Отметим также, что появление пара в нижней части активной зоны при кавитационном срыве ГЦН должно было бы вытолкнуть всю воду из активной зоны. В этом случае максимум энерговыделения при разгоне реактора был бы в центре активной зоны, а не в нижней её части.
Интересна ещё одна деталь, на которую стоит обратить внимание. Например, в случае аварийного разрыва напорного водовода и падения давления в активной зоне канального реактора «обезвоживание» активной зоны происходит за 2-3 секунды. Соответственно, за эти секунды стремительно растёт мощность реактора (в случае значительного положительного парового эффекта реактивности). Можно предположить, опираясь на концепцию взрыва реактора от кавитационного срыва подачи ГЦН, что с такой же скоростью росла и мощность 4-го блока. То есть уже к 2-й–3-й секунде процесса разгона произошло бы и разрушение твэлов, и разрушение циркониевых труб каналов. В условиях такого скоростного процесса (2-3 сек) у оператора просто нет времени на сброс аварийной защиты, а у «медленных, ленивых» стержней СУЗ нет времени на вхождение в активную зону на ту глубину, на которую стержни всё же вошли. Если проанализировать это обстоятельство детально, то станет ещё раз очевидно, что реактор взорвался от «кнопки», а не от кавитационного срыва подачи (воды) ГЦН.
3.2 Ещё один аргумент в пользу «кнопки»
Мне же представляется рассмотреть процесс развития аварии не на основе визуальной оценки отсутствия топлива в шахте реактора («сталкеры», перед которыми не грех склонить голову и преклонить колени за их мужество и отчаянное безрассудство, топлива в шахте реактора не видели), а на анализе (тоже визуальном) состояния выброшенного из реактора куска циркониевой трубы ТК вместе с куском тепловыделяющей сборки. (Когда-то Жорж Кювье считал, что по одной косточке миллионнолетней давности можно восстановить полный облик животного – хозяина этой косточки). Постараюсь логически показать, что это возможно, тем более через 20 лет после события, а не через миллион; тем более это проще, если имеешь дело с созданием рук человеческих, а не с созданием природы, которая куда как изощрённее и изобретательнее – времени на изобретения и совершенствования живого мира у неё было значительно больше, чем у человека с его техникой. Хотя не стоит и забывать, что барон Ж. Кювье, как стало ясно почти через 200 лет после его высказывания, в некоторых представлениях о животном мире Земли и посетивших её катастрофах всё же, видимо, ошибался.
Прежде чем начать рассматривать «косточку», хочу вспомнить ещё две аварийные ситуации на реакторах РБМК, которые могут быть интересны и читателям.
3.2.1 Авария на 1-м блоке ЧАЭС
В сентябре 1982 года произошел разрыв циркониевой трубы технологического канала (ТК) на 1-м блоке Чернобыльской АЭС при подъёме мощности реактора. Мощность реактора в момент разрыва была примерно 25% от номинала. В это время в помещении, где находятся запорно-регулирующие клапаны (ЗРК) каналов реактора, работали два оператора. Причина их присутствия: один канал не имел номинального расхода воды. Операторы должны были повысить расход при работе реактора на мощности (нарушение инструкций и регламента канальных реакторов; операции по регулированию расходов в каналах должны быть закончены до подъёма мощности реактора). Видимо, операторы ошиблись, так как расход в ТК был уменьшен, а не увеличен (злой умысел я исключаю). По расчётам, проведённым на основе анализа аварии, расход в ТК был снижен примерно до 0,4 - 0,5 т/час (вместо номинального около 20-24 т/час). Большая часть тепловыделяющей сборки (ТВС) находилась в режиме закризисной теплоотдачи и теплоотдачи перегретому пару, на выходе из канала температура перегретого пара могла быть до 700 - 800°С (вместо нормальной температуры пароводяной смеси примерно 285°С). Разрыв трубы произошел в верхней части активной зоны на участке графитовых втулок - колец твердого контакта, где максимальна температура трубы ТК (в соответствии с расчётами, которыми пришлось в то время заниматься, примерное время до разрушения трубы при таких температурах составляет соответственно 15–5 сек).
