Разница между эти двумя крайними значениями в нашем случае 1.09 – 1.045 = 0.045.
Содержательный физический смысл этой разницы – отклик коэффициента размножения на изменение количества воды в объеме реактора. Если исходным состоянием реактора считать состояние с водой, то переход к состоянию «без воды» будет сопровождаться увеличением коэффициента размножения и, как следствие, – увеличением мощности.
Повторим еще раз цепочку разгона, описанную выше. Любое сколь угодно малое увеличение паросодержания – или, что то же самое, любое уменьшение количества воды – приводит к увеличению коэффициента размножения, к увеличению нейтронного потока и к увеличению тепловой мощности; увеличение тепловой мощности дополнительно увеличивает паросодержание, паросодержание увеличивает коэффициент размножения – и так далее. Запускается механизм положительной обратной связи, и мощность будет расти, пока этот рост не будет остановлен системой регулирования или аварийной защитой.
И точно так же реактор ведет себя при случайном уменьшении паросодержания – коэффициент размножения и следом за ним тепловая мощность начинают падать, пока это падение опять-таки не остановит система регулирования.
Так реактор РБМК-1000 в своем первозданном виде и работал: его мощность болтало от одной уставки
[15] до другой, автоматический регулятор срабатывал ежеминутно, а СИУР – старший инженер управления реактором – был весь в мыле.
Вспоминает Михаил Карраск, участник пуска 1-го энергоблока Ленинградской АЭС – самого первого энергоблока с реакторами РБМК:
«После того как прошли пусковые операции первого блока, мы столкнулись со сложной физикой реактора. … Реактор был нестабильный. Как-то в мою смену раздался звонок. На блочный щит зашли директор ЛАЭС Валентин Павлович Муравьев вместе с Ефимом Павловичем Славским – легендарным министром Средмаша. Мы поприветствовали друг друга, обменялись рукопожатиями, я представился и продолжил работу.
Муравьев и Славский наблюдали за моей работой молча. Я, сидя за пультом, чувствовал себя пианистом – пальцы так и бегали по кнопкам. Славский говорит: “Валентин Павлович, ситуация какая-то интересная. Старший инженер – сам по себе, автоматический регулятор – сам по себе. Что за машину мы создали?!” “Да, надо принимать меры”, – ответил ему директор.
Надо сказать, что все это понимали. Ведь нам приходилось работать вместе с автоматом. Каждые 20-30 секунд приходилось вмешиваться в работу реактора…»
[16].
4. Что произошло на 4-м энергоблоке
Если поглощающий стержень извлекается вверх из активной зоны, то на его место втягивается снизу т. н. вытеснитель – своего рода габаритный макет поглощающего стержня, имеющий алюминиевую оболочку и графитовое наполнение. Этот вытеснитель занимает собой объем канала, не давая охлаждающей воде заполнить канал и оставляя ей только тонкий зазор по стенкам. Применение вытеснителя было вызвано желанием улучшить размножающие свойства активной зоны, разместив в освободившемся канале графит и вытеснив воду, которая рассматривалась как поглотитель. В принципе, разумное решение, но характерной особенностью подобного вытеснителя являлось то, что он был короче поглощающего стержня, не перекрывал полную высоту активной зоны, – и выше и ниже вытеснителя оставались участки воды высотой по 1.25 м и больше. Когда поглощающий стержень начинает движение вниз из крайнего верхнего положения, то вытеснитель, идя вниз, в верхней части активной зоны освобождает место для поглощающего стержня, а в нижней части – сам занимает место водяного столба. Замена в нижней части активной зоны воды на графит, т. е. поглотителя нейтронов на замедлитель, улучшала размножающие свойства в нижней части реактора, что вызывало всплеск мощности. (По-видимому, существование наполненных графитом вытеснителей и породило у ряда авторов и у публики представление о том, что реактор управляется с помощью неких «графитовых стержней». Нет, реактор управляется с помощью стальных боросодержащих стержней.)
Вытеснитель в активной зоне при полностью извлеченном поглощающем стержне.
Это явление – кратковременное увеличение реактивности и мощности в нижней части реактора при начале движения полностью извлеченных управляющих стержней – получило название «концевого эффекта».
Подобный всплеск мощности неоднократно наблюдался на разных энергоблоках РБМК. Особенно тяжелые последствия он вызвал на Ленинградской АЭС 30 ноября 1975 года.
Концевой эффект на Чернобыльской АЭС, проявившийся в первые секунды хода стержней аварийной защиты, и вызванный им всплеск мощности в нижней части реактора спровоцировали заполнение паром технологических каналов по всей высоте активной зоны, увеличение коэффициента размножения и объемный рост мощности, с которым опускаемые стержни уже не справлялись.
5. Дочернобыльская авария и решения проблемы всплеска мощности
Положительный паровой эффект реактивности и его частное проявление – концевой эффект, всплеск мощности при начале работы аварийной защиты – выявились вскоре после пуска первого энергоблока с реактором РБМК-1000, состоявшегося 22 декабря 1973 года на Ленинградской АЭС.
Без малого через два года, 30 ноября 1975 года, на ЛАЭС произошла авария с разгерметизацией одного технологического канала и выходом активности в окружающую среду – в результате всплеска мощности при глушении реактора аварийной защитой. В ходе подъема мощности после кратковременной остановки реактор дважды пытался превысить допустимую скорость набора мощности, но останавливался действием защиты. По достижении 800 МВт тепловой мощности, т. е. трети от номинальной, последовал наброс мощности – в течение 10÷20 с реактор сам набрал дополнительно 100 МВт. После чего было принято решение глушить его – были опущены стержни автоматического регулирования и нажата кнопка «Аварийная защита-5». При начале хода стержней аварийной защиты последовал новый всплеск мощности, в результате которого оказались разгерметизированы несколько топливных сборок и один технологический канал.
Это был первый звонок. Последовавшая за ним попытка конструкторов укротить положительный всплеск реактивности была с физической точки зрения вполне обоснованной, но – не доведенной до конца.
Поскольку при выбранном шаге решетки вода выполняет роль поглотителя нейтронов, и поскольку броски реактивности и мощности вызваны колебаниями количества этого подвижного поглотителя, то нейтрализовать или хотя бы снизить этот эффект можно введением в активную зону поглотителя постоянно присутствующего. В качестве такового решено было использовать часть управляющих стержней. В регламенте записали: в зоне должно находиться не менее 15 стержней. Увеличение количества железа и бора в активной зоне компенсировали увеличением обогащения ядерного топлива.
