Реактор

Часть 2

Автор: Александр Старостин

Эта часть и без меня понятна атомщикам, но я как гуманитарий очень старался определить простым языком несколько важных терминов, понимание которых необходимо в дальнейшем. Плюс внутри ещё парочка вводных, которые позволят углубиться в понимание процессов, которые привели к аварии на ЧАЭС. Ну и расскажу в двух словах о программе рокового эксперимента.

Несколько важных терминов

При разговоре об авариях на реакторах РБМК часто упоминается ряд профессиональных терминов, которые ни о чём не говорят человеку, далёкому как минимум от ядерной физики. Однако без их понимания невозможно и объяснение произошедшего в 1975 (!!) и 1986 годах выше уровня обывателя.

Итак, первый термин реактивность. Реактивность это величина, характеризующая поведение цепной реакции. Попросту говоря, это степень отклонения реактора от его критического состояния. При реактивности равной нулю реакция идёт с постоянной скоростью (критическое состояние), при реактивности большей нуля реакция ускоряется (надкритическое состояние), а при реактивности меньшей нуля замедляется (подкритическое состояние). Выражаться она, будучи безразмерной величиной, может в различных относительных и условных единицах, чаще всего в процентах.

С реактивностью связано ещё несколько важных терминов оперативный запас реактивности (ОЗР), паровой и мощностной коэффициенты реактивности (ПКР и МКР), а также йодная яма. Для начала определимся с ОЗР.

Итак, при выводе из активной зоны реактора стержней управления и защиты реакция начинает развиваться, высвобождается некая положительная реактивность, то есть, попросту говоря, энергия. Если из реактора вывести сразу все стержни, то высвободившаяся при этом величина положительной реактивности называется общим запасом реактивности. При работе реактора на постоянной мощности изменения реактивности должны нарастать медленно, однако на деле это не так вследствие быстрого развития ряда процессов. Поэтому необходимо, чтобы хотя бы какую-то часть общего запаса реактивности операторы реактора могли контролировать. Собственно говоря, эта часть, компенсируемая подвижными поглотителями нейтронов, и называетсяоперативным запасом реактивности (ОЗР).

ОЗР тоже безразмерная величина, однако для удобства работы её могут измерять в неких условных единицах. В нашем случае (так принято делать в работе с реакторами РБМК) такой величиной является эффективное количество полностью погруженных стержней ручного регулирования системы управления и защиты. Выраженный в стержнях ОЗР показывает запас, имеющийся у оператора для увеличения мощности, то есть, грубо говоря, количество стержней, которое можно вывести из активной зоны. Однако тут нужно понимать, что ОЗР в стержнях показатель относительный, потому что если вывести половину стержней наполовину, а вторую половину на четверть, то результат может равняться, например, 15 выведенным полностью стержням, в то время как остальные полностью введены (значения взяты с потолка, в реальности они абсолютно иные прим. А.С.). Для реакторов благоприятным является низкий ОЗР. Во-первых, снижается количество поглощённых нейтронов, которые можно было бы использовать для производства энергии. Во-вторых, при низком ОЗР уменьшается вносимая за раз при случайном (или специальном) извлечении стержня СУЗ положительная реактивность, что не позволяет реактору мгновенно развить очень высокую мощность.

Паровой коэффициент реактивности (ПКР) это величина, обозначающая степень влияния паросодержания на реактивность. Вода, проходя через активную зону, греется и частично испаряется, образовывая пузырьки (с точки зрения терминологии - пустоты). Доля пустот в теплоносителе называется паросодержанием. В зависимости от ряда условий пар может служить как для замедления реактора (тогда ПКР отрицательный), так и для разгона (ПКР положительный).

Мощностной коэффициент реактивности (МКР) это величина, которая характеризует изменение реактивности реактора при изменении мощности. Соответственно МКР может быть как положительным (реактивность повышается при повышении мощности реактора), так и отрицательным (реактивность снижается). В правильно спроектированном реакторе МКР отрицательный, то есть реактор не может саморазогнаться.

Состояние, при котором йод-135 или ксенон-135 образуются в реакторе в большом количестве, в результате чего операторы вынуждены снижать ОЗР (то есть увеличивать количество извлечённых стержней) для поддержки реакции, а выход реактора на проектную мощность на протяжении 1-2 суток делается практически невозможным, называетсяйодной ямой или ксеноновым отравлениемреактора. Своё название явление получило из-за графика зависимости реактивности от концентрации ксенона-135 в реакторе, представляющего из себя яму с минимальным значением реактивности при максимальной концентрации изотопа.

При работе атомного реактора в активной зоне происходит множество различных событий и реакций, распадаются и появляются различные элементы. Одним из таких элементов является короткоживущий изотоп йода 135I. Период полураспада этого элемента примерно шесть с половиной часов, при этом одним из его продуктов является изотоп ксенона 135Xe, период полураспада которого больше девять с небольшим часов. При работе реактора на полной мощности проблем с этим нет, так как оба эти изотопа как бы выгорают в плотном потоке нейтронов. А вот на малых мощностях, например при снижении или при выходе на мощность после пуска, нейтронный поток ещё не столь силён, а значит, не способен препятствовать обильному образованию йода-135 и, как следствие, ксенона-135.