Разрыв трубы был продольным (и поперечным по краям продольного разрыва) с образованием разошедшихся «крыльев», расстояние между краями которых было больше диаметра трубы ТК. Выше и ниже разрыва диаметр трубы был увеличен на 2-4 мм за счёт ползучести циркония при высокой температуре. Осмотр и анализ разрушения позволил сделать вывод о том, что перед разрушением диаметр трубы из-за давления при высокой температуре увеличился, труба вязко-пластически деформировалась до разжатия колец твёрдого контакта и «легла» на графитовый блок, какое-то время «раздувалась» (были видны «затёки», выпуклости в прорези графитовых колец твердого контакта). Видимо, труба разрушилась после того, как лопнул графитовый блок (два графитовых блока), резко был изменён характер закрепления трубы в графитовом блоке. Трещина в блоке инициировала ускоренный (практически мгновенный) локальный рост напряжений в трубе при сравнительно небольшой общей деформации (около 3-5%) перегретого участка трубы. Края продольного разрыва были несколько утонены, толщина торцов трещины 2-3 мм в какой-то мере соответствовала скорости нагружения и исчерпанию предельной деформации материала трубы. Поперечные разрывы произошли при минимальном утонении толщины трубы. Возможно, перед разрывом возник и свищ в месте затекания трубы в разрез графитового кольца, где локальная деформация могла достичь десятков процентов.
Для циркония при высокой температуре такая деформация возможна: проявляется эффект сверхпластичности, когда удлинение образцов достигает значений 100 – 200 % и выше. При высоких температурах 700-850 °С появляется сильная зависимость как прочности, так и пластичности от скорости деформирования.
Реактор не имел аварийной защиты от сигнала повышения давления в межтрубном (реакторном) пространстве, поэтому достаточно длительное время пароводяная смесь обратным током из барабана-сепаратора с температурой около 285°С под большим давлением поступала в графитовую кладку, размывая и разрушая графитовые блоки. В результате рядом с трубой образовалась полость. Перегретая бóльшая часть ТВС, температура оболочек твэлов в которой превышала 600-800°С, была разрушена. Топливо выносилось в барабан-сепаратор (пока труба не разорвалась, то-есть сравнительно короткое время) и графитовую кладку (после разрыва трубы). Нижняя часть ТВС на экономайзерном участке, достаточно охлаждаемая и не попавшая в режим кризиса теплоотдачи, длиной около метра, осталась практически целой. Именно эта часть ТВС, внешне абсолютно целая, с правильно расположенными дистанционирующими решетками была поднята потоком воды вверх и двойным потоком (снизу и сверху из сепараторов) аккуратно, чётко вертикально «вставлена» в пространство, вымытое водой в графите. В самой трубе не было обнаружено ни кусочка твэлов, извлечена была только подвеска с верхним стальным концевиком. В первый момент было потрясающе неожиданно вдруг увидеть в разрыве совершенно целую ТВС, стоящую рядом!.. с трубой ТК.
Мощный поток воды вверх возник после того, как операторы раскрыли ЗРК и дали номинальный расход в канал (как мне рассказывал об этой аварии сотрудник станции, только через несколько лет один из операторов сознался, какие манипуляции они проводили с ЗРК).
Исследование трубы ТК в горячей камере, включая изучение структуры образцов металла (в ОИРТе института Курчатова), показало, что температура трубы на участке разрыва составляла 700 - 800°С.
Время подъёма мощности реактора до 20-25% (примерно с 250 до 700 МВт тепл.) составляло около 10 - 15 минут. Сколько времени был перекрыт канал, установить трудно, однако очевидно, что бóльшую часть этого времени труба ТК была уже разрушена, так как потоком пароводяной смеси была «вымыта» большая полость в графите, в которую попал практически целый фрагмент ТВС длиной почти 1 метр.
