Как можно незатейливо взорвать реактор на четверти мощности?
Как Вам хорошо известно, ув. Саперный Танк, только за победой выстраивается длинная очередь родителей, а поражение всегда сирота. Спор ядерщиков с электриками вокруг Чернобыля не будет закрыт никогда. Есть, тем не менее, вещи несомненные. Глубинной причиной катастрофы было чисто политическое решение передать ЧАЭС из Средмаша в ведение Киевэнерго. Где сидели может и отличные электрики, но ядерные чайники, для которых реактор был всего навсего кипятильником, из которого поворотом ручки можно подать на турбину больше пара или меньше. Сам по себе эксперимент по выбегу турбины делать было можно и даже нужно. Беда в том, что делали это кривые руки не понимавших ничего в --- не побоюсь этого слова НИЧЕГО --- в тонкостях ядерной физики.
Какая был практика работы персонала ЧАЭС --- судить не буду, но боюсь, что слова об отношении к реактору как к кипятильнику более чем справедливы. Я просто попробую объяснить, как легко взорвать реактор перейдя бездумно на малую мощность, скажем, на четверть. Я буду без математики, так что четверть или половинка будет неважно.
Без азов ядерной физики все же не обойтись. В легких ядрах протонов и нейтронов поровну, в тяжелом уране нейтронов в полтора раза больше, чем протонов. В средних ядрах превышение нейтронов над протонами есть, но слабее. При делении ядра урана 2-3 мгновенных нейтрона скидывается, получаются два осколка с отношением масс преимущественно около 1:1.4, т.е., любимые массы около 95 и 135. В обоих осколках нейтронов больше, чем положено, а протонов меньше положенного. Осколок нестабилен: бета-распадом нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино. Ядро улучшается, но как правило надо его лечить несколькими бета-распадами, пока не дойдем до сравнительно стабильного ядра. Иногда на одно деление до дюжины бета-распадов. В-общем, редкая птица долетает до середины Днепра: из самых первичных осколков не выживает практически никто.
В ходе этих бета-распадов иногда из ядра вылетают нейтроны. Немного, но и немало: всего около 0.5% нейтронов, летающих внутри реактора, это запаздывающие нейтроны из этих бета-распадов осколков. Запаздывающие, так как от момента рождения осколка до его бета-распада проходит время от миллисекунд до долей секунды и до минут для разных осколков. И именно в этом успех ядерной энергетики: сделай реактор критичным по МГНОВЕННЫМ нейтронам, так его взорвет как бомбу за микросекунды --- никакая механика никакие стержни за такие времена подвинуть для регулировки нейтронных потоков не может. А вот за доли секунды этими полпроцентами поуправлятъ можно. К тому же эти полсекунды растягиваются обратно пропорционально превышению над критичностью и получается масштаб времени вполне комфортабельный для механики.
Осколки остаются внутри топливных таблеток. Любое ядро хоть немного да поглощает нейтроны. О боре или кадмии (нужных изотопах) слышали все. После деления в цепочке бета-распадов появляются нуклиды с патологически огромным поглощением нейтронов. Самый знаменитый пример это ксенон-135 с сечением поглощения тепловых нейтронов в 3000 барн. В природе его не бывает, он нестабилен и за 9 часов распадется в цезий-135. Присхождение ксенона-135 хорошо известно. Как сказано выше, деление асимметрично, любимые массы тяжелого осколка около 135, и теллурий-135 образуется в 6.5% делений. Но за 20 секунд он бета-распадом даст йод-135, который через 7 часов распадается в ксенон-135. Наработка ксенона как будто введение поглощающих стержней --- для сохранения мощности надо увеличить число нейтронов из деления. Элементарно, Ватсон: у нас масштабы времени в полсутки-сутки, после включения реактора потихоньку подрегулируем все контрольными стержнями. Потом наступит баланс межди наработкой ксенона, его распадами и выгоранием за счет поглощения нейтронов. По мере выгорания урана-235 и наработки плутония в топливе нейтронный режим в реакторе меняется, но медленно, так что в ноябре перед очередным ППР и перезагрузкой топлива контрольные стержни совсем не там, что в январе.
