Радиация

Если вы спросите физиков, что произойдёт, если засунуть какую-либо часть своего тела в ускоритель частиц, вы снова и снова будете получать один и тот же ответ: они не знают. У них может быть смутное представление о том, как это повлияет на ваше тело, но не будет ни одного чёткого ответа. Как и в случае с любым другим источником излучения, вам, в конечном счёте, не рекомендуется это выяснять.

За исключением того, кто всё-таки выяснил это. За всю историю человечества лишь один человек был поражён пучком из ускорителя частиц. Он стал предметом интенсивного изучения медицинскими исследователями своей страны из-за своей странной реакции на радиацию. Если бы это были научно-фантастическая сказка или мир комиксов, то, возможно, история этого человека была бы фантастической, полной сверхспособностей и повышенных умственных способностей или улучшенной способности видеть различные части электромагнитного спектра.

В комикс-вселенной Хранители есть персонаж, физик Джонатан Остерман, тело которого в результате эксперимента со связующими полями, распалось на мельчайшие частицы, но он продолжил существовать вне времени и смог собрать своё тело заново обретя почти божественные суперсилы и получив имя Доктор Манхэттен.

Однако эта история не о супергероях и захватывающих мутациях. Но и она протекала не так, как можно было бы ожидать. В тематическом исследовании Анатолия Бугорского есть как ожидаемые элементы, так и неожиданные.

Анатолий был учёным в конце 1970-х годов в Советском Союзе. Инцидент произошёл в середине июля на синхротроне У-70 (это сложная серебристая установка, опутанная змееподобным клубком синих и красных проводов). В то время это был самый большой ускоритель частиц в Советском Союзе.

Назначение этих установок заключается в том, чтобы ускорять пучки частиц до экстремально высоких скоростей. Чтобы направлять и фокусировать эти пучки на нужной траектории, используются мощные магнитные поля.

Внутри металлических труб, по которым перемещаются частицы, поддерживается почти идеальный вакуум без воздуха и пыли. Такие пучки частиц можно направить на столкновение с другим пучком частиц или в выбранную мишень, такую как лист металла.

Когда происходят подобные столкновения, приборы регистрируют частицы и возникающее во время столкновения излучение. Эти приборы, несомненно, представляют собой одно из самых сложных чудес человеческой инженерии. С таким количеством элементов не удивительно, что иногда части установки выходят из строя.

Когда произошла авария, Анатолий проверял какое-то неисправное оборудование ускорителя. Операторы в диспетчерской не убрали пучок, несмотря на то, что знали Анатолий собирается войти в камеру, чтобы провести осмотр.

Дверь в камеру не была заперта, предупреждающий об активном пучке знак не горел. Поэтому он вошёл в комнату, наклонился в том месте, где пучок проходил от одной секции ускорительной трубки к другой, и сразу же был поражён пучком протонов, движущихся почти со скоростью света. В момент удара возникла вспышка света. Позднее Анатолий описывал, что она была ярче тысячи солнц.

Радиационная доза пучка частиц на входе в голову Анатолия составила 200000 рентген. Из-за столкновений частиц с телом Анатолия измерение пучка на выходе из черепа показало 300000 рад.

Радиация на уровне 400 рад способна убить половину людей, которых она коснётся. Радиация уровня 1000 рад и выше убьёт почти любого. Анатолий получил дозу радиации, в 300 раз превышающую смертельную. Несмотря на это, боли не было.

Как специалист по физике элементарных частиц, Анатолий понял, что произошло, хотя и не был уверен в оценке серьёзности ситуации. Он взял себя в руки, закончил свою работу в камере и отправился домой, никому не рассказав о случившемся.

Только на следующий день, когда начали проявляться тревожные симптомы, его отвезли в больницу. Левая сторона его лица распухла и стала неузнаваема, кожа начала покрываться волдырями, а в том месте, куда ударил пучок, начали выпадать волосы.

Эти последствия были временными и несущественными по сравнению с тем, что последовало за ними. Все участники ожидали, что Анатолий умрёт. Врачи и медсёстры тщательно следили за его лечением, хотя, скорее всего, никто не ожидал, что он выживет ему давали не больше трёх недель. И это как раз самая странная часть всего инцидента: Анатолий не умер.

Левая сторона его лица была навсегда парализована и старела медленнее, чем правая. Кроме того, Анатолий оглох на левое ухо. За всю свою жизнь он перенёс несколько сильных и повторяющихся мелких припадков, во время которых нарушалось его внимание. Он также был предрасположен к развитию рака в результате длительного воздействия радиации. Но всё же факт остается фактом: Анатолий не умер.

Его умственные способности остались нетронутыми: он защитил докторскую диссертацию, а затем работал на объекте, где произошёл этот несчастный случай. Как он смог пережить воздействие радиации, которая в 300 раз превысила смертельный уровень? Это одна из самых больших загадок, связанных с этим делом.

Возможное объяснение появилось совсем недавно. Мы не владеем всей информацией о случае Анатолия, поскольку, как только его госпитализировали и он рассказал персоналу о том, что произошло, все основные подробности, связанные с инцидентом и лечением, были немедленно засекречены. Тем не менее у нас есть некоторое представление о том, что могло произойти.

Излучение оставалось сконцентрированным в его голове и не распространялось на остальные части тела, потому что протонный пучок был достаточно узким. Этот пучок прошёл через голову Анатолия по пути, который позволил избежать ухудшения его умственных способностей или ослепления.

Кульминация пути протонного пучка известна как пик Брэгга. Пик Брэгга это точка, в которой протоны передают большую часть своей энергии. Она обычно непосредственно предшествует концу пути протонов. Эта характеристика ценна для таких процедур, как протонная терапия, где пучки высокой энергии используются для лечения опухолей и раковых заболеваний. Однако это тщательно просчитанные процедуры.

Во время терапии протонные пучки направляются по очень специфическому пути, чтобы их пик Брэгга использовался для уничтожения вредных клеток в организме человека. Вполне вероятно, что протонный пучок ускорителя не достиг своего пика Брэгга в голове Анатолия и поэтому, к счастью, не передал большую часть своей энергии в черепе Анатолия. Полученная Анатолием доза радиации была намного меньше, чем могла бы быть, если бы его голова обладала останавливающей способностью для формирования пика Брэгга.

Конечно, это только предположения. К сожалению, исследования на эту тему единичные случаи, и на основе такого ограниченного объёма данных трудно сделать сколько-нибудь надёжные выводы.

Со времён Анатолия Бугорского не было ни одного человека, которому бы ударил в голову протонный пучок ускорителя. Верно то, что он входит в группу выживших после воздействия радиации; но также верно и то, что ни один другой человек на Земле никогда не испытывал того же, что и он. Всё это необходимо пережить на собственной шкуре.

Во время ядерных катастроф или после войны люди могут искать утешения в том, что они не единственные. Но что происходит, когда катастрофа затрагивает только вас? А что происходит, когда война в твоей голове, и ты единственный, кто выжил? Анатолий сказал по этому поводу: Меня тестируют. Тестируют способность человека к выживанию.

Чтобы максимально обезопасить людей от подобных происшествий, конечно же, необходимо очень тщательно продумывать как полностью ручные рабочие процессы, так и лежащие в основе критически важных систем алгоритмы, исчерпывающе тестировать эти алгоритмы и обеспечивать отказоустойчивость важных компонентов и систем. Приходите на наши курсы, где опытные менторы и эксперты в своём деле расскажут, как нужно тестировать ПО, чтобы его надёжность была сравнима с надёжностью критических инженерных объектов.

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

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering

• Курс "Математика для Data Science"

• Курс "Математика и Machine Learning для Data Science"

Все началось с того, что коллега на работе попросил мне помочь запустить сцинтилляционный счетчик для какого-то натурного эксперимента на борту парохода. Принес мне завернутый со всех сторон в фольгу монокристалл BGO -- цилиндрическую шайбу размером 40х15 мм, и кремниевый ФЭУ типа MicroFC 60035, и сказал, что ничего не работает. В том виде, как это было собрано у него, он в принципе давал импульсы. Но в среднем раз в секунду, что для сцинтилляционного детектора с немаленьким кристаллом как-то совсем слабо. И на поднесение источника в 50 кБк цезия-137 он не реагировал в принципе. Как и вообще на что-то мягче кобальта-60. И с этим надо было что-то сделать.

Итак, начнем.

Выбор материала

Вспомнив опыт со своим сцинтилляционным радиометром, я сразу сказал: BGO здесь едва ли будет работать. Детектор от Atom Fast 8850 начинает надежно "видеть" гамма-кванты от 30 кэВ, а BGO имеет сцинтилляционную эффективность раз в десять хуже. Добавим сюда упавшую в разы эффективность светосбора из-за больших поперечных размеров шайбы по отношению к детектору, огромный показатель преломления BGO и конструкцию детектора, сделанную на тяп-ляп, вот и получаем порог в районе 0,5-0,6 МэВ. Его можно снизить до 150-200 кэВ при должном старании, но не более. Ищи, говорю, цезий-йод. Тем временем разобрал конструкцию, оттер SiPM от вазелинового масла, припаял поаккуратнее проводочки из МГТФа к его контактным площадкам и убрал его в надежное место...

И подходящий кристалл CsI(Tl) нашелся, причем очень удачной для SiPM геометрии. "Палочка" диаметром 20 мм и длиной 80 мм во вполне стандартном алюминиевом корпусе с окном. Тип СДН.25.20.80, "Для регистрации". Правда, нашелся он на "Авито", у широко известного в узких кругах украинского продавца. И вот прошло десять дней и сцинтиллятор уже лежал на моем столе. Кристалл, надо сказать, большого доверия не внушал: внутри имелась прослойка включений в виде нескольких черных точек и легкой вуали, окно немного отстало от кристалла по краям. Но по крайней мере, целый, не мутный, не желтый, да и другого все равно нет. Будем работать с ним.

Тут нужно пояснение, почему именно CsI(Tl), а не его "старший брат" NaI(Tl). Дело в том, что последний очень чувствителен к перепадам температуры и даже слабым ударам, приводящим к растрескиванию. CsI -- материал, обