В среднем на одно распавшееся урановое ядро приходится два с половиной (ох уж эта квантовая статистика!) нейтрона. Если все они пойдут в дело, реакция разовьётся устрашающим темпом. Ведь от распада ядра до выделения и поглощения всех нейтронов проходит (опять же в среднем) примерно сотая доля секунды (этого, кстати, достаточно, чтобы автоматика успевала регулировать работу реактора). Значит, за секунду число распадающихся ядер вырастет примерно в шесть тысяч миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз. На самом деле стольких атомов урана не найдётся во всей обозримой Вселенной, а любой реально достижимый заряд выгорит меньше чем за полсекунды.

 

   Как бы то ни было, сокращать нейтронный поток несравненно легче, нежели наращивать. Из двух с половиной нейтронов, выделяющихся в одном акте деления, до следующего деления должен добираться ровно один — тогда реакция не будет ни разрастаться, ни затухать.

 

   У большинства реакторов возможности эти и впрямь немалы. Особенно велики они у самых распространённых реакторов — водо-водяных.

 

Быстрые и тепловые

   Распадается от нейтронного удара только уран-235. А из урана-238 плутоний-239 образуется так нескоро, что попавший в него нейтрон можно считать истраченным бесполезно. То есть, конечно, в дальнейшем плутоний-239 тоже распадётся от нейтрона. Но в центре реактора, способного таким способом размножать делящийся материал, приходится помещать активную зону, почти не содержащую урана-238, чтобы в этой зоне могла идти нормальная реакция. Весь уран-238 только окружает зону и перехватывает вылетающие из неё нейтроны. Управление таким реактором имеет свои сложности — слишком уж мало отличается он по режиму работы от ядерной бомбы. Перечисление всех инженерных хитростей, понадобившихся для его укрощения, заняло бы больше места, чем вся эта статья. Но все проблемы давно решены, и любые происшествия с размножителями много лет назад отошли в область легенд.

   К счастью, уран-238 жаден только к быстрым нейтронам, несущим в себе всю полученную при вылете из ядра энергию. Нейтроны медленные, чья энергия практически не отличается от энергии теплового движения самих атомов в реакторе, он почти не поглощает. Зато уран-235 одинаково охотно делится от нейтронов с любой энергией. Если нейтроны охладить, отняв у них основную часть энергии, они скорее всего пролетят мимо ядер урана-238 незамеченными. Конечно, «скорее всего» — не гарантия. Для реактора на тепловых нейтронах природный уран всё равно приходится обогащать. Но уже не до 50–60 % урана-235, а до коммерчески приемлемых 10–15 %. Высвобождающийся при ядерном разоружении высокообогащённый уран, чтобы использовать в реакторах на тепловых нейтронах, даже разбавляют ураном-238 до уровня низкообогащённого.

   Замедлить нейтроны не так уж сложно. Сталкиваясь с другими, не столь энергичными, частицами, нейтрон делится с ними энергией. И после нескольких столкновений его энергия уже равна энергии остальных частиц — энергии теплового движения.

   Обмен энергией тем эффективнее, чем ближе по массе сталкивающиеся частицы. Поэтому для замедления нейтроны пропускают через толщу сравнительно лёгких атомов. Наиболее эффективный замедлитель (с учётом дополнительных обстоятельств, анализ которых слишком объёмен для такой статьи) — дейтерий, водород-2, в ядрах которого с положенным водороду единственным протоном связан один нейтрон. Поэтому во многих исследовательских реакторах применяется тяжёлая вода — соединение кислорода не с обычным водородом, а с дейтерием. Но выделение дейтерия из массы водорода — удовольствие дорогое. В большинстве промышленных реакторов замедлителем служит обычная вода (в основном, конечно, входящий в неё водород-1 — кислород-16 слишком массивен для эффективного энергообмена с нейтронами) или очень удобный в качестве конструкционного материала — графита — углерод-12.

   В Чернобыле замедлитель графитовый. Такая конструкция удобнее. В частности, все урановые и регулирующие стержни размещаются в каналах внутри графитовых блоков, надёжно изолируясь друг от друга. Поэтому в РБМК можно менять отработанные ТВЭЛы и регулирующие стержни на ходу — остановки требуются только для серьёзного ремонта. И течение воды в узких каналах организовать легче. Недаром чернобыльские реакторы так и зовутся РБМК — реактор большой мощности канальный.

   Тепло из активной зоны большинства промышленных реакторов выносит вода — образующийся пар идёт на турбину. Поэтому самые распространённые реакторы, в которых эта же вода замедляет нейтроны, называют водо-водяными. Если такой реактор разогреется сверх меры, вода начнёт кипеть сильнее, в активной зоне её останется меньше, нейтроны будут замедляться слабее, больше их поглотит уран-238, и реакция сама собою ослабнет до прежнего уровня.

   Увы, графитовые РБМК таким саморегулированием не наделены. Более того, с началом кипения эффективность замедления в них даже несколько растёт. Ведь графит как замедлитель несколько эффективнее воды: в ней работает только водород, а кислород, составляющий почти 89 % общей массы, почти не тормозит нейтроны (разве что изредка их поглощает).

   Поэтому, кстати, РБМК работают даже на уране, обогащённом всего втрое — 2 % урана-235 вместо природных 0.7 %. Это колоссальный экономический выигрыш: основной расход в ядерной энергетике — именно обогащение урана. Ради экономии на обогащении топлива можно и не обращать внимания на такие пустяки, как положительная реактивность по пару — ведь в штатных условиях эксплуатации в положение, в котором она проявляется, попасть невозможно.

   Увы, на сей раз попали. Так что по мере разогрева реакция усиливалась.

Бикфордов хвост

   Наконец кто-то из эксплуатационников сообразил, что реактор выходит из-под контроля, и включил автоматику и аварийную защиту. Техника среагировала мгновенно: все выведенные из реактора регулирующие стержни дружно пошли вниз, в активную зону.

   Как бы велика активная зона ни была, какие-то нейтроны (хотя бы те, что выделились близко к её границам) из неё вылетают. Терять их не хочется — к чему снижать эффективность реакции? Да и выбрасывать в окружающее пространство мощное и трудно изолируемое излучение тоже нежелательно. Поэтому реактор окружён толстым слоем чистого замедлителя. Нейтроны после множества столкновений начинают двигаться случайным образом и обретают немалую вероятность возвращения в активную зону. Зато вероятность вылета из замедлителя наружу ничтожна.

   Высота активной зоны мощного реактора — несколько метров. Регулирующий стержень такой длины в мощном водяном потоке будет болтаться и может удариться о стенки канала, куда погружён. Чтобы такого не случилось, нижний его конец стараются зафиксировать. В РБМК этот конец просто погружён более чем на метр в толщу графитовой отражающей оболочки. И сам сделан из графита. Благодаря этому даже небольшой подъём стержня уменьшает количество поглотителя в реакторе — иначе пришлось бы ждать, пока весь конец выдвинется из оболочки. Да и дешевле графит, нежели поглощающий нейтроны сплав. А когда стержень выведен из реактора полностью, графитовый наконечник закрывает отверстие в верхнем слое оболочки, не давая нейтронам вылетать в зал.

   Но когда стержни пошли вниз, первыми оказались в активной зоне именно графитовые наконечники. Общее количество замедлителя резко возросло. Соответственно улучшилось замедление — и реакция начала разгоняться ещё интенсивнее. За те несколько секунд, которые нужны были для продвижения наконечников внутрь, реактор разогрелся настолько, что от температурных деформаций стержни заклинило. Поглощающая их часть в активную зону так и не попала.

Мгновенно

   Как уже не раз отмечалось, среднее время высвобождения средних двух с половиной нейтронов — примерно одна сотая секунды. Но эта средняя величина складывается из двух существенно разных компонент. Большинство нейтронов высвобождается почти мгновенно, непосредственно при разлёте осколков уранового ядра. А потом из некоторых осколков вываливаются дополнительные нейтроны. Естественно, первая волна нейтронов именуется мгновенной, а вторая — запаздывающей.

   Доля запаздывающих нейтронов в общем потоке невелика. Зато время их запаздывания очень существенно — несколько секунд. Отсюда и получается изрядное по ядерным меркам среднее время вылета.

   Пока ход реакции близок к равновесному, ключевую роль играют малейшие отклонения коэффициента размножения от единицы. Поэтому запаздывающие нейтроны заметно влияют на режим работы. Средняя по больнице температура оказывается вполне информативным показателем.

   Зато при высоком коэффициенте размножения запаздывающими нейтронами можно пренебречь — и без них хватает. Поэтому в ядерной бомбе удвоение нейтронного потока занимает не сотую, а чуть ли не миллионную долю секунды.

   Чернобыльский реактор под конец жизни, похоже, выбрался именно на такой режим. Шансов на срабатывание каких-то систем управления не осталось. Реактор за ничтожную долю секунды нагрелся до тысяч градусов.

Грязь навылет

   Чем больше в активной зоне веществ, не учтённых конструкторами, тем больше нейтронов поглощается без ощутимой пользы. Поэтому ядерная энергетика требует высочайшей чистоты. Разве что в полупроводниковом производстве примесей меньше.

   Вода в реакторе очищается настолько, что святой её называют только в шутку (святая вода куда грязнее). Поэтому даже в мощнейшем нейтронном потоке радиоактивных загрязнений в ней накапливается ничтожно мало. А ядра самих водорода и кислорода к нейтронам равнодушны. Так что довольно частые — к сожалению — аварийные выбросы пара заметной радиационной опасности не представляют. Тем более что в штатных режимах этот пар немедленно попадает в аварийные уловители. Но даже полный выброс из любого реактора всей находящейся в нём воды прямо в атмосферу несёт радиоактивности меньше, чем выбрасывается туда за год с дымом угольной электростанции сопоставимой мощности. Не зря популярные на заре ядерной энергетики двухконтурные схемы, в которых вода из реактора обогревала отдельный парогенератор, сменились одноконтурными, подающими пар из реактора прямо на турбину: протечки сквозь турбинные подшипники признаны совершенно безопасными.

   Хорошо очищен и реакторный графит. Даже если бы весь чернобыльский реактор, проработавший уже немало лет, сгорел — радиоактивное загрязнение окружающей среды было бы далеко не катастрофичным. Хотя, конечно, радости тоже не прибавилось бы.

   Основная радиоактивность накапливается непосредственно в самой урановой массе. Это осколки разделившихся урановых ядер и продукты дальнейшего распада этих осколков. Уже неоднократно помянутый йод-135 — один из самых безобидных компонентов этой дьявольской каши. Чего стоит, к примеру, йод-131 с периодом полураспада 8 дней! Вылетев из реактора, он за это время успеет в изрядных дозах накопиться во всех щитовидных железах, до которых долетит, и основательно покалечить нежную ткань, управляющую множеством процессов в организме. А средний период полураспада всей смеси — годы. Не зря отработанные ТВЭЛы несколько лет выдерживают в охлаждающих бассейнах и только потом пускают в химическую переработку. Некоторые отходы этой переработки приходится отправлять на выдержку в течение сотен лет. Их смешивают с бетоном или сплавляют со стеклом — но и тогда приходится искать для могильников надёжно изолированные места, чтобы вездесущая вода не вымыла из блоков ни капли радиоактивного яда.

   В самом же реакторе ТВЭЛы покрыты защитной оболочкой из циркониевого сплава. Плавится он примерно при 1800°C. То есть пока температура реактора не дойдёт до столь заоблачных высот, опасаться выброса действительно большой радиоактивности не приходится. Не зря даже крупнейшая до Чернобыля катастрофа — на Трёхмильном острове в США — окончилась лёгким испугом без прочих последствий.

   Увы, в РБМК собственных защитных механизмов, предотвращающих такой разогрев, не оказалось. А системы принудительного регулирования, как уже рассказано, оказались выведены из строя. И меньше чем через через секунду после заклинивания регулирующих стержней защитные оболочки ТВЭЛов расплавились. Выход радиоактивной грязи открылся.

Тепловой или ядерный

   О происшедшем в последующие секунды эксперты спорят до сих пор: можно ли считать происшедший взрыв ядерным, как в классических бомбах, или это всего лишь тепловой взрыв, подобный обычным происшествиям с паровыми котлами? Спор далеко не академический. От его исхода зависит многое в совершенствовании будущих конструкций реакторов.

   Лично мне кажется, что взрыв следует всё-таки классифицировать как тепловой. Конструкция РБМК явно не приспособлена к возникшим в конце бурных чернобыльских событий температурам и давлениям. Ядерную бомбу конструируют так, чтобы как можно больше урана вступило в реакцию до того, как нагрев и мощное излучение разнесут остатки заряда далеко в стороны. Здесь же внешняя оболочка лопнула и разлёт содержимого активной зоны начался задолго до того, как температура выросла до значений, обычных при ядерном взрыве. Да и мощность излучения не достигла уровня, необходимого для наведения значительной вторичной радиоактивности в окружающих реактор сооружениях.