Вспомним конструкцию стержней СУЗ. Они состоят из графитового вытеснителя длиной 4.5 метра, соединённого с семиметровым поглотителем из карбида бора. Под и над вытеснителем находился столб воды, которая, в отличие от графита, хорошо поглощает нейтроны. При поступлении команды на ввод поглотителя, вытеснитель начинает идти вниз, вытесняя воду и вводя тем самым положительную реактивность в этой зоне. Ведь графит поглощает нейтроны куда хуже, а значит, они начинают работать на разгон реактора. Такой ввод положительной реактивности называютконцевым эффектом или положительным выбегом реактивности.

Впервые его обнаружили при физических пусках (то есть первых пусках после постройки реакторов) на Игналинской АЭС и на второй очереди ЧАЭС. Тогда выяснилось, что сам по себе положительный выбег реактивности невелик и легко компенсируется наличием достаточно большого количества введённых хотя бы наполовину стержней СУЗ. Тем не менее, на ЧАЭС было принято решение отделить вытеснители от стержней автоматического регулирования, оставив их лишь на стержнях ручного регулирования. Кроме того, на все АЭС были разосланы два письма. Одно от НИКИЭТ конструкторов реактора, другое от Научного руководителя (ИАЭ им. Курчатова). Тем не менее, письма, хоть и содержавшие определённые предложения по исправлению ситуации (отрезание вытеснителей, например), были положены руководствами станций под сукно до востребования и получения дальнейших инструкций, так как их тон был в целом благостный, не дающий серьёзных причин для беспокойства. Никаких упоминаний (кроме нижнего ограничения ОЗР в 15 стержней ручного регулирования) в регламентах об эффекте не было. Запомните этот момент, он нам понадобится дальше.

Предвестники

Авария 1986 года была не первым серьёзным инцидентом с реакторами РБМК. До неё произошло ещё две крупных аварии, закончившихся выбросом радиоактивных веществ за пределы предназначенных для этого зон. Однако вторая авария 1982 года на ЧАЭС - была следствием брака при изготовлении канальной трубы. В результате был разрушен один из технологических каналов. Она нам малоинтересна.

А вот первая авария на Ленинградской АЭС 30 ноября 1975 года. Тогда фактически шли ещё натурные испытания первого реактора типа РБМК, хотя первый (и пока ещё единственный официально введённый в эксплуатацию) энергоблок уже работал год.

В тот день на плановый ремонт выводился один из турбогенераторов. Его разгрузили, но по ошибке старший инженер управления реактором отключает не его, а второй, оставленный в работе ТГ. Сработала система защиты, реактор был заглушен. При этом реактор был отравлен йодом-135. Реактор и турбогенератор необходимо было быстро вернуть в работу. В условиях резко снизившегося из-за йодной ямы ОЗР операторам пришлось пойти на нарушение регламента и извлечь практически все стержни ручного регулирования, дабы как можно скорее вывести мощность на минимально контролируемый уровень. Тем не менее, первая попытка персонала не удалась сработала автоматическая защита, обнаружившая несимметричность мощности в разных частях реактора. Персонал начал снова выводить реактор на минимально контролируемый уровень мощности. И вот тут началась авария.

Дело в том, что из-за огромных размеров самой активной зоны, в ней могут образовываться локальные реакторы, в которых мощность отличается от средней по больнице. Одной из таких зон стал канал, примыкающий к тепловыделяющей кассете 13-33. Она оказалась разотравлена, в отличии всей остальной активной зоны. В результате, пока операторы выводили из йодной ямы весь реактор, ТК 13-33 начала перегреваться и разрушаться. В итоге из неё прямо на графит попали вода и топливо. Датчики в блоке щитового управления, где находились операторы, это показали. Реактор был аварийно заглушен.

Результат - разрушено 32 тепловыделяющих сборки и один технологический канал. В контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ трубы, по которым вода проходила по замкнутому маршруту реактор-турбина-реактор) и графитовую кладку попало большое количество радиоактивных веществ. Система фильтрации не справилась с количеством этих веществ во время очистки оборудования, а потому они были выброшены за пределы станции. Загрязнение коснулось Ленинградской области, а также стран Скандинавского полуострова. Оценки общей активности, выброшенной за пределы ЛАЭС колеблются от 137 тысяч до 1.5 миллиона Кюри. Авария была мгновенно засекречена, так как проходила в ведомости лишь одного министерства среднего машиностроения, отвечавшего за всю советскую атомную программу, а также эксплуатацию ЛАЭС. По итогам расследования аварии была произведена серьёзная модернизация изначального проекта реактора РБМК увеличили количество стержней СУЗ, ввели системы локального автоматического регулирования (ЛАР) и локальной автоматической защиты (ЛАЗ), ограничили минимальный ОЗР 15 стержнями, закрепив это регламентом.

В статье инженера-физика Виталия Абакумова, присутствовавшего при аварии на ЛАЭС и являвшегося непосредственным участником событий, хорошо описаны причины, толкнувшие персонал на нарушение регламента, приведшее в итоге к аварии.

