Примітка редакції: Ця історія була оновлена в понеділок, 10 червня, о 16:45. E.D.T.
У новому міні-секторі HBO "Чорнобиль" російські вчені розкривають причину вибуху в реакторі 4 на Чорнобильській АЕС, яка викидала радіоактивні матеріали по всій півночі Європи.
Після аварії на Чорнобильській АЕС цей реактор, конструкція під назвою RBMK-1000, виявилася в основному помилкою. І все ж досі в Росії працює 10 однотипних реакторів. Як ми можемо знати, чи безпечні вони?
Коротка відповідь - ми цього не робимо. Ці реактори були модифіковані, щоб зменшити ризик чергової катастрофи в чорнобильському стилі, зазначають експерти, але вони все ще не такі безпечні, як більшість реакторів західного типу. І немає міжнародних гарантій, які б перешкоджали будівництву нових заводів із подібними вадами.
"Існує ціла кількість різних типів реакторів, які зараз розглядаються в різних країнах, які суттєво відрізняються від стандартних світловодних реакторів. У багатьох з них є недоліки безпеки, які конструктори зневажають", - сказав Едвін Ліман, старший вчений та виконуючий обов'язки директора Проекту з ядерної безпеки в Спілці стурбованих вчених.
«Чим більше речей змінюється, - сказав Ліман Live Science, - тим більше вони залишаються тими ж».
Реактор 4
В центрі Чорнобильської катастрофи опинився реактор РБМК-1000, який використовувався лише в Радянському Союзі. Реактор відрізнявся від більшості ядерних реакторів легкої води, типовою конструкцією, що використовується в більшості західних країн. (Деякі ранні американські реактори на ділянці Ханфорд у штаті Вашингтон мали подібну конструкцію з подібними вадами, але були виправлені в середині 1960-х.)
Світловодні реактори складаються з великої посудини під тиском, що містить ядерний матеріал (серцевина), який охолоджується циркуляційним подачею води. При ядерному поділі атом (в даному випадку уран) розщеплюється, створюючи тепло і вільні нейтрони, які зліпуються в інші атоми, змушуючи їх розщеплюватися і виділяти тепло і більше нейтронів. Тепло перетворює циркулюючу воду в пару, яка потім перетворює турбіну, виробляючи електроенергію.
У реакторах з легкою водою вода також виступає в ролі модератора, який допомагає контролювати триваюче ядерне поділ в ядрі. Модератор уповільнює вільні нейрони, щоб вони швидше продовжували реакцію поділу, роблячи реакцію більш ефективною. Коли реактор нагрівається, більше води перетворюється на пару, і менше стає доступного для відігравання цієї ролі модератора. В результаті реакція поділу сповільнюється. Ця петля негативного зворотного зв’язку є ключовою характеристикою безпеки, яка допомагає уберегти реактори від перегріву.
RBMK-1000 відрізняється. Вода також використовувала воду як теплоносій, але з графітовими блоками як модератор. Варіанти конструкції реактора дозволили використовувати паливо з меншою мірою збагачене, ніж зазвичай, і заправляти його під час роботи. Але при розділенні ролей теплоносія та модератора цикл негативних зворотних зв'язків "більше пари, меншої реакційної здатності" був розірваний. Натомість реактори RBMK мають, що називається, "коефіцієнт позитивної порожнечі".
Коли реактор має позитивний коефіцієнт порожнечі, реакція поділу прискорюється, коли вода теплоносія перетворюється на пару, а не уповільнюється. Це тому, що кип'ятіння відкриває у воді бульбашки або порожнечі, що полегшує нейтронам прямувати до графітового модератора, що посилює поділ, - сказав Ларс-Ерік Де Гір, фізик-ядерник, який вийшов на пенсію зі Шведського агентства оборонних досліджень.
Звідти, він сказав Live Science, проблема виникає: розщеплення стає більш ефективним, реактор стає гарячішим, вода стає крутішою, ще ділення стає більш ефективною, і процес триває.
Підбіг до катастрофи
Коли Чорнобильський завод працював на повну потужність, це не було великою проблемою, сказав Лайман. При високих температурах уранове паливо, яке діє на реакцію поділу, має тенденцію поглинати більше нейтронів, роблячи його менш реакційноздатним.
При малій потужності реактори RBMK-1000 стають дуже нестабільними. Під час аварії на Чорнобильській АЕС 26 квітня 1986 року оператори проводили тест, щоб перевірити, чи може турбіна заводу працювати під час відключення електроенергії. Цей тест вимагав запуску установки зі зниженою потужністю. Поки потужність знижувалася, оператори наказали київським владним структурам призупинити процес. Звичайна установка вийшла з ладу, і Чорнобиль потребував генерації електроенергії.
"Це була дуже головна причина, чому все це відбулося врешті-решт", - сказав Де Геер.
Завод працював з частковою потужністю 9 годин. Коли оператори отримували потужність на більшій частині решти шляху, в реакторі відбулося накопичення ксенону, поглинаючого нейтрони, і вони не змогли підтримувати відповідний рівень поділу. Влада впала майже ні до чого. Намагаючись посилити його, оператори видалили більшість контрольних стрижнів, які виготовлені з нейтронопоглинаючого карбіду бору і використовуються для уповільнення реакції поділу. Оператори також зменшили потік води через реактор. Це посилило проблему позитивного коефіцієнта недійсності, повідомляє Агентство з ядерної енергії. Раптом реакція справді стала дуже напруженою. За лічені секунди потужність зросла в 100 разів, ніж реактор був розроблений.
