Николай Карпан - Чернобыль. Месть мирного атома

Рис. 9. Распределение плотности потока нейтронов по высоте реактора после нажатия кнопки АЗ-5 (сброс всех стержней, кроме УСП)

Введение положительной реактивности в нижней части активной зоны продолжается в течение первых трех секунд, но как только нижний край вытеснителя достигнет нижнего края активной зоны, ввод положительной реактивности прекращается (рис. 9, прав.). Знак суммарно вводимой реактивности при движении стержня СУЗ зависит от распределения потока нейтронов по высоте активной зоны и наличия в нижней части реактора поглощающих стержней (или полностью погруженных РР, или У СП). Если максимум потока находится в нижней части зоны и рядом нет введенных укороченных стержней-поглотителей (УСП), то суммарно вводимая реактивность при погружении стержня в активную зону может оказаться и положительной, и очень значительной по величине (см. рис. 10).

Аксиальное распределение потока нейтронов
Н (м) Рис. 10. Высотное (7 точек) распределение потока нейтронов после нажатия кнопки АЗ-5 через 1, 2, 3 и 8 сек.

Следует отметить, что при ОЗР равном 15 (и более) стержней РР низ активной зоны практически всегда оказывается перекрыт введенными снизу стержнями У СП, которыми СИУР вынужден пользоваться для выравнивания полей энерговыделения в реакторе. И в такой перекрытой стержнями У СП нижней части реактора опасный «концевой эффект» стержней СУЗ проявляется уже в безопасных пределах.

б) Аварийный процесс в начальной фазе развивался как неконтролируемый. Быстрый рост нейтронного потока в локальной области нижней части активной зоны (с 12-го по 30-й ряд ТК), был вызван вводом в эту область положительной реактивности при массовом выталкивании вытеснителями стержней СУЗ воды (поглотителя нейтронов) из нижней части каналов СУЗ.

Реактор РБМК представляет собой большой реактор, т.е. является как бы совокупностью локальных критических масс, связанных между собой постоянными перетечками нейтронов. Форма распределения нейтронного потока в таком реакторе сильно подвержена влиянию локальных изменений реактивности, т.е. является неустойчивой. В отношении радиальных распределений этот факт хорошо известен из практики эксплуатации, так как радиальное распределение напрямую связано с мощностью каждого из технологических каналов. Что же касается аксиальной неустойчивости, то ее внешнее проявление при обычной эксплуатации и регламентной величине ОЗР не так заметно.

И только при описанном выше одновременном движении вниз всех стержней СУЗ, с вводом отрицательной реактивности в верхнюю часть активной зоны, и положительной - в нижнюю, аксиальная неустойчивость распределения нейтронного потока проявляется в полной мере. При этом высотное распределение плотности нейтронного потока быстро и сильно деформируется со смещением максимума вниз. Это, в свою очередь, еще сильнее увеличивает положительную реактивность, вводимую в нижнюю часть реактора, и уменьшает отрицательную в верхней части, делая сумму вводимых реактивностей положительной. Особенно неустойчива, в указанном смысле, начальная форма аксиального распределения с двумя максимумами ("двугорбое поле"). Именно такую форму имело аксиальное нейтронное распределение на момент аварии.

в) В начальной фазе аварии оказывает влияние и отрицательный эффект реактивности по температуре топлива (Доплер - эффект). Кроме того, с какого-то момента стержни СУЗ, дойдя до положения с полным вытеснением столбов воды под вытеснителями, перестают вносить положительную реактивность в нижнюю часть активной зоны.

Суммарное действие всех перечисленных факторов приводит к следующему поведению реактивностии мощности в аварийном процессе:

- в первую секунду движения большой массы стержней СУЗ в верхнюю часть реактора вводится отрицательная реактивность (аксиальное нейтронное распределение в реакторе еще недостаточно деформировано и в верхней части активной зоны еще есть максимум плотности потока нейтронов), что приводит к первоначальному снижению общей мощности реактора;

затем, после быстрой и значительной деформации высотного поля с уходом максимума плотности потока нейтронов вниз, нейтронный поток, а вместе с ним и энерговыделение в нижней части твэлов начинают сильно возрастать. И сумма вводимых реактивностей (в верхнюю часть, и в нижний «слой» реактора) становится положительной. Реактивность увеличивается до тех пор, пока разогрев топлива не скомпенсирует её рост отрицательным Доплер - эффектом. Мощность, выделяемая в твэл, также достигает максимума с некоторой задержкой по отношению к поведению реактивности, и затем начинает падать. Температура топлива и вместе с ней тепло, передаваемое в теплоноситель, все это время возрастают, но в какой-то момент Доплер-эффект достигает максимума, и далее все рассматриваемые параметры начинают снижаться. Этот процесс изменения мощности полностью затухает, если к нему не подключатся другие эффекты (например, паровой эффект).

Максимальные значения реактивности, мощности энерговыделения, температуры топлива и тепловой мощности передаваемой воде в выше описанном процессе очень сильно зависят от исходного распределения нейтронного потока в активной зоне. Так, изменение формы аксиального распределения всего на несколько процентов, т.е. в пределах погрешности показаний внутризонных датчиков, может изменить максимум энерговыделения в несколько раз.

г) Определяющее влияние на катастрофическое развитие аварийного процесса оказал положительный паровой эффект реактивности. Полный эффект от заполнения технологических каналов паром составлял к 26.04.86 г., по оценке ОЯБ, чуть больше 5 В эфф Так как в исходном состоянии, при низком уровне мощности, технологические каналы практически полностью заполнены водой (кипение начинается на выходе из канала), то эффект даже от локального вскипания может быть достаточно большим. Положительный эффект реактивности от вскипания теплоносителя начинает проявляться по достижении реактором величины мощности примерно 500 МВт, т.е. задолго до того, как мощность реактора достигает своего номинального значения. Проявление парового эффекта начинается следующим образом. Вначале все параметры изменяются так же, как было описано выше. Но, начиная с определенного момента, даже после того как реактивность прошла максимум и начинает снижаться, тепловая мощность канала, передаваемая в теплоноситель, достигает величины, при которой происходит вскипание воды. С этого момента включается паровой эффект реактивности, и если он превалирует над Доплер-эффектом, то реактивность перестает падать и снова начинает возрастать. Мощность энерговыделения в каналах резко увеличивается, ускоряется рост температуры топлива и теплоносителя. В охлаждающей воде возрастает интенсивность кипения, что в свою очередь опять ускоряет рост положительной реактивности (за счет парового эффекта) и процесс разгоняется, приобретая взрывной характер.