Адам Хиггинботам - Чернобыль. История катастрофы

Плавно управлять нарастанием цепной реакции позволяют электромеханические стержни, содержащие такие поглощающие нейтроны элементы, как борид кадмия или карбид бора. Они действуют как «атомные губки», впитывая и удерживая запаздывающие нейтроны, предотвращая запуск дальнейшего деления [164] Goldston and Von Hippel, интервью автору книги, 2018 год. . Когда стержни вставлены в реактор полностью, активная зона реактора остается в субкритическом состоянии. По мере их вытаскивания деление медленно нарастает, пока реактор не становится критическим – затем он может быть оставлен в этом состоянии и регулироваться по необходимости. Вытаскивание стержней выше или в большем числе увеличивает реактивность и количество вырабатываемого тепла и энергии, введение дает противоположный эффект. Но работа с реактором с использованием только этой части в менее чем 1 % всех нейтронов деления делает процесс управления очень чувствительным: если стержни выдвигаются слишком быстро, слишком далеко – или не срабатывает одна из нескольких защитных систем, – реактор может захлебнуться от делений и его состояние станет «надкритическим». Результатом будет авария, катастрофический сценарий, при котором случайно запускается процесс, схожий с тем, что происходит в атомной бомбе, и неконтролируемый выброс энергии нарастает, пока активная зона реактора не расплавится – или не взорвется.

Для выработки электричества урановое топливо внутри реактора должно разогреться достаточно для того, чтобы превращать воду в пар, но не настолько, чтобы само топливо начало плавиться [165] Первым реактором в Соединенном Королевстве был GLEEP (Graphite Low Energy Experimental Pile), который начал работать в Харвелле, Оксфордшир, в 1947 году. В США первый экспериментальный реактор на кипящей воде был создан в Национальной лаборатории Аргонн в 1956 году. См.: “Nuclear Development in the United Kingdom,” World Nuclear Association, October 2016; и “Boiling Water Reactor Technology: International Status and UK Experience,” Position paper, National Nuclear Laboratory, 2013. . Для этого, помимо стержней управления и нейтронного замедлителя, нужен охладитель для отвода избыточного тепла из реактора. Первые реакторы, построенные в Великобритании, использовали графит в качестве замедлителя и воздух как охладитель; позднее коммерческие американские модели использовали кипящую воду и как замедлитель, и как охладитель. У обоих конструкций имелись выраженные риски и преимущества. Вода не горит, но превращение ее в пар под давлением может вызвать взрыв. Графит не взрывается, но загорается при высоких температурах. Первые советские реакторы, скопированные с образцов Манхэттенского проекта, использовали и графит, и воду [166] Frank N. Von Hippel and Matthew Bunn, “Saga of the Siberian Plutonium-Production Reactors,” Federation of American Scientists Public Interest Report , 53 (November/December 2000), https://fas.org/faspir/v53n6.htm ; Von Hippel and Goldston, author interview, 2018. . Это была рискованная комбинация: замедлитель, который при высоких температурах яростно горит (графит), и взрывоопасный охладитель (вода) [167] Mahaffey, Atomic Awakening, 206–7. .

Три соревнующиеся между собой команды физиков дали начальные предложения для того, что стало затем реактором АМ-1 [168] Josephson, Red Atom, 25; Schmid, Producing Power, 102. . Первая предложила разрабатывать водно-графитовый вариант, вторая – использовать графит как замедлитель и гелий как охладитель, третья – попробовать в качестве замедлителя берилл. У советских инженеров, занимавшихся установками по производству плутония, было больше опыта в работе с водно-графитовыми реакторами [169] Holloway, Stalin and the Bomb, 347. . Кроме того, последние были дешевле и проще в строительстве. Поэтому у менее разработанных (и потенциально более безопасных) решений просто не было шансов [170] Josephson, Red Atom, 56. .

Только на поздних этапах строительства АМ-1 физики в Обнинске обнаружили рискованное место проекта: протечка охлаждающей воды на горячий графит могла привести не только к взрыву и радиоактивному выбросу, но и к аварии реактора [171] Там же, 27. . Запуск АМ-1 неоднократно откладывали, разрабатывая системы безопасности, способные решить эту проблему. Но, когда в июне 1954 года АМ-1 вышел наконец на критический режим, оставался еще один принципиальный недостаток, который так и не устранили: феномен, известный как положительный паровой (пустотный) коэффициент реактивности.

При нормальной работе все охлаждаемые водой водно-графитовые ядерные реакторы содержат некоторое количество пара, циркулирующего в активной зоне и образующего в жидкости пузыри или «пустоты» [172] “RBMK Reactors,” World Nuclear Association, June 2016, https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/appendices/rbmk-reactors.aspx . . Вода более эффективно замедляет нейтроны, чем пар, поэтому число пузырьков пара в воде влияет на реактивность активной зоны. В водо-водяных реакторах, где вода используется и как замедлитель, и как охладитель, по мере нарастания объема пара замедляется меньше нейтронов и реактивность падает. Если пара образуется слишком много (или если охладитель вытекает полностью), цепная реакция останавливается и реактор глохнет. Отрицательный паровой коэффициент срабатывает как автоматический размыкатель, «рукоятка мертвеца» [173] «Рукоятка мертвеца» (dead man’s handle) – рычаг, который машинист удерживает, чтобы локомотив двигался, и который в случае смерти машиниста останавливает поезд. – Прим. пер. , важное условие безопасности водо-водяных реакторов, распространенных на Западе [174] Сейчас в России действуют 20 энергоблоков с водо-водяными реакторами (ВВЭР), из них 13 – с канальными реакторами и 2 – с реакторами на быстрых нейтронах. За рубеж экспортируются только новейшие российские энергоблоки с водо-водяными реакторами. – Прим. науч. ред. .

Но в водно-графитовых реакторах, каковым был АМ-1, все происходит противоположным образом. По мере разогрева реактора и превращения все большего количества воды в пар графитный замедлитель продолжает выполнять свою функцию, как и ранее. Цепная реакция продолжает нарастать, вода нагревается сильнее, и еще большее ее количество становится паром. Пар, в свою очередь, поглощает меньше и меньше нейтронов, и цепная реакция продолжает ускоряться в петле обратной связи растущей мощности и температуры. Чтобы остановить или замедлить процесс, операторы должны вдвигать управляющие стержни. Если они по какой-либо причине откажут, реактор станет неуправляемым, расплавится или взорвется. Этот положительный паровой коэффициент [175] Правила ядерной безопасности запрещали и запрещают иметь такую положительную обратную связь, работа РБМК имеет в этой части отступления, компенсируемые специальными организационно-техническими процедурами. – Прим. науч. ред. оставался фатальным свойством реактора АМ-1 и угрозой для работы каждого последующего советского водно-графитового реактора.