Були й інші вади дизайну, які ускладнювали повернення ситуації під контроль, як тільки вона почалася. Наприклад, контрольні стрижні були накинуті графітом, говорить Де Геер. Коли оператори побачили, що реактор починає ходити по сірці і намагаються опустити контрольні стрижні, вони застрягли. Безпосереднім ефектом було не уповільнення ділення, а посилення його локально, оскільки додатковий графіт на кінчиках спочатку підвищував ефективність реакції поділу поблизу. Швидко пішли два вибухи. Вчені досі дискутують, що саме спричинило кожен вибух. Обидва вони могли бути паровими вибухами внаслідок швидкого підвищення тиску в циркуляційній системі, або один може бути паровим, а другий - вибухом водню, викликаним хімічними реакціями в несправному реакторі. Спираючись на виявлення ізотопів ксенону в Череповці, що знаходиться в 230 милях на північ від Москви після вибуху, Де Геер вважає, що перший вибух був насправді струменем ядерного газу, який вистрілив в кілометрах в атмосферу.
Внесені зміни
Безпосередні наслідки аварії були "дуже нестримуючим часом" у Радянському Союзі, сказав Джонатан Куперсміт, історик технології Техаського університету A&M, який перебував у Москві в 1986 році. Спочатку радянська влада зберігала інформацію близько; державна преса поховала цю історію, і млин перейняв слух. Але далеко в Швеції Де Геер та його колеги вчені вже виявляли незвичайні радіоактивні ізотопи. Міжнародне співтовариство незабаром дізнається правду.
14 травня радянський лідер Михайло Горбачов виступив з телевізійною промовою, в якій відкрив про те, що сталося. Куперсміт розповів Live Science про перелом у радянській історії.
"Це зробило голосність реальною", - сказав Куперсміт, маючи на увазі зароджувану політику прозорості в Радянському Союзі.
Він також відкрив нову еру в співпраці з питань ядерної безпеки. У серпні 1986 року Міжнародне агентство з атомної енергії провів у Відні саміт після аварій, і радянські вчені підходили до нього з безпрецедентним почуттям відкритості, заявив Де Геер, який взяв участь у ньому.
"Було дивно, скільки вони нам сказали", - сказав він.
Серед змін у відповідь на Чорнобиль були модифікації інших реакторів РБМК-1000, які працювали, на той час - 17. За даними Всесвітньої ядерної асоціації, яка сприяє ядерній енергетиці, ці зміни включали додавання до ядра інгібіторів для запобігання реакцій, що протікають з низькою потужністю, збільшення кількості контрольних стрижнів, що використовуються в роботі, та збільшення збагачення палива. Контрольні стрижні також були дооснащені, щоб графіт не переміщувався в положення, що збільшувало б реакційну здатність.
Інші три реактори Чорнобиля працювали до 2000 року, але з тих пір закрили, як і два ще РВМК у Литві, які були припинені як вимога вступу країни до Європейського Союзу. У Курську працюють чотири реактори РБМК, три у Смоленську та три у Петербурзі (четвертий був звільнений у грудні 2018 року).
"Ці реактори" не такі хороші, як у нас, - сказав Де Геер, - але вони кращі, ніж раніше ".
"Були фундаментальні аспекти дизайну, які не можна було виправити незалежно від того, що вони робили", - сказав Ліман. "Я б не сказав, що вони змогли підвищити загальну безпеку RBMK до рівня, якого ви очікували від реактора для легкої води західного типу".
Крім того, зауважив Де Геер, реактори не були побудовані з повноцінними системами утримання, як це спостерігається в реакторах західного типу. Системи утримання - це щити, виготовлені зі свинцю або сталі, призначені для утримання радіоактивного газу або пари від витоку в атмосферу у випадку аварії.
Нагляд недоглянуто?
Незважаючи на потенційно міжнародні наслідки аварії на атомній станції, не існує обов'язкової міжнародної угоди щодо того, що являє собою "безпечну" станцію, сказав Ліман.
За його словами, Конвенція про ядерну безпеку вимагає від країн бути прозорими щодо їх заходів безпеки та допускати експертний огляд рослин, але немає механізмів примусового виконання санкцій. Окремі країни мають власні регуляторні агенції, які є настільки ж незалежними, наскільки дозволяють органи місцевого самоврядування, сказав Ліман.
"У країнах, де лютується корупція та недостатньо належне управління, як ви можете розраховувати, що будь-яке незалежне регулююче агентство зможе функціонувати?" - сказав Ліман.
Хоча ніхто, окрім Радянського Союзу, не виготовляв реактори РБМК-1000, деякі запропоновані нові конструкції реакторів передбачають позитивний коефіцієнт порожнечі, сказав Ліман. Наприклад, реактори швидкого розведення, це реактори, які створюють більше ділючого матеріалу в міру створення енергії, мають позитивний коефіцієнт порожнечі. Росія, Китай, Індія та Японія створили такі реактори, хоча Японія не працює та планується до виведення з експлуатації, а Індія на 10 років відстає від графіку відкриття. (Також в Канаді працюють реактори з малими коефіцієнтами позитивної порожнечі.)
"Дизайнери стверджують, що якщо взяти до уваги все, в цілому вони безпечні, так що це не має великого значення", - сказав Ліман. Але дизайнери не повинні бути впевненими у своїх системах, сказав він.
"Таке мислення - це те, що в Раду потрапило в біду", - сказав він. "І саме це може ввести нас у біду, не поважаючи того, чого ми не знаємо".
Примітка редактора: Ця історія була оновлена, щоб відзначити, що більшість контрольних стрижнів, але не всі, були вилучені з реактора, і щоб відзначити, що деякі ранні реактори в США також мали позитивний коефіцієнт порожнечі, хоча їх конструктивні недоліки були виправлені .
