Що саме сталося на Чорнобильській АЕС

Аварія на Чорнобильській АЕС стала наймасштабнішою катастрофою за всю історію існування ядерної енергетики. До 2011 року, коли землетрус та цунамі спровокували аварію на японській АЕС "Фукусіма-1", чорнобильська катастрофа залишалася єдиною в історії, якій було надано максимальний сьомий рівень небезпеки.

Трохи теорії

"Серцем" АЕС є реактор - саме у його активній зоні відбувається ядерний розпад. Важкі ядра урану-235 розпадаються на ядра легших елементів, і це процес, крім виділення тепла, супроводжується вильотом вільних нейтронів - елементарних частинок, які, поруч із протонами, входять до складу атомних ядер. Стикаючись з ядрами урану-235, нейтрони стимулюють їхній розпад, при якому також виділяються нейтрони - цей каскад отримав назву ланцюгової реакції.

Якщо при розпаді ядер число нейтронів, що вилетіли, дорівнює числу нейтронів, що викликали поділ, то в реакторі весь час виділяється те саме кількість енергії. Якщо нейтронів утворюється більше - кількість енергії, що виділяється, зростає, а якщо менше - то падає. Для стабільної роботи АЕС необхідно, щоб реалізовувався перший із наведених вище варіантів. Якщо ж кількість вільних нейтронів, що утворюються при розподілі ядер, зростає, то рано чи пізно цей процес закінчиться вибухом.

При проходженні ланцюгової реакції кількість вільних нейтронів, за визначенням, згодом зростатиме. Щоб запобігти катастрофічного результату, інтенсивність реакцій розпаду в АЕС регулюється з допомогою про керуючих стрижнів, які містять матеріал, добре поглинає нейтрони (наприклад, кадмій чи бор). Коли кількість вільних нейтронів у реакторі стає небезпечноюбільшим, стрижні занурюють в активну зону, і кількість розпадів за одиницю часу зменшується.

Для того, щоб робота АЕС була безпечною, операторам необхідно брати до уваги ще один процес - так зване ксенонове отруєння реактора і падіння, що викликається в йодну яму. При розподілі ядер урану-235 внаслідок ланцюжка вторинних розпадів утворюється ізотоп ксенону-135, у ядрах якого ефективно "застряють" вільні нейтрони. Коли реактор активно працює, всі ядра ксенону-135, що утворюються, швидко насичуються нейтронами до максимуму - кажуть, що вони вигоряють. Крім того, частина ядер розпадається на ядра інших елементів. Якщо потужність роботи реактора низька, ксенон не встигає вигоряти і накопичується в активній зоні - це і є ксенонове отруєння.

При отруєнні реактора попередник ксенону-135 по ланцюжку розпадів – ізотоп йоду-135 – починає перетворюватися на ксенон із ще більшою активністю (це і є йодна яма). У такому стані реактор стає нестабільний і погано реагує на рухи стрижнів, що управляють, що може призвести до жалюгідних наслідків.

Ксенон-135 поглинає багато нейтронів, кількість ядер урану, що діляться, в одиницю часу залишається низьким, і для того, щоб підняти потужність реактора, необхідно висунути стрижні з активної зони. Якщо ксенону накопичилося досить багато, то при невеликій амплітуді руху стрижнів помітних змін у реакторі не відбудеться і може виникнути спокуса висунути їх сильніше.

У якийсь момент кількість ядерних розпадів досягає певного порогового значення, потужність реактора (а заодно і тепловиділення) зростають стрибком, і погасити цей процес швидким опусканням стрижнів вдається не завжди. Тому при ксеноновому отруєнні реактора йогонеобхідно повністю заглушити і дочекатися природних втрат ксенону - період його напіврозпаду дорівнює 9 годин. Коли реактор заглушений, турбіна не обертається та електрика не виробляється.

Хронологія

Спочатку планувалося, що експеримент пройде за потужності реактора від 700 до 1000 мегават, але, незважаючи на те, що довести реактор до цього значення не вдалося, персонал вирішив продовжити апробацію методики. Близько першої години ночі оператори для проведення необхідних тестів включили всі головні циркуляційні насоси (ГЦН) енергоблоку, за допомогою яких вода прокачується через реактор. Це навантаження виявилося надмірним - на роботу всіх насосів стало не вистачати води, в реакторі, що омивається величезними обсягами H2O, знизилося пароутворення, і автоматика повністю вивела керуючі стрижні з активної зони.