   То есть до ядерного взрыва даже столь масштабная катастрофа не дотянула. Соседний третий блок не пострадал и работает до сих пор. Немалая часть конструкций машинного зала четвёртого блока уцелела — их пришлось потом специально обрушивать. И графит взорвавшегося реактора не испарился, как следовало бы при ядерном взрыве, а долго ещё горел.

   Впрочем, мало всё равно не показалось. Взрыв и последующий пожар вынесли в атмосферу немалую долю содержимого расплавленных ТВЭЛов, отравив радиоактивными отходами округу на десятки километров. А сплавленная масса остатков конструкции, включая непрореагировавший уран, всё ещё выделяет немало тепла и радиоактивного излучения. Так что защитный купол над обломками четвёртого блока ещё сотни лет будет необходим для нашей общей безопасности.

Чтобы не было мучительно больно

   Но от будущих взрывов нужна защита понадёжнее саркофага. Теперь, когда мы знаем, что случилось в Чернобыле, можно наконец разобраться: что сделано, чтобы второй подобный случай стал не просто маловероятен (пока не случился первый взрыв, его вероятность тоже казалась пренебрежимо малой), а в принципе невозможен?

   Уже понятно, что в реакторах с водяным замедлением до плавления оболочек ТВЭЛов дело заведомо не дойдёт: задолго до такой температуры вода испарится, замедление прекратится и реакция заглохнет. Безопасны и реакторы на быстрых нейтронах — правда, чтобы удостовериться в этом, надо прочесть во много раз больше, чем может вместить статья. Так что серьёзно менять пришлось лишь РБМК. Хотя, конечно, и на других реакторах некоторые защитные меры приняты.

   Прежде всего, разумеется, переделали системы управления регулирующими стержнями. Уже просто невозможно вывести из реактора опасное количество стержней на опасное расстояние. Взаимные блокировки не отключаются с пульта управления реактором. Извлекать стержни даже для замены и ремонта можно лишь поштучно.

   Аварийную автоматику на работающем реакторе отключит теперь разве что направленный взрыв — столько в неё введено дополнительных блокировок. Но в этом случае все регулирующие стержни немедленно и полностью погрузятся в реактор. Пусть даже что-нибудь в конструкции покоробится от слишком уж быстрого охлаждения — зато ни малейшей возможности выдернуть реактор из йодной ямы не остаётся. А при любых других обстоятельствах реактор разгоняется так медленно, что время на какие-то аварийные действия всегда найдётся.

   Заменены законцовки стержней. Вместо графита — удобного в штатных режимах, но опасного в аварийных — поставлена обычная реакторная конструкционная сталь. Эффективность отражения нейтронов несколько снизилась. Зато безопасность выросла многократно.

   Наконец, несколько изменена геометрия каналов. Заметно выросла доля воды в общем замедлении нейтронов. Теперь аварийное кипение воды уже не повышает, а снижает интенсивность замедления. Реакторы обрели автоматическую стабилизацию, ранее достигнутую в других типах реакторов. Теперь они наконец вполне безопасны.

   Правда, не знаю, рассверлены ли каналы уже действующих реакторов — теоретически это несложно, но тогда нужно работать на более обогащённом (с 2 % хотя бы до 2.4 %, что повышает цену топлива чуть ли не вдвое) уране. А строительство новых РБМК практически прекратилось. Но и без переделки каналов в ныне работающих РБМК изменено более чем достаточно, чтобы они не представляли ни малейшей угрозы.

Ложная тревога

   Так что закрытие Чернобыльской АЭС — лишь дань Украины страхам и предрассудкам европейцев. Дань, впрочем, выгодная: Запад выплатил Украине куда больше, чем она теряет от прекращения работы одной из лучших своих электростанций.

   А возмущённые вопли экологистов — всего лишь попытка обратить те же страхи и предрассудки в собственный политический капитал. Попытка небезуспешная: к сожалению, разбирающихся в поведении ядерных реакторов долго ещё будет куда меньше, чем опасающихся всего непонятного. Но реальной защиты человечеству эта имитация кипучей деятельности не прибавляет. Наоборот: слишком часто крича «Волки!», экологисты добьются разве что, что их перестанут слушать. И не услышат, даже если очередная опасность окажется реальной.