3.2.2 Авария на 3-м блоке ЛАЭС
Примерно такой же сценарий аварийного режима реализовался на реакторе РБМК-1000 в марте 1992 года на 3-м блоке Ленинградской АЭС. Мощность ректора была стационарной и номинальной. Как показало расследование аварии и последующий её расчётный анализ, расход воды в канал был частично перекрыт из-за разрушения крепежных элементов седла запорно-регулирующего клапана; расход воды остался, но значительно меньше номинального. Твэлы находились в режиме закризисной теплоотдачи и теплоотдачи перегретому пару. На выходе канала был перегретый пар до 700 - 750°С. Труба разорвалась продольно и поперечно в верхней части канала на верхнем участке втулок-колец твердого контакта. Разрыв почти аналогичен тому, который произошел на 1-м блоке ЧАЭС. Часть разрушенных твэлов была вынесена в барабан-сепаратор и в графитовую кладку (большая часть в кладку – после разрыва трубы ТК). Реактор был остановлен аварийной защитой по сигналу повышения давления в реакторном пространстве. Сработала также предупредительная сигнализация по снижению расхода в канале. Оставшаяся целой нижняя часть тепловыделяющей сборки возросшим потоком теплоносителя (уменьшилось гидравлическое сопротивление канала) была «просунута» и загнута!.. в разрыв трубы и застряла в нём (на этот раз свободного места рядом с трубой явно не хватило, так как не хватило времени на «размыв» графита, хотя очевидно, что даже за такое короткое время часть графита была размыта). (Кстати, по-моему, это единственная серьёзная авария на канальных уран-графитовых реакторах, не связанная с ошибочными действиями персонала или нарушением регламента. Были ещё существенные разрывы напорных трубопроводов на проточных промышленных реакторах в первые годы их эксплуатации, не связанные с нарушением инструкций и регламентов, однако, к счастью, это случалось на остановленных реакторах в период их плановых ремонтов и не имело серьёзных радиационных последствий).
3.3 Анализ и обсуждение аварийных ситуаций
В этом анализе аварийных ситуаций нас в большой мере должен интересовать такой очевидный факт: твэлы разрушаются от перегрева на фрагменты и выносятся в барабан-сепаратор и, в основном, в графитовую кладку. Довольно быстро размывается и графит перегретым паром в ближайшей к разрыву зоне и превращается, вероятно, в мелкодисперсную «пыль». Разрушается при перегреве и циркониевая подвеска тепловыделяющих кассет. Оставшаяся более-менее целая часть ТВС потоком воды или пароводяной смеси может быть перемещена в разрыв трубы или другую часть технологического канала. Бóльшая часть разрушенных твэлов остаётся в графитовой кладке.
Теперь посмотрим на «косточку» из 4-го блока ЧАЭС внимательным взглядом. Фрагмент циркониевой трубы ТК длиной примерно 1 метр, заполненный полуразрушенными твэлами, подобран на крыше около реактора. Труба – с трещинами и деформирована. Один торец трубы – разрыв в пределах нижнего стального переходника с уменьшенным диаметром по сравнению с диаметром циркониевой трубы (разрыв по стальному переходнику ниже активной зоны, т. е. фрагмент трубы соответствует нижней части активной зоны и нижнего отражателя). С этого торца видны концы разрушенных твэлов с таблетками топлива, втиснутые в уменьшенный диаметр стального переходника. Другой торец – хрупкий разрыв по цирконию, труба деформирована, твэлы в глубине трубы. Найдена маркировка трубы – канал 25-17, это край плато активной зоны юго-западного квадранта. Мощности каналов в этом месте активной зоны практически максимальны. (Исследования проводились в Курчатовском институте в ОИРТе, вся документация и материалы исследования у к. т. н. А. В. Рязанцевой). Поперечные разрезы трубы показали, что внутри находятся полуразрушенные твэлы, циркониевые оболочки сплавлены, охрупчены и окислены от перегрева, таблетки (топливо) высыпаются. Внимание привлекают концы твэлов, застрявшие в переходнике – это явно не концы нижней тепловыделяющей кассеты. [Тепловыдаляющая сборка (ТВС) состоит из двух тепловыделяющих кассет длиной примерно 3,5 м ( ТВК), на концах которых сверху и снизу ТВС находятся крепёжные детали – массивные стальные хвостовики, в которых крепятся твэлы, а вся ТВС крепится на циркониевой подвеске, которая выше активной зоны переходит в стальную подвеску]. Так вот, если бы в трубе находились нижние твэлы, то в переходнике застрял бы нижний хвостовик. Его нет. Вывод: нижняя кассета вместе с хвостовиком и нижняя часть верхней кассеты после разгона реактора на мгновенных нейтронах, перегрева и разрушения твэлов и разрушения труб каналов водой и паром была выброшена в графитовую кладку.
(В момент разгона мощности на участке максимальных нагрузок в активной зоне осевое поле энерговыделения в пределах 4-5-ти нижних метров примерно косинусоидальное, в верхних двух-трёх метрах активной зоны тепловые нагрузки существенно меньше или практически отсутствуют, так как успели войти поглощающие нейтроны стержни СУЗ, которые, скорее всего, были все заклинены в момент роста давления в межтрубном пространстве и смятия труб ТК СУЗ).
В этот момент разгона резко поднялся перепад давления в каналах реактора, расход на всех ГЦН снизился до нуля (по лентам самописцев), обратные клапаны закрылись. Примерно через 2-3 сек расход ГЦН стал восстанавливаться (после разрыва труб ТК и заполнения графитовой кладки водой, паром и разрушенными твэлами) и возрос выше номинального через 2–3 сек (дальше записи обрываются). Именно в эти секунды вода из ГЦН, которые продолжали вращаться, выносит остатки нижних твэлов вместе с хвостовиком в разрывы труб ТК в графитовую кладку реактора. Через несколько долей секунд (или секунд) происходит срыв подачи насосов (кавитационный срыв вследствие падения давления на ГЦН из-за разрыва труб ТК). Мощный поток теплоносителя остаётся только сверху из барабанов-сепараторов (там бóльший запас воды и ещё поддерживается высокое давление). Именно он отрывает и «вгоняет» часть неразрушенной полностью верхней кассеты в нижний стальной переходник канала (оболочки твэлов охрупчены и вполне вероятен их обрыв потоком пароводяной смеси из барабанов-сепараторов; твэлы с двух сторон в выброшенной трубе не имеют концевых заглушек). В этот момент времени уже оторваны нижние калачи каналов вблизи переходников сталь-цирконий и основной поток теплоносителя (уже без диспергированного топлива твэлов, оно выброшено в кладку) направлен не только в кладку, но и вниз по направляющему каналу – ещё целой нижней части трубы ТК, под реактор, где давление ещё почти атмосферное.
Иначе этот кусок кассеты был бы выброшен в кладку, а не втиснут в стальной переходник трубы ТК.
Только после разрушения труб каналов и роста давления в активной зоне и реакторном пространстве возникли условия для разрушения самого реактора: за счёт повышения давления в пределах кожуха (за счёт заполнения графитовой кладки с температурой 300-400°С пароводяной смесью и раскалённым разрушенным топливом) происходит его разрыв; затем повышается давление в герметичном реакторном пространстве и деформация («раздувание») металлоконструкций реактора (осмотр показал, что деформированы заполненные водой баки биологической защиты, схема Л); под давлением проседает крест схемы С, рвутся компенсаторы верхней и нижней биологических защит –схемы Е и ОР, опускается схема ОР (нижняя биологическая защита, несущая активную зону; схема С не выдерживает ударной нагрузки), поднимается и отрывается схема Е (верхняя биологическая защита), которая обрывает трубы пароводяных коммуникаций. В момент «проседания» схемы С вместе со схемой ОР и в момент подъёма и сдвига схемы Е (вероятнее всего этот процесс проходил одновременно, иначе произошло бы что-то одно, так как следствием разрыва верхнего или нижнего компенсаторов должно было бы быть падение давления в РП и торможение разрыва одного из них) произошел выброс раскалённой пароводяной и топливно-графитовой смеси в открывшуюся «дыру» при сдвиге схемы Е, а вместе с ней выброс кусков кожуха и графитовых блоков отражателя и периферийных графитовых блоков активной зоны вместе с остатками циркониевых труб ТК и твэлов в них, последующее разрушение и обрушение конструкций центрального зала, падение многотонной перегрузочной машины (РЗМ) и мостового крана.
