Гремучая смесь
Написав весной статью про причины аварии на 4 блоке Чернобыльской АЭС я с удивлением обнаружил, что есть вопрос, вызывающий яростные споры: природа взрыва, раскидавшего энергоблок по окрестностям: паровой взрыв (т.е. высвобождение энергии пара под давлением), взрыв водорода (накопившегося в контуре многократной принудительной циркуляции теплоносителя) и наконец ядерный взрыв - резкое повышение мощности ядерного энерговыделения в результате разгона на мгновенных нейтронах. Разумеется есть и другие версии, любой степени маргинальности, но важнейшие - эти.
Непонятно, откуда берется это упорство, и почему некоторым людям обязательно надо доказать окружающим, что взрыв ЧАЭС был не ядрным и никак иначе. Очевидно, что в ядерном реакторе нет других источников первичной энергии, чем цепная реакция ядерного деления, а все последующие явления - не более, чем трансформации этой энергии. Единственное важное отличие с точки зрения психологии в том, что водородный взрыв не требует разгона на мгновенных нейтронах и тем самым убирает вину в катастрофическом просчете с проектировщиков реактора, заменяя ее на просчётик поменьше.
Я решил, что будет полезно прикинуть физическую первооснову разных версий, что бы понять, имеем ли мы право сомневаться в ядерной природе взрыва, погубившего 4 энергоблок ЧАЭС 26.04.1986. Учитывая сложность протекающих процессов, и зависимость некоторых (например перемешивания водорода и воздуха) от сложной геометрии оборудования и строений, нужно найти такие физические явления, которые можно оценить как можно проще и надежнее.
Сейсмологические оценки показывают, что мощность взрыва, произошедшего в реакторном зале 4 блока в 01:22:49 лежала в диапазоне 100...250 тонн тротилового эквивалента, или ~400-1000 ГДж. Смеси водорода с воздухом взрываются, при этом энерговыделение таких взрывов весьма впечатляюще. Что бы соответствовать сейсмическому эквиваленту нужно всего 2,93-7,32 тонны водорода. С другой стороны - это десятки тысяч кубометров водорода, которые надо перемешать с воздухом. Уже здесь закрадывается подозрение, что авария на ЧАЭС протекала слишком скоротечно, для настоящего взрыва гремучей смеси.
Начало мая 1986 года, остатки реактора еще горят.
Откуда вообще мог взяться водород? Самый известный источник - это взаимодействие разогретого пара и циркония в оболочках твэлов и технологических каналов. 2 H2O + Zr = 2 H2 + ZrO2. При этой реакции выделятся тепло, поэтому она является саморазгоняющейся. Однако, ниже ~800 C темп реакции настолько мал, что им можно пренебречь.
Кроме пароциркониевой реакции, в расщеплении воды участвует напрямую ионизирующее излучение от ядерной реакции - радиолиз. Радиолиз зависит только от мощности реактора, и дает сразу гремучую смесь, темпом ~1 грамм водорода на 240 килоджоулей поглощенного водой излучения.
Наконец, при разрыве технологических каналов начинает работать классическая паровая конверсия графита - Ств + Н2О = СО + Н2 . Это очень производительная реакция, но она так же требует разогрева графита до температур выше 800 С. Рабочие температуры графитовой кладки - 500...700 С.
Итак, если мы резко повысим мощность реактора РБМК, все вышеперечисленные процессы оживут и начнут превращать водяной пар контура охлаждения в водород. Как мы помним, нам нужно порядка 3 тонн водорода или 150 тысяч молей. Слава богу, в интернете есть моделирование генерации водорода ровно нужной степени подробности, со следующими вводными
1. В результате нарушения циркуляции теплоносителя в контуре реактора произошло "запаривание" рабочих каналов. Момент начала "запаривания" принимаем за точку отсчета tо.
2. "Запаривание" повлекло за собой нарастание мощности реактора. При t < tо (т.е. до начала аварии) реактор имел тепловую мощность 200 МВт (около 6% от номинальной); за 2,5 -3 с реактор набрал полную мощность (3200 МВт).
3. В течение 2,5 - 3 с от начала аварии температура каналов поднялась от номинальной (573 К) до 1273 К и далее продолжала расти в первом приближении линейно со временем. Температура графита за время от to до 3 с оставалась постоянной и далее росла линейно с градиентом 10-30 К/с.
4. При повышении температуры рост давления пара в контуре привел к разрыву каналов: произошел "хлопок", пар пришел в соприкосновение с графи-товой кладкой.
5. Через 25-30 с после "хлопка" произошел взрыв, приведший к разрушению аппарата.
Пропуская сам расчет (он по ссылке), можно сказать, что за 25 секунд в модели наработалось примерно 2 тонны водорода (больше 95% - за счет пароциркониевой реакции) - слегка недостаточно, но учитывая грубость модели, приемлемо.
Выход водорода от пароциркониевой реакции при разогреве твэлов, потерявших охлаждение. К 30 секунде у нас уже 3 тонны водорода (150 тысяч молей).
Однако 25+ секунд работы на номинальной мощности перед взрывом в чернобыльской аварии не было. В 1:22:30 все записанные параметры реактора соответствовали ~норме для тепловой мощности 200 мегаватт, в 1:22:40 закончился эксперимент по выбегу и нажата кнопка аварийной защиты, в 1:22:43 начинает резко расти нейтронная мощность, затем в 1:22:45 давление (и другие параметры) теплоносителя, заканчивающееся разрушением датчиков (и реактора) в 1:22;49-50.
Давление в системе циркуляции воды в реакторе РБМК (справа). Видно, что заброс давления начинается на 43-45 секундах, а превышение безопасных уровней - 47-48. Дальше последует разрыв трубопровода, резкое вскипание и ядерный тепловой взрыв.
Получается, что аварийный процесс протекал не больше 7 секунд.
Можно ли было за эти 7 секунд произвести 3 тонны водорода, вынести их в центральный зал и подорвать? Скорость пароциркониевой реакции описывается уравнением, зависящим от температуры
dN/dt = 1,1.10-5*S(t)*kZr t , моль Н2 /с ,
где N - число молей водорода, S(t) - площадь циркония, контактирующего с водяным паром, равная для реактора РБМК-1000 1,2.108 см2 ; t - время в с. Значение константы скорости kZr принималось в соответствии с рекомендацией МАГАТЭ равным
kZr = 3,33.107 exp[-45500/RTк ] ,
Для того, что бы поднять скорость образования водорода в 10 раз, нам надо поднять среднюю температуру циркония в 1,4 раза от модельной, а мощность реактора - в 30 раз - до 90 гигаватт, в силу того, что тепло от урана к цирконию распространяется не мгновенно.
Такие скорости изменения возможны только при разгоне на мгновенных нейтронах, т.е. Доказывая водородную версию мы сходу подтверждаем недопустимые просчеты в конструкции РБМК.
Если ввод реактивности за счет вытеснителей поглощающих стержней и вскипания теплоносителя составил 2 бэтты, то энерговыделение РБМК по простейшей модели составит около 70 ГДж за секунду (с пиковой мощностью 200 ГВт), а затем реакция остановится из-за эффекта Доплера (уменьшение реактивности топлива при разогреве).
70 гигаджоулей - это почти 20 тонн тротила, которые несомненно раскидают часть реактора, но взрыв получается меньше, чем оцененный сейсмологами. Водорода при этом успеет наработаться совсем немного, - сотни кг.
А что если поддать жару и обеспечить ввод в течении первой полусекунды развития аварии 3-5 бета реактивности от вскипающего теплоносителя, то пиковая мощность реактора составит почти 8 тераватт, а энерговыделение ~тераджоуль или 250 тонн тротилового эквивалента - гораздо ближе к оценке мощности взрыва.
Весь аварийный процесс на мгновенных нейтронах при этом займет 2 секунды, за которые опять успеет образоваться всего несколько десятков кг водорода.
Разумеется, это иллюстрация, а не точное моделирование, но тем не менее оно показывает возможные режимы ядерного реактора, при которых могло бы выделиться достаточное количество водорода.
Промежуточные варианты с более медленным разгоном мощности дают не больше 1 тонны водорода. В любом случае на фоне выделения сотен гигаджоулей в ядерной реакции водород не играет никакой роли в развитии аварии.
Получается, что доказывая водородную версию мы видим, что нужно такое обострение мощности реактора, которое в силу его природы приводит к тепловому ядерному взрыву без всякого водорода. В конце концов, ядерная энергия урана в несколько миллионов раз превосходит энергию гремучей смеси, и может выделяться гораздо быстрее.
Более наглядная иллюстрация возможного роста мощности реактора во время вскрытия каналов охлаждения и ввода большой реактивности от вскипающей воды. Обратите внимание, что шкала мощности - логарифмическая!
Видимо, основным драйвером популярности взрыва водорода, как причины аварии, является психология - сложно смирится с фактом, что ядерный реактор может взорваться, как ядерная бомба, сложно и назвать тот взрыв ядерным при отсутствии знакомых внешних признаков (типа ядерного гриба или остекления поверхностей здания, как мне приводили аргументы). Был или не был ядерный взрыв, это в значительной степени вопрос терминологии. Однозначно можно сказать, что был неконтролируемый разгон реактора, а это тот же самый физический процесс, что и при взрыве атомной бомбы (сброшенной на Хиросиму в 1945 г.). Но эти два взрыва различаются на три порядка по масштабу выделенной энергии, времени, за которое она выделилась, температуре и давлению, которые при этом возникли. А такое огромное различие в масштабах приводит не только к количественному, но и качественному различию в характере, механизме протекания процесса и вызванных им. Всё это дает повод многим исследователям чернобыльской аварии говорить, что ядерного взрыва, как такового не было, а был тепловой взрыв ядерного происхождения. Такие взрывы, еще на три-четыре порядка меньшего масштаба, бывало происходили на исследовательских ядерных реакторах (и других ядерных объектах), и там получили это свое название. При таком малом масштабе явления, когда в ядерную реакцию вступает лишь ничтожная часть делящегося материала, эту ядерную реакцию можно просто считать внешним источником тепла для остального вещества, заполняющего объем, в котором она происходит.