Город, которого нет. Припять – путешествие в зону отчуждения - Артур Саримович Шигапов

– Вопрос простой.

– Вот только ответ не так прост.

– Разумеется. Вы считаете, что я слишком глуп, чтобы понять? Переформулирую: расскажите, как работает ядерный реактор, или я прикажу одному из солдат сбросить вас с вертолета.

(Разговор Щербины с Легасовым, сериал НВО «Чернобыль»)

Что такое атом? Это как крошечная Солнечная система, где по орбитам вокруг ядра крутятся электроны. А ядро состоит из еще более мелких частиц – протонов и нейтронов. Так вот, уран-235 – капризный атом, очень легко разваливающийся, по бильярдному принципу.

Представьте себе бильярдный стол. Когда вы бьете кием по одному шару (это будет нейтрон), он ударяет в другие шары (это ядра урана-235). Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, оно делится на две части и при этом «выстреливает» 2–3 новых нейтрона. Это как один бильярдный шар ударил в другой, и от него отскочили еще два-три шара, которые полетят дальше и ударят в новые шары. Такой процесс, когда каждый удар порождает новые удары, называется цепной реакцией деления. Он используется в атомных бомбах и на атомных электростанциях, но с разными целями.

Цель атомной бомбы – чтобы шары разлетелись как можно быстрее и ударили как можно больше других шаров, чтобы все бахнуло сразу. На атомной станции все по-другому. Их задача состоит в том, чтобы «бильярдный процесс» шел очень аккуратно и постоянно, как тикающие часы. То есть, чтобы в каждом следующем «ходе» участвовало ровно столько же «шаров», сколько в предыдущем.

Это как если бы вы хотели, чтобы в вашем костре всегда горело одинаковое пламя – не слишком сильное, чтобы не сжечь все вокруг, и не слишком слабое, чтобы не потухнуть. Вот это равновесие в реакторе описывает эффективный коэффициент размножения нейтронов. Если этот коэффициент равен единице – то есть каждый нейтрон вызывает ровно одно новое деление, – то реактор работает стабильно, как хорошо отрегулированный двигатель. Если он меньше единицы, «огонь» в реакторе затухает. А если больше – он начинает разгоняться, как машина, которая катится с горы и набирает скорость. Тогда реактор может просто взорваться от набора мощности и перегрева.

В ядерной энергетике вместо сложного «эффективного коэффициента размножения нейтронов» часто используют более простое понятие – реактивность. Представьте реактивность в виде педали газа в автомобиле. Когда она около нуля, реактор работает в стабильном режиме, как машина на круиз-контроле. Положительная реактивность – это когда вы жмете на газ, и реактор «разгоняется», увеличивая свою мощность. Отрицательная реактивность – это когда вы отпускаете газ или жмете на тормоз, и реактор глохнет, его мощность падает.

Теперь вернемся к нашим «бильярдным шарам» – нейтронам. При делении урана-235 их выделяется 2–3 штуки. Но нам для поддержания стабильной реакции нужен только один. Остальные остаются лишними. Причем нейтроны, которые только что «выстрелили», летят слишком быстро, как «смертоносные пули», по выражению академика Легасова из сериала НВО. Они плохо попадают в цель, то есть в ядра урана. Для точной стрельбы их нужно замедлить. Это как при бросках мяча в корзину: если делать это слишком сильно, он пролетит мимо. Нужно правильно рассчитать силу.

Для замедления нейтронов в реакторе используют специальные материалы, которые называются замедлителями. На Чернобыльской АЭС для этого применяли графитовые стержни, как в карандашах, только очень большие. Графит не поглощает нейтроны, а просто замедляет их, делая более «покладистыми» и увеличивая шансы попасть в ядро урана.

Количество нейтронов и скорость их замедления зависят от того, как работает реактор. Когда в нем свежее топливо (много урана), нейтронам легко найти цель, и «огонь» горит очень сильно, то есть реактивность высокая. Но по мере выгорания урана реактивность падает, процесс затухает. Поэтому нужно постоянно регулировать «количество шаров на нашем бильярдном столе».

Для этого в реакторе есть поглотители – вещества, которые как будто «ловят» лишние нейтроны и выводят их из игры. Представьте губку, которая впитывает воду. Стержни из таких поглотителей (например, борные или кадмиевые) можно вводить в реактор или выводить из него. Если «огонь» затухает (реактивность падает), стержни-поглотители вынимают, чтобы дать нейтронам больше свободы и увеличить реактивность. Если же реактивность повышается, то стержни-поглотители опускают в реактор, чтобы «погасить» лишние нейтроны и снизить активность.

Когда реактор только запускают, в нем очень много «свободных» нейтронов, поэтому туда вводят много таких стержней, чтобы «успокоить» реакцию. А потом по мере выгорания урана их потихоньку вытаскивают.

Практически все, что находится внутри реактора, хоть немного, но поглощает нейтроны. Даже вода, циркулирующая по реактору для его охлаждения. Специальные насосы – их называют главными циркуляционными насосами (ГЦН) – постоянно гоняют воду через реактор, словно огромный вентилятор, не дающий двигателю перегреться. Тепло, которое выделяет расщепленный уран, передается этой воде, а потом ее используют для выработки электричества.

Чернобыльские реакторы РБМК-1000 похожи на огромные вертикальные цилиндры. Внутри них, как карандаши в стакане, стоят стержни с ядерным топливом. Это и есть наш уран-235. Каждый такой «карандаш» окружен графитовыми блоками-замедлителями. А между ними есть специальные каналы, куда можно вводить и выводить стержни управления и защиты. Все это постоянно омывается водой, циркулирующей снизу вверх.

Вода в реакторе очень горячая, примерно 280 градусов Цельсия, но из-за огромного давления в 70 атмосфер не закипает полностью, а лишь частично превращается в пар. Эта смесь потом поднимается в специальные «бочки», барабаны-сепараторы. Там пар отделяется от воды: первый идет на турбины, которые крутятся и вырабатывают электричество, а вторая возвращается обратно в реактор, чтобы охлаждать его дальше.

Пар после турбин тоже остывает, превращается обратно в воду и снова отправляется в барабан-сепаратор с помощью насосов. Так реактор не перегревается, и все идет по кругу.

Когда реактор работает на небольшой мощности, вода будет холоднее. Когда на полной – горячее. А значит, и количество пара и воды в системе охлаждения будет меняться. И вот тут начинается самое интересное про воду. Она влияет на нейтроны по-разному. С одной стороны, поглощает нейтроны, как наша губка, уменьшая «огонь». С другой стороны, она их замедляет, как наш графит, и наоборот, разгоняет. Какая из этих функций будет главнее, зависит от устройства реактора. В РБМК-1000 вода служит еще и дополнительным поглотителем нейтронов. Не самое удачное решение, как оказалось.

Представьте, что реактор начал разгоняться – реактивность стала больше нуля. Это значит, что «огонь» горит все сильнее, температура в реакторе и воды в системе охлаждения начинает расти. А что происходит с водой, когда она сильно нагревается? Она превращается в пар! Больше пара – меньше плотность воды. А раз воды меньше, то и поглощает