ЗНСС (заместитель начальника смены станции) и СИУР (старший инженер управления реактором) без колебаний идут на нарушение технологического регламента, стремясь минимизировать последствия ошибки оператора при отключении ТГ (турбогенератора) и отработать доминирующую установку того времени на выполнение плана по выработке электроэнергии. Разумеется, и в те времена нарушения технологического регламента официально не приветствовались. Однако нарушения технологического регламента, связанные с нарушением нижнего предела ОЗР, не осознавались тогда, как опасные, и руководители всех уровней закрывали глаза на подобные нарушения в ситуациях, когда эти нарушения были направлены на выполнение плана и не имели последствий. Поэтому нарушения по нижнему регламентному пределу величины ОЗР были на ЛАЭС привычной практикой, негласно воспринимались как свидетельства особого мастерства СИУРа и лояльности установкам руководства и, соответственно, мотивировались. <> По мнению опытных НСС (начальников смены станции) с сибирским опытом Карраск слишком быстро тянул мощность. А иначе бы меня обвинили в неоперативности - парировал М.П. Карраск. (Михаил Карраск старший инженер управления реактором в ту ночную смену. Прим. А.С.)

В конечном итоге Карраск и его коллеги получили выговор

Именно такая порочная практика позже сыграла свою роль и на ЧАЭС, да и вообще много где.

Рабочая программа испытаний турбогенератора 8 Чернобыльской АЭС в режимах совместного выбега с нагрузкой собственных нужд

За сложным названием скрывается простая в принципе идея. Если в результате аварии станция будет отключена от сети, а реактор нужно будет заглушить, то необходимо будет обеспечить электроснабжение защитных систем на самом опасном этапе расхолаживания (охлаждения) реактора, когда он ещё на высокой мощности. Энергию предполагалось брать из выбегающего генератора. Дело в том, что вращение турбины, а значит, генерация энергии прекращается не сразу после отключения реактора, ведь у турбины большая инерция. Это называется выбегом. Соответственно, предполагалось, что обеспечиваться системы охлаждения реактора будут от выбегающего генератора. Идея выдвигалась в том числе и главным конструктором, и научным руководителем. Формально эксперимент проводился по заявке предприятия Донтехэнерго.

Впервые эксперимент был проведён в 1982 году на третьем энергоблоке ЧАЭС. Тогда потребовалось доработать ряд систем турбогенератора. В 1984 и 1985 годах снова проводились такие испытания, их не смогли завершить по техническим причинам. Нужно отметить, что постепенно эксперименты усложнялись. Так, начиная с 1984 года, для проведения эксперимента выводилась из работы система аварийного охлаждения реактора (САОР), а начиная с 1985 к сети подключали два главных циркуляционных насоса (ГЦН). 26 апреля 1986 года эксперимент до конца довести смогли и записали все необходимые параметры. После этого была отдана роковая команда глушить реактор.

Нужно отметить, что очень часто блокировку САОР ставят в вину персоналу, в том числе и первая советская комиссия. Однако все последующие комиссии, а в частности, комиссия Госпроматомэнергонадзора 1991 года во главе с Н.А. Штейнбергом, прямо заявляли:

отключение САОР не повлияло на возникновение и развитие аварии, поскольку хронология основных событий, предшествовавших аварии, и хронология развития самой аварии, показали, что не было зафиксировано сигналов на автоматическое включение САОР. Таким образом, "возможность снижения масштаба аварии" из-за отключения САОР была не потеряна, а в принципе отсутствовала в конкретных условиях 26 апреля 1986 г.

Всё, декорации расставлены, пролог закончен, со следующей части приступаем к первому акту чернобыльской драмы.

Начало цикла

Автор: Александр Старостин

Оригинал

Автор: Александр Старостин

Часть 13

Подводим краткие итоги чернобыльской катастрофы, а также изучаем первоисточники. Их, кстати будет не просто много, а очень много. Все они интересные и заслуживают доверия, в отличие от всяких там сериалов.

Сегодня оценки значимости чернобыльской аварии разнятся. Кто-то считает её одной из причин развала СССР. Действительно, ликвидация аварии обошлась экономике Советского союза в $300 млрд по достаточно скромным подсчётам. После аварии также было вложено много денег. Пострадало более миллиона человек, как задействованных в ликвидации и эвакуированных, так и продолжающих проживать на пострадавших территориях. Вред здоровью населения и сегодня трудно оценить. А работы по ликвидации аварии завершить удастся не скоро, не просто так Укрытие-2 рассчитано на сто лет.

Научный руководитель проекта РБМК Анатолий Александров после снятия с поста президента Академии наук СССР в октябре 1986 года сохранил звание академика и ещё два с лишним года возглавлял ИАЭ. В 1989 году его место занял Евгений Велихов. До конца жизни Александров придерживался версии о виновности персонала в аварии, о чём неоднократно говорил в интервью и в книгах.

Чернобыль трагедия и моей жизни тоже. Я ощущаю это каждую секунду. Когда катастрофа произошла, и я узнал, что там натворили, чуть на тот свет не отправился. Потом решил немедленно уйти с поста президента Академии наук, даже обратился по этому поводу к М.С. Горбачеву. Коллеги останавливали меня, но я считал, что так надо. Мой долг, считал я, все силы положить на усовершенствование реактора<...>

Двенадцать раз эксперимент нарушал действующую инструкцию по эксплуатации АЭС! Одиннадцать часов АЭС работала с отключенной САОР! Можно сказать, что изъяны существуют в самой конструкции реактора. Однако причина аварии все-таки непродуманный эксперимент, грубое нарушение инструкции эксплуатации АЭС. Реакторы такого типа стоят и на Ленинградской, и на Курской АЭС всего пятнадцать штук. Почему же авария произошла в Чернобыле, а не в Ленинграде, например? Повторяю, недостатки у реактора есть. Он создавался академиком Доллежалем давно, с учетом знаний того времени. Сейчас эти недостатки уменьшены, компенсированы. Дело не в конструкции. Вы ведете машину, поворачиваете руль не в ту сторону авария! Мотор виноват? Или конструктор машины? Каждый ответит: Виноват неквалифицированный водитель.

Анатолий Александров. Предисловие к сборнику Н.Д.Тараканова Две трагедии ХХ века, 1992 год

Тело Анатолия Александрова по некоторым данным было найдено в его Волге в гараже 3 февраля 1994 года, за 10 дней до 91 дня рождения академика. По официальной версии он умер от остановки сердца. Учёный похоронен на Митинском кладбище. Там же похоронены сотрудники ЧАЭС и пожарные, умершие от переоблучения, полученного в ту ночь.

Главный конструктор проекта РБМК Николай Доллежаль после аварии ушёл на пенсию. В 1989 году вышли его мемуары У истоков рукотворного мира (записки конструктора). После развала СССР подвергся допросам по делу конструкторов. На пенсии продолжал заботиться о делах НИКИЭТа, хотя уже и не совсем официально. Умер академик 20 ноября 2000 года на своей даче в Московской области. Ему был 101 год. Похоронен в Одинцовском районе Московской области. Доллежаль также обвинял персонал ЧАЭС в аварии.

Однако, какими бы высокочувствительными контрольно-предупредительными средствами автоматизации мы не располагали, вопрос о квалифицированности кадров остаётся одинм из главных в процессе развития атомной энергетики. Причём не только в отношении персонала, непосредственно обслуживающего реакторы, но и его руководящего состава.

Николай Доллежаль. У истоков рукотворного мира (записки конструктора). 1989 год.

Академик Валерий Легасов во время своего присутствия в Зоне (а он ездил туда несколько раз) получил лучевую болезнь 4 степени и целый ряд параллельных заболеваний, вызванных переоблучением. После доклада в Вене в августе 1986 года попал в опалу. По разным данным, причиной стал то ли тот факт, что он вызвался озвучить официальную версию аварии, которая подвергалась многочисленной критике, то ли разгласил в ходе доклада лишние данные. Он дважды был в списках на награждение званием Героя социалистического труда, однако так и не получил его. Среди коллег по воспоминаниям членов семьи, подвергался травле, отчего, на фоне проблем со здоровьем, испытывал проблемы и с душевным здоровьем. Так или иначе, 28 апреля 1988 года он должен был разгласить результат своих исследований причин чернобыльской аварии. Однако 27 апреля он был найден мёртвым в своей квартире при подозрительных обстоятельствах. На диктофоне, найденном рядом, часть записей была затёрта, однако многие сохранились. Учитывая, что при жизни Легасов занимался проблемами безопасности, возможно, что это могло стать причиной его смерти. В 1996 году президент РФ Борис Ельцин присвоил академику Валерию Легасову звание Героя России за отвагу и героизм, проявленные во время ликвидации Чернобыльской аварии. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.

У меня в сейфе хранится запись телефонных разговоров операторов накануне произошедшей аварии. Мороз по коже дерет, когда их читаешь. Один спрашивает у другого: Тут в программе написано, что нужно делать, а потом зачеркнуто многое, как же мне быть? Второй немножко подумал: А ты действуй по зачеркнутому! Вот уровень подготовки таких серьезных документов: кто-то что-то зачеркивал, ни с кем не согласовывая, оператор мог правильно или неправильно толковать зачеркнутое, совершать произвольные действия и это с атомным реактором! На станции во время аварии присутствовали представители Госатомэнергонадзора, но они были не в курсе проводимого эксперимента!

Стенограмма пяти магнитофонных кассет, надиктованных академиком Легасовым В.А., "Об аварии на Чернобыльской АЭС".

Виктор Брюханов не отсидел полный срок. С 1991 года он живёт в Киеве. Работал в государственном предприятии Укринтерэнерго, которое занимается экспортом электроэнергии.

Я не согласен ни с официальной точкой зрения, ни с тем, что пишут журналисты. На суде высказывались ведущие ученые, конструкторы, представители технической экспертизы прокуратуры. И все защищали честь своих мундиров. Все! Это нагромождение лжи и увело нас от поиска причин аварии. Напомню. На момент создания реактора РБМК-1000 его технологический уровень, возможно, был самым высоким в мире <...>

Что же касается системы защиты, уверен: она должна быть рассчитана на дурака. То есть, что бы ни сделал персонал неверного, техника не должна реагировать. Как японская бытовая техника: если мы на кнопку нажимаем ошибочно, она просто не включается, но не портится и не взрывается. Тем более реактор. У нас же как получилось: когда мы закончили все проверки, нажали кнопку СТОП, он, вместо того чтобы остановиться, взорвался. Я не физик-ядерщик. Я теплоэнергетик. Попросту завхоз. Поэтому лишь со своей колокольни могу предполагать: если бы система защиты реактора была нормально сконструирована, аварии бы не произошло.

Не хочу себя обелять. Нарушения со стороны персонала были, но они, будь все предусмотрено проектом, привели бы к выходу из строя блока, но не к катастрофе.

Виктор Брюханов. Интервью журналу Профиль.

