Примечание редактора: эта история была обновлена в понедельник, 10 июня, в 16:45. EDT.
В новом мини-сериале ГБО «Чернобыль» российские ученые раскрывают причину взрыва в реакторе № 4 на Чернобыльской АЭС, который извергал радиоактивный материал по всей северной Европе.
Этот реактор, конструкция которого называется РБМК-1000, был обнаружен в корне ошибочным после аварии на Чернобыльской АЭС. И все же в России до сих пор работают 10 реакторов такого же типа. Как мы узнаем, что они в безопасности?
Краткий ответ - нет. Эксперты говорят, что эти реакторы были модифицированы, чтобы уменьшить риск еще одной катастрофы в чернобыльском стиле, но они по-прежнему не так безопасны, как большинство западных реакторов. И нет никаких международных гарантий, которые бы препятствовали строительству новых заводов с аналогичными недостатками.
«Существует целый ряд различных типов реакторов, которые в настоящее время рассматриваются в различных странах, которые значительно отличаются от стандартного легководного реактора, и многие из них имеют недостатки безопасности, которые конструкторы приуменьшают», - сказал Эдвин Лайман, старший научный сотрудник и исполняющий обязанности директора Проекта по ядерной безопасности в Союзе заинтересованных ученых.
«Чем больше вещи меняются, - сказал Лайман Live Science, - тем больше они остаются неизменными».
Реактор 4
В центре чернобыльской катастрофы находился реактор РБМК-1000, конструкция которого использовалась только в Советском Союзе. Реактор отличался от большинства легководных ядерных реакторов, стандартная конструкция, используемая в большинстве западных стран. (Некоторые ранние американские реакторы на площадке Хэнфорд в штате Вашингтон имели похожую конструкцию с похожими недостатками, но были исправлены в середине 1960-х годов.)
Легководные реакторы состоят из большого сосуда под давлением, содержащего ядерный материал (ядро), который охлаждается циркулирующим источником воды. При ядерном делении атом (в данном случае уран) расщепляется, создавая тепло и свободные нейтроны, которые превращаются в другие атомы, что приводит к их расщеплению и выделению тепла и большего количества нейтронов. Тепло превращает циркулирующую воду в пар, который затем вращает турбину, вырабатывая электричество.
В легководных реакторах вода также действует в качестве замедлителя, помогая контролировать происходящее ядерное деление внутри активной зоны. Модератор замедляет свободные нейроны, чтобы они с большей вероятностью продолжали реакцию деления, делая реакцию более эффективной. Когда реактор нагревается, больше воды превращается в пар, и меньше доступно для этой роли модератора. В результате реакция деления замедляется. Эта петля отрицательной обратной связи является ключевым элементом безопасности, который помогает предотвратить перегрев реакторов.
РБМК-1000 отличается. В качестве охлаждающей жидкости также использовалась вода, но в качестве модератора использовались графитовые блоки. Изменения в конструкции реактора позволили ему использовать меньше обогащенного топлива, чем обычно, и заправляться во время работы. Но с разделением ролей хладагента и модератора отрицательный контур обратной связи «больше пара, меньше реактивность» был разорван. Вместо этого реакторы РБМК имеют так называемый «положительный коэффициент пустотности».
Когда реактор имеет положительный коэффициент пустотности, реакция деления ускоряется, когда охлаждающая вода превращается в пар, а не замедляется. Это потому, что кипение открывает пузырьки или пустоты в воде, облегчая нейтронам движение прямо к замедляющему деление графиту, говорит Ларс-Эрик Де Гир, физик-ядерщик, вышедший на пенсию из Шведского агентства оборонных исследований.
Оттуда он сказал Live Science, что проблема возникает: деление становится более эффективным, реактор нагревается, вода становится более горячей, деление еще более эффективным, и процесс продолжается.
Готовность к катастрофе
По словам Лаймана, когда Чернобыльская АЭС работала на полную мощность, это не было большой проблемой. При высоких температурах урановое топливо, которое приводит в действие реакцию деления, имеет тенденцию поглощать больше нейтронов, делая его менее реактивным.
Однако при низкой мощности реакторы РБМК-1000 становятся очень нестабильными. В преддверии аварии на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 года операторы проводили испытания, чтобы выяснить, может ли турбина станции работать с аварийным оборудованием во время отключения электроэнергии. Этот тест требовал работы установки на пониженной мощности. В то время как мощность была снижена, власти Киева приказали операторам приостановить процесс. Обычный завод отключился, и Чернобыльская электростанция была необходима.
«Это была главная причина, по которой все это произошло в конце концов», - сказал де Гир.
Завод работал на частичной мощности в течение 9 часов. Когда операторы получили разрешение на отключение большей части остальной части пути, в реакторе скопился поглощающий нейтроны ксенон, и они не смогли поддерживать соответствующий уровень деления. Власть упала почти до нуля. Пытаясь повысить его, операторы удалили большинство управляющих стержней, которые сделаны из поглощающего нейтроны карбида бора и используются для замедления реакции деления. Операторы также сократили поток воды через реактор. Это усугубило проблему положительного коэффициента пустотности, по данным Агентства по ядерной энергии. Внезапно реакция стала очень интенсивной. В течение нескольких секунд мощность выросла в 100 раз по сравнению с тем, что реактор должен был выдержать.
Были и другие недостатки в дизайне, которые мешали вернуть ситуацию под контроль после ее начала. Например, по словам Де Гира, управляющие стержни были заправлены графитом. Когда операторы увидели, что реактор начал выходить из строя, и попытались опустить стержни управления, они застряли. Непосредственным эффектом было не замедление деления, а локальное его усиление, поскольку дополнительный графит на кончиках первоначально повышал эффективность реакции деления поблизости. Два взрыва быстро последовали. Ученые до сих пор спорят, что именно вызвало каждый взрыв. Оба они могли быть паровыми взрывами из-за быстрого повышения давления в циркуляционной системе, или один мог быть паром, а второй - взрывом водорода, вызванным химическими реакциями в разрушающемся реакторе. Основываясь на обнаружении изотопов ксенона в Череповце, в 230 милях (370 километрах) к северу от Москвы после взрыва, Де Геер считает, что первым взрывом была на самом деле струя ядерного газа, которая пролетела несколько километров в атмосферу.
Внесены изменения
Сразу после аварии в Советском Союзе было «очень нервирующее время», сказал Джонатан Куперсмит, историк технологии из Техасского университета A & M, который был в Москве в 1986 году. Сначала советские власти держали информацию в секрете; государственная пресса похоронила историю, и мельница слухов вступила во владение. Но далеко в Швеции Де Гир и его коллеги-ученые уже обнаружили необычные радиоактивные изотопы. Международное сообщество скоро узнает правду.
14 мая советский лидер Михаил Горбачев выступил по телевидению с речью, в которой рассказал о случившемся. Куперсмит рассказал Live Science, что это был переломный момент в советской истории.
«Это сделало гласность реальной», - сказал Куперсмит, имея в виду зарождающуюся политику прозрачности в Советском Союзе.
Это также открыло новую эру сотрудничества в области ядерной безопасности. В августе 1986 года Международное агентство по атомной энергии провело в Вене послеаварийный саммит, и советские ученые подошли к нему с беспрецедентным чувством открытости, сказал Де Гир, присутствовавший на нем.
«Было удивительно, как много они сказали нам», - сказал он.
Среди изменений в ответ на Чернобыль были модификации других действующих реакторов РБМК-1000, 17 в то время. По данным Всемирной ядерной ассоциации, которая продвигает ядерную энергетику, эти изменения включали добавление ингибиторов в активную зону для предотвращения побочных реакций на малой мощности, увеличение количества регулирующих стержней, используемых в работе, и увеличение обогащения топлива. Контрольные стержни также были модифицированы так, чтобы графит не перемещался в положение, которое увеличило бы реактивность.
Три других Чернобыльских реактора работали до 2000 года, но с тех пор закрылись, как и еще два РБМК в Литве, которые были закрыты по требованию этой страны, вступающей в Европейский Союз. В Курске работают четыре реактора РБМК, три в Смоленске и три в Санкт-Петербурге (четвертый был выведен на пенсию в декабре 2018 года).
Эти реакторы "не так хороши, как наши", сказал Де Гир, "но они лучше, чем были раньше".
«Существовали фундаментальные аспекты дизайна, которые нельзя было исправить, что бы они ни делали», - сказал Лайман. «Я бы не сказал, что им удалось повысить безопасность РБМК в целом до уровня, который можно ожидать от легководного реактора западного образца».
Кроме того, указал Де Гир, реакторы не были построены с системами полной локализации, как это видно в реакторах западного типа. Защитные системы - это щиты из свинца или стали, предназначенные для удержания радиоактивного газа или пара от выхода в атмосферу в случае аварии.
Недосмотр пропущен?
Несмотря на потенциально международные последствия аварии на АЭС, не существует обязывающего международного соглашения о том, что представляет собой «безопасную» АЭС, сказал Лайман.
По его словам, Конвенция о ядерной безопасности требует, чтобы страны были прозрачными в отношении своих мер безопасности, и допускает экспертную оценку установок, но нет никаких механизмов принуждения или санкций. Лайман сказал, что в отдельных странах есть свои собственные регулирующие органы, которые настолько независимы, насколько позволяют местные органы власти.
«Как вы можете ожидать, что любой независимый регулирующий орган сможет функционировать в странах, где наблюдается безудержная коррупция и отсутствие надлежащего управления?» Лиман сказал.
Хотя никто, кроме Советского Союза, не производил реакторы РБМК-1000, некоторые предлагаемые новые конструкции реакторов действительно имеют положительный коэффициент пустотности, сказал Лайман. Например, реакторы с быстрым размножением, которые представляют собой реакторы, которые вырабатывают больше делящегося материала при выработке энергии, имеют положительный коэффициент пустотности. Россия, Китай, Индия и Япония все построили такие реакторы, хотя Япония не работает и планируется вывести из эксплуатации, а Индия отстает на 10 лет от графика открытия. (В Канаде также есть реакторы с небольшими положительными коэффициентами пустот.)
«Дизайнеры утверждают, что если вы все учитываете, то в целом они безопасны, так что это не имеет большого значения», - сказал Лайман. Но дизайнеры не должны быть слишком самоуверенными в своих системах, сказал он.
«Именно такое мышление доставило Советам неприятности», - сказал он. «И это то, что может привести нас к беде, не уважая то, чего мы не знаем».
Примечание редактора: эта статья была обновлена, чтобы отметить, что большинство, но не все, стержней управления были удалены из реактора, а также отметить, что некоторые ранние реакторы в Соединенных Штатах также имели положительный коэффициент пустотности, хотя их конструктивные недостатки были исправлены ,
