Uirh: другие произведения.

Про реактор

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:
Литературные конкурсы на Litnet. Переходи и читай!
Конкурсы романов на Author.Today

Создай свою аудиокнигу за 3 000 р и заработай на ней
📕 Книги и стихи Surgebook на Android
Peклaмa
 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    О том почему атомные реакторы не взрываются, а вот Чернобыльский взял да и взорвался.


   ...Кормят, поят нас бермудью
   Про таинственный квадрат.
   Уважаемый редактор -
   Может лучше про реактор,
   Про любимый лунный трактор...
   В.Высоцкий
  
   Про реактор.
  
   Атомный, естественно. Это я ребятишкам рассказывал... А вообще это пример неполного понимания: обращаясь к разным людям с не просто высшим, а еще и специализированным физическим образованием (хотя и не к физикам-ядерщикам) я убедился что все они, точно так же как и я, не только не понимают (не задумывались) почему атомные реакторы не взрываются (а вот Чернобыльский - взорвался), но им (так же как и мне) и в голову не приходило с чего бы это они взрываться-то должны! Абыдно однако убеждаться в собственной глупости...
  
   Но сначала про атомную бомбу, ибо проще.
  
   Итак, всё, как известно, состоит из атомов. Атом состоит из ядра и крутящихся вокруг него электронов. (На Солнечную систему похоже - Солнышко и планеты вокруг него.) А ядро в свою очередь из частиц двух типов - протонов - заряженных, и нейтронов - нейтральных. Сколько у нас протонов, столько же и электронов. Их количество определяет сорт атома и выделенную для него ячейку в таблице Менделеева. Один протон - водород, два - гелий, три - литий, и так далее.
   Но сами по себе протоны вместе держаться не хотят - они ведь электрически заряженные - вот и отталкиваются. Вместе держатся если добавить к ним нейтронов. Тогда ничего. Вернее с одним количеством нейтронов держатся вместе сколько угодно, а с другим - всё равно разваливаются, хоть и не сразу. И почему так - непонятно.
   С точки зрения химии атомы с одним и тем же количеством протонов - одно и то же вещество. А то, что у них количество нейтронов разное... "Изотопами" называются - от слов "топос" - место и "изо" - одинаковый, т.к. все размещаются в одной и той же клеточке таблицы Менделеева.
   Если атом получился устойчивый - он существует вечно. (Если конечно в него какая ни будь элементарная частица не попадет.) А если неустойчивый - через некоторое время развалится. Но когда - неизвестно (может что и никогда). Тем не менее степень неустойчивости характеризуется "временем полураспада" - это такое время, в течении которого вероятность что данный атом распадется равна одной второй. А если атомов много - не двести, пятьсот, тысяча, а десять в какой ни будь тринадцатой степени, то за время полураспада и правда разваливается ровно половина атомов. (А за следующий такой период - половина оставшихся. А когда развалится последний атом? Может быть что и никогда, только вряд-ли. Можно ли подкидывая монетку, получить "решку" тысячу раз подряд? Конечно можно! Только до сиих пор никому не удавалось, разве что с помощью жульничества. А это не интересно, и потому не считается.)
   Неустойчивый атом разваливается и во все стороны летят осколки, способные повредить другие атомы, и потому, если их много, опасные для здоровья. Это и называется "радиоактивностью". Некоторые из осколков - бывшие в атоме электроны. Эти далеко не улетят - наткнутся на молекулы воздуха и всё. Некоторые - половинки развалившегося ядра - новые атомы, только поменьше. Эти вообще скорее всего не вылетят за пределы куска материала, где был распавшийся атом. Но есть среди осколков отдельные нейтроны, а так же гамма-кванты - частицы света, но с очень, чрезвычайно короткой длинной волны. От этих надо бы отгородится чем ни будь тяжелым. Свинцом например. Стенка из железобетона тоже подойдет. (Только её надо делать раза в четыре потолще чем из свинца.)
  
   Всё что я рассказал выше - в седьмом классе на химии проходят. А кто полюбопытнее - еще классе в пятом прочитал. Так что я просто напомнил (бывают ведь и нелюбопытные неучи.)
  