Побоюючись аварійної зупинки реактора та зриву експерименту, оператори відключили систему, яка глушить реактор при гранично низьких значеннях рівня води та тиску пари. Потужність реактора все одно залишалася низькою, і персонал о 01:19 вивів з активної зони стрижні ручного управління, які все ще знаходилися там. У результаті оператори втратили всіх важелів на систему. Співробітники ЧАЕС відключили частину насосів, але за зовнішньої стабільності роботи реактора прилади видали повідомлення, що він споживає нерозрахункову кількість води та (головне), що процеси в активній зоні практично неможливо регулювати ззовні (це називається низькою реактивністю). У подібних випадках інструкції з безпеки наказують негайно заглушити реактор, але оператори вирішили продовжити експеримент.

Більше того, щоб уникнути аварійної зупинки реактора під час проведення дослідів, оператори заблокували систему його відключення у разі припиненняподачі пари на другу турбіну, якщо раніше вже була вимкнена перша, що суворо заборонено. Одну з турбін передбачалося відключити для того, щоб протестувати методику, що вивчається. Після того, як це було зроблено, ГЦН різко знизили активність і потік води через активну зону також став менш інтенсивним. В результаті в реакторі почало зростати пароутворення.

Частина стрижнів, що управляють, автоматично почали всуватися в активну зону, але їх ємності було недостатньо для зниження потужності реактора. Так як подача пари на турбіну була відключена, вона оберталася все повільніше, і, відповідно, в реакторі скорочувалася кількість води, тому що вся H2O у системі є "загальною". О 01:23:40 начальник зміни наказав натиснути кнопку АЗ-5, яка змушує стрижні, що управляють, максимально швидко всуватися в активну зону.

Цей наказ став фатальним через так званий кінцевий ефект стрижнів. Речовина-поглинач займає не весь об'єм стрижня - у самому низу знаходиться витіснювач (у разі ЧАЕС це був графіт), який повинен "прибрати" воду з руху поглинача. При натисканні кнопки АЗ-5 першими до активної зони увійшли витіснячі, які як поршні виштовхнули звідти частину води. Пароутворення в реакторі ще підскочило, і стрижні зависли на шарі пари, так і не зануривши поглинач в активну зону. Оператори вдалися до останнього засобу та відключили електромагніти, які утримують стрижні на арматурі, але це не допомогло – пара була надто щільною. О 01:23:43 реактор "пішов урознос" (ще кілька аварійних систем встигли спрацювати, але всі вони давали команду АЗ-5), і о 01:23:44 стався тепловий вибух ядерної природи, який зруйнував активну зону реактора.

Цирконієва оболонка паливних стрижнів почала реагувати з парою, в результаті став виділятисяводень (так звана пароцирконієва реакція), що утворив з киснем повітря "гримучу суміш", яка о 01:23:46 вибухнула. З реактора зірвало важку бетонну кришку, яка злетіла у повітря і впала поряд із четвертим енергоблоком. В атмосферу було викинуто величезну кількість радіоактивних речовин із активної зони реактора, а "забруднені" розпечені уламки розкидало територією станції. Почалися численні пожежі. Перший пожежний розрахунок під командуванням лейтенанта Правіка виїхав до ЧАЕС о 01:30 і багато в чому завдяки його діям вдалося запобігти широкому поширенню вогню.

Хто винен

Відразу після аварії в СРСР було сформовано спеціальну комісію з розслідування причин події. Вона відновила хронологію подій та дійшла висновку, що причиною катастрофи стали дії операторів станції. Пізніше (але також у 1986 році) цю думку на підставі даних, наданих радянською стороною, підтримала експертна група МАГАТЕ під назвою INSAG (International Nuclear Safety Advisory Group – Консультативний комітет з питань ядерної безпеки).

В даний час більшість фахівців дотримуються саме такої точки зору. Аварія на ЧАЕС стала результатом необдуманих та безграмотних дій операторів, які послідовно робили все можливе, щоб привести ситуацію до катастрофи, але, по-перше, деякі їхні рішення, які зараз здаються шаленими, тоді не вважалися небезпечними (просто не було відповідних даних) та не були заборонені регламентом, а, по-друге, катастрофічний підсумок став можливим через недосконалість конструкції станції та системи її безпеки (зокрема, вони допускали повне відключення захисту).

Після Чорнобильської аварії у багатьох країнах було заморожено програмирозвитку атомної енергетики, але поступово така реакція відторгнення ослабла. Аналіз того, що сталося, дозволив фахівцям виявити багато недоліків реакторів та інших систем АЕС, які, як виявилося, можуть відіграти фатальну роль, і усунути їх при конструюванні нових типів реакторів.