Основные результаты исследований аварийного энергоблока.

Разрушение РУ. Проникновение в шахту реактора позволило исследователям перейти от гипотетических моделей о состоянии реактора после аварии к изучению действительного состояния активной зоны, металлоконструкций и систем реакторной установки [8,53].

Было установлено, что активная зона в шахте реактора отсутствует. Часть активной зоны (160-170 т графитовых блоков, фрагментов топливных каналов, ТВС [5, 33]) была обнаружена на кровлях здания 3-го блока и блока В, (Рис. 13.7, Рис. 13.8). Отдельные графитовые блоки и их фрагменты оказались на расстоянии более 150-250 м от шахты реактора на промплощадке, часть графитовой кладки оказалась в центральном зале 4-го блока, на верхних отметках бывшего вентцентра, на перекрытиях помещений барабанов-сепараторов. Там же были обнаружены фрагменты ТВС, твэлов. По номеру на нижнем концевике одной из ТВС, взятой с крыши 3-го блока, было установлено, что до аварии она находилась в юго-восточном квадранте активной зоны. Однако после аварии она оказалась не внизу, в подаппаратном помещении, а на крыше. Семь ТВС пришлось снимать с опорной конструкции венттрубы на отметке ~100 м, один ТВЭЛ был обнаружен за строившимся тогда пятым энергоблоком, у столовой, на расстоянии ~1600 м от шахты реактора, падение фрагментов активной зоны в пруд-охладитель на расстоянии ~1200 м от реактора было зафиксировано в момент аварии очевидцами, мелкие фрагменты активной зоны были найдены на расстоянии ~ 1200 м, за железной дорогой на северо-восток от энергоблока № 4 [34].

За время, пока шахта реактора была раскрыта, в нее успели упасть куски (~5х10х1,4 м) железобетонных стен, разделявших центральный зал и помещения БС, вместе со стальной облицовкой, фрагменты (~2х2х5 м) других железобетонных строительных конструкций. Стальная облицовка на фрагментах строительных конструкций сохранила окраску АС-8а (максимальная допустимая температура 300 ⁰С). Фрагменты железобетонных строительных конструкций стоят непосредственно на верхней поверхности стальных блоков тепловой защиты металлоконструкции схемы ОР (нижней плиты) (Рис. 13.9), которая во время аварии опустилась примерно на 4 м. Железобетонные конструкции, «заменившие» в шахте реактора активную зону, сохранили свою доаварийную прочность [35] и розовую окраску.

Исследования выбуренного керна этого бетона методами ЭПР показали, что он не нагревался более чем до 250 ⁰С (нижний предел возможностей метода) [35]. Поверхность (блоки тепловой защиты) схемы ОР доступна непосредственному наблюдению. На ней и на нескольких сохранившихся каналах охлаждения отражателяактивной зоны в северной части сохранились отдельные целые и колотые графитовые блоки (~20 шт.).

Северные БС

ЦЗ

Южные БС

Деаэраторная этажерка

САОР

Машзал

Рис. 13.7 Энергоблок № 4 ЧАЭС после аварии. Снимок с вертолета

Рис. 13.8 Фрагменты активной зон на крыше блока В. Процесс расчистки крыши.

Рис. 13.9 (ц). Реакторное пространство. Фрагменты графитовой кладки на нижней плите (сх. ОР) под наклонной железобетонной плитой

Из стальных блоков тепловой защиты северо-восточной части схемы ОР выступают концы трубопроводов наружным диаметром ~60 мм (предположительно ВК, труб ТК нет), а в юго-западном квадранте фрагменты труб топливных каналов, выходящих из блоков тепловой защиты, изогнуты в южном направлении под давлением железобетонных плит, свалившихся сверху, Рис. 13.10.

С верхней грани наклонно стоящей железобетонной плиты (с отметки ~24 м) стекал на компенсатор и застыл во время стекания в вертикальном положении поток (диаметром ~0,1 м) топливосодержащего силикатного расплава, Рис. 13.11.

Металлоконструкция обечайки активной зоны (схема КЖ) завершила свое движение в ЦЗ на расстоянии ~ 35 м от первоначального положения в шахте реактора. Металлоконструкция верхней плиты (схема Е) вместе с тепловой защитой, верхними трактами наращивания, каналами охлаждения отражателя после аварии оказалась стоящей на ребре в шахте реактора (с центром масс выше первоначального положения примерно на 5 м) и опирающейся на прижатые ею к металлоконструкции схемы Д железобетонные плиты стен помещений БС, Рис. 13.12.

Как было обнаружено при бурении исследовательских скважин, бак биологической защиты (схема Л) сохранил воду в пробуренных секциях, а внутренняя поверхность обечайки схемы Л, обращенная к бывшему реакторному пространству, имеет незначительные повреждения (вмятины, точечные оплавления), и только в самом низу бака (на отметке 16 м примерно по ряду Л) наблюдается прожег обечайки площадью ~0,5х0,5 м, от которого вверх на северо-восток поднимается трещина.

Юго-восточный квадрант металлоконструкции схемы ОР оказался расплавленным (Рис. 13.13), а на месте отсутствующей части нижней плиты стоит стальная колонна шатра центрального зала. Минеральный щебень и галь внутри металлоконструкции вблизи границы расплавления превратились в мелкозернистую гравийную массу с размером аблированных частиц ~1ё10 мм, насыщенную металлическими шариками размером от нескольких мкм до ~3 мм. При этом уцелевшие 3/4 обечайки металлоконструкции схемы ОР сохранили окраску (АС-8а) так же, как и её нижняя поверхность. Как бы в продолжении плоскости расплавления нижней плиты по оси 47, металлоконструкция С-4 прожжена на уровне между 13 и 14 м (по высоте - посередине доаварийного подреакторного помещения). Расплавлена стальная облицовка восточной тумбы опоры схемы Л, оплавлен бетон тумбы, причем ниже отметки ~ 11.5 м в тумбе выплавлен «грот», оплавлены (как бы отрезаны высокотемпературной струей) трубопроводы ВК, но рядом сохранилась краска. Резкая граница расплавленных или сожженных участков металлоконструкций и сохранившейся краски характерна для подреакторного помещения после аварии.

Рис. 13.10 (ц) Фрагмент взорвавшегося топливного канала, прижатый железобетонной плитой в юго-западном квадранте на нижней плите

Рис. 13.11 (ц) Затвердевший расплав на компенсаторе тепловых расширений нижней плиты (сх. ОР)

Рис. 13.12 Расположение верхней металлоконструкции (схема «Е») в шахте реактора

Рис. 13.13 План на отметке 9,0 м по осям и рядам с номерами помещений

1- обратные клапаны, разделяющие подреакторное помещение и парораспределительный коридор СЛА;

2- нижняя металлоконструкция (сх. ОР);

3- вертикально застывший поток ЛТСМ, сливавшийся с компенсатора на остаток обечайки (сх. КЖ);

4- предполагаемое расположение ЛТСМ на полу подреакторного помещения;

5- открыто лежащие ЛТСМ на полу в помещении КИП.

Расплавленные материалы нижней плиты, ВК, строительных конструкций, не успев переплавиться до однородности, не успев отсепарироваться по плотности (топливо-чугун-шлак), не успев растечься по полу ровным слоем, застывали даже в вертикальном положении, как бы налету, что говорит о высокой скорости охлаждения расплава и эффективности теплосъема, Рис. 13.14. Из ПРК лавообразные топливосодержащие массы по паросбросным трубам попали в воду бассейна-барботера, образовав при этом топливосодержащие пемзы с плотностью 0,14¸-0,18 т/м³, осевшие на поверхностях горизонтальных коллекторов отвода пара от ГПК, на высоте до ~ 1,2 м от пола (при спуске воды из барботера), Рис. 13.15,Рис. 13.16.

	Рис. 13.14 (ц) Часть вертикальной колонны затвердевшего расплава силикатных материалов		Рис. 13.15 ЛТСМ в ББ у паросбросного коллектора ГПК. Справа – струйные конденсационные устройства

Рис. 13.16 Затвердевшая струя расплава в ПРК на выходе из обратного клапана

Щебеночная засыпка межкомпенсаторного зазора была отброшена к южной стене и южным откатным воротам подреакторного помещения, образовав кучи с гребнем на отметке 12,5-13 м. Щебень куч на отметке ~11,5 м оплавлен, поверхность как бы остеклована. На поверхности этих куч оказались графитовые блоки со следами значительных высокотемпературных воздействий (абляции). Некоторые графитовые блоки оказались вбиты между трубопроводами ВК (на отметке ~13,5 м) так, что их было легче разрушить, чем вытащить (это значит, что они имели высокую скорость разлета), Рис. 13.17 ¸13.19.

Рис. 13.17 Юго-восточная часть пом. 305/2

1 – прожженная м/к марка С-4;

2 – погнутые трубы ВК;

3 – бетон 1986 г.;

4 – оплавленный щебень на границе разрушения м/к сх. ОР;

5 – графитовые блоки на щебеночной засыпке сх.ОР

и межкомпенсаторного зазора.

В юго-западной части подреакторного помещения, в сдвинутой с нижней плиты куче графитовых блоков (не более 3 % первоначальной кладки) вперемежку лежат целые, колотые и подвергнувшиеся высокотемпературному воздействию блоки (на этом основании можно заключить, что высокотемпературное воздействие на блоки было не там, где они лежат, а ранее, там, откуда они прилетели).

	Рис. 13.18 Графитовый блок и заполняющий стержень из бокового отражателя со следами абляции		Рис. 13.19 Отпиленный фрагмент графитового блока с увеличенным за счет абляции отверстием

В районе рядов Л-К по оси 47 (Рис. 13.13) сохранилась вертикальная, окрашенная часть металлоконструкции схемы С (опорный “крест”), однако чуть южнее бывшей активной зоны, как бы под отражателем, в районе рядов К-И не было обнаружено никаких следов схемы С, а также трубопроводов ВК, но окраска нижней поверхности м/к схемы ОР сохранилась. Рядом, в плоскости расплавления нижней плиты, были обнаружены фрагменты стальных труб (нижние тракты наращивания или трубы, проходящие сквозь м/к схемы ОР - окончательно не установлено), имеющие характерные, как бы струйные прожоги, Рис. 13.20.

Таким образом, многочисленные зафиксированные свидетельства указывают на то, что высокотемпературные процессы в подреакторном помещении были достаточно узконаправленными и быстротечными.

Рис. 13.20 Фрагменты стальных труб с прожогами стены

Вместе с тем, помимо последствий высокотемпературных процессов, зафиксированы факты ударных воздействий на конструкции. Скачки уплотнения (ударные волны), возникшие выше нижней плиты, отбросили щебеночную засыпку к южным откатным воротам, вбили графитовые блоки между трубами ВК, сломали стену между подреакторным помещением и помещением КИП на уровне пола (отм. 9,7 м), сорвали с направляющих южные и северные откатные ворота, смяли и прорвали (на опорах) металлическую облицовку стен подреакторного помещения, а также помещений ВК (Рис. 13.21), обрушили перекрытия между помещениями ВК и помещениями управления ЗРК на отметке 22,35 м и между помещениями управления ЗРК и помещениями панелей расходомеров ТИБР на отметке 26,6 м, сорвали металлоконструкции крепления подвесок ВК, деформировали трубопроводы ВК, (причем, если южные ВК были резко потянуты к оси реактора, то северные ВК сохранили доаварийную форму колен в помещении северных ВК и были как бы плавно потянуты в подреакторное помещение).

Рис. 13.21 Прижатая к стене и прорванная на опорах стальная облицовка в пом.404/4.

Тепловое повреждение покрытия (АС-8а) стальной облицовки стен ПРК однозначно указывает, что сначала обратные клапаны (расположенные непосредственно под расплавленной частью нижней плиты и выходящие в соответствующее помещение ПРК) вместе со стальной облицовкой потолка опустились примерно на 0,25-0,3 м, после чего горячий газовый поток, прошедший через клапан, выжег круг краски на стене. Простукиванием облицовки снизу и бурением горизонтальных исследовательских скважин (Ю.9.Б, З.9.К, З.9.68, З.9.Ч) [36] в теле бетонного перекрытия между ПРК и подреакторным помещением деструкцию (прожег, разлом) перекрытия достоверно установить не удалось. Если перекрытие и разрушено в какой-то мере, то, по-видимому, на небольшую глубину и на небольшой площади. Клапаны сыграли роль демпферов для ударных волн, а для расплавов послужили открытым шлюзом. Таким образом, состояние нижней плиты (схема ОР), северных и южных трубопроводов ВК, заполнение подреакторного помещения, проломы и прожоги строительных и металлоконструкций реактора существенно несимметричны: наиболее разрушительные, наиболее высокотемпературные процессы происходили в юго-восточной части реактора и подреакторного помещения. Эти наблюдения хорошо согласуются с результатами анализа энерговыделения в южной и северной половинах активной зоны.

Непосредственным наблюдением подтверждено, фото и видеосъемкой зафиксировано, что металлоконструкция схемы Э (днище монтажного зазора между бетонной шахтой реактора и баком биологической защиты (м/к.сх. Л)), несмотря на деформацию ее стальной облицовки под действием ударных волн, сохранила целостность, и гравийная засыпка монтажного зазора между внешней обечайкой верхней плиты (схема Е) и бетонной стеной шахты сохранилась в доаварийном положении.

Нет в шахте реактора и следов засыпки (свинца, песка и других минералов), которая производилась с вертолетов во время ликвидации последствий аварии.

Опустившись, верхняя плита (схема Е) перекрыла собой ~80 % проема шахты реактора. Остальную часть проема шахты перекрыли металлические колонны шатра центрального зала и другие строительные конструкции (Рис.13.22). Видимо, это одна из причин, почему сброшенная с вертолетов засыпка не попала в шахту реактора. Явным образом не нагружены сброшенными с вертолетов материалами и открытая поверхность верхней плиты (схема Е) и строительные конструкции, перекрывающие юго-восточную часть шахты реактора.

Рис. 13.22 Вид сверху на центральный зал с привязкой по осям и рядам

Ядерные материалы после аварии. После аварии ядерные материалы оказались распространенными по всем помещениям блока и за его пределами в виде фрагментов ТВС, топливной пыли, топливосодержащих расплавов, они попали также в воду бассейна-барботера, в масло, слитое в нижние помещения машинного зала. Принятые в ядерных производствах методы учета ядерных материалов оказалось невозможно применить в условиях аварийного энергоблока. Поэтому строгого, соответствующего нормативным требованиям, стандартного учета ядерных материалов для энергоблока № 4 не существует, и, соответственно, поэтому же невозможно использовать стандартные организационно-технические решения для обеспечения хранения и контроля ядерных материалов аварийного энергоблока [37]. Нельзя заменить конкретный учет ядерных материалов многолетней дискуссией и голосованием теоретиков и экспериментаторов [38]. Согласно данным, положенным в 1986г. в основу проекта "Укрытие" до начала исследований послеаварийного энергоблока, 95% топлива должны быть в шахте реактора, до 1% - в помещениях ВК, до 1% - в центральном зале и на промплощадке. Когда было достоверно установлено, что шахта реактора пуста и в помещениях ВК топлива нет, было принято допущение, что до 99,3% первоначальной загрузки топлива может быть в расплавах в нижних помещениях [39]. Согласно последующей корректировке было сделано предположение, что наиболее вероятное количество урана в лавообразных топливосодержащих массах (ЛТСМ) составляют 70¸150 т [40]. Очевидно, что неопределенность в 120-40 т урана дает серьезные основания для сомнений в принятой модели аварийных процессов. С точки зрения стандартного учета, хранения и контроля ядерных материалов необходимых достоверных данных о ядерных материалах энергоблока № 4 нет. Исследователи скоплений ЛТСМ экспериментальными методами установили формы и объемы скоплений, взяли пробы, и по результатам анализа пришли к выводу, что в ЛТСМ находится ~9-13% топлива загруженного в реактор [41-42]. Так как шахта реактора пуста и в помещениях ВК топлива нет, недостающее для баланса топливо следовало бы искать выше шахты реактора, прежде всего в ЦЗ и на территории за пределами энергоблока. Такое распределение топлива после аварии должно быть согласовано в модели развития аварийных процессов. Однако баланс ядерного топлива реактора ЧАЭС-4 внутри и снаружи до сих пор не сведен [38], и через много лет после аварии ЦЗ остается малоисследованной областью из-за своих больших размеров, загроможденности разрушенными строительными конструкциями, многотонным оборудованием, рухнувшем во время аварии, и, главным образом, из-за высоких уровней радиации. До сих пор в некоторых местах ЦЗ МЭД превышает 1000 Р/ч (вблизи фрагментов ТВС).

Разрушения строительных конструкций. В условиях объективных трудностей для исследователей разрушенного энергоблока (прежде всего из-за высоких уровней радиации), методы фото и видеообследования позволили дистанционно оценить разрушение крупногабаритных строительных конструкций, а в ряде случаев обследовать и мелкие детали. Как можно видеть на кадрах фото и видеосъемки, верхние части монолитных стен помещений барабанов-сепараторов раздвинуты, сломаны, наклонены вовне от середины ЦЗ и наклонены в некоторых местах до горизонтального положения (Рис. 13.22, 13.23). Южная стена помещения южных БС отклонилась в сторону деаэраторной этажерки и машзала, стены оказались в неустойчивом наклонном состоянии (до 12 град. от вертикали). Во время аварии связанные консольные балки, закрепленные горизонтально в стенах южного прочно-плотного бокса, были деформированы, получив прогибы ~0,3 м, (Рис. 13.24). Было установлено, что строительные конструкции СЛА, по существу, выдержали запроектную аварию, на которую не были рассчитаны.

Рис. 13.23 Разрушения в верхней части помещений БС.