   Ну так вот: летит нейтрон и попадает в атом - что будет? А смотря какой атом.
   Некоторые атомы этот нейтрон захватывают и становятся на единичку тяжелее. Причем может получиться изотоп того же самого атома, а может атом с большим номером. (Нейтрон, он сам по себе неустойчивый - через несколько минут автономного существования разваливается на протон и электрон, и получается атом водорода.) А уж какой изотоп при этом получится, устойчивый или нет...
   А вот некоторые атомы, в которые попал нейтрон сразу разваливаются. И при этом среди осколков могут быть другие нейтроны, которые тоже имеют шанс попасть в другие такие же атомы, чтобы те тоже развалились, выдали нейтроны следующего поколения, и так далее - по цепочке. Всё это так и называется "цепная реакция". Эта самая цепная реакция - явление не слишком распространенное - её поддерживают только некоторые изотопы некоторых элементов. Самые известные среди них это уран-235 и плутоний-239.
   А еще многое зависит от того быстро летит этот нейтрон или медленно. У того же самого урана, нейтрон только что вылетевший из другого атома и потому имеющий околосветовую скорость, если попадает не точно по центру ядра - так и пролетает мимо. (Физики говорят, что мол маленький радиус захвата.) А вот медленно летящий нейтрон (успел по дороге отскочить от одного или нескольких атомов и потерять на этом большую часть скорости) в той же самой ситуации уверенно захватывается.
  
   Итак, имеем кусок урана-235, один атом развалился, из него вылетели то ли два, то ли три нейтрона. (В среднем 2.8 шт.) Спрашивается, попадет ли хоть один из них в другой такой же атом? А это зависит от размеров куска - чем он больше, тем больше вероятность. А еще - от его формы: ясно, что если раскатать в блин, то большая часть нейтронов, кроме тех что летят точно в плоскости блина, быстро вылетят за его пределы и уже ни в кого не попадут. От окружения тоже зависит. Если вокруг вещество, от атомов которого нейтрон может отскочить обратно (сталь, вода), то вероятность попасть в кого ни будь резко повышается.
   Ну так вот, если вероятность того, что хотя бы один нейтрон из развалившегося атома попадет в другой такой же атом равна единице - то масса такого куска вещества, поддерживающего цепную атомную реакцию называется "критической". Если масса меньше критической - цепная реакция затухает. Потому как даже если взять и запустить туда кучу нейтронов, то в каждом следующем поколении их будет меньше чем в предыдущем, пока реакция не затухнет совсем. А если масса больше критической - цепная реакция пойдет по нарастающей: в каждом поколении нейтронов становится больше чем в предыдущем, и эта лавина нейтронов нарастает до тех пор пока не развалятся все способные на это атомы.
  
   Ну так как же сделать атомную бомбу? Очень просто: взять два куска урана-235, масса каждого из которых чуть больше половины от критической (например в виде двух полусфер) и соединить их вместе. Сразу пойдет цепная реакция и произойдет атомный взрыв. Только соединять надо быстро. Обычно это делают с помощью порохового заряда. Критическая масса для урана-235 около пятидесяти килограмм. Это шарик около двадцати сантиметров диаметром.
   Второй вариант - с изменением формы. Скатать блин в шарик быстро не получится - не пластилин все-таки а металл. А вот обжать полый шар с помощью взрывной волны - вполне реально. Так обычно делают с плутонием.
  
   Основная сложность - получить чистый уран-235. В природном уране его менее одного процента. Основная часть - уран-238 - цепной реакции не поддерживает. (Зато нейтроны поглощает, превращаясь в плутоний-239.) А вот выделить нужный изотоп - адский труд! Химически изотопы не различаются, а физически - один тяжелее другого на три единицы на фоне 238 - чуть больше чем на один процент. Поэтому растворяем уран в кислоте и продавливаем раствор через пористую перегородку. Тот изотоп что полегче - продавливается немножко охотнее. В результате за перегородкой концентрация в растворе нужного нам изотопа на несколько сотых долей процента больше чем до. Повторить миллион раз.
   Как сделать атомную бомбу - еще до войны писали в учебнике радиохимии. Но чтобы её реально изготовить пришлось создать целую отрасль промышленности.
  
   А теперь наконец про реактор.
  