Вследствие «проседания» схемы ОР, разрыва компенсаторов (в этот момент происходил также отрыв труб охлаждения отражателя) и разгерметизации нижней части реакторного пространства произошел выброс раскалённой смеси вместе с частью фрагментов разрушенного топлива и «размытого» паром графита в помещения нижних коммуникаций реактора, что привело к их разрушению, а в дальнейшем – к разрушению стен помещений главных циркуляционных насосов, барабанов –сепараторов и других помещений реактора. В результате парового «взрыва» герметичного реакторного пространства, его разгерметизации и последующего выброса пароводяной и топливо-графитовой смеси вместе с частью состава активной зоны за пределы шахты и центрального зала реактора было выброшено (по оценке специалистов – исследователей аварии 4-го блока) около 5% топлива (целых и «размытых» графитовых блоков, в большей мере отражателя, выброшено было больше, ими были буквально завалены соседние крыши станции). Большая часть топлива и графита, особенно зоны малых тепловых нагрузок периферии и верхней части активной зоны, осталась в шахте реактора на схеме ОР. Последующий разогрев графита остаточным энерговыделением в топливе привёл к возгоранию графита и его полному выгоранию. Для горения графита возникли благоприятные условия: воздух поступал через разрушенные помещения нижних коммуникаций и отверстия под каналы в схеме ОР, а раскалённые газы и высокоактивные продукты деления (газообразные, испаряемые и легколетучие) выходили в разрыв и проходы между схемой Е и баками тепловой водяной защиты (схемы Л) и поднимались на сотни метров над развалом реактора в течение 8-10 суток, пока горел графит. После сгорания графита и остатков труб ТК схема Е перевернулась под тяжестью конструкций и фрагментов стен центрального зала, песка и прочих сброшенных с вертолёта материалов, а также выброшенных в момент взрыва в центральный зал графитовых блоков и фрагментов труб ТК и твэлов (именно тех фрагментов, которые находились на схеме Е). Конечно, выброшенные фрагменты активной зоны в первой фазе аварии и находившиеся на схеме Е до момента её переворота не могли испытать длительный режим высоких температур, когда упали на схему ОР, так как горение графита к этому времени практически закончилось. На схеме ОР в настоящее время вместе с разрушенными металлоконструкциями центрального зала, как мне представляется, должны «покоиться» остатки циркониевых и стальных участков труб периферийных ТК, вывернутых вверх потоком перегретого пара и с которых этим потоком были сорваны графитовые блоки. После переворота схемы Е они также не должны были сгореть. Там же должны находиться практически все стальные блоки тепловой защиты, которые располагались под и над графитовыми колоннами, и стальные трубы каналов охлаждения отражателя. (Каналы охлаждения отражателя в момент резкого подъёма мощности не должны быть разрушены, так как они без топлива. Они были оборваны в момент подъёма схемы Е и смятия схемы С с опусканием схемы ОР). Там же должны находиться практически все стальные части подвесок ТВС с защитными пробками ТК (возможно, внутри схемы Е). В общем, на схеме ОР должно находиться столько разрушенных конструкций, несгораемых, несгоревших и нерасплавленных остатков активной зоны реактора, что обнаружить топливо визуально весьма проблематично, особенно если учесть значительную часть топлива, которое «утекло» вместе с расплавленным песком и другими сброшенными с вертолёта материалами. Часть из них всё же попала в шахту реактора и превратилась в лавообразные топливосодержащие массы (например, в «слоновую ногу» – застывший столб лавы, или застывшую струю расплава в парораспределительном коллекторе). Без длительных высоких температур лавообразные растёкшиеся массы, объёмы которых значительны, вряд ли могли бы образоваться!
Так что, по моему, «косточка» свидетельствует о последовательности развития аварии, близкой к изложенной выше.
При взрыве активной зоны вне шахты реактора стальной хвостовик ТВС должен был бы находиться в «косточке» – в выброшенном куске трубы с твэлами.
4. Заключение
Уверен, что мало оснований говорить о том, что большая часть топлива 4-го блока реактора РБМК-1000 выброшена за пределы реактора в результате мифического взрыва и испарения активной зоны вне шахты реактора на высоте 15-30 метров от пола центрального зала. Тут впору вспомнить скорее другого барона с его занимательными историями.
