3. Устройство «реактора чернобыльского типа» и причины неустойчивости и небезопасности такого реактора

Графит – основной конструктивный элемент активной зоны ядерного реактора РБМК-1000. Габаритные размеры графитовой кладки – 14×14 м в плане (в длину и в ширину) и 8 м в высоту.

Кладка образована вертикальными колоннами, общее количество которых равно 2488 шт.; каждая состоит из устанавливаемых друг на друга призматических блоков размерами 25×25 см в плане и 60 см в высоту. Этот размер – 25 см – и есть шаг решетки. Таким образом, каждая колонна – это вертикальная призма, имеющая в сечении форму квадрата со стороной 25 см и высотой 8 м.

В графитовых блоках имеются продольные сквозные отверстия диаметром 114 мм. При установке блоков друг на друга, т. е. при сборке колонны, внутри колонны образуется вертикальный цилиндрический канал, тракт.

В этот вертикальный тракт вставляется труба из циркониевого сплава – технологический канал. Внешний диаметр трубы – 88 мм, внутренний – 80, т. е. толщина стенки канала – 4 мм. В трубу технологического канала сверху устанавливается тепловыделяющая сборка (ТВС) с ядерным топливом.

Графитовый блок. Канальный ядерный энергетический реактор РБМК. Под общ. редакцией Ю. М. Черкашова. М.:ГУП НИКИЭТ, 2006.

ТВС состоит из расположенных один над другим двух пучков тепловыделяющих элементов – ТВЭЛ, или твэл. ТВЭЛ в данном случае – это стержневой элемент, представляющий собой тонкостенную трубу, заполненную двуокисью урана в виде цилиндрических таблеток. Эта труба традиционно называется оболочкой ТВЭЛ. Для РБМК-1000 диаметр оболочки – 13.6 мм, толщина стенки – 0.9 мм. Труба герметически закрыта с обеих сторон заглушкам. С помощью дистанционирующих решеток и концевых элементов твэлы закреплены вокруг центрального несущего стержня. Твэлы и центральный стержень занимают примерно половину площади сечения трубы технологического канала. В пространстве между твэлами течет теплоноситель – кипящая вода.

Общая высота ТВС, включая штангу-подвеску, на которой она крепится – подвешивается – при установке в технологический канал, – 10 м с небольшим. Высота, занимаемая топливом верхнего и нижнего пучка ТВЭЛ, вместе с зазором между пучками – 7 м. Это и есть высота активной зоны, т. е. активная зона занимает 7 из 8 метров высоты графитовой кладки.

Ячейки (колонны), где расположены технологические каналы, т. е. ячейки, формирующие активную зону, образуют симметричный, близкий по форме к цилиндру, массив, вписывающийся в квадрат 12×12 метров. Поскольку вся кладка вписывается в габарит 14×14 метров, то активная зона окружена кольцом из 4-х рядов колонн, не содержащих ядерного топлива. Эти колонны выполняют роль бокового отражателя нейтронов, уменьшающего их утечку за пределы реактора.

Не все колонны-ячейки активной зоны содержат технологические каналы с ядерным топливом. Часть ячеек предназначена для размещения в них органов регулирования – стержней системы управления и защиты (СУЗ) реактора, выполненных из стали, куда добавлена присадка – бор, сильный поглотитель нейтронов. Но никак не из графита. Почему при описании поглощающих стержней в статьях про «реактор чернобыльского типа» нередко всплывает словосочетание «графитовые стержни», – об этом в конце.

Для размещения поглощающих стержней в графитовых колоннах также выполнены сквозные вертикальные тракты, и в этих трактах тоже установлены вертикальные трубчатые каналы из циркония. В первоначальной, дочернобыльской, версии проекта реактора РБМК эти каналы охлаждались потоком воды, заполнявшей все свободное сечение канала. Наличие воды создавало сопротивление движению стержней и снижало быстродействие аварийной защиты. Позже охлаждение стало выполняться пленкой воды, стекающей по внутренней стенке трубы. Регулирующие стержни разделены по выполняемой роли: часть из них действует от автоматических регуляторов мощности, часть – управляется с пульта вручную и часть – постоянно взведена над активной зоной и входит в активную зону по сигналу аварийной защиты.

Итак, активная зона реактора РБМК:

– занимает основной объем графитовой кладки и имеет форму, близкую к цилиндрической, с диаметром 12 м и высотой 7 м;

– выполнена из вертикальных колонн;

– в отверстиях большей части колонн установлены технологические каналы с ядерным топливом, и в меньшей части колонн – каналы со стержнями СУЗ;

– технологические каналы и каналы СУЗ образуют регулярную квадратную решетку с шагом 25 см.

