Управление цепной реакцией деления.

Необходимым условием для осуществления практической реализации цепной реакции деления, является наличие критической массы делящейся среды. Однако это не единственное условие. Получив критическую массу делящегося вещества, мы можем получить атомную бомбу, вместо атомной станции, если не сможем управлять цепной реакцией деления.

Процесс управления цепной реакцией сводится в конечном счете к изменению коэффициента размножения Кэф.

Практическая реализация управления реактором.

В современных энергетических реакторах управление цепной реакцией осуществляется путем введением в активную зону веществ поглощающих нейтроны. Помещая в активную зону стержень, содержащий поглощающий элемент, например бор, мы уменьшаем коэффициент размножения (вводим отрицательную реактивность), за счет того, что часть нейтронов, поглощаясь на ядрах бора, выбывает из цепной реакции. Если вернутся к формуле четырех сомножителей, мы уменьшаем величину q ₅1 - вероятность нейтронов поглотится в ²³⁵U. Вытаскивая стержень, мы увеличиваем q ₅ , следовательно, увеличиваем коэффициент размножения.

Последовательность действий при увеличении мощности работающего реактора.

1 Выводится поглощающий стержень (вносится положительная реактивность). Коэффициент размножения становится больше 1, количество нейтронов и реакций деления растет, увеличивается мощность;

2 Выдерживается до требуемого значения время, необходимое для увеличения мощности;

3 Поглощающий стержень возвращается в исходное состояние (вносится отрицательная реактивность). Коэффициент размножения становится равным 1 Количество нейтронов во всех поколениях одинаково, мощность стабилизируется на новом уровне.

Поглощающий стержень, в данном случае, является органом регулирования реактивности. (В реакторе РБМК управляющие стержни содержат втулки из карбида бора заключенные в трубку из алюминиевого сплава диаметром 50 или 70 мм. Каждый регулирующий стержень помещен в отдельный канал и охлаждается водой контура СУЗ (система управления и защиты) при средней температуре 50 ° С. По своему назначению стержни делятся на стержни АЗ (аварийной зашиты), в РБМК таких стержней 24 штуки. Стержни автоматического регулирования - 12 штук. Стержни локального автоматического регулирования - 12 штук, стержни ручного регулирования -131, и 32 укороченных стержня поглотителя (УСП). Всего имеется 211 стержней. Причем укороченные стержни вводятся в АЗ снизу, остальные сверху.)

Кроме регулирующего стержня на реактивность оказывают влияние другие факторы, например: изменение плотности теплоносителя, изменение температуры и т.д. Знание и учет этих явлений являются важными аспектом безопасности при проектировании и эксплуатации атомных реакторов.

Последовательность событий

Чернобыльская Атомная Электростанциярасположена на севере Украины, в месте впадения реки Припять в Днепр. Строительство начато в 1976 году. Всего было построено 4 блока по 1000 МВт каждый. Авария на четвертом блоке ЧАЭС 26 апреля 1986 года произошла не во время нормального функционирования реактора.

Это случилось во время эксперимента по изучению резервов безопасности реактора в различных ситуациях. Эксперимент намечалось проводить при пониженной мощности реактора. Эксперимент совпал с плановым гашением реактора. Обычно реакторы не только вырабатывают электроэнергию, но и потребляют ее для работы насосов системы охлаждения. Эта энергия берется из обычной электросети. Если же нормальное электроснабжение нарушается, то возможно переключение части вырабатываемой атомным реактором электроэнергии на нужды системы охлаждения реактора. Однако если действующий реактор не вырабатывает электроэнергию, такое происходит в процессе гашения реактора, то необходим внешний автономный источник питания - генератор. На запуск генератора требуется некоторое время, поэтому он не может обеспечить реактор необходимой электроэнергией сразу. Во время эксперимента на четвертом блоке ЧАЭС намеревались показать, что мощности электрического тока, вырабатываемого вращающимися по инерции турбинами после гашения реактора, достаточно для питания насосов охлаждения до включения дизельных генераторов. Ожидалось, что насосы обеспечат циркуляцию охладителя, достаточную для обеспечения безопасности реактора.

Много различных отчетов, объясняющих причины аварии, было опубликовано с тех пор. Но в этих отчетах много неувязок. Многие исследователи толковали некоторые данные каждый по-своему. С течением времени появилось еще больше различных толкований. Кроме того, некоторые авторы были лично заинтересованы в этом деле. Однако в большинстве отчетов сходна последовательность событий, которые привели к аварии.