   Атомный реактор это фактически печка, в которой сгорает атомное топливо; выделившееся тепло превращает воду в пар, который крутит турбины и вырабатывает электроэнергию. А можно это тепло использовать для чего-то другого. Например для отопления квартир, в точности как и тепло от обычной котельной.
   В атомном реакторе ядерное топливо обычно рассредоточено мелкими порциями по большому объему - там ведь нужно просто нагревание теплоносителя до вполне умеренных температур, а не до состояния облака раскаленных газов как в бомбе. Оно загружается в реактор в составе "тепловыделяющих элементов" ТВЛ`ов, имеющих как правило вид стального цилиндра, внутри которого находится уран (в виде чистого металла или какого либо соединения), а так же нечто для поглощения продуктов его распада.
   Атомные реакторы бывают "на быстрых нейтронах" и на "медленных". Последних - большинство, так как сделать их гораздо проще. Реакторы на быстрых нейтронах нужны в основном для получения плутония из "бесполезного" урана-238 - быстрые нейтроны он захватывает, а медленные - нет.
   Активная зона реактора на медленных нейтронах состоит в основном из замедлителя - вещества отбирающего энергию (а значит и скорость) у нейтронов. Как правило это углерод или вода. Вода нейтроны еще и поглощает, ну значит просто поставим ТВЛы поближе друг к другу.
   Реактор такого типа, какой был в Чернобыле, представляет из себя большущий штабель углеродных кирпичей. В нем прорезаны вертикальные отверстия, в некоторые из которых вставлены ТВЛы; в некоторые - трубы, по которым прокачивается теплоноситель - обыкновенная вода. Во все остальные опускаются стержни, содержащее вещество хорошо поглощающее нейтроны (например бор). С их помощью и осуществляется управление работой реактора.
   Здесь еще надо упомянуть такой термин - "коэффициент размножения". Предположим в реактор запустили N1 штук нейтронов (или они вылетели из распавшихся атомов). Некоторые из них попали в атомы урана-235, остальные - нет. Атомы, в которых попали - распались, и в результате мы получили следующее поколение нейтронов в количестве N2 штук. Вот отношение N2/N1 это и есть коэффициент размножения. Если он больше единицы - реакция разгорается, если меньше - затухает. Сказать что масса больше или меньше критической как-то нехорошо - масса урана как раз и не изменяется, поэтому и говорят про коэффициент размножения. Ну так этот самый коэффициент и регулируют с помощью поглощающих стержней: задвинули их - коэффициент размножения уменьшился, вытащили - увеличился.
  
   До сиих пор я пересказал практически всё, что обычно пишут в на данную тему в научно-популярных книжках, и что любознательный школьник знает уже к четвертому-пятому классу. (Хотя за нынешних школьников уже не поручусь.)
   Достаточно ли этого для понимания физики работы реактора настолько, чтобы ответить (самому себе, разумеется) на поставленный в самом начале вопрос: почему это другие реакторы не взрываются, а вот Чернобыльский - взял да и взорвался?
  
  
   Ни фига не достаточно!
  
   Забегая вперед, скажу, что надо знать еще одну, на первый взгляд малосущественную вещь, которую нам почему-то никто никогда не говорил.
  
   Что не все нейтроны вылетают сразу. Некоторые (а таких около половины процента) вылетают с опозданием в среднем в десятые доли секунды. Времена по атомным меркам совершенно гигантские!
   Предположим, что осколок от деления урана, тоже неустойчивый изотоп с периодом полураспада от тысячных долей секунды до нескольких секунд. По истечении этого времени он разваливается и даёт этот самый "опоздавший" нейтрон. Обнаружено аж целых девять вариантов такого развития событий с разным временем запаздывания.
  
   Впрочем, давайте по-порядку - сначала разберем, почему это реактор должен взорваться?
   А вот почему: задумаемся, как часто меняются поколения нейтронов? Это время от того момента, когда нейтрон попал в ядро, до того как вылетевший из него нейтрон попал в следующее ядро. В атомной бомбе и в реакторе на быстрых нейтронах - примерно десять в восьмой поколений в секунду. В реакторе на медленных нейтронах - примерно десять в третьей степени поколений (из за существенно меньших скоростей при том же самом расстоянии между ТВЛами - порядка единиц метров).
   А теперь давайте предположим, что коэффициент размножения отличается от единицы всего на один процент. Предположим что время, за которое на реактор производится управляющее воздействие - задвигается или вытаскивается поглощающий стержень - порядка одной секунды. Ну и посчитаем во сколько раз в самом-самом лучшем случае (всего одна тысяча поколений нейтронов в секунду) изменится интенсивность реакции за время оказания управляющего воздействия? Для этого берем коэффициент размножения и умножаем на себя столько раз, сколько поколений. Получилось что даже в этом совершенно нереальном случае интенсивность реакции за это время изменится в двадцать тысяч раз. То есть мы просто не успеем ничего сделать: реакция либо затухнет до нуля, либо подскочит до интенсивности атомного взрыва.
  
   Вот тут и надо вспомнить, что не все нейтроны вылетают сразу, а пол процента запаздывает. Если держать коэффициент размножения таким чтобы он отличался от единицы не более чем на эти самые пол процента (что вполне реально), то получится любопытная вещь: общий коэффициент размножения больше единицы, а тот что на "мгновенных" нейтронах - меньше. Значит мгновенного разгона реактора или мгновенного затухания не происходит, а поколения нейтронов меняются как будто медленно - с интервалом, равным времени запаздывания.
   А в таком темпе мы вполне успеваем двигать стержни, даже если учитывать что они длиной метров по шесть. Надо только следить чтобы коэффициент размножения не вышел за эти самые критические пол процента.
  
   Вот собственно и всё. Осталось только сказать что же именно произошло в Чернобыле.
  
   Вот это самое и произошло - сделали коэффициент размножения на мгновенных нейтронах больше единицы. Реактор мгновенно разогнался, то есть произошел фактически атомный взрыв, разве что размазанный во времени и в пространстве: выделяемая мощность (да и нейтронный поток) скакнули раз в тысячу от номинального. ТВЛы расплавились, графит раскалился, трубы с водой полопались, активная зона реактора деформировалась. После чего взрыв сам собою кончился - коэффициент размножения изменился и реактор заглох. Далее вода из разорванных труб попала на раскаленный графит. Он отнял у воды кислород. Выделившийся водород вышел в реакторный зал, и с кислородом воздуха образовал гремучую смесь. Которая сразу же и взорвалась. И вот этот второй гораздо более мощный (но уже вполне химический) взрыв разрушил крышу и раскидал радиоактивные обломки реактора по окрестностям.
  
  
   А виновато во всём горбачевское "новое мЫшление".
   При плановой остановке реактора собирались произвести эксперимент по измерению величины выбега генератора.
   Дело тут вот в чем: чтобы рабочая зона реактора не перегрелась через неё надо постоянно прокачивать теплоноситель (обычную воду). А чтобы эту воду качать - электричество требуется. Его сам реактор и даёт. На всякий пожарный случай есть два автоматически запускающихся дизель-генератора - основной и резервный. Но они запускаются секунд тридцать. А в течении этого времени генератор энергоблока должен давать электричество крутясь по инерции, а так же за счет того, что рабочая зона реактора еще горячая. Это и есть выбег генератора.
   Операторы к эксперименту заранее подготовились. В частности заранее отключили защитное охлаждение. Только собрались реактор глушить - из Киева звонят - мол лепестричества мало - еще поработайте. Ну и поработали. Но вот настала ночь, народ повыключал телевизоры, потребление электроэнергии упало и энергоблок наконец отключили от сети.
   Тут операторы и взялись проводить свой эксперимент. В частности в качестве нагрузки для генератора включили дополнительные насосы - но нагретую воду стали гонять по кругу, никуда тепло не сбрасывая и холодной водички почти не добавляя. Ну и довели воду почти до кипения. И что-то у них там не заладилось: типа померить не успели, а реактор почти заглох.
   Вот тут "новое мЫшление" и сыграло! Надо было реактор глушить до конца и расходиться по домам.
   Дело в том, что на малых мощностях гонять реактор нельзя - надо либо разгонять либо глушить. Есть там такое пакостное явление, известное как "йодная яма" (она же ксеноновая): один из продуктов распада урана - ксенон, тоже радиоактивный с периодом полураспада 9 часов, превращается в радиоактивный изотоп йода (период полураспада 8 часов), имеющий неприятное свойство поглощать нейтроны и в тем самым менять коэффициент размножения. При номинальной мощности, когда поток нейтронов большой - он успевает выгорать, а на малых мощностях - нет, в результате накапливается. (Поэтому, в частности, пока он сам собою не распадется - двое трое суток после остановки реактор по-новой не запустишь.)
   Ага, реактор заглушим, а как же эксперимент!? Когда его теперь еще раз можно будет провести - при следующей плановой остановке, то есть еще через пол года?! (А то и через год!) А как же Ускорение и Перестройка (оба слова с большой буквы)!! В общем поразмыслив по-новому (т.е. вопреки всем инструкциям) операторы взялись реактор разгонять. Вытащили управляющие стержни, а он, собака такая, не раскочегаривается. Тогда они повытаскивали много поглощающих стержней (ну Ускорение-же) и мощность наконец-то пошла вверх.
   А надо сказать, что поглощающих стержней в реакторе - штук сто. В самом начале, когда загружено свежее топливо (а кормят реактор почти природным, слабо обогащенным ураном, чем и хорош) - почти все стержни задвинуты. По мере выгорания 235-го урана коэффициент размножения падает, и их постепенно вытаскивают чтобы поддерживать его на том же самом уровне. (Но наполовину вытащить нельзя - получится что в верхней и нижней части реактора коэффициент размножения разный. Потому их и много.)
   Рабочая зона реактора у них и так была перегретая, а тут еще мощность так резво полезла вверх, что народ за пультом испугался и нажал кнопку экстренного глушения реактора. (А если бы не нажал - секунды через две это сделала бы автоматика.) Тут оно и бабахнуло.
  
