Не все колонны-ячейки активной зоны содержат технологические каналы с ядерным топливом. Часть ячеек предназначена для размещения в них органов регулирования – стержней системы управления и защиты (СУЗ) реактора, выполненных из стали, куда добавлена присадка – бор, сильный поглотитель нейтронов. Но никак не из графита. Почему при описании поглощающих стержней в статьях про «реактор чернобыльского типа» нередко всплывает словосочетание «графитовые стержни», – об этом в конце.
Для размещения поглощающих стержней в графитовых колоннах также выполнены сквозные вертикальные тракты, и в этих трактах тоже установлены вертикальные трубчатые каналы из циркония. В первоначальной, дочернобыльской, версии проекта реактора РБМК эти каналы охлаждались потоком воды, заполнявшей все свободное сечение канала. Наличие воды создавало сопротивление движению стержней и снижало быстродействие аварийной защиты. Позже охлаждение стало выполняться пленкой воды, стекающей по внутренней стенке трубы. Регулирующие стержни разделены по выполняемой роли: часть из них действует от автоматических регуляторов мощности, часть – управляется с пульта вручную и часть – постоянно взведена над активной зоной и входит в активную зону по сигналу аварийной защиты.
Итак, активная зона реактора РБМК:
– занимает основной объем графитовой кладки и имеет форму, близкую к цилиндрической, с диаметром 12 м и высотой 7 м;
– выполнена из вертикальных колонн;
– в отверстиях большей части колонн установлены технологические каналы с ядерным топливом, и в меньшей части колонн – каналы со стержнями СУЗ;
– технологические каналы и каналы СУЗ образуют регулярную квадратную решетку с шагом 25 см.
Количество ячеек-колонн и во всей кладке, и в пределах активной зоны является постоянным для всех реакторов типа РБМК, но пропорция между числом технологических каналов и числом каналов СУЗ (и, соответственно, числом органов регулирования) по мере развития проекта несколько изменялась. Для реакторов РБМК 3-го и 4-го энергоблоков ЧАЭС проектом предусматривались 1661 технологический канал и 211 каналов СУЗ.
* * *
Как указал в своем докладе инспектор Госатомнадзора Александр Александрович Ядрихинский, для реактора РБМК-1000 был выбран такой шаг решетки, при котором достигалась наибольшая экономическая эффективность использования ядерного топлива – наибольшее количество энергии, получаемой с единицы массы топлива. И, что немаловажно, хороший баланс нейтронов позволял этот реактор использовать не как чисто энергетический, но и как двухцелевой – также для наработки оружейного плутония.
Почему реактор при этом оказался плохо управляемым, неустойчивым?
Для ответа на этот вопрос необходимо уточнить смысл понятия «коэффициент размножения». Если изначально коэффициент размножения рассматривался как величина, определяющая возможность либо невозможность осуществления цепной реакции в системе определенного состава и определенной геометрии, то для реактора, в котором реакция возможна, в котором она идет, коэффициент размножения определяет направление изменение числа нейтронов, а значит, – направление изменения мощности. Реактором управляют, изменяя коэффициент размножения. Делают его больше единицы – мощность реактора растет; делают меньше единицы – мощность падает; равным единице – мощность поддерживается на постоянном уровне. Поскольку управление мощностью реактора сводится к управлению отклонением коэффициента размножения от единицы, то для удобства введена величина, которая определяется как отклонение коэффициента размножения от единицы и которая названа реактивностью. Коэффициент размножения равен единице – реактивность равна нулю, коэффициент больше единицы – реактивность положительна, коэффициент меньше единицы – реактивность отрицательна. Так сложилось и в математике, и в инженерном деле, что любые величины удобнее сравнивать с нулем.
Коэффициент размножения – и реактивность – в реальных реакторах зависит не только от целенаправленно выполняемых управляющих воздействий, от перемещения поглощающих стержней, но и от изменений физических параметров, характеризующих состояний реактора и активной зоны. Изменение температур, плотностей, состава – все это может влиять на реактивность, то есть может приводить к изменениям мощности помимо наших решений и управляющих воздействий. Величина, на которую изменяется реактивность реактора при изменении того или иного физического параметра во всем возможном диапазоне, называется эффектом реактивности по данному параметру. Паровой эффект реактивности – это величина, на которую изменяется реактивность, если вода в реакторе полностью превратится в пар, т. е. если паросодержание изменится от 0 до 100 %.
Истинным паросодержанием называется доля площади проходного сечения, занятая паром. Если все проходное сечение занято водой, т. е. если пара нет, то истинное паросодержание равно нулю. Если сечение полностью занято паром – оно равно единице. Измеряют паросодержание как в долях единицы, так и в процентах. Полное обезвоживание проходного сечения и заполнение его паром означает, что паросодержание равно 100 %.
Если при вскипании или при обезвоживании реактора по любой другой причине реактивность возрастает – мы имеем положительный паровой эффект реактивности. Он означает, что будет увеличена реактивность. Увеличение реактивности приведет к увеличению тепловой, испаряющей мощности, и тем самым – за счет роста количества пара – к увеличению общей производительности реактора, его мощности в целом. Так начинается не просто повышение мощности, а повышение с нарастающей скоростью. Разгон.
* * *
Выполним вычислительный эксперимент – посчитаем коэффициент размножения реактора типа РБМК-1000 в зависимости от величины шага решетки, причем посчитаем для двух крайних состояний реактора – с технологическими каналами, полностью заполненными водой, и с обезвоженными, или, что то же самое, с запаренными каналами.
Пусть сначала шаг решетки равен минимально возможному – диаметру трубы технологического канала, т. е. 88 мм.
Рассмотрим самую простую по составу размножающую систему: когда она состоит из урана и графита, а вода отсутствует – свободное пространство между твэлами ничем не заполнено. Поглощение нейтронов в металле оболочек ТВЭЛ, в центральном несущем стержне и в трубе технологического канала при этом учитываем. Коэффициент размножения в этом случае оказался ≈ 0.005. Это много меньше единицы, и такое состояние реактора называется подкритическим и даже глубоко подкритическим (критическое состояние – коэффициент размножения равен единице). Самоподдерживающаяся цепная реакция деления в этом случае возникнуть не может.
Теперь при том же самом шаге решетки, т. е. при том же самом количестве графита, заполним водой свободное пространство технологического канала. Коэффициент размножения становится ≈ 0.985. Это тоже меньше единицы, тоже подкритика, но уже гораздо менее глубокая. Для канала, заполненного водой, при минимально возможном шаге решетки коэффициент размножения оказался почти в 200 раз больше, чем для обезвоженного канала.