Николай Фомин был тяжело больным человеком ещё до аварии. Он получил тяжёлую травму позвоночника в ДТП в 1985 году и до конца не восстановился. Незадолго до суда попытался совершить самоубийство. В 1988 году был переведён в Рыбинскую психоневрологическую лечебницу для заключенных. В 1990 году его признали невменяемым, так что он вышел из тюрьмы, попав в гражданскую лечебницу. После выздоровления до пенсии проработал на Калининской АЭС в городе Удомля Тверской области.

Анатолий Дятлов вышел на свободу спустя три года и 10 месяцев после приговора. Авария подорвала его здоровье, из московской больницы он вышел только в 1987 году. Ещё в тюрьме он начал бороться за восстановление честного имени сотрудников ЧАЭС. Написал несколько статей, давал интервью. В 2003 году свет увидела его книга воспоминаний Чернобыль. Как это было, в которой он продвигал свою точку зрения о невиновности персонала и доказывал, что ключевая причина аварии лежит в несовершенстве РБМК. Умер Дятлов 13 декабря 1995 года. Место захоронения неизвестно.

Аварийная защита, её материальная часть содержались в исправном состоянии. Электронная часть и органы воздействия на реактивность (стержни СУЗ) сработали согласно алгоритму и в полном объеме.

Получили взрыв реактора!..

Какие могут быть претензии к оперативному персоналу? В нормальном человеческом обществе никаких. Аварийная защита по своему названию и назначению призвана заглушить реактор в аварийных ситуациях без каких-либо повреждений. О взрыве и не говорю. 26 апреля защита не заглушила реактор в стационарном состоянии.

Даже если бы мы и нарушали какие-то положения Регламента или инструкций ранее, то и это не дает никаких оснований для обвинения персонала во взрыве. Ведь тогда ничего не произошло.

Пусть мы нарушили (на самом деле нет) Регламент, когда начали поднимать мощность после её провала и рисковали получить аварию, подобную той, что была на первом блоке Ленинградской АЭС в 1975 г. Ничего не было.

Пусть мы нарушили Регламент, выведя САОР, но при чем тут взрыв? Система аварийного охлаждения реактора от взрыва реактор ни в коей мере предохранить не могла, а после взрыва бесполезна ввиду разрушения реактора.

Анатолий Дятлов. Чернобыль. Как это было.

Припять после эвакуации какое-то время ещё пытались отмыть, однако быстро стало понятно, что для жизни город останется непригодным. Тем не менее, целый ряд объектов инфраструктуры ещё использовался и до сих пор продолжает использоваться. Например, бассейн Лазурный, в котором плавали сотрудники станции. Он использовался до конца 90-х годов. До сих пор работает спецпрачечная, использующаяся персоналом Зоны.

В остальном, город полностью разграблен мародёрами. Также по Припяти разбросаны граффити, нарисованные как просто разными мутными людьми, так и профессиональными художниками. Некоторые из них конструируют и другие арт-объекты и акции, такие как недавнее зажигание вывесок в городе. Кроме них город посещают туристы. Но время и природа берут своё. Повсюду растёт зелень, деревья пробиваются прямо сквозь асфальт и плиты зданий.

Сами дома, не отапливаясь много лет, стремительно приходят в негодность, отчего рушатся. Во многие жилые дома не рекомендуется заходить уже сейчас, а в ближайшие годы разрушений будет только больше.

Реакторы РБМК-1000 в количестве 10 штук продолжают работу после крупной модернизации, пройденной после 1986 года. После аварии достройку новых блоков остановили везде, где велось строительство - 5 и 6 блоки ЧАЭС, 3 и 4 блоки Игналинской АЭС, 1 и 2 блоки Костромской АЭС (последние две станции работали и должны были работать на реакторах РБМК-1500), 5 и 6 блоки Курской АЭС и 4 блок Смоленской АЭС. Также в разные годы были остановлены оставшиеся три блока ЧАЭС (1991, 1996, 2000), оба блока ИАЭС (2004 и 2009). 21 декабря 2018 года был остановлен после 45 лет работы 1 энергоблок Ленинградской АЭС, самый первый реактор РБМК-1000. В марте 2018 года была пущена его замена - 1 энергоблок ЛАЭС-2 на реакторе ВВЭР-1200. 2 блок ЛАЭС-2, как ожидается, войдёт в работы в 2019 году.

Список литературы и ссылки

Техника и наука

1. Доклад экспертов для МАГАТЭ по Чернобыльской аварии

2. Доклад международной консультативной группы по ядерной безопасности Культура безопасности (INSAG-4)

3. Доклад международной консультативной группы по ядерной безопасности INSAG-7. Чернобыльская авария: дополнение к INSAG-1

4. А.Боровой, Е.Велихов.К 25-летию аварии на Чернобыльской АЭС: работы Курчатовского института по ликвидации последствию аварии

5. А.Боровой, Е.Велихов. Опыт Чернобыля в четырёх частях

6. А.Живов.Радионуклидное загрязнение пресных водных объектов вследствие сбросов радиоактивных отходов и радиационных аварий

7. Атлас современных и прогнозных аспектов последствий аварии на Чернобыльской АЭС на пострадавших территориях России и Беларуси

Мемуары и интервью

1. А.Дятлов.Чернобыль. Как это было

2. Ю.Щербак. Чернобыль

3. С.Мирный. Живая сила. Дневник ликвидатора (см. здесь)

4. С.Паскевич, Д.Вишневский. Чернобыль. Реальный мир (см. здесь)

5. А.Боровой. Мой Чернобыль

6. Н.Доллежаль. У истоков рукотворного мира (записки конструктора)

7. В.Легасов. Об аварии на Чернобыльской АЭС (текст аудиозаписей)

8. Н.Карпан. Чернобыль. Месть мирного атома

9. С.Алексиевич. Чернобыльская молитва (хроника будущего)

10. С.Дроздов Воздушная битва за Чернобыль. Статья из журнала Авиация и время в четырёх частях:часть 1,часть 2,часть 3 (нужно листать - там ближе к концу страницы),часть 4

11. YouTube каналTelecon Doumentary(в частности, фильмЧернобыль 3828и интервью в проектеЧЕРНОБЛЬ. Документальный сериал "1986.04.26 P.S.")

12. YouTube канал1986.04.26 Post Scriptum

13. А.Крысенок, В.Басов. Дезактивация воды: как рождалась "Технология КПИ"

Прочие материалы

1. Сайт В.Дмитриева о причинах Чернобыльской аварии. Содержит большое количество документов, мемуаров и аналитики.

2. Группа Вконтакте Чернобыль. Основной поставщик фотографий для цикла, а также огромное количество различных материалов, не вошедших в цикл. В разделе документы представлены книги, на которые я не смог дать адекватную ссылку.

3. А.Шигапов. Чернобыль, Припять, далее нигде. Автор ряда путеводителей делает своеобразный путеводитель по Зоне. К сожалению, ряд информации уже устарел, однако это касается лишь обеспечительных моментов поездок.

4. ЖЖ Максима Мировича. Очень много постов о его экскурсиях в Чернобыль. Много фотографий. Однако нужно искать эти посты, продираясь через его политический высказывания.

5. ЖЖ tnenergy. Здесь есть отдельные статьи об аварии на ЧАЭС (см. Как взорвать РБМК), а также об атомной энергии в целом.

6. Сайты Союзчернобыль и Чернобыль, Припять, Зона отчуждения ЧАЭС. Содержат много любопытной информации.

Огромное спасибо, что дочитали это чудовище, в которое было вложено огромное количество времени и сил, а отдельная благодарность донатившим читателям с ВК. Надеюсь, вам было интересно, впредь буду стараться радовать вас новыми текстами, по возможности буду уделять сравнимый объём проработке материалов (хотя и не могу обещать, к сожалению).

С уважением к читателям,

Старостин Александр

Оригинал

Начало цикла

Прим. ред. : если вдруг у вас появилось желание отблагодарить автора цикла, Александра Старостина, донатом - переходите по ссылке на оригинал. Там в конце каждой части размещены его реквизиты. Ну или пишите мне в ЛС - я перешлю номерок. Cat.Cat.

На Хабре часто выкладывают туториалы по разным областям знаний. Сегодня, к старту нового потока курса по machine learning, поделимся с вами туториалом.... по ядерной физике, работе реакторов и прогнозной аналитике с использованием Python.

По данным Комиссии по ядерному регулированию, в США находится 31 исследовательский ядерный реактор. У автора есть лицензия на эксплуатацию одного из них, и в этой статье он продемонстрирует, как применил методы машинного обучения и общего анализа данных для прогнозирования уровней мощности импульсов и повышения показателя воспроизводимости наших экспериментов.

Предпосылки

Реактор ядерного синтеза работает на энергии расщепления атомов. Когда уран-235 поглощает нейтрон, появляется шанс расщепления и распада, высвобождаются продукты деления, нейтроны и кинетическая энергия. Эта энергия нагревает теплоноситель, который обычно подаётся в теплообменник, а затем в вырабатывающую электричество паровую турбину. На моем объекте находится реактор TRIGA, который не производит никакого электричества он используется исключительно для исследований и экспериментов.

Забавный факт: один килограмм Урана-235 содержит примерно в 3 миллиона раз больше энергии, чем один килограмм угля. Ах да, реакция деления не приводит к выбросам углерода. (Я вовсе не предвзят.)

В сравнении с коммерческим реактором TRIGA уникален во многих отношениях, например, он может выполнять импульс. Большой отрицательный коэффициент реактивности топлива означает, что с повышением температуры реактивность и, следовательно, скорость цепных реакций деления уменьшается. Это означает, что реактор ограничивает сам себя в смысле уровня мощности и, благодаря идее топлива, после импульса отключается физически без участия оператора. Вот почему они позволяют таким людям, как я, им управлять!

Импульс работает путём пневматического (с использованием сжатого воздуха) выталкивания одного из стержней управления из активной зоны реактора, что вызывает быстрое увеличение уровня мощности. Следующие события происходит за нескольких миллисекунд:

• Стержень управления выдвигается из сердечника вертикально вверх.

• Уровень мощности увеличивается примерно с 50 Вт до 2000 МВт.

• При таком высоком уровне мощности быстрый эффект отрицательной обратной связи топлива обеспечивает отрицательную реактивность активной зоны, которая отключается.

В этот момент стержень управления всё ещё может находиться на пути из ядра, но впоследствии из-за силы тяжести упадёт обратно. В итоге вы получаете функцию отклика мощности P(t), которая выглядит, примерно как показано на втором рисунке по мере выталкивания управляющего стержня мощность увеличивается, а затем быстро уменьшается с добавлением отрицательной реактивности.

Хотя пульсация имеет множество исследовательских применений, она особенно хорошо работает в имитации испускаемого ядерным взрывом сильного излучения.