26.04.1986. 00:05 Мощность реактора была уменьшена до 720 МВт. Продолжалось снижение мощности. Теперь доказано, что безопасное управление реактором в той ситуации было возможно на 700 МВт, т.к. иначе "пустотный" коэффициент реактора становится положительным.
00:28 Мощность реактора снижена до 500 МВт. Управление было переключено на авторегулирующуюся систему. Но тут либо оператор не дал сигнал удержания реактора на заданной мощности, либо система не отреагировала на этот сигнал, но внезапно мощность реактора упала до 30 МВт. 00:32(примерно) В ответ оператор стал поднимать управляющие стержни, пытаясь восстановить мощность реактора. В соответствии с Требованиями по технике безопасности оператор должен был согласовать свои действия с главным инженером, если эффективное число поднимаемых стержней больше 26. Как показывают сегодняшние расчеты, в тот момент требовалось поднять меньшее число управляющих стержней. 01:00 Мощность реактора возросла до 200 МВт. 01:03 Был подключен дополнительный насос к левому циклу охлаждающей системы, чтобы увеличить циркуляцию воды через реактор. Это входило в планы эксперимента. 01:07 Был подключен дополнительный насос к правому циклу охлаждающей системы (тоже по плану эксперимента). Подключение дополнительных насосов вызвало ускорение охлаждения реактора. Это также привело к уменьшению уровня воды в пароразделителе. 01:15 Автоматическая система управления пароразделителем была отключена оператором, чтобы продолжить действия с реактором. 01:18 Оператор увеличил ток воды, пытаясь решить проблемы в системе охлаждения. 01:19 Еще несколько управляющих стержней выдвинуто, чтобы увеличить мощность реактора и поднять температуру и давление в пароразделителе. Правила эксплуатации требовали, чтобы как минимум 15 управляющих стержней все время оставались в активной зоне реактора. Предполагается, что в тот момент в активной зоне уже оставалось всего 8 управляющих стержней. Однако в активной зоне оставались автоматически управляемые стержни, это позволяло увеличить эффективное число управляющих стержней в активной зоне реактора. 01:21:40 Оператор уменьшил ток воды через реактор до нормального, чтобы восстановить уровень воды в пароразделителе, при этом уменьшилось охлаждение активной зоны реактора. 01:22:10 В активной зоне начал образовываться пар (закипела охлаждающая реактор вода). 01:22:45 Данные, полученные оператором, сигнализировали об опасности, но создавали впечатление, что реактор все еще оставался в устойчивом состоянии. 01:23:04 Закрыли клапаны турбин. Турбины все еще вращались по инерции. Это, собственно, и было началом эксперимента. 01:23:10 Автоматически управляемые стержни были удалены из активной зоны. Стержни поднимались примерно 10 сек. Это была нормальная реакция, чтобы скомпенсировать уменьшение реактивности, последовавшее за закрытием клапанов турбины. Обычно уменьшение реактивности вызывается увеличением давления в охлаждающей системе. Это должно было привести к уменьшению пара в активной зоне. Однако ожидаемого уменьшения пара не последовало, т.к. ток воды через активную зону был мал. 01:23:21 Парообразование достигло такой точки, когда из-за собственного положительного "пустотного" коэффициента дальнейшее парообразование приводит к быстрому увеличению тепловой мощности реактора. 01:23:35 Началось неконтролируемое образование пара в активной зоне. 01:23:40 Оператор нажал кнопку "Авария" (AZ-5). Управляющие стержни начали входить сверху активной зоны. При этом центр реактивности переместился вниз активной зоны. 01:23:44 Мощность реактора резко увеличилась и примерно в 100 раз превысила проектную. 01:23:45 ТВЭЛы начали разрушаться. В топливных каналах создалось высокое давление. 01:23:49 Топливные каналы стали разрушаться. 01:24 Последовало два взрыва. Первый - из-за гремучей смеси, образовавшейся в результате разложения водяного пара. Второй был вызван расширением паров топлива. Взрывы выбросили сваи крыши четвертого блока. В реактор проник воздух. Воздух реагировал с графитовыми стержнями, образуя оксид углерода II (угарный газ). Этот газ вспыхнул, начался пожар. Кровля машинного зала сделана из материалов, которые легко воспламеняются. (Из тех самых, которые использовались на ткацкой фабрике в Бухаре, которая полностью сгорела в начале 70-х годов. И хотя некоторые работники после случая в Бухаре были отданы под суд, эти же материалы использовались при строительстве АЭС.)
8 из 140 тонн ядерного топлива, содержащих плутоний и другие чрезвычайно радиоактивные материалы (продукты деления), а также осколки графитового замедлителя, тоже радиоактивные, были выброшены взрывом в атмосферу. Кроме того, пары радиоактивных изотопов йода и цезия были выброшены не только во время взрыва, но и распространялись во время пожара. В результате аварии была полностью разрушена активная зона реактора, повреждено реакторное отделение, деаэраторная этажерка, машинный зал и ряд других сооружений.
Были уничтожены барьеры и системы безопасности, защищающие окружающую среду от радионуклидов, содержащихся в облученном топливе, и произошел выброс активности из реактора. Этот выброс на уровне миллионов кюри в сутки, продолжался в течение 10 дней с 26.04.86. по 06.05.86., после чего упал в тысячи раз и в дальнейшем постепенно уменьшался. По характеру протекания процессов разрушения 4-го блока и по масштабам последствий указанная авария имела категорию запроектной и относилась к 7-ому уровню (тяжелые аварии) по международной шкале ядерных событий INES. Уже через час радиационная обстановка в городе была ясна. Никаких мер на случай аварийной ситуации там предусмотрено не было: люди не знали, что делать. По всем инструкциям и приказам, которые существуют уже 25 лет, решение о выводе населения из опасной зоны должны были принимать местные руководители. К моменту приезда Правительственной комиссии можно было вывести из зоны всех людей даже пешком. Но никто не взял на себя ответственность (шведы сначала вывезли людей из зоны своей станции, а только потом начали выяснять, что выброс произошел не у них). На работах в опасных зонах (в том числе в 800 метрах от реактора) находились солдаты без индивидуальных средств защиты, в частности, при разгрузке свинца. Потом выяснилось, что такой одежды у них нет. В подобном положении оказались и вертолетчики. И офицерский состав, в том числе и маршалы, и генералы напрасно бравировали, появляясь вблизи реактора в обычной форме. В данном случае необходима была разумность, а не ложное понятие смелости. Водители при эвакуации Припяти и при работах по обвалованию реки также работали без индивидуальных средств защиты. Не может служить оправданием, что доза облучения составляла годовую норму - в основном это были молодые люди, а следовательно, это скажется на потомстве. Точно также принятие для армейских подразделений боевых норм - это крайняя мера в случае военных действий и при проходе через зону поражения от ядерного оружия. Такой приказ был вызван как раз отсутствием в данный момент средств индивидуальной защиты, которые на первом этапе аварии были только у спецподразделений. Вся система гражданской обороны оказалась полностью парализованной. Не оказалось даже работающих дозиметров. Остается только восхищаться работой и мужеством пожарного подразделения. Они предотвратили развитие аварии на первом этапе. Но даже подразделения, находящиеся в Припяти, не имели соответствующего обмундирования для работы в зоне повышенной радиации. Как всегда достижение цели обошлось ценой многих и многих жизней.

