Сергей Соловьёв - Валерий Легасов: Высвечено Чернобылем

Одним из важнейших шагов в развитии теории цепной ядерной реакции стало определение оптимального соотношения количеств замедлителя и ядерного топлива. Это соотношение может быть выражено величиной отношения объемных концентраций атомных ядер замедлителя и топлива. Может быть выражено отношением объемов замедлителя и топлива.

А может – величиной шага решетки замедлителя, воды или графита.

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.