В частности, мы наблюдаем, как на атомном уровне нейтроны и гамма-лучи взаимодействуют с электроникой. Допустим, вы разрабатываете новый электронный компонент, который будет использоваться, чтобы работать в некоей части системы ядерного оружия.

• Насколько вы уверены, что в близости от ядерного взрыва ваша электроника выживет?

• Какие повреждения имеет интегральная схема, 10 лет простоявшая рядом с радиоактивной боеголовкой? Как это повреждение повлияет на функциональность вашего компонента?

• Или что, если вы разрабатываете процессор,который будет работать в новом истребителе.

• Может ли включённая вашим процессором система управления полётом при воздействии определённого количества радиации выйти из строя?

Понятна серьёзность этих вопросов. Соедините это с тем фактом, что истинная ядерная детонация своего рода испытание и она имеет ряд проблем (не говоря уже о том, что она запрещена Договором о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний), и вы скоро согласитесь, что импульс реактора это его ключевая характеристика.

Стоит пояснить, что этот импульс генерирует только излучение. В эксперимента такого типа ничего не взрывается. Мы просто подвергаем образец высокому уровню радиации в чрезвычайно контролируемой и предназначенной для этой задачи среде.

Максимальный достигаемый импульсом уровень мощности исходя из стоимости реактивности стержней управления может выбрать оператор. Для многих ядерных реакторов эта стоимость измеряется в долларах, и поскольку это выходит за рамки данной статьи, чтобы объяснить, почему мы используем этот, казалось бы, странный блок, вы можете прочитать все об этом здесь, если хотите.

В зависимости от эксперимента может потребоваться определённый уровень импульсной мощности. Положение стержней управления в сердечнике определяет уровень мощности в любой момент времени. Собранный из данных моей работы на реакторе набор состоит из этих значений, а также нескольких других, которые описываются ниже:

• Дата. Конкретная дата в формате datetime, когда произошёл импульс.

• Расчётная реактивность. Оценочная импульса реактивности в долларах. Эта оценка определяется обращением к объединённой стоимости определённого стержня управления. Пример: экспериментатор запрашивает импульс стоимостью $2,00. Оператор найдёт позицию для контрольного стержня на основе общей стоимости.

• Позиции стержня. В сердечнике находятся четыре управляющих стержня переходный, шайба 1, шайба 2 и управляющий стержень. Метки "Trans, S1, S2, Reg" в моем наборе это связанные с физическим расположением управляющих стержней в ядре значения. Они варьируются от 0 до 960, где 0 это полностью вставленный сердечник, а 960 полностью удалённый.

• Пиковая мощность. Измерения в мегаваттах.

• Общая энергия Измеряется в мегаваттах-секундах.

• Пиковая температура. Измеряется в градусах Цельсия: это пиковая температура, достигаемая в измерительном топливном элементе (IFE). Чтобы контролировать температуру сердечника, внутри нескольких топливных стержней встроены термопары.

• Расчетная реактивность. Это "истинное" значение реактивности, обычно оно на определенную величину отличается от расчётной. Оно автоматически рассчитывается консолью реактора.

В оставшейся части статьи я проанализирую набор данных, чтобы понять, какие возможны инсайты. Кроме того, чтобы прогнозировать расчётную реактивность на основе предполагаемой реактивности и положений стержней, я применю модель машинного обучения линейную регрессию. Эта модель поможет нам быть точнее с нашими импульсами (в определённой степени больше размышлений об этом позже), также модель повысит эффективность и достоверность экспериментов. Моя конечная цель сделать наши импульсы более точными и повторяемыми с точки зрения полученного конкретным образцом количества облучения.

Исследовательский анализ данных (EDA)

Я очистил данные заранее, избавлю вас от этих деталей. В большинстве случаев очистка набора данных это удаление ошибочных или неполных записей. Было много ошибок ручного ввода (опечаток), которые я должен был обнаружить и исправить, не хватало точек данных, их я либо полностью удалил, либо заменил средними значениями.

Как только у меня будут чистые данные, первое, что я сделаю, импортирую соответствующие библиотеки и загружу свой фрейм данных:

import pandas as pdimport seaborn as snsimport matplotlib.pyplot as pltimport numpy as npfrom sklearn.model_selection import train_test_splitfrom sklearn.linear_model import LinearRegressionfrom sklearn import metricsfrom sklearn.metrics import r2_scoredf = pd.read_excel('Pulse_Data_2021_NO_NULL.xlsx', )

После этого я всегда использую три основные функции, чтобы изучить общие характеристики моих данных .head(), .info() и .describe().

.head() просто показывает несколько верхних строк фрейма данных, так можно увидеть, как данные структурированы в целом:

.info() выводит количество записей во фрейме, имена столбцов, количество нулевых записей в каждом столбце и тип данных для каждого столбца:

И .describe() предоставляет некоторый сводный анализ самих данных среднее значение, стандартное отклонение, квартили и так далее от каждого столбца. Мне нравиться транспонировать столбец, чтобы удобно читать его:

Следующий шаг моего EDA просто начать строить графики того, что может иметь смысл. Например, я подумал, что было бы интересно увидеть связь между расчётной реактивностью и пиковой мощностью, поэтому сделал простую диаграмму рассеяния:

Между двумя переменными существует четкая экспоненциальная зависимость, она согласуется с принципами управляющей этой реакцией реакторной кинетики. График также полезен тем, что выявляет потенциальные точки выброса либо странное поведение реактора, либо, что более вероятно, ошибочные записи. Из этого графика я нашел дополнительные записи с опечатками, которые нужно было исправить или убрать.

