INSAG-1, Вена, 1993 г.

13.  Н.А. Доллежаль Об энергетическом уран-графитовом реакторе и об одной из версий аварии 26 апреля 1986 г. На 4-м энергоблоке Чернобыльской атомной станции. Препринт НИКИЭТ, ЕТ-95/01, М. НИКИЭТ, 1995 г.

14.  Н.И. Безбатченко и др. Моделирование аварии на ЧАЭС – Обзор по материалам зарубежной печати. ИАЭ им. Курчатова, М. 1991 г.

15.  Е.О. Адамов и др. Оценка качественных эффектов возможных возмущений во время аварии на ЧАЭС. Первая международная рабочая группа по тяжелым авариям и их последствиям. М. Наука, 1990 г., с. 48-68

16.  О.Ю. Новосельский, Л. И. Колганова. Кавитационная модель кризиса течения недогретой воды. «Атомная энергия», т. 112, вып. 1, январь 2012, с. 3-12

17.  О.Ю. Новосельский и др. Определение начала кризиса течения в запорно- регулирующем клапане с помощью трехмерного теплогидравлического кода. – «Теплоэнергетика», 2007, №11, с. 56-61

18.  L. Nordstrom. Was pump cavitation the key to Chernobyl? Nucl. Eng. Jnt., v.33, №406, May1988 p. 18-19.

19.  А.П. Юфин Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод. М. Высшая школа, 1965 г.

20.  http://www.accidont.ru/

21.  О.Ю. Новосельский. Легенда об аварийной защите, взорвавшей ядерный реактор. «Атомная стратегия», №121, 2016 г.

22.  А.А. Боровой и др. Состояние 4-го блока ЧАЭС и ядерного топлива, находящегося в нём (по результатам исследований 1988-1989 г.), Препринт ИАЭ, КЭ, Чернобыль, 1990 г.

23.  А.Н. Киселёв и др. Послеаварийное обследование реактора 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС «Атомная Энергия», т. 80, вып. 4, 1996 г., с. 240-247

24.  А.Н. Киселёв и др. Лавообразныетопливосодержащие массы. «Атомная Энергия», т. 80, вып. 4, 1996 г., с. 280-292

25.  K.P. Checherov. Reconstruction of accident. – Jn: Poc. Of the European East – West Symp. On Materials and Processes «Mat-Tech-91», May 26-30, 1991, Helsinky

26.  О.Ю. Новосельский, Ю.М. Черкашов, К. П. Чечеров. Технические аспекты аварии на 4-ом энергоблоке Чернобыльской АЭС. Препринт НИКИЭТ ЕТ-05/70, М. НИКИЭТ, 2005 г.

27.  А.Н. Киселёв, К.П. Чечеров. Модель процесса разрушения реактора 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС. «Атомная энергия», т. 91, вып. 6, декабрь
2001 г.

28.  П.А. Платонов. О процессе разрушения активной зоны реактора 4 блока ЧАЭС (Ретроспективный анализ экспериментов и фактов). Препринт ИАЭ-6486/11, М. 2007 г.

29.  Г.И. Медведев. Чернобыльская тетрадь. М. Молодая гвардия, 1989 г.

30.  Б.А. Габараев и др. Расчётно-экспериментальное исследование критических расходов в соплах. Труды семинара СЭВ «Теплофизика-82», Карловы Вары, СЧЧР, 1982, т. 1, с. 183

31.  Report the US Department of the Energy¢s Team Analyses of the Chernobyl-4 Atomic Energy Station Accident Sequences. November 1986.

32.  С.Л. Соловьев и др. Комплексный анализ механических и теплогидравлических процессов в графитовой кладке канального реактора при аварийном разрыве топливного канала. «Атомная энергия», т. 94, вып. 2, февраль 2003 г.

33.  Г.В. Циклаури и др. Анализ проблем, возникающих при разрывах технологический каналов РБМК-1000. «Уроки Чернобыля. Технические аспекты» Международный семинар, Десногорск, 15-19 апреля 1996. Сб. докладов. Том 2, с. 299-306.

34.  Л.М. Биберман и др. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М. 1983.

35.  А.В. Зайцев. Гидродинамика и теплообмен в системах импактных газовых струй, сформированных чередующимися соплами с разной формой поперечного сечения. Канд. Диссертация, Екатеринбург, УГТУ, 2005

36.  А.А. Карасюк, А.И. Сидоренко. Вокруг Чернобыля: диалоги с учёными. ИздАТ, М. 1991 г.

37.  В.Г. Асмолов и др. Авария на Чернобыльской АЭС: год спустя. «Атомная энергия», т. 64, вып. 1, январь 1988 г.

38.  Первая международная рабочая рабочая группа по тяжёлым авариям и их последствиям, 30.10-03.11.1989, Дагомыс, Сочи, СССР, М. Наука, 1990.

39.  МАГАТЭ. Итоговый доклад Международной консультативной группы по ядерной безопасности на совещании порассмотрению причин и последствий аварии в Чернобыле. Вена, 30.08-5.09.1986 г.