Предпосылки катастрофы

1. Положительный выбег реактивности в начале движения стержня из крайнего верхнего положения – дефект конструкции стержней СУЗ (см. рисунок 0: вытеснитель висит на «телескопе» посередине активной зоны, а конец поглощающей части стержня на 30 см выше верха активной зоны)

Глубокое снижение оперативного запаса реактивности (из-за высокого темпа отравления ксеноном в результате снижения мощности, после «самоглушения» и вывода реактора на мощность около 6%) привело к тому, что практически все стержни СУЗ оказались в верхнем положении.

Действие АЗ было неэффективным или даже способствовало взрыву.

2. Большой положительный эффект реактивности по паросодержанию – дефект выбора нейтронно-физической композиции активной зоны РБМК.

На мощности 6% вода в ТК реактора «находится на грани» кипения и любые небольшие изменения параметров, определающих условия вскипания/конденсации (недогрев, давление) приводят к резким изменениям плотности воды в ТК реактора.

Снижение недогрева до кипения теплоносителя на входе в ГЦН и активную зону из-за почти полного прекращения расхода питательной воды при большом общем расходе теплоносителя через КМПЦ незадолго до взрыва (см. рисунок 4) способствовало вскипанию воды в ТК реактора.

Сочетание большого парового эффекта и очень нестабильного теплофизического состояния воды в ТК реактора на низкой мощности сделали реактор крайне взрывоопасным

3. По программе испытаний мощность реактора следовало снизить до уровня 700-1000 МВт, стабилизировать режим энергоблока на этом уровне мощности, а перед началом выбега ТГ остановить реактор нажатием кнопки АЗ.

В действительности реактор не был остановлен перед началом выбега ТГ (роковая ошибка персонала).

Рисунок 0

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Последовательность событий с момента начала выбега ТГ:

- 1.23’04» – начало испытаний, начало падения частоты и напряжения питания электродвигателей ГЦН и ПЭН, запитанных от выбегающего ТГ;

- ~1.23’38,4» – 1.23’39,4» –начало срабатывания защит электродвигателей ГЦН по напряжению с задержкой 0.5-1.5 с;

- 1.23’39,9» – 1.23’40,6» (+1”):

· отключение четырех ГЦН и ПЭН, запитанных от выбегающего ТГ-8, срабатывание защиты по напряжению;

· закрываются обратные клапаны на напоре этих ГЦН, происходит кавитационный срыв подачи остальных ГЦН по перегрузке, возникают гидроудары, вибрация оборудования и строительных конструкций;

· слышен гул низкой частоты, грохот, ощущаются удары выше отметки +10 м: именно в нижней части активной зоны отсутствовали стержни-поглотители, здесь имел место наибольший рост плотности нейтронного потока, быстрее всего происходило разотравление (выгорание Xe-135) и росло энерговыделение, а при резком падении расхода или поступлении в ТК неравновесного пара еще до падения расхода происходил еще больший рост энерговыделения (положительный пустотный эффект);

· перегрев топлива, оболочек твэлов и труб ТК, разрушение труб ТК и выход теплоносителя в кладку;

· тепловое разрушение (расплавление, прожигание) юго-восточного квадранта нижней плиты (сх. ОР), потеря устойчивости опоры реактора (сх. С), обрыв всех труб ТК;

· возникновение нескомпенсированного действия сил давления и реакции струй – сил, превосходящих силу тяжести активной зоны с верхней плитой (сх. Е), обрыв трубопроводов ПВК и трубопроводов контура СУЗ, рушится кровля ЦЗ;

· полное прекращение поступления теплоносителя в ТК противотоком из БС и в каналы СУЗ из напорного бака, как следствие – рост реактивности за счет положительного пустотного эффекта, дожигания накопленных в активной зоне “ядов” и соответственно рост энерговыделения в топливе и конструкционных материалах активной зоны, который завершается разрушением активной зоны, поднявшейся под крышу шатра ЦЗ;

· рушится кровля машзала, многотонные фрагменты железобетонных строительных конструкций падают в ЦЗ, в шахту реактора, смятая обечайка (сх. КЖ) падает в середину ЦЗ, скафандр РЗМ проламывает потолочное перекрытие пультовой, верхняя плита (сх. Е) падает, почти полностью перекрывая шахту реактора;

- 1.23’46» – (не позже) отключение от системы электроснабжения выбегающего ТГ защитой по частоте;

- ~1.23’49» – исчезновение электропитания СН от сетевого трансформатора Т6;

- ~1.23’51» – включение аварийного питания, электрического освещения, дается команда на аварийное расхолаживание реактора, нажимается кнопка АЗ-5.