Корреляционная тепловая карта это ещё один полезный инструмент, который может применяться к большинству числовых наборов данных. На рисунке 7 ниже показано, какие столбцы со значениями в диапазоне от -1 до 1 тесно коррелируют друг с другом.

Я пытаюсь сделать прогнозы предполагаемой реактивности точнее, мой следующий шаг сравнить его распределение с расчётной реактивностью. Для этого я накладываю две гистограммы и придаю им приятный вид:

Существуют дискретные значения импульсной реактивности, которые мы обычно используем, когда решаем, насколько большой импульс мы хотим. Рисунок 8 наглядно отражает это, показывая, что 1.50, 2.00, 2.50 и 3.00 это общие оценочные значения. Можно было бы ожидать нормального распределения расчётных значений реактивности вокруг каждого из её расчётных значений, что показано (хотя и слабо) синим графиком.

Если ещё раз взглянуть на рис. 8, оказывается, что оценочная реактивность несколько выше рассчитанной. Это означает, что, вообще говоря, если вы запросите импульс стоимостью в $2,00, вы на самом деле получите реактивность немного меньше. Я могу количественно оценить его: нужно вычесть один столбец из другого и найти среднее значение:

Выше показано, что в среднем истинная, рассчитанная реактивность на 16 центов дешевле расчётной реактивности.

Наконец, я сгенерировал график, который служит интересным представлением работы реактора во времени. Этот реактор впервые запустили (то есть вывели в критичесоке состояние) в 1992 году, и график количества импульсов в год с тех пор показывает несколько периодов сильно сниженной активности:

Глядя на рисунок 10, вы можете задаться вопросами:

• Почему в 1994-1996 годах и в 2013-2014 годах импульсов было так мало?

• Были ли повлиявшие на тип экспериментов на объекте административные изменения, которые повлияли на тип экспериментов на этом объекте?

• Были ли какие-либо новые национальные или университетские исследовательские разработки, требующие дополнительных импульсов?

• Какие эксперименты проводились в 2000 и 2020-20201 годах (сейчас), которые требовали столько импульсов, и почему в этот период не было таких экспериментов?

Удивительно, как много инсайтов можно получить из нескольких маленьких графиков.

Прогнозное моделирование

Задача прогнозирования расчётной реактивности подходит для модели линейной регрессии. Это считается моделью обучения с учителем, поскольку данные уже помечены (дл обучения модели даны значения x и y). Технически это модель множественной регрессии (определение которой включает в себя линейную регрессию), потому что она использует несколько независимых переменных (Est_Reactivity, Trans, S1, S2, Reg), чтобы спрогнозировать значение зависимой переменной (Calc_Reactivity).

Сначала я разбил данные на обучающий и тестовый наборы, чтобы дать модели объективную оценку. Затем я инстанцирую модель и обучаю её на данных:

Как только модель обучена, чтобы сравнить выводы модели с ожидаемыми значениями, я использую данные для тестирования. Абсолютно прямая линия означала бы идеальную модель:

С несколькими заметными отклонениями, модель делает большую работу по точному прогнозированию. В зависимости от того, для чего применяется модель, возможно, стоит изучить данные ещё глубже, чтобы определить, откуда исходят эти отклонения и как их можно смягчить, чтобы повысить точность модели. В моем случае этой модели достаточно. Я даже могу количественно оценить качество обучения, вычислив для моей модели значение коэффициента детерминации:

Коэффициент детерминации это доля дисперсии в зависимой переменной, которая прогнозируема исходя из независимой переменной. Выраженный в процентах, 91% дисперсии в оценочной реактивности любого данного импульса можно объяснить с помощью наших входных значений. Вывод: это отличная модель для наших целей. Тем не менее, есть ещё одна проверка, которую я могу сделать, чтобы больше узнать о модели.

Рисунок 14 это гистограмма остатков, или расстояние между любой заданной точкой данных и линией наиболее подходящей регрессии. График показывает, что нормальное распределение случайной ошибки около нуля. Это хорошо. Если бы это было не так, то у нас могли возникнуть проблемы с нашей моделью и/или набором данных. Опять же, есть заметные отклонения, но не о чем беспокоиться, когда мы подкреплены впечатляющей дисперсией зависимой переменной.

Выводы (и ограничения)

С помощью этой модели теперь я могу точно предсказать значение импульсной реактивности, основываясь на таких параметрах реактора, как положение управляющих стержней и импульс в долларах. Ясность важна во всех экспериментах, и эта модель поможет подтянуть значения импульсов и обеспечить одинаковое облучение радиацией для каждого облучаемого компонента.

Примечание. Модель имеет ряд ограничений, которые могут быть очевидны для тех, у кого есть знания о кинетике реактора и о его работе. А именно, модель не знает о предыдущих операциях и чрезвычайно важном накоплении продуктов распада. Ксенон-135 образуется (и сгорает) с течением времени по мере работы реактора, существенно влияя на поглощение нейтронов и поведение реактора.

Хотите научиться использовать машинное обучение как и автор статьи можете обратить внимание на наш курс по Machine Learning, или на его расширенную версию, в которой рассматривается и глубокое обучение "Machine Learning и Deep Learning".

Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering