О ЧАЭС доступным языком
Вдохновленная недавно опубликованным постом о том, КАК РАБОТАЕТ АТОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, я решила углубить свои знания атомной энергетики и заодно выяснить, что же произошло на самой известной в мире АЭС.
Черно́быльская атомная электростанция имени В. И. Ленина, ЧАЭС - остановленная первая украинская атомная электростанция, известная в связи с аварией, произошедшей 26 апреля 1986 года. Расположена в восточной части белорусско-украинского Полесья на севере Украины в 11 км от границы с Белоруссией, на берегу реки Припять, впадающей в Днепр. К западу от трехкилометровой санитарно-защитной зоны АЭС располагается покинутый город Припять, в 18 км к юго-востоку от станции находится бывший районный центр - покинутый город Чернобыль, в 110 км к югу - город Киев.
Первая очередь ЧАЭС (первый и второй энергоблоки с реакторами РБМК-1000) была построена в 1970-1977 годах, вторая очередь (третий и четвертый энергоблоки с аналогичными реакторами) была построена на этой же площадке к концу 1983 года. После страшной аварии АЭС, пробыв в эксплуатации еще 23 года и один день, 15 декабря 2000 года станция прекратила генерацию электроэнергии. В настоящее время ведутся работы по выводу из эксплуатации Чернобыльской АЭС и преобразованию разрушенного в результате аварии четвертого энергоблока в экологически безопасную систему.
Что же случилось 26 апреля 1986 года?
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нам следует разобраться с общим принципом работы атомной станции.
В первую очередь стоит отметить, что эти станции предназначены для выработки электроэнергии, о чем свидетельствует расшифровка аббревиатуры АЭС. Осуществляется это путем трех взаимных преобразований форм энергии: ядерная энергия переходит в тепловую, тепловая - в механическую, механическая - в электрическую.
Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:
(1) Активная зона с ядерным топливом и замедлителем;
(2) Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;
(3) Теплоноситель;
(4) Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;
(4) Радиационная защита;
(5) Система дистанционного управления.
(1) В активной зоне происходит непосредственно управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. В качестве топлива используют уран-235 или плутоний. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло. Замедлитель же используется для замедления быстрых нейтронов (и цепной реакции соответственно), чтобы легче было управлять реактором.
(2) Отражатель нейтронов служит для предотвращения утечки нейтронов в окружающую среду.
(3) Теплоноситель в реакторе выполняют одну из важнейших ролей: это вещество пропускается через активную зону реактора и выносит из неё тепло, выделяющееся в результате реакции деления ядер.
(4) и (5) представляли собой совокупность устройств, предназначенных для быстрого прекращения цепной ядерной реакции в активной зоне реактора. С последним пунктом все ясно.
При разработке ЧАЭС исследования технико-экономических показателей привели к выводу, что наиболее подходящим типом реактора послужит графито-водный. В нем в качестве замедлителя использовался графит, а в качестве теплоносителя - вода.
Картинка наглядно иллюстрирует взаимные превращения энергии: теплоноситель, то есть в нашем случае вода, подается насосами из конденсатора (condenser) по контрольным каналам (control rods) в активную область (reactor vessel), где под действием высокой температуры, полученной вследствие ядерной реакции, превращается в пар. Полученный при этом пар под высоким давлением подается на лопатки турбин (turbine) в машинном зале. Под действием своего давления пар приводит в движение лопасти турбин, которые в свою очередь вращают вал генератора (generator) электрической энергии. При вращении вала генератора вырабатывается электрический ток, напряжение которого повышается с помощью трансформатора для последующей доставки потребителям на большие расстояния по линиям электропередач. После того, как пар отдал свою энергию на вращение турбин, он подается в конденсатор (condenser), где охлаждается и в виде воды снова подается в парогенератор.
Разобравшись с принципом работы атомных станций можно вернуться к обсуждению возможных причин трагедии на станции.