Такая последовательность событий может быть подвергнута более скрупулезному хронологическому анализу: несмотря на то, что по данным ВНИИЭМ, например, максимальное расхождение времени СЦК СКАЛА и Единого координатного времени составляет до ±2 с, есть временной репер, который позволяет выстроить показания различных систем регистрации в конкретный зафиксированный всеми приборами момент времени – момент отключения собственных нужд блока. Однако в любом случае более важным должно быть объяснение зафиксированных сигналов АЗ-5.

Первый сигнал – в 01.23'39» (по телетайпу) или 01.23'40» (по ДРЕГ). Появление сигнала сопровождалось всеми необходимыми при АЗ-5 действиями автоматики энергоблока, хотя причина его появления нигде не была зарегистрирована. Приблизительно в течение 1 с сигнал исчез и повторно был зарегистрирован в интервале от 01.23'41» до 01.23'43» уже с указанием причин: АЗМ и АЗСР, т.е. начался разгон реактора.

С учетом того, что вскоре после начала испытаний послышался гул и ощущалась вибрация здания, а автоматика аварийной защиты выполнена на электромеханических реле (герконы), то возможным объяснением появления первого сигнала АЗ-5 могло быть действие мощных вибраций, вызвавших мгновенное механическое замыкание и размыкание контактов в логической части АЗ, что было интерпретировано как формирование сигнала АЗ-5 со всеми последующими действиями, но без регистрации причины. Тем не менее, к этому времени создались условия для начала роста мощности, что и было зафиксировано регистрацией причин появления второго сигнала АЗ-5: АЗМ, АЗСР.

Сопоставление данных различных систем регистрации с другой информацией, полученной из эксплуатационных источников, позволяет сформировать хронологию технологических процессов на энергоблоке № 4 в период 25-26.04.86 (Таблица 1).

Таблица 1. Хронология технологического процесса на энергоблоке № 4 ЧАЭС 25-26.04.86

^(*) - неопределенность в регистрации момента времени различными системами может быть до 5 с.

Рисунок 5

Восстановление последовательности событий. Несмотря на то, что исследования аварийного энергоблока исчерпывающими считать нельзя, тот набор фактических данных о последствиях аварии, который удалось собрать, позволяет, - с некоторыми предположениями, данными регистрации параметров до момента ее прекращения, результатами математического моделирования первой фазы аварии, - сформировать описание последовательности событий разрушения реактора.

Зарегистрированные данные показаний ВРД в предаварийный период выявили существенную неравномерность в распределении мощности по половинам реактора.

В юго-восточном квадранте, где располагался максимум энерговыделения, в нижней части активной зоны происходит первое разрушение группы каналов, которое приводит к резкому росту давления в РП (рисунок 6а) и деформации кладки. В результате нагружения обечайки (схема КЖ) контактным усилием от кладки и давлением парогазовой смеси происходит разрушение обечайки (рисунок 6). Возросшим давлением в пространстве между обечайкой (КЖ) и баком биологической защиты (схема Л) разрушаются нижний и верхний компенсаторы у нижней и верхней плит. К объему РП подключаются объемы СЛА (через подреакторное помещение и обратные клапаны), объемы сепараторных боксов и ЦЗ. Это снижает темп роста давления в РП.

Процесс разрушения ТК охватывает весь юго-восточный квадрант активной зоны. Разрушающееся (диспергированное, испаряющееся) топливо подхватывается потоком теплоносителя (противотоком) из БС. Теперь каждый разрушенный в нижней части ТК работает как неоптимальный реактивный двигатель с твердой активной зоной гетерогенного типа цилиндрической формы с осевым течением потока рабочего тела (воды) [64] (или как плазмотрон) с температурой струи (плазмы) в несколько тысяч градусов [65]. Начинается разрушение нижней части конструкции. Происходит абляция графита,

Абляция, абляция (лат. ablatio — отнятие) — многозначный физический термин, обозначающий процесс уноса вещества с поверхности твёрдого тела под воздействием излучений и обтекающего потока горячего газа:

попавшего в поток высокотемпературного газа (плазмы), плавление и диспергирование расплава металла и засыпки нижней плиты (из минерального щебня и гали). Расплавы металла и засыпки, перемешиваясь, выбрасываются потоком в подреакторное и смежные с ним помещения, через клапаны в полу подреакторного помещения (рисунок 6в) расплав выбрасывается в парораспределительный коридор (скорость течения расплава с учетом закона сохранения энергии оценена как 5¸6 м/с). Высокотемпературными струями потока повреждается нижняя часть стенки бака, биологической защиты и южная опора (марка С-4). Расплавление более чем 1/4 нижней плиты (схемы ОР) сопровождается повреждением и потерей устойчивости опоры реактора (схемы С). Потеря устойчивости опоры, и движение вниз нижней плиты вызвало разрушение (отрыв) остальных ТК. После разрыва ТК давление над схемой ОР резко возросло, что, с одной стороны, ускорило ее опускание, с другой, привело к выбрасыванию из реакторной шахты всей активной зоны вместе с верхней плитой (схемой Е) и обечайкой (схемой КЖ), которая оторвалась от нижней плиты по нижнему гофру (рисунок 7). В то время как активная зона вместе с верхней плитой уходит вверх (рисунок 6г), скачок давления, возникший при отрыве оставшихся ТК, усиленный перегревом в активной зоне рабочего тела (по крайней мере, в ее юго-восточном квадранте), обрушился на подреакторное помещение и смежные с ним. Сотрясение здания воспринимается на БЩУ-О, находящемся на расстоянии ~25 м от помещения ВК, как взрыв (первый). Деформированы стены подреакторного помещения (южная стена проломлена), 2000-тонная ОР падает на бетонное перекрытие, но более 1600 “калачей” ВК демпфируют удар; ударная волна сотрясает железобетонную коробку южного ППБ, вызывая в нем деформацию продольных стальных балок.

Рисунок 6 – Последовательность событий при разрушении реактора

В результате несимметричного нагружения выталкивающими силами (в юго-восточном квадранте сила тяги была больше) верхняя плита (схема Е) вместе с кладкой, оторванными трубами, оставшемся на подвесках в ТК топливом и обечайкой КЖ поднялась, разрачиваясь (рисунок 6д) и обрывая ПВК, над уровнем пола ЦЗ, по меньшей мере, на 15 м (рисунок 6е), т.е. центр масс поднялся на высоту ~30 м. При обрыве всех верхних трубопроводов произошло полное обезвоживание активной зоны: исчезла вода не только в ТК, но и в каналах СУЗ. В результате дополнительного ввода положительной реактивности произошло испарение, диспергирование большей части оставшегося в активной зоне топлива (рисунок 6ж).

Рисунок 7 – Северо-восточная часть пом. 305/2. Опустившаяся на ~4 м нижняя плита (м/к сх. ОР).

	1 – ЛТСМ “сталагмит; 2 – м/к сх. КЖ; 3 – м/к сх. ОР; 4 – дно м/к сх. Л; 5 – смятая ударной волной облицовка стен;
		6 – щебень, высыпавшийся из межкомпенсаторного зазора между пом. 305/2 и 504/2; 7 – КОО; 8 – графитовый блок.

Произошел взрыв (если возникновение скачка давления в подреакторном помещении считать условно "первым" взрывом, то теперь - через несколько секунд после "первого" - произошел взрыв с центром под крышей ЦЗ), которым была окончательно разрушена активная зона, обечайка (схема КЖ) отброшена в направлении к восточной стене ЦЗ. Возникшей ударной волной и последующей волной разрежения, в основном было разрушено здание энергоблока. Резкое снижение давления в сепараторных помещениях, последовавшее за выбросом кладки с верхней плитой, вызвало деформацию стальной теплоизоляционной обшивки сепараторных помещений вовнутрь («отдирание» ее от стен) и выброс стеновых блоков сепараторных помещений в ЦЗ, три из которых упали в реакторную шахту. Часть топлива, оставшегося в твердой фазе, вместе с графитом, была выброшена в ЦЗ, на крышу 3-го блока, блока ВСРО и за пределы здания АЭС. Испарившееся и мелкодисперсное топливо было унесено в атмосферу на высоту до 7500 м [67, 68]. В ближней зоне ЧАЭС были обнаружены выпадения элементарной формы урана конденсационной природы [66].

