После Чернобыля. Том 1

   Атом — это наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителсм его свойств. Атом состоит из ядра (положительно заряженные протоны и нейтроны), окруженного отрицательно заряженными электронами. Число электронов равно числу протонов в ядре. В ядре содержится почти вся масса атома. Осуществление цепной самоподдерживающейся ядерной реакции связано с жизнью нейтронов. Вообще, понятие “ядерная реакция” или “ядерное деление” означает превращение атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами или друг с другом и сопровождающееся изменением массы, заряда или энергетического состояния ядер.

    Расщепление ядра тяжелого атома сопровождается высвобождением нейтронов. И вызывается оно взаимодействием с нейтроном или другой элементарной частицей. В результате образуются более легкие ядра, новые нейтроны или другие элементарные частицы и, что для нас является в данном случае главным — выделяется энергия. При каждом делении атомного ядра высвобождается огромное количество — 200 МэВ (миллионов электрон-вольт) энергии.

    Поддержать цепную реакцию деления способен только один природный изотоп урана — уран-235. Но для этого масса его должна быть критической. Критичность зависит от многих факторов, например, состава топлива, замедлителя реакции, формы активной зоны реактора и др. В природе такого не случается.

    В атомном реакторе топливо заключают в систему, которую окружают материалом, улавливающим свободные нейтроны и возвращающим их обратно в активную зону. Создают и средства управления цепной реакцией с целью ее регулирования.

    Для поддержания цепной реакции (своего рода “горения”) требуется только один нейтрон. Избыточные либо поглощаются, либо производят новый делящийся материал, например, уран-236. Если же свободный нейтрон поглощается ураном-238,то образуется новое ядерное топливо — плутоний-239. По мере накопления он тоже начинает участвовать в реакции “горения”, производя около трети энергии в атомном реакторе. По сути, это смесь изотопов с массами 239, 240 и 241. Для изготовления ядерного оружия он не пригоден.

    Высвободившиеся из разбитого атомного ядра нейтроны разлетаются с большой скоростью (быстрые нейтроны). Они могут быть искусственно замедлены с помощью замедлителей — воды, графита, и др. Ядра атомов их поглощают, а затем сами делятся, высвобождая 2-3 новых нейтрона и так далее. Это — медленные, или тепловые, нейтроны, поскольку они находятся в тепловом равновесии с веществом замедлителя. Но в процессе деления одного ядра высвобождается 200 МэВ энергии, о которой мы уже говорили. Таблетка двуокиси урана массой не более 15 г выделяет столько же энергии, сколько сгорающие 0,6 куб. м. нефти.

   Таблетки топлива размером с наперсток упаковывают в герметичные трубки — тепловыделяющие элементы (твэлы), способные предотвратить утечку радионуклидов (изотопов). Из твэлов составляют тепловыделяющие сборки (ТВС), которые загружают в реакторную активную зону и выгружают из нее.

   Регулируют цепную реакцию, охлаждают активную зону и осуществляют радиационную защиту с помощью специальных устройств. Все они продублированы, то есть созданы многочисленные параллельные системы, способные в случае необходимости взаимозаменяться.

   Система управления и защиты реактора — основная часть этих средств. Как основной элемент она включает поглощающие стержни из бора и кадмия. Опуская их в реактор, цепную реакцию (и тепловыделение) замедляют или даже прекращают, если это необходимо; поднимая — активизируют. Таким образом, работу реактора поддерживают на необходимой мощности. Если возникающих нейтронов больше, чем поглощенных, то реактивность положительна, мощность реактора растет. Если меньше — реактивность отрицательна, мощность падает. Весь процесс описан очень упрощенно. В действительности активная зона реактора “живет” очень сложной жизнью. Операторы должны грамотно оценить не только состояние самого топлива, но также возникающие в разных участках аппарата физические поля, напряжения и т.п. и уметь ими управлять.

