CC BY
177
УДК 621.039.51
Вестник СПбГУ. Сер. 4, 2006, вып. 3
Г. Н. Белозерский
О ПРОЦЕССЕ РАЗРУШЕНИЯ РЕАКТОРА 4-ГО ЭНЕРГОБЛОКА ЧЕРНОБЫЛЬСКОЙ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Прошло 20 лет после аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС). Проделана огромная работа по изучению ее влияния на здоровье населения, по воздействию на флору и фауну регионов, наиболее загрязненных радионуклидами, выброшенными в окружающую среду. Наименее исследованными и вызывающими многочисленные дискуссии являются сам процесс разрушения активной зоны реактора и выход радионуклидов в окружающую среду. Большие сомнения вызывает достоверность официальных оценок современного состояния этого источника радиационного воздействия. В первую очередь речь идет о том, где находится облученное на момент аварии ядерное топливо (ОЯТ) и сколько его осталось внутри «Саркофага»?
Чтобы понять, почему эта, казалось бы, самая основная и самая первая проблема, возникающая при любой аварии - инвентаризация, не решена и через 20 лет, необходимо обратиться к истории вопроса. После аварии руководство страны и отрасли были в полной растерянности. Единственным желанием было доказать свою непричастность к событиям. Несмотря на наличие в стране печального опыта по смягчению последствий подобных происшествий на Урале и на большой опыт проведения ядерных испытаний, в первую очередь Тоцких общевойсковых учений, научную сторону проблемы возглавил В. А. Легасов, не имевший опыта решения подобных проблем и далекий от них по тематике научных исследований. Заявление правительств Швеции и Финляндии о загрязнении их территорий породили опасения, что государству будут предъявлены иски по возмещению убытков. Поэтому «появилось мнение», что выброшено около 3,5% топлива [1, 2].
Когда составлялся отчет о событиях для представления его в МАГАТЭ, сложилась удивительная ситуация. Представители всех головных институтов, принимавших участие в (Зценках величины выброса, подписали заключение, согласно которому выброс был несравнимо больше [3, 4]. Среди них были Б. Г. Пологих (Институт атомной энергии (ИАЭ)), А. А. Римский-Корсаков (Радиевый институт им. В. Г. Хлопина), Ю. М. Черкашов (Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники) . В заключении отмечалось, что за пределы промплощадки выброшено 15-25% осколочных нуклидов и топлива, при этом считалось, что 65-75% количества топлива, находившегося в реакторе на момент аварии, согласно расчетам, находятся в разрушенном здании и на промплощадке, из них около 25% -на территории промплощадки [3, 4]. Никто из ученых от своих подписей не отказался. Имеются и «более сильные» оценки выброса: примерно 80% загрузки активной зоны [5], при этом указывалось, что выброс 3-5% может быть только в случае частичного расплавления твэлов. Официально ответственные за определение выброса В. А. Легасов и Ю. А. Изразль «назначили» приблизительно 3,5%.
На этом фоне появилась первая публикация в научном журнале [1], где в разделе 6.1 было напечатано: «Суммарный выброс продуктов деления (без радиоактивных благородных газов) составил ~50 МКи, что соответствует ~3,5% общего количества радионуклидов в реакторе на момент аварии» (с. 315). Однако чуть ниже, как бы между прочим, в разделе б.З было указано, что «интегрирование данных по загрязненным площадям позволило определить полную активность выпавших радиоактивных веществ (за пределами промышленной площадки). В зоне ближних и дальних выпадений на европейской территории СССР она составляла ~3,5% ... » (с. 318), что уже устраивало многих. Действительно, даже если все содержимое активной зоны выброшено наружу, такая формулировка этому может не противоречить. Чтобы обезопасить себя от многих «трудностей», чиновники присвоили большинству экспериментальных
© Г. Н. Белозерский, 2006 118
исследований, связанных с аварией, гриф «совершенно секретно». Таким же грифом обладали работы по ядерным реактивным двигателям, знание которых могло бы способствовать пониманию процессов, произошедших 26 апреля 1986 г. на ЧАЭС.
В итоговом докладе МАГАТЭ по рассмотрению причин и последствий аварии в Чернобыле [2] эти мифические 3,5% получили новую, совсем фантастическую деформацию. Выло представлено следующее распределение выпадения топлива вокруг ЧАЭС: на площадке: 0,3-0,5% активности,
в радиусе 0-20 км: 1,5-2% активности,
в радиусе свыше 20 км: 1-1,5% активности.
Как это ни удивительно, площадка теперь должна была стать почти пустой, так как около 96,5% ОЯТ обязано находиться внутри 4-го блока.
Какая же энергия выбросила топливо, сколько бы его ни было, и капитально разрушила такое мощное сооружение, как 4-й энергоблок ЧАЭС? В ядерном реакторе энергия выделяется в результате деления тяжелых ядер, и именно это послужило причиной катастрофических событий. Это было ясно всем специалистам, но противоречило политическим установкам, а, как говорил В. А. Легасов, наука должна быть партийной. Потому он объявил, что разрушение было обусловлено взрывом газовой смеси, а каких-либо расчетов или оценок, конечно, не представил.
В публикациях [1, 2] приведено, что мгновенная мощность энерговыделения (нейтронного потока) возросла приблизительно в 120 раз. Доказательств же представлено не было. Недавно ведущим специалистом в этой области Ю. М. Черкашовым показано [6], что возрастание мощности было намного больше - примерно в 300 раз. В основных публикациях, со ссылками на очевидцев, указывается и на второй толчок (удар), возникший через £~2 с [2]. В отчете МАГАТЭ мы читаем: «... верхняя плита была перемещена в вертикальное положение в шахте реактора». Под этой «невинной» фразой скрывается следующее: бетонная плита весом 1000 т, закрывавшая шахту реактора, была подброшена вверх, при этом почти вся активная зона - топливо и графит «улетели» из здания. Эта плита выбила и раскрошила несколько «обычных» бетонных плит, составляющих стену центрального зала, которые рухнули в шахту реактора. Вслед за ними упала и первая плита, оказавшись почти в вертикальном положении. Именно удар от этого падения через примерно 2 с и был воспринят перепуганными людьми как второй толчок.
Тем не менее для полноты наших представлений о возможных процессах при аварии, особенно об их динамике, конечно, следует рассмотреть версию взрыва газовой смеси. Анализ такой версии должен способствовать более глубокому пониманию механизма аварии и ее последствий. Основную трудность здесь представляет отсутствие количественных характеристик тех физико-химических процессов в теплоносителе и кладке, которые могли быть при аварийных условиях. Первая попытка рассмотреть процесс образования взрывоопасных гаг зов в течение 30 с после скачка мощности реактора была предпринята С. А. Кабакчи [7]. Выл задан сценарий аварии и определены химические процессы, протекание которых приводит к образованию взрывоопасных газов.
В качестве источников таких газов были рассмотрены: пароциркониевая реакция, протекающая при взаимодействии пара с металлическим цирконием; реакция графита с водяным паром; радиационно-химическое образование водорода и кислорода. Из приведенных данных следует, что для указанного сценария и в случае накопления всего образующегося водорода и угарного газа для получения смеси, способной выделить при взрыве энергию около 3109 Дж, минимально необходимую для проведения таких разрушений, требуется примерно 35 с. Таким образом, для накопления необходимого количества газа требуется время, измеряемое десятками секунд, и, кроме того, нужно обоснование того, что все то, что будет образовываться, не будет улетучиваться. Самым существенным для дальнейшего является то, что температура при таком взрыве не может быть выше 3000 К.
Эта очень важная работа прошла почти не замеченной. Следующая работа появилась только тогда, когда «главным» местом, где проводились исследования, связанные с аварией
на ЧАЭС, оказалось МНТЦ «Укрытие», а ведущими мотивами деятельности стали обоснование любой ценой ядерно-радиационной опасности объекта и защита, насколько возможно, утверждения о том, что подавляющее количество ОЯТ находится в Саркофаге. Работа сотрудника этого центра Э. М. Пазухина [8] была вызвана тем, что до середины 1990-х годов, по его мнению, «не сложилось научного мнения о конкретных причинах разрушения центрального зала (ЦЗ) 4-го энергоблока ЧАЭС» (с. 379). Автор не настаивает на взрыве газовой смеси, но замечает, что «причиной разрушения ЦЗ мог быть взрыв воздушно-водородной смеси, которая возникла .. .в активной зоне аварийного реактора» (с. 384). Так как реакция не могла протекать однородно во всем объеме, то время, необходимое для наработки смеси, при 100%-ном ее сохранении, опять-таки измеряется десятками секунд. Основной упор в работе [8] был сделан на обоснование официального отчета [9] и того, что в реакторе было достаточно воды и циркония для наработки необходимого количества газовой смеси. Хронологией возрастания мощности нейтронного потока Э. М. Пазухин практически пренебрегает.
Последняя работа появилась в 2006 г. На научной сессии немецкого физического общества, посвященной 20-летию аварии на ЧАЭС, проф. К. Кугелером из Института по изучению безопасности ядерных реакторов в научном центре в г. Юлихе, Германия, были представлены расчеты [10], согласно которым газовая смесь, необходимая для имеющегося разрушения, накапливалась перед взрывом не менее 400 с.
Основными индикаторами процессов разрушения активной зоны, несомненно, являются: величина нейтронного потока, температура, которая была при разрушении, изотопные отношения - V - характерных пар радионуклидов и процессы фрагментации топлива. Среди многих пар радионуклидов имеются как короткоживущие, так и долгоживущие. Менее чем через месяц после аварии группа сотрудников Радиевого института в составе С. А. Пахомова, А. С. Кривохатского и И. А. Соколова провела оценку величины мгновенного энерговыделения при аварии реактора на ЧАЭС [11]. Развитие этой работы и серьезное отношение к представленным в ней результатам закрыло бы раз и навсегда дискуссии о природе разрушения реактора и позволило бы рационально организовать работы по ликвидации последствий аварии. Было изучено отношение активностей ;33Хе/133тХе, имеющих периоды полураспада ,133Хе - Т\/2 = 5,26 сут и 133тХе - Тх/2 = 2,23 сут и идеально подходящих для такого метода индикации. Величина отношения существенно зависит от динамики реактора в период его работы, предшествовавшей выбросу радионуклидов в атмосферу. Авторы [11] проанализировали соотношения 133Хе/133тХе в воздухе г. Череповца, находящегося на расстоянии около 1000 км от ЧАЭС. Сеть контроля содержания благородных газов в атмосфере функционировала много лет, поэтому радионуклиды, «прибывшие» из Чернобыля, были замечены. В период с 29 апреля по 1 мая 1986 г. содержание 133Хе превысило фоновый уровень более чем в 100 раз, вернувшись не позднее 2 мая 1986 г. к фоновому значению. Полученные в [И] экспериментальные значения и были пересчитаны на момент выброса, что позволило оценить мгновенное энерговыделение и сделать некоторые заключения о полном количестве энергии, выделившейся в момент аварии.
Авторы [11] пришли к выводу о неоднородности характера распределения нейтронного потока в активной зоне реактора в момент аварии, т. е. самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР) произошла в части ядерного топлива, которое «мгновенно разогрелось до крайне высоких температур» (с. 132). Мощность взрыва была вполне достаточна для разрушения реактора и выброса значительной части топлива и графита из активной зоны. Неоднородный характер разогрева топлива обусловил различие скоростей выхода газообразных и легколетучих продуктов деления из разных частей активной зоны в окружающую среду.
Таким образом, уже в мае 1986 г. были совершенно убедительные доказательства того, что источником тепловой энергии, приведшей к взрыву реактора, была СЦР в части активной зоны. В 1986-1987 гг. могли быть и другие закрытые работы с подобными результатами. Действительно, если мы обратимся к монографии [12], то на с. 11, предназначенной для «широкого читателя», написано: «В результате неядерного взрыва реактора 4-го блока Чернобыльской АЭС (ЧАЭС) были повреждены и разгерметизированы тепловыделяющие элементы
(ТВЭЛ)... ». Иными словами, произошла обычная ядерная авария. Однако на с. 111 приведено и совсем иное: «Как видно из рисунков, корреляционные зависимости рассматриваемых коэффициентов фракционирования имеют такой otee характер, как и при ядерных взрывах». Это один из образцов того, кале, согласно В. А. Легасову, наука действительно могла быть партийной.
Существуют и другие пары радионуклидов, которые могут служить индикаторами процессов, предшествовавших их появлению в окружающей среде. Это прежде всего отношения 134Cs/137Cs и 140Ba/140La. Основная трудность состоит в том, что из-за соизмеримости периодов полураспада 134Cs и 140Ва с временем работы реактора между перезагрузками топлива, 134Cs и в определенной мере 140Ва помнят историю работы реактора, и это затрудняет оценку нейтронной вспышки.
Согласно устоявшейся практике, анализировались, как правило, топливные частицы, состав которых не сильно отличался от доаварийного состава топлива. Авторы работ [13, 14] нарушили эту традицию и показали, что в различных объектах окружающей среды в Белоруссии, на Украине и даже в Японии зарегистрированы значения v для 134Cs/137Cs, варьирующие от 0,6 до более 6,0. Так как такие «аномалии» встречаются намного реже «нормальных» значений, следует принять гипотезу о ядерной природе развития аварии именно в локальной части активной зоны со всеми вытекающими отсюда (и наблюдаемыми в действительности) последствиями. Кроме того, авторы [13, 14] сообщили и о неоднократно наблюдавшихся в окружающей среде «аномально» изменяющихся значениях отношения 141Ce/106Ru (в 2800 раз). В Финляндии и Польше были зарегистрированы приведенные к моменту аварии значения отношения 1331/1311, изменяющиеся от 2 до 160, что существенно превышает значение ь'сред ~1,5, бывшее перед аварией. Наконец, Ю. Гаврилиным [15] при изучении отношения 140Ba/140La было показано, что получаются результаты, также свидетельствующие о протекании СЦР в части активной зоны.
Любая из исследованных совокупностей значений v, если она значительно отличается от ^сред, т. е. того, что должно быть в случае работы ядерного реактора, однозначно свидетельствует о протекании СЦР в той части огромного объема активной зоны, из которой радионуклиды с такими соотношениями активностей были выброшены. С подобным заключением прекрасно согласуется и обнаружение группы малых по сравнению с ^СреД значений и. Это объясняется ядерным процессом развития аварии с наиболее значимой наработкой свежих продуктов деления именно в «свежих» топливных каналах с относительно малым выгоранием топлива перед аварией.
Первые оценки температур, имевших место при разрушении активной зоны, были сделаны в мае 1986 г. в отделе радиационного материаловедения ИАЭ. Известно, что на крыше здания и вокруг него находилось много графита, от мелких частиц до почти целых графитовых блоков, но это были блоки и графитовые стержни из отражателей, которые были, однако, насквозь пропитаны цезием. Графитовые блоки активной зоны кале бы исчезли [16, 17]. Последующее изучение имевшегося графита показало, что такая «пропитка» могла быть только в том случае, если в активной зоне или в ее значительной части, температура в момент взрыва была не менее 10 000 °С. Эта температура существенно превышает температуру сублимации графита и, следовательно, значительная часть графита активной зоны вместе с ОЯТ должна была испариться.
Очень весомым аргументом в пользу развития экстремально высоких температур в активной зоне стало обнаружение в Швеции «горячих частиц» сферической формы из чистого рутения. Они могли образоваться только в результате мгновенного испарения и конденсации из паровой фазы. Такие же частицы были обнаружены и вокруг Чернобыля. Подобное происхождение имеют и сферические частицы чистого углерода с внедренными в них так называемыми дендритными кристаллами, обнаруженные при исследовании структуры топливных масс.
Таким образом, в настоящее время нет никаких оснований считать, что катастрофическое разрушение реактора было вызвано чем либо иным, кроме СЦР. Вместе с тем следует
отметить, что это не был, конечно, классический взрыв ядерной бомбы, но не был и «пшик», возникающий при неосторожном слиянии или взбалтывании растворов, содержащих, например, 239Ри. До 26 апреля 1986 г. было широко распространено мнение, что взрыв ядерного реактора, да к тому же с топливом такого низкого обогащения, невозможен. По крайней мере это постоянно звучало в заявлениях официальных ученых. Авария на ЧАЭС еще раз продемонстрировала неправомочность использования классических вероятностных соображений для рассмотрения возможности подобных уникальных событий. Несомненно, в нашей стране имеется достаточное количество высококвалифицированных специалистов в области разработки ядерного оружия и ядерных реактивных двигателей, которые могли бы внести существенный вклад в решение очень важной проблемы - количественное описание процессов, сопровождающих взрыв в активной зоне реактора. Пока же, к сожалению, мы имеем только публикацию иностранного ученого [18], которую огульно осмеивают лица, заинтересованные в сохранении status quo [19].
В заключение следует сказать, что через 2 года после аварии, летом-осенью 1988 г., впервые удалось заглянуть с помощью перископа и видеокамеры в шахту реактора через пробуренные исследовательские скважины и установить, что она пуста [16, 20]. «Установлены в частности следующие факты, характеризующие процессы разрушения реактора и здания энергоблока: активная зона в шахте реактора отсутствует...» [20 с. 33]. Более того, оказалось, что в нее ничего не попало из знаменитой вертолетной засыпки, призванной создать «фильтрующий слой».
В заключение этой части я хочу поблагодарить тех коллег, которые в начальный, наиболее сложный период после аварии находились на ЧАЭС и высказали мне много ценных замечаний и соображений по затронутой проблеме. В Санкт-Петербурге это были А. А. Римский-Корсаков, Ю. В. Дубасов, JI. А. Плескачевский, а также С.А. Пахомов, в Москве - Ю. И. Гав-рилин и К. П. Чечеров.
Summary
Belozerskiy G. N. The process of the demolition of the reactor Unit 4 in Chernobyl.
It was testified that the origin of the catastrophic destruction of the reactor in Chernobyl was the nuclear fission chain only. As the result in spent fuel developed the temperature over 10 000 °C and the main part of the fuel was shot out from the reactor shaft. The official statement about the inventory of "Sarcophagus" based on hypothesis of back-draught and the temperature down 3000 °C. The future reconstruction of the "Sarcophagus" must be based on the present information.
Литература
1. Информация об аварии на Чернобыльской АЭС и ее последствиях, подготовленная для МАГАТЭ // Атомн. энергия. 1986. Т. 61, вып. 5. С. 301-314. 2. Итоговый доклад о совещании по рассмотрению причин и последствий аварии в Чернобыле, МАГАТЭ // Сер. изд. по безопасности, № 75-INSAG-1. Вена, 1986. 3. Пологих Б. Г., Курносое В. А., Аден В. Г., Чер-кашов Ю- М., Крашенинников И. С., Дубасов Ю. В., Римский-Кор саков А. А., Поляков А. С. Справка. Утв. зам. министра CMC JI. Д. Рябевым. Чернобыль, 24 мая 1986 г. 4 с. // Библиотека ИАЭ. 4. Черкашов Ю. М., Петров А. А., Новосельский О. Ю. и др. // Меж-дунар. науч.-практ. конференция «Укрытие-98». 25-27 ноября 1998 г. Славутич (Украина), 1999. С. 31-33. 5. Ядрихинский А. А. Ядерная авария на 4-м блоке Чернобыльской АЭС и ядерная опасность реакторов РБМК. Инспекция ГАЭН СССР на Курской АЭС. Курчатов, 1989. 6. Черкашов Ю. М. //Атомная энергетика России. 2006. № 4. С. 55-59. 7. Кабак-чи С. A. // Охрана окружающей среды, вопросы экологии и контроля качества продукции: Науч.-техн. реф. сб. М., 1992. Вып. 1. С. 1-11. 8. Пазухин Э. М. // Радиохимия. 1997. Т. 39, вып. 4. С. 379-384. 9. Safety Series INSAG-7. The Chernobyl Accidient Updating of INSAG-4. Vienna, 1992. 10. Kugeler K. Der Ablauf des Reaktorunfalls und seine sicherheitstechnologischen
Folgen. Gemeinschaftsausschuss Strahlenforschung 20 Jahre wissenschaftliche Erkenntnisse nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl (GAST). Heidelberg, 2006. 15-17 Maerz. 11. Пахомов С. А., Кривохатский А. С., Соколов И. А // Радиохимия. 1991. Т. 33, № 6. С. 125-132. 12. Изра-элъ Ю. А., Вакуловский С. М. и др. Чернобыль: Радиоактивное загрязнение природных сред. JL, 1990. 13. Гаврилин Ю., Зиборов А., Киселев А., Чечеров К. // Бюл. по атомной энергии. 2004. № 4. С. 34-39. 14. Гаврилин Ю. // Бюл. по атомной энергии. 2004. № 11. С. 50-54. 15. Гаврилин Ю. // Труды конференции «Радиоактивные загрязнения при ядерных взрывах и тяжелых авариях». Декабрь 2005 г. М., 2006. 16. Киселев А. Н., Чечеров К. П. // Атомн. энергия. 2001. Т. 91, вып. 6. С. 425-434. 17. Платонов П. А. // Бюл. по атомной энергии. 2004. № 4. С. 40-41. 18. Пурвис Э. Э. Сценарий Чернобыльской аварии по состоянию на апрель 1995 г.: Отчет. Чернобыль, МНТЦ «Укрытие». 1995. 19. Горбачев Б., Ключников А., Кухарь В. // Бюл. по атомной энергии. 2004. № 10. С. 46-49. 20. Адамов Е. О., Черка-шов Ю. М., Пономарев-Степной Н. Н. и др. Причины аварии на Чернобыльской АЭС: обзор исследований за 10 лет // Proc. Intern. Meeting Lesson of Chernobyl. Technical Issues, 1996. Desnogorsk, Russia. 1996. Vol. 1. P. 19-35.
Статья поступила в редакцию 20 апреля 2006 г.