А вот теперь 25 апреля 198.... скинем мощность реактора, т.е., и поток нейтронов внутри реактора, вчетверо. Наработка теллурия мгновенно упадет вчетверо, она строго отслеживает число делений. Свежего йода-135 будет тоже вчетверо меньше. Но его осталось дофига от периода работы на полной мощности. Производство ксенона-135 из него продолжается с той же скоростью, как и при работе реактора на полной мощности, а вот выгорание ксенона за счет поглощения нейтронов упало вчетверо. Баланс нарушился, ксенон стал накапливаться, и реактор начнет терять мощность. А диспетчер "Киевэнерго" металлическим голосом требует по телефону мощность держать. Что делаем? Начинаем выводить контрольные стержни. Что в наших масштабах времени: 9 часов периода полураспада у ксенона-135, ему надо вначале накопиться са счет распадов избыточного йода, который после всех распадов придет в равновесие с четвертью теллурия, а за какое-то время и ксенон-135 распадется и придет в равновесие с четвертью йода. Это "какое-то время" пара суток: как тот воробушек, раз уж попал в дерьмо, то сиди и не чирикай.
А диспетчер "Киевэнерго" и программа эксперимента требуют продолжения банкета...
Я не буду моделировать собственно 26 апреля 1986. А просто нарисую условный сценарий на уровне домохозяек и пешеходов. Что у нас в запасе? Те 0.5% манипуляций с запаздывающими нейтронами. А если дисбаланс по ксенону-потрошителю нейтронов больше этих 0.5%? Что, если в борьбе с накапливающимся ксеноном я выдернул ВСЕ контрольные стержни, а реактор все одно потерял мощность совсем? Сижу я в этой позе и чешу репу... а ксенон-то, который сейчас имитирует контрольный стержень (и много стержней сразу!) продолжает распадаться, распадатъся, распадаться и в какой-то момент этот имитатор контрольного стержня сам "выдернулся" из реактора --- отравленный ксеноном реактор очнулся. Пошла цепная реакция в ситуации с полностью убранными контрольными стержнями. Да, у РБМК были и свои заморочки: при играх с полностью выдвинутыми всеми или почти всеми контрольными стержнями можно попасть в нестабильный режим при вводе стержней. И запрет на число контрольных стeржней не был случайным и не надо было его нарушать.
Занавес, тушите свет.
Единственным грамотным дейcтвием операторов было не чирикать, а заглушить реактор немедленно, вдвинув все-все контрольные стержни. Пару суток реактор постоял бы, а потом спокойно перезагрузился бы. Ну может 3-4 суток... Это и было прописано в Инструкциях, составленных ядерщиками. Чего ядерщики не предусмотрели? Это положение Инструкции должно было быть подкреплено автоматикой, запрещающей любые действия кроме полной заглушки реактора. Но такого топора, отрубающего по плечи шаловливые... нет, это несправедливо, просто бестолковые... ручки смены в зале БЩУ ЧАЭС-4 не висело. Не висело и этот факт непреложен, так что сваливать все на ядерщиков легко.
Насколько мне известно, после 1986 игры с мощностью реакторов на наших АЭС запрещены. Менять ее можно, но строго по правильному алгоритму --- законы ядерной физики непреложны и требуют неукоснительного уважения. Это только в Верховной Раде где-то в прошлом году какой-то умник требовал уменьшить в разы период полураспада радиоактивных отходов... Украина богата ядерными талантами.
P.S. (08.05.2011): Как у Н.С.Лескова в "Печерских антиках" было "Написано пуговица, читайте Богородица", так у меня "Написано теллурий, читайте теллур", см. ниже пост Schreibikus-a
http://www.avanturist.org/forum/topic/1208/offset/100/
yaplakal.com