На 25 апреля 1986 года была запланирована остановка 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС для очередного планово-предупредительного ремонта. Во время таких остановок обычно проводятся различные испытания оборудования, как регламентные, так и нестандартные, проводящиеся по отдельным программам. В этот раз целью одного из них было испытание так называемого режима «выбега ротора турбогенератора», предложенного генеральным проектировщиком (институтом Гидропроект) в качестве дополнительной системы аварийного электроснабжения.
В соответствии с программой испытаний, тепловая мощность реактора должна была быть снижена примерно до 20% и отключена система аварийного охлаждения реактора. После продолжительных манипуляций, направленных на снижение мощности реактора была достигнута мощность уровня менее 10%. С этой точки был начат эксперимент.
1:23:04 Начинается повышение мощности, не внушающее опасений.
1:23:39 Оператор подает сигнал аварийной защиты АЗ-5.
1:23:41 Повторный сигнал АЗ-5.
В следующие несколько секунд зарегистрированы различные сигналы, свидетельствующие о быстром росте мощности, затем регистрирующие системы вышли из строя.
По различным свидетельствам, произошло от одного до нескольких мощных ударов (большинство свидетелей указали на два мощных взрыва), и к 1:23:47-1:23:50 реактор был полностью разрушен. Здание энергоблока частично обрушилось, в различных помещениях и на крыше начался пожар, остатки активной зоны расплавились, смесь из расплавленного металла, песка, бетона и фрагментов топлива растеклась по подреакторным помещениям.
Причины аварии и расследование
Существуют по крайней мере два различных подхода к объяснению причин чернобыльской аварии, которые можно назвать официальными, а также несколько альтернативных версий разной степени достоверности.
Первая версия - Ошибки операторов
Государственная комиссия, сформированная в СССР для расследования причин катастрофы, возложила основную ответственность за неё на оперативный персонал и руководство ЧАЭС. Утверждалось, что авария явилась следствием маловероятного совпадения ряда нарушений правил и регламентов эксплуатационным персоналом, а катастрофические последствия приобрела из-за того, что реактор был приведён в нерегламентное состояние.
Грубые нарушения правил эксплуатации АЭС, совершённые её персоналом, согласно этой точке зрения, заключаются в следующем:
Вторая версия - Недостатки реактора
Реактор РБМК-1000 обладал рядом конструктивных недостатков и по состоянию на апрель 1986 года имел десятки нарушений и отступлений от действующих правил ядерной безопасности. Два из этих недостатков имели непосредственное отношение к причинам аварии. Это положительная обратная связь между мощностью и реактивностью, возникавшая при некоторых режимах эксплуатации реактора, и наличие так называемого концевого эффекта, проявлявшегося при определённых условиях эксплуатации.
Проще говоря, режим работы с пониженной мощностью реактора, которая имела место в тот день при испытаниях, способствовал росту мощности, который вызывал такие процессы в активной зоне, которые приводили к ещё большему ее росту. Это делало реактор нестабильным и ядерноопасным.
То же касается «Концевого эффекта», возникшего из-за неудачной конструкции стержней СУЗ (рабочего органа для управления реактором, поглощающего нейтроны), которые вместо своей прямой задачи - понижения в конечном счете мощности, в течение первых секунд погружения в активную зону - повышал.
Эти недостатки не были должным образом отражены в проектной и эксплуатационной документации, что во многом способствовало ошибочным действиям эксплуатационного персонала и созданию условий для аварии.
Альтернативные точки зрения
На данный момент существует множество точек зрения развития событий на станции. Но все они остаются лишь домыслами потому, что длительность процессов, приведших к аварии, составляла около 2-3 секунд, в то время как практически вся контролирующая аппаратура была рассчитана на более длительные процессы и не имела возможность зафиксировать столь быстрые изменения. При изучении причин аварии ученым приходилось руководствоваться данными этих приборов, а также сбивчивыми свидетельствами очевидцев, что ставит под сомнение все результаты исследований.
Еще одна достойная версия происшедшего изложена ЗДЕСЬ.
Черно́быльская атомная электростанция имени В. И. Ленина, ЧАЭС - остановленная первая украинская атомная электростанция, известная в связи с аварией, произошедшей 26 апреля 1986 года. Расположена в восточной части белорусско-украинского Полесья на севере Украины в 11 км от границы с Белоруссией, на берегу реки Припять, впадающей в Днепр. К западу от трехкилометровой санитарно-защитной зоны АЭС располагается покинутый город Припять, в 18 км к юго-востоку от станции находится бывший районный центр - покинутый город Чернобыль, в 110 км к югу - город Киев.
Первая очередь ЧАЭС (первый и второй энергоблоки с реакторами РБМК-1000) была построена в 1970-1977 годах, вторая очередь (третий и четвертый энергоблоки с аналогичными реакторами) была построена на этой же площадке к концу 1983 года. После страшной аварии АЭС, пробыв в эксплуатации еще 23 года и один день, 15 декабря 2000 года станция прекратила генерацию электроэнергии. В настоящее время ведутся работы по выводу из эксплуатации Чернобыльской АЭС и преобразованию разрушенного в результате аварии четвертого энергоблока в экологически безопасную систему.
Что же случилось 26 апреля 1986 года?
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нам следует разобраться с общим принципом работы атомной станции.
В первую очередь стоит отметить, что эти станции предназначены для выработки электроэнергии, о чем свидетельствует расшифровка аббревиатуры АЭС. Осуществляется это путем трех взаимных преобразований форм энергии: ядерная энергия переходит в тепловую, тепловая - в механическую, механическая - в электрическую.
Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:
(1) Активная зона с ядерным топливом и замедлителем;
(2) Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;
(3) Теплоноситель;
(4) Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;
(4) Радиационная защита;
(5) Система дистанционного управления.
(1) В активной зоне происходит непосредственно управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. В качестве топлива используют уран-235 или плутоний. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло. Замедлитель же используется для замедления быстрых нейтронов (и цепной реакции соответственно), чтобы легче было управлять реактором.
(2) Отражатель нейтронов служит для предотвращения утечки нейтронов в окружающую среду.
(3) Теплоноситель в реакторе выполняют одну из важнейших ролей: это вещество пропускается через активную зону реактора и выносит из неё тепло, выделяющееся в результате реакции деления ядер.
(4) и (5) представляли собой совокупность устройств, предназначенных для быстрого прекращения цепной ядерной реакции в активной зоне реактора. С последним пунктом все ясно.
При разработке ЧАЭС исследования технико-экономических показателей привели к выводу, что наиболее подходящим типом реактора послужит графито-водный. В нем в качестве замедлителя использовался графит, а в качестве теплоносителя - вода.
Картинка наглядно иллюстрирует взаимные превращения энергии: теплоноситель, то есть в нашем случае вода, подается насосами из конденсатора (condenser) по контрольным каналам (control rods) в активную область (reactor vessel), где под действием высокой температуры, полученной вследствие ядерной реакции, превращается в пар. Полученный при этом пар под высоким давлением подается на лопатки турбин (turbine) в машинном зале. Под действием своего давления пар приводит в движение лопасти турбин, которые в свою очередь вращают вал генератора (generator) электрической энергии. При вращении вала генератора вырабатывается электрический ток, напряжение которого повышается с помощью трансформатора для последующей доставки потребителям на большие расстояния по линиям электропередач. После того, как пар отдал свою энергию на вращение турбин, он подается в конденсатор (condenser), где охлаждается и в виде воды снова подается в парогенератор.
Разобравшись с принципом работы атомных станций можно вернуться к обсуждению возможных причин трагедии на станции.
На 25 апреля 1986 года была запланирована остановка 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС для очередного планово-предупредительного ремонта. Во время таких остановок обычно проводятся различные испытания оборудования, как регламентные, так и нестандартные, проводящиеся по отдельным программам. В этот раз целью одного из них было испытание так называемого режима «выбега ротора турбогенератора», предложенного генеральным проектировщиком (институтом Гидропроект) в качестве дополнительной системы аварийного электроснабжения.
В соответствии с программой испытаний, тепловая мощность реактора должна была быть снижена примерно до 20% и отключена система аварийного охлаждения реактора. После продолжительных манипуляций, направленных на снижение мощности реактора была достигнута мощность уровня менее 10%. С этой точки был начат эксперимент.
1:23:04 Начинается повышение мощности, не внушающее опасений.
1:23:39 Оператор подает сигнал аварийной защиты АЗ-5.
1:23:41 Повторный сигнал АЗ-5.
В следующие несколько секунд зарегистрированы различные сигналы, свидетельствующие о быстром росте мощности, затем регистрирующие системы вышли из строя.
По различным свидетельствам, произошло от одного до нескольких мощных ударов (большинство свидетелей указали на два мощных взрыва), и к 1:23:47-1:23:50 реактор был полностью разрушен. Здание энергоблока частично обрушилось, в различных помещениях и на крыше начался пожар, остатки активной зоны расплавились, смесь из расплавленного металла, песка, бетона и фрагментов топлива растеклась по подреакторным помещениям.
Причины аварии и расследование
Существуют по крайней мере два различных подхода к объяснению причин чернобыльской аварии, которые можно назвать официальными, а также несколько альтернативных версий разной степени достоверности.
Первая версия - Ошибки операторов
Государственная комиссия, сформированная в СССР для расследования причин катастрофы, возложила основную ответственность за неё на оперативный персонал и руководство ЧАЭС. Утверждалось, что авария явилась следствием маловероятного совпадения ряда нарушений правил и регламентов эксплуатационным персоналом, а катастрофические последствия приобрела из-за того, что реактор был приведён в нерегламентное состояние.
Грубые нарушения правил эксплуатации АЭС, совершённые её персоналом, согласно этой точке зрения, заключаются в следующем:
- проведение эксперимента «любой ценой», несмотря на изменение состояния реактора;
- вывод из работы исправных технологических защит, которые просто остановили бы реактор ещё до того, как он попал в опасный режим;
- замалчивание масштаба аварии в первые дни руководством ЧАЭС.
Вторая версия - Недостатки реактора
Реактор РБМК-1000 обладал рядом конструктивных недостатков и по состоянию на апрель 1986 года имел десятки нарушений и отступлений от действующих правил ядерной безопасности. Два из этих недостатков имели непосредственное отношение к причинам аварии. Это положительная обратная связь между мощностью и реактивностью, возникавшая при некоторых режимах эксплуатации реактора, и наличие так называемого концевого эффекта, проявлявшегося при определённых условиях эксплуатации.
Проще говоря, режим работы с пониженной мощностью реактора, которая имела место в тот день при испытаниях, способствовал росту мощности, который вызывал такие процессы в активной зоне, которые приводили к ещё большему ее росту. Это делало реактор нестабильным и ядерноопасным.
То же касается «Концевого эффекта», возникшего из-за неудачной конструкции стержней СУЗ (рабочего органа для управления реактором, поглощающего нейтроны), которые вместо своей прямой задачи - понижения в конечном счете мощности, в течение первых секунд погружения в активную зону - повышал.
Эти недостатки не были должным образом отражены в проектной и эксплуатационной документации, что во многом способствовало ошибочным действиям эксплуатационного персонала и созданию условий для аварии.
Альтернативные точки зрения
На данный момент существует множество точек зрения развития событий на станции. Но все они остаются лишь домыслами потому, что длительность процессов, приведших к аварии, составляла около 2-3 секунд, в то время как практически вся контролирующая аппаратура была рассчитана на более длительные процессы и не имела возможность зафиксировать столь быстрые изменения. При изучении причин аварии ученым приходилось руководствоваться данными этих приборов, а также сбивчивыми свидетельствами очевидцев, что ставит под сомнение все результаты исследований.
Еще одна достойная версия происшедшего изложена ЗДЕСЬ.