Количество ячеек-колонн и во всей кладке, и в пределах активной зоны является постоянным для всех реакторов типа РБМК, но пропорция между числом технологических каналов и числом каналов СУЗ (и, соответственно, числом органов регулирования) по мере развития проекта несколько изменялась. Для реакторов РБМК 3-го и 4-го энергоблоков ЧАЭС проектом предусматривались 1661 технологический канал и 211 каналов СУЗ.

* * *

Как указал в своем докладе инспектор Госатомнадзора Александр Александрович Ядрихинский, для реактора РБМК-1000 был выбран такой шаг решетки, при котором достигалась наибольшая экономическая эффективность использования ядерного топлива – наибольшее количество энергии, получаемой с единицы массы топлива. И, что немаловажно, хороший баланс нейтронов позволял этот реактор использовать не как чисто энергетический, но и как двухцелевой – также для наработки оружейного плутония.

Почему реактор при этом оказался плохо управляемым, неустойчивым?

Для ответа на этот вопрос необходимо уточнить смысл понятия «коэффициент размножения». Если изначально коэффициент размножения рассматривался как величина, определяющая возможность либо невозможность осуществления цепной реакции в системе определенного состава и определенной геометрии, то для реактора, в котором реакция возможна, в котором она идет, коэффициент размножения определяет направление изменение числа нейтронов, а значит, – направление изменения мощности. Реактором управляют, изменяя коэффициент размножения. Делают его больше единицы – мощность реактора растет; делают меньше единицы – мощность падает; равным единице – мощность поддерживается на постоянном уровне. Поскольку управление мощностью реактора сводится к управлению отклонением коэффициента размножения от единицы, то для удобства введена величина, которая определяется как отклонение коэффициента размножения от единицы и которая названа реактивностью. Коэффициент размножения равен единице – реактивность равна нулю, коэффициент больше единицы – реактивность положительна, коэффициент меньше единицы – реактивность отрицательна. Так сложилось и в математике, и в инженерном деле, что любые величины удобнее сравнивать с нулем.

Коэффициент размножения – и реактивность – в реальных реакторах зависит не только от целенаправленно выполняемых управляющих воздействий, от перемещения поглощающих стержней, но и от изменений физических параметров, характеризующих состояний реактора и активной зоны. Изменение температур, плотностей, состава – все это может влиять на реактивность, то есть может приводить к изменениям мощности помимо наших решений и управляющих воздействий. Величина, на которую изменяется реактивность реактора при изменении того или иного физического параметра во всем возможном диапазоне, называется эффектом реактивности по данному параметру. Паровой эффект реактивности – это величина, на которую изменяется реактивность, если вода в реакторе полностью превратится в пар, т. е. если паросодержание изменится от 0 до 100 %.

Истинным паросодержанием называется доля площади проходного сечения, занятая паром. Если все проходное сечение занято водой, т. е. если пара нет, то истинное паросодержание равно нулю. Если сечение полностью занято паром – оно равно единице. Измеряют паросодержание как в долях единицы, так и в процентах. Полное обезвоживание проходного сечения и заполнение его паром означает, что паросодержание равно 100 %.

Если при вскипании или при обезвоживании реактора по любой другой причине реактивность возрастает – мы имеем положительный паровой эффект реактивности. Он означает, что будет увеличена реактивность. Увеличение реактивности приведет к увеличению тепловой, испаряющей мощности, и тем самым – за счет роста количества пара – к увеличению общей производительности реактора, его мощности в целом. Так начинается не просто повышение мощности, а повышение с нарастающей скоростью. Разгон.

* * *

Выполним вычислительный эксперимент – посчитаем коэффициент размножения реактора типа РБМК-1000 в зависимости от величины шага решетки, причем посчитаем для двух крайних состояний реактора – с технологическими каналами, полностью заполненными водой, и с обезвоженными, или, что то же самое, с запаренными каналами.

Пусть сначала шаг решетки равен минимально возможному – диаметру трубы технологического канала, т. е. 88 мм.

Рассмотрим самую простую по составу размножающую систему: когда она состоит из урана и графита, а вода отсутствует – свободное пространство между твэлами ничем не заполнено. Поглощение нейтронов в металле оболочек ТВЭЛ, в центральном несущем стержне и в трубе технологического канала при этом учитываем. Коэффициент размножения в этом случае оказался ≈ 0.005. Это много меньше единицы, и такое состояние реактора называется подкритическим и даже глубоко подкритическим (критическое состояние – коэффициент размножения равен единице). Самоподдерживающаяся цепная реакция деления в этом случае возникнуть не может.

Теперь при том же самом шаге решетки, т. е. при том же самом количестве графита, заполним водой свободное пространство технологического канала. Коэффициент размножения становится ≈ 0.985. Это тоже меньше единицы, тоже подкритика, но уже гораздо менее глубокая. Для канала, заполненного водой, при минимально возможном шаге решетки коэффициент размножения оказался почти в 200 раз больше, чем для обезвоженного канала.

Зависимость коэффициента размножения водо-графитового реактора типа РБМК от шага решетки. Левее значения шага, при котором кривые зависимости для состояний «с водой» и «без воды» пересекаются, область устойчивых состояний: переход к состоянию «без воды» сопровождается уменьшением коэффициента размножения (I). Правее – область неустойчивых состояний: переход к состоянию «без воды» сопровождается увеличением коэффициента размножения (II). Реальное значение шага сетки – 25 см – находилось в области неустойчивых состояний

Увеличение коэффициента размножения произошло в результате добавления в систему дополнительного замедляющего вещества – воды. Если теперь эту воду удалить, то коэффициент размножения уменьшится. Добавление воды улучшает размножающие свойства системы, удаление воды – ухудшает.

Важной величиной для дальнейших рассуждений является разность коэффициентов размножения для состояний с водой и без воды. Для рассматриваемого минимально возможного шага эта разность оказывается ≈ 0.98.

Эта величина – изменение коэффициента размножения при переходе из состояния «без воды» к состоянию с «водой» – в данном случае оказалась величиной положительной, а именно +0.98. Такой переход, когда начальным состоянием является состояние «без воды», а конечным – состояние «с водой» (а не наоборот), мы выбрали для рассмотрения только потому, что рассматривали переход от физически более простого состояния к более сложному.

В практике принято рассматривать обратный переход: от «с водой» к «без воды», т. е. процесс не заполнения, а опорожнения, обезвоживания. Состояние «с водой» принято считать исходным состоянием, а состояние «без воды» – конечным. Тогда величина изменения коэффициента размножения просто меняет знак – при заполнении системы водой было +0.98, при опорожнении –0.98. Что дает такой подход? Он соответствует изменениям, происходящим при реальном технологическом процессе.

С точки зрения технологии естественным исходным состоянием является нулевая мощность реактора и нулевое содержание пара, а это и есть состояние «с водой». Конечным состоянием является состояние с высоким содержанием пара и, соответственно, с малым содержанием воды. Т. е. конечным состоянием является состояние, близкое к состоянию «без воды». С точки зрения технологии все переходные процессы, все изменения состояния реактора органично и естественно описывать и оценивать применительно к изменению количества пара.

Следующее характерное значение шага решетки – 10 см. Без воды коэффициент размножения по-прежнему меньше единицы, ≈ 0.13, с водой он уже превышает единицу, ≈ 1.001. Состояние, при котором коэффициент размножения превышает единицу, называют надкритическим, или надкритичным. Итак, с добавлением воды при шаге решетки 10 см реактор становится надкритичным; здесь цепная реакция возможна, реактор может быть запущен. Т. е. при размере графитового блока 10 см реактор запускается наполнением водой. Если теперь воду удалить, то реактор станет подкритическим и заглушится.

Разность коэффициентов стала 1.001 – 0.13 ≈ 0.87. Обратим внимание: эта разность уменьшилась – была 0.98, стала 0.87.

Следующие характерное значение шага решетки – 18.5 см. В этом случае графита становится достаточно, чтобы реактор стал надкритическим и запустился уже без воды. Вода в качестве замедлителя в этом случае не создает критичность, а только увеличивает ее, «помогает» графиту. Разница коэффициентов размножения для состояний «с водой» и «без воды» стала ≈ 0.064.

Заметим, что разность коэффициентов размножения «с водой» и «без воды» для каждого очередного значения шага решетки становится меньше. При увеличении шага в последовательности 8.8 см → 10 см → 18.5 см, разность коэффициентов размножения «с водой» и «без воды» убывающую последовательность: 0.98 → 0.87 → 0.064. По мере увеличения шага решетки положительное влияние воды как замедлителя снижается.

Наконец, шаг решетки становится таким, что положительное влияние воды на критичность прекращается. Вода как дополнительный замедлитель работать перестает. Это выражается в том, что коэффициент размножения для состояния «с водой» оказывается равным коэффициенту размножения для состояния «без воды». В нашем случае эти одинаковые значения коэффициентов размножения ≈ 1.0625. Если две величины равны друг другу, то их разность равна нулю. Шаг решетки, при котором разница коэффициентов обнуляется, тут оказывается ≈ 21.5 см. Графически равенство коэффициентов размножения и обнуление их разности выражается в том, что соответствующие графики пересекаются.

Другими словами, шаг решетки, при котором графики пересекаются, соответствует количеству графита, при котором вода перестает быть дополнительным замедлителем.