При взрыве активной зоны массивная верхняя плита (сх. Е) экранировала западную стену ЦЗ, сохранив ее от полного разрушения. При последующем падении верхней плиты на реакторную шахту, она повисла на верхних трактах, перекрыв вместе с другими фрагментами строительных конструкций шахту реактора практически полностью (рисунок 6з).

Диспергированный графит кладки активной зоны в виде мелкой пыли, покрыл все здание 4-го энергоблока, внутренние поверхности помещений, промплощадку, здание АБК-2. Осаждение графитовой пыли было отмечено на расстоянии до 1-2 км от АЭС (например, в селе Копачи), и даже на расстоянии около 200 км (под Каневом).

После этого в пределах реакторной шахты никаких значимых событий не происходило. В нижних помещениях при избытке подаваемой воды происходило настолько интенсивное остывание и затвердевание расплавов, что они не успевали даже растечься. Поэтому расплавы и застыли вертикальными потоками. Возможно, происходили некоторые термохимические процессы, связанные с выделением горючих газов. В ЦЗ могли гореть горючие материалы (например, изоляция кабелей).

Таким образом, анализ технических аспектов аварии на ЧАЭС-4, изучение аварийного блока, экспериментальные и расчетные исследования аварийных процессов позволяют сделать следующие оценки.

Прежде всего, сама идея использования кинетической энергии ТГ для продления времени питания СН является привлекательной для повышения надежности и живучести АЭС. Однако, будучи исследовательской задачей, для своей реализации она требует соответствующей предварительной комплексной подготовки, учитывающей взаимодействие различных энергоемких систем. В этом смысле испытания в 1986 г. были не подготовленными, что отразилось и на качестве программы, и на качестве регистрации данных во время испытаний (полнота регистрируемых параметров, точность хронологии событий и синхронизации процессов должны предусматриваться до начала эксперимента). Для того чтобы аварийные защиты не препятствовали проведению испытаний, были отключены АЗММ, АЗСП, была введена блокировка АЗ по отключению одного из ТГ, была отключена система ЛАР, была заблокирована САОР и не была введена защита по снижению уровня воды в барабанах-сепараторах.

Более того, до начала испытаний было допущено важное по ядерно-физическим последствиям отклонение от условий программы: вместо проведения испытаний при понижении мощности реактора с номинальной до 700-1000 МВт с последующим заглушением реактора в начале испытаний, испытания были начаты при подъеме мощности с нуля до ~200 МВт сразу после самоглушения реактора. Причем заглушение реактора в начале испытаний не предполагалось. Реактор оказался приведенным во внерегламентное и не соответствующее программе испытаний состояние, при котором проявились слабые стороны конструкции (большой положительный паровой коэффициент реактивности, недостаточная эффективность аварийной защиты). После аварии эти слабые стороны были устранены на всех РБМК.

Среди катастрофических последствий аварии естественным образом затерялся положительный результат испытаний, который состоит в следующем: при той системе управления возбуждением, которая была на ТГ8, и при существующих уставках защит электродвигателей ГЦН по напряжению питающего тока выбег турбогенератора при обесточивании собственных нужд энергоблока позволяет продлить принудительную циркуляцию в КМПЦ с помощью ГЦН и ПЭН в течение 36 с. Этот временной интервал предназначен для запуска аварийного дизель-генератора и приёма им нагрузки электродвигателей насосов САОР.

После аварии был выполнен комплекс исследований по изучению проектных и запроектных аварийных процессов на РУ, что привело, в частности, к накоплению новых знаний и развитию представлений о развитии аварийных процессов. Была построена качественная физическая модель развития аварии, не противоречащая результатам наблюдений и полностью укладывающаяся в фактический исходный материал. Вместе с тем необходимо отметить, что вторая фаза аварии, связанная с разрушением, исследована существенно меньше первой и требует дальнейшего изучения.