Идея (гипотеза) взрыва активной зоны вне шахты реактора 4-го блока ЧАЭС опубликована в журнале «Атомная энергия», том 100, вып. 4, апрель 2006 г.[3] и в недавней книге НИКИЭТ [4]. Фантастическая гипотеза без достаточного расчётного нейтронно-физического и теплофизического обоснования перекочевала в серьёзную и полезную книгу о реакторах РБМК.
Если ещё с большой натяжкой можно говорить о вероятности компактного «выпрыгивания» всей активной зоны из шахты реактора в результате локального роста давления вблизи схемы ОР у «подошвы» активной зоны (ружейный пыж; в нашем случае это не пассивный «пыж», а «активный», внутри которого шли теплогидравлические процессы почти взрывного характера), то у авторов гипотезы нет никаких веских нейтронно-физических (реактивностных) и даже логических (на уровне рассуждений) аргументов о возможности дополнительного мгновенного роста реактивности и тепловой мощности в этой «выпрыгнувшей» активной зоне, ставших причиной взрыва и превращения в раскалённую «пыль» всей активной зоны вне шахты реактора на высоте 15-30 м от пола центрального зала (тут в пору говорить о ядерном взрыве). Ведь значительной части разрушенного топлива, скорее всего, в каналах при подъёме активной зоны уже не останется: оно будет вынесено вниз через оборванные нижние подводящие трубы каналов (НВК), в процессе самого подъёма, причём основная часть не разрушенного топлива будет находиться в верхней части графитовой кладки. Стержни СУЗ будут заклинены внутри активной зоны из-за смятия труб каналов СУЗ в момент роста давления в межтрубном пространстве активной зоны и не могут «вывалиться» из «вылетевшей» активной зоны. (Стержни СУЗ все враз остановились через несколько секунд после их сброса, что можно объяснить только их заклиниванием из-за смятия труб, которые в момент роста мощности могли дополнительно нагреться и потерять устойчивость вследствие роста давления). Поэтому нет оснований ожидать дополнительного роста реактивности в поднятой на 30 метров всей активной зоне с последующим взрывом и диспергированием всей активной зоны.
Появление публикаций о взрыве активной зоны 4-го блока ЧАЭС вне шахты реактора напоминает библейскую легенду о Моисее, который водил евреев по пустыне 40 лет, чтобы избавить их от духа (синдрома) египетского рабства (чтобы умерли все свидетели и носители рабства), чтобы возникла из разрозненных племён единая, сплочённая и жизнеспособная нация. Так и в нашем трагическом, но локальном случае: видимо, единое мнение о причинах и развитии аварии на ЧАЭС появится ещё только через 20 лет, когда уйдут в мир иной участники тех событий, свидетели, «ликвидаторы» и «организаторы» чернобыльской катастрофы. Хотя… Энтузиасты уже сто лет спорят о природе Тунгусского метеорита (болида, ледяной кометы и пр.). Уж очень хочется найти следы пришельцев.
На самом деле, «у нас есть историки, но нет истории» – гипотеза-то в серьёзной книге по РБМК [4] может остаться в головах нескольких поколений, прочитавших книгу.
В. М. Федуленко
Источники
1. М. Н. Бабайцев, Е. В. Бурлаков, А. В. Краюшкин. Анализ аварии на 4-м энергоблоке Чернобыльской АЭС. Препринт РНЦ «КИ», ИАЭ-6416/4, Москва, 2006 г.
2. П. А. Платонов. О процессе разрушения активной зоны реактора IV блока ЧАЭС (Ретроспективный анализ экспериментов и фактов). Препринт РНЦ «КИ», ИАЭ-6486/11, Москва, 2006 г. (Препринт посвящён памяти Ф. Ф. Жердева, изучавшего распределение радионуклидов во фрагментах графитовых блоков, выброшенных из реактора).
3. Черкашов Ю.М., Новосельский О.Ю., Чечеров К. П. Исследование развития процессов при аварии на чернобыльской АЭС в 1986 г.
4. Канальный ядерный энергетический реактор РБМК. Москва, ГУП НИКИЭТ, 2006 г.
- 2843 просмотра