   Система охлаждения реактора отводит тепло из активной зоны, в том числе и остановленного реактора, который некоторое время остается нагретым. Охлаждающим теплоносителем могут служить вода, углекислый газ, гелий, натрий. Без них содержимое реактора может чрезмерно нагреться, а топливо — расплавиться. До чернобыльской аварии самой тяжелой из возможных у нас считалась потеря теплоносителя из-за разрыва самых крупных трубопроводов. Теплоноситель предназначен для переноса тепла из активной зоны реактора к турбине. Это единственный элемент, который постоянно присутствует как внутри, так и вне активной зоны реактора. Он сам становится радиоактивным, контактируя с активной зоной. Поэтому большинство систем энергетических реакторов имеет два и даже три циркуляционных контура. Тепло при этом передается ступенчато, и пар в турбине нерадиоактивен. Это в основном — наиболее распространенные реакторы типа ВВЭР (водо-водяные энергетические реакторы). РБМК (реактор большой мощности канальный), в том числе и чернобыльский, предусматривает одноконтурную замкнутую систему. Газ или водяной пар возвращается из турбины в реактор. У ВВЭР вода служит одновременно теплоносителем и замедлителем нейтронов. У РБМК вода — теплоноситель, а замедлителем служит размещенный между твэлами графит.

   Типов реакторов для АЭС — целая палитра. Каждый имеет свои преимущества и недостатки. В СССР с самого начала работа пошла по многим направлениям, включая и реакторы-размножители (бридеры). Их практический выбор определялся в основном экономическими и чисто техническими возможностями (например, РБМК можно изготавливать на некоторых машиностроительных заводах, а для производства корпусов ВВЭР необходимо специализированное предприятие типа “Атоммаша”, какового у нас поначалу не было). В 50-е годы в Центре атомных исследований (Харуэлл, Великобритания) было шутливой традицией утром изобрести реактор, а к обеду выдать проект. У нас и за рубежом более десятка типов аппаратов использовалось и используется для самых разных целей: производства электроэнергии и тепла, наработки оружейных ядерных материалов, радиоактивных изотопов разного промышленного и научного назначения, для приведения в действие ледоколов, подводных лодок, космических летающих аппаратов, для опреснения воды и др.

   Реактор типа РБМК-1000 (1000 МВт = 1 млн. кВт электрической мощности) размещен в бетонной шахте, покоящейся на железобетонной конструкции. Бетон одновременно служит средством биологической защиты и реакторным пространством, в котором размещается графитовая кладка. Кладка состоит из графитовых блоков с цилиндрическими отверстиями, собранных в колонны. В каждом из 1700 топливных каналов размещена кассета с двумя ТВС, каждая из которых состоит из 18 твэлов.

   Основное положительное качество канальных систем — возможность перегрузки топлива во время работы реактора; основной конструктивный материал — графит — относительно доступен. Первоначально среди преимуществ была возможность наработки оружейного плутония, она давно прекращена. Важнейший недостаток — в отсутствии защитной оболочки.

   Ядерная энергетика СССР (России) и мира, в том числе США начиналась на канальных реакторах: Первая АЭС мира в Обнинске, затем Ленинградская, Курская, Смоленская, Чернобыльская. На Чукотке подобные аппараты малой мощности (Билибинская АЭС) успешно используются для производства электроэнергии и тепла в регионе с суровым климатом.

   Трагическое сочетание конструктивных недостатков и нарушений режима эксплуатации привели к самой крупной в мире радиационной аварии на АЭС — Чернобыльской. Авария выявила ряд проблем, которые частью уже решены, некоторые требуют решения. В последние годы были выработаны и осуществлены технические решения, позволившие устранить на всех действующих энергоблоках недостатки их конструкции, наиболее существенно повлиявшие на возникновение, развитие и масштабы атрии.

   Физики не единодушны относительно будущего РБМК. По мнению специалистов, можно создать (и они создаются) водографитовые энергоблоки, обладающие повышенной безопасностью. В истории известны примеры “закрытия” даже целой отрасли из-за неудачного стечения конкретных обстоятельств, по сути никак не отражавших истинное состояние отрасли. Так, в СССР кончило свои дни воздухоплавание из-за катастроф на дирижаблях “Победа” и “Комсомольская правда”. В одном случае, полагаясь на действительную легкость управления, лихач пилот решил перед девушкой полетать в овраге и зацепился днищем о дерево. В другом — на летящем к челюскинцам дирижабле перед самым полетом сменили экипаж ради мерцавших “звездочек”. Недостаточно зная трассу, они врезались в гору.