Продолжаем увеличивать шаг решетки. На графике мы видим, что правее точки пересечения график «с водой» оказывается не выше, а ниже графика «без воды». Если в точке пересечения вода перестала оказывать положительное влияние на размножающие свойства, и коэффициент размножения перестал зависеть от того, есть вода или ее нет, то при дальнейшем увеличении шага решетки вода начинает играть роль паразитного поглотителя нейтронов и своим появлением уменьшает коэффициент размножения. А своим исчезновением она коэффициент размножения увеличивает.

При любом шаге решетки, который лежит правее точки пересечения кривых, коэффициент размножения «с водой» оказывается меньше, чем «без воды» – заполнение реактора водой ухудшает размножающие свойства реактора. А удаление воды теперь размножающие свойства реактора улучшает, способствует увеличению коэффициента размножения и дополнительному росту мощности. Левее этой точки вода работает как дополнительный замедлитель нейтронов, правее – как поглотитель.

Та роль, которую в реакторе исполняет вода, зависит от того, сколько в реакторе основного замедлителя – графита. Мало графита – вода работает как замедлитель, много графита – вода работает как поглотитель.

При значениях шага, лежащих левее этой точки, т. е. там, где мало графита, вскипание воды приводит к уменьшению реактивности и мощности; правее – к увеличению и того, и другого.

* * *

Теперь попробуем разобраться, как это обстоятельство влияет на переходные процессы, на поведение реактора, на его управляемость, на то, как он откликается на управляющие воздействия и на внешние возмущения, – на его динамику, на его, в конечном счете, безопасность.

Выберем на горизонтальной оси одно определенное значение размера графитового блока – например, такое, какое оно есть в реакторе РБМК, т. е. равное 25 см, и сравним два значения коэффициента размножения, соответствующих выбранному значения шага.

На верхней кривой значению шага 25 см соответствует значение коэффициента размножения, равное 1.09, на нижней кривой – 1.045. Верхняя кривая соответствует состоянию реактора «без воды», нижняя – состоянию «с водой». Это два значения коэффициента размножения, которые соответствуют двум крайним состояниям одного и того же реактора, с одним и тем же размером графитового блока, но в одном случае с водой, в другом – без воды.

Разница между эти двумя крайними значениями в нашем случае 1.09 – 1.045 = 0.045.

Содержательный физический смысл этой разницы – отклик коэффициента размножения на изменение количества воды в объеме реактора. Если исходным состоянием реактора считать состояние с водой, то переход к состоянию «без воды» будет сопровождаться увеличением коэффициента размножения и, как следствие, – увеличением мощности.

Повторим еще раз цепочку разгона, описанную выше. Любое сколь угодно малое увеличение паросодержания – или, что то же самое, любое уменьшение количества воды, – приводит к увеличению коэффициента размножения, к увеличению нейтронного потока и к увеличению тепловой мощности; увеличение тепловой мощности дополнительно увеличивает паросодержание, паросодержание увеличивает коэффициент размножения – и так далее. Запускается механизм положительной обратной связи, и мощность будет расти, пока этот рост не будет остановлен системой регулирования или аварийной защитой.

И точно также реактор ведет себя при случайном уменьшении паросодержания – коэффициент размножения и следом за ним тепловая мощность начинают падать, пока это падение опять-таки не остановит система регулирования.

Так реактор РБМК-1000 в своем первозданном виде и работал: его мощность болтало от одной уставки до другой, автоматический регулятор срабатывал ежеминутно, а СИУР – старший инженер управления реактором – был весь в мыле.

Вспоминает Михаил Карраск, участник пуска 1-го энергоблока Ленинградской АЭС – самого первого энергоблока с реакторами РБМК:

«После того как прошли пусковые операции первого блока, мы столкнулись со сложной физикой реактора. … Реактор был нестабильный. Как-то в мою смену раздался звонок. На блочный щит зашли директор ЛАЭС Валентин Павлович Муравьев вместе с Ефимом Павловичем Славским – легендарным министром Средмаша. Мы поприветствовали друг друга, обменялись рукопожатиями, я представился и продолжил работу.

Муравьев и Славский наблюдали за моей работой молча. Я, сидя за пультом, чувствовал себя пианистом – пальцы так и бегали по кнопкам. Славский говорит: „Валентин Павлович, ситуация какая-то интересная. Старший инженер – сам по себе, автоматический регулятор – сам по себе. Что за машину мы создали?!“ „Да, надо принимать меры“, – ответил ему директор.

Надо сказать, что все это понимали. Ведь нам приходилось работать вместе с автоматом. Каждые 20–30 секунд приходилось вмешиваться в работу реактора…».