   Произошло вот что: вода была на грани закипания, так что в ней уже появились пузырьки пара. В результате плотность воды уменьшилась, её поглотительные свойства - тоже, и коэффициент размножения несколько увеличился - потому и мощность так резво полезла вверх. (Вода она и замедлитель нейтронов и поглотитель.) В этот момент была нажата кнопка, в результате чего поглощающие стержни пошли вниз с максимальной скоростью. (Фактически стали падать под действием собственного веса.) А дело в том, что под каждым таким стержнем висел стержень из графита - для контраста - чтобы реактор лучше реагировал на движение такого стержня. И вот когда в нижней части реактора, где в каналах по которым ходят стержни был воздух - теперь стал графит - замедлитель - коэффициент размножения еще немного увеличился. И превысил единицу для "мгновенных" нейтронов!
  
   В атомной котельной, которую строили в г.Горьком (а козёл Немцов сделал себе карьеру путем организации массового психоза для развала этого проекта) замедлитель - вода. Причем там её не надо перекачивать - движется за счет естественной конвекции - как в чайнике. Так вот - если не отбирать у неё тепло - закипать возьмется только через пол часа. (Ну это же не электростанция, а котельная; пар под большим давлением не нужен, все параметры существенно занижены.) Но уже при первых признаках закипания - появлении даже микроскопических пузырьков, замедляющие свойства падают быстрее чем поглощающие и реактор мгновенно глохнет. А в чернобыльском реакторе наоборот - между закипанием и коэффициентом размножения была не отрицательная обратная связь, а положительная. Но загнать реактор в этот режим было решительно невозможно! Однако самоубийцам-операторам удалось это сделать даже без кувалды и какой-то матери - с помощью одного только нового мЫшления.
  
  
   А дальше начался вообще цирк. Горбачёв, как будто это не СССР ядерная держава номер один, побежал за советами к американцам. Ну эти советчики-антисоветчики ему и насоветовали: засыпьте мол сверху разрушенный реактор песком со свинцовой крошкой. (И чего шапками закидать не предложили?) Наши как дураки последовали вумному совету и в результате первыми облучились вертолетчики - мешки то с песком с вертолётов пришлось сбрасывать.
   Дальше под слоем песка-теплоизолятора начала расти температура, стали образовываться газообразные продукты, радиоактивные естественно, и прорываться через слой песка в виде гейзеров. В результате выброс радиоактивных продуктов в атмосферу увеличился в десять (!) раз.
  
   В общем вся эта история - еще и пример того, как идеи, захватившие сознание масс, становятся материальной силой. А деструктивные идеи - силой разрушительной. Не пора ли авторов этих идей призвать к ответу, пока естественной смертью не окочурились?

 Ваша оценка:

Популярное на LitNet.com А.Найт, "Капкан для Ректора"(Любовное фэнтези) Д.Игнис "На острие гнева"(Боевое фэнтези) А.Найт "Наперегонки со смертью"(Боевик) Т.Май "Светлая для тёмного"(Любовное фэнтези) Т.Ильясов "Знамение. Вертиго"(Постапокалипсис) Д.Сугралинов "Дисгардиум 5. Священная война"(Боевое фэнтези) Д.Сугралинов "99 мир — 2. Север"(Боевая фантастика) В.Коломеец "Колонизация"(Боевик) Л.Лэй "Над Синим Небом"(Научная фантастика) В.Чернованова "Попала, или Жена для тирана - 2"(Любовное фэнтези)
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
Э.Бланк "Колечко для наследницы", Т.Пикулина, С.Пикулина "Семь миров.Импульс", С.Лысак "Наследник Барбароссы"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"