Реакторный блок:

Активная зона разрушена полностью. Ее фрагменты выброшены взрывом в развал здания, на крыши соседних зданий, площадки вентиляционной трубы, разбросаны по прилегающей территории. Верхняя плита биологической защиты (схема "Е") сорвана с места и стоит поперек шахты реактора. Стены и перекрытия центрального зала реактора разрушены, смещены перекрытия и разрушены стены помещений барабан - сепараторов. Сорвана и обрушилась вниз погрузо-разгрузочная машина. Помещение северных главных циркуляционных насосов (ГЦН) разрушены полностью, помещение южных ГЦН - частично.

Деаэраторная этажерка:

Разрушены два верхних этажа, колонны каркаса смещены в сторону машинного зала.

Машинный зал:

В результате пожара и падения обломков во многих местах разрушена кровля, взрывной волной деформированы несколько строительных ферм, смещены колонны каркаса по оси "А".

Блок вспомогательных систем реакторного отделения (ВСРО):

Имеет локальные разрушения.

Система аварийного охлаждения реактора (САОР):

Разрушена полностью и завалена строительными конструкциями.

После взрыва территория, непосредственно прилегающая к разрушенному блоку, была загрязнена разбросанными фрагментами активной зоны: обломками ТВЭЛов, кирпичами графитовой кладки, элементами конструкций. Они попали на крышу и внутрь машинного зала, деаэраторной этажерки, на крышу третьего блока, металлические опоры трубы и т.п.1

«Укрытие» («Саркофаг»)

15 мая 1986 г. было принято Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР, в котором основные работы по ликвидации последствий аварии поручались Минсредмашу. Главной задачей было сооружение объекта "Укрытие" ("Саркофаг") четвертого энергоблока ЧАЭС. Буквально в считанные дни, практически на пустом месте, появилась мощная организация УС-605, включающая в себя шесть строительных районов, возводивших различные элементы "Укрытия", монтажный и бетонный заводы, управления механизации, автотранспорта, энергоснабжения, производственно-технической комплектации, санитарно-бытового обслуживания, рабочего снабжения (включая столовые), а также обслуживания баз проживания персонала. В составе УС-605 был организован отдел дозиметрического контроля (ОДК). Подразделения УС-605 дислоцировались непосредственно на территории ЧАЭС, в г.Чернобыле, в г.Иванполе и на станции Тетерев Киевской области. Базы проживания и вспомогательные службы размещались на расстоянии 50 - 100 км от места проведения работ. С учетом сложной радиационной обстановки и необходимости соблюдения требований, норм и правил радиационной безопасности был установлен вахтовый метод работы персонала с продолжительностью вахты 2 месяца. Численность одной вахты достигала 10000 человек. Персонал на территории ЧАЭС работал круглосуточно в 4 смены. Весь персонал УС-605 комплектовался из специалистов предприятий и организаций Минсредмаша, а также военнослужащих (солдат, сержантов, офицеров), призванных из запаса для прохождения военных сборов и направленных в Чернобыль (так называемых "партизан"). Задача захоронения разрушенного энергоблока, стоявшая перед УС-605, была сложна и уникальна, поскольку не имела аналогов в мировой инженерной практике. Сложность создания подобного сооружения, кроме значительных разрушений, существенно усугублялась тяжелой радиационной обстановкой в зоне разрушенного блока, что делало его труднодоступным и крайне ограничивало использование обычных инженерных решений. При сооружении "Укрытия" реализация проектных решений в столь сложной радиационной обстановке стала возможной благодаря комплексу специально разработанных организационно- технических мероприятий, в том числе использование специальной техники с дистанционным управлением. Однако сказывалось отсутствие опыта. Один дорогостоящий робот так и остался на стене "Саркофага", не выполнив своего задания: электроника вышла из строя из-за радиации.

В ноябре 1986 года "Укрытие" было сооружено, а УС-605 - расформировано. Cооружение "Укрытия" было осуществлено за рекордно короткий срок. Однако, выигрыш во времени и стоимости строительства повлек за собой и ряд существенных трудностей.

_______________________

При создании "Укрытия" рассматривались две группы проектов и предпочтение было отдано той, в которой предлагалось максимальным образом использовать конструкции разрушенного блока. Это позволяло во много раз выиграть в стоимости и в сроках строительства. Действительно, от момента принятия решения о возведении "Укрытия" до завершения его строительства прошло полгода, для сооружения таких масштабов и такой сложности - случай беспрецедентный. Однако, платой за выигрыш стала не только огромная коллективная доза, полученная строителями, но и принципиальные недостатки самого объекта. Необходимость возводить новые конструкции в непосредственной близости от разрушенного блока в огромных радиационных полях заставляли строителей использовать дистанционную технику - краны "Демаг", бетоные насосы дистанционного управления - "Путцмайстеры" и т.п. Для соединения многих ответственных конструкций невозможно было использовать сварку, а дистанционный монтаж не позволял пригонять точно друг к другу большие металлические конструкции.

Это явилось причиной первого из крупных недостатков "Укрытия" - негерметичности, большого количества щелей (их общая площадь, по последующим подсчетам, оценивалась как 1000 м² ).

Радиационные поля не дали возможности по всем правилам оценить прочность многих из опор - старых конструкций, подвергшихся действию взрыва и пожара. А на эти конструкции опирались главные несущие балки возводимого сооружения.

Применение дистанционных методов бетонирования привело к тому, что большие массы бетона не попали в назначенное место. Они протекли в разрушенное здание, затруднили или сделали вообще невозможным проход во многие помещения и их разведку, существует неуверенность в надежном бетонировании опор.

Строительство "Укрытия".

Первыми шагами при строительстве «Укрытия» было создание перегородок и стен, отделяющих поврежденный 4-й блок от 3-го блока. В машинном зале между энергоблоками была возведена монолитная стена толщиной 2.3 м до отм.+19.0, а выше толщиной 1.4 м. В деаэраторной этажерке разделительные стены выполнены монолитными железобетонными, толщиной 1 м по оси "Б" между "41"-"35" и по оси "41" между "Б"-"В" В реакторном блоке разделительная стена до отм. +12.0 м между осями "Т"-"Л" выполнена путем заполнения бетоном транспортного коридора между осями "41"-"42".[1] В других местах использованы существующие стены и перегородки с соответствующей заделкой проемов,отверстий,щелей и т.п.

Более поздние проверки выяснили, что на верхних этажах перегородка между 3-им и 4-ым блоками не является герметичной и между ними существует воздухообмен.

По периметру 4-го энергоблока сначала были выполнены "пионерные" защитные стены из железобетона высотой:

- около 6 метров - со стороны завала /северная сторона блока/;

- около 8 метров - с южной и западной сторон;

"Пионерные" защитные стены были предназначены для обеспечения безопасности производства строительно-монтажных работ по сооружению "Укрытия".

Северная каскадная стена была выполнена из бетона в виде уступов высотой около 12 метров. Опалубка уступов изготовлялась из металлических щитов. Каждый последующий уступ выполнялся с возможно большим приближением к разрушенному блоку. Внутри уступов укладывались изношенные и поврежденные металлоконструкции, а также контейнеры с высокоактивными отходами.

Сохранившаяся западная стена , снаружи, закрыта стеной с контрфорсами высотой до 50 метров (по оси "51").

Для создания покрытия над центральным залом реактора и деаэраторной этажеркой необходимо было найти опоры для установки новых несущих конструкций. Причем, расстояния между опорами не должны были превышать предельных размеров, обеспечивающих монтаж покрытия подъемным краном "Демаг". После исследований сохранившихся конструкций были приняты следующие решения по устройству покрытия над центральным залом реактора и деаэраторной этажеркой.

Для сооружения кровли поверх центрального зала и деаэраторной этажерки было необходимо создать опоры для новых конструкций. Были уложены балки Б1и Б2 и балка “Мамонт” на которые опиралась металлическая крыша. Над центральным залом был сделан трубный накат.

Медицинские аспекты

Министерство здравоохранения Украины подвело итоги: свыше 125 тысяч умерших к 1994 году, только в прошлом году с влиянием аварии на ЧАЭС связаны 532 смерти ликвидаторов; тысячи кв.км. загрязненных земель . Через тринадцать лет после аварии проявляется воздействие эффектов облучения, которое наложилось на общее ухудшение демографической ситуации и состояние здоровья населения пострадавших государств. Уже сегодня свыше 60% лиц, которые были в то время детьми и подростками и проживали на загрязненной территории, составляют группу риска заболеть раком щитовидной железы. Действие комплексных факторов, характерных для Чернобыльской катастрофы, привело к росту заболеваемости детей, особенно болезнями крови, нервной системы, органов пищеварения и дыхательных путей. Значительно чаще взрослые и дети болеют теперь инфекционными болезнями, анемией, более распространенной стала патология всех жизненно важных органов. Авария на Чернобыльской АЭС чаще вызывает онкологические заболевания у мужчин. По его словам, до 90% радионуклеидов выводятся из организма человека в основном через мочеиспускательные каналы, вызывая онкологические заболевания мочевого пузыря. За последние 10 лет на Украине количество таких заболеваний выросло более чем в 1,5 раза. Есть все основания утверждать, что у тех, кто проживает в загрязненных после аварии зонах, происходит постепенное, а нередко и активное ослабление иммунной системы, по существу, люди становятся беззащитными перед болезнями. Пристального внимания требуют сейчас лица, принимавшие непосредственное участие в ликвидации аварии. Сегодня их насчитывается свыше 432 тысяч человек. За годы наблюдения общая их заболеваемость возросла до 1400%. Утешаться остается лишь тем, что результаты воздействия аварии на население, могли бы быть намного хуже, если бы не активная работа ученых и специалистов. За последнее время разработано около ста методических, нормативных и инструктивных документов. Но на их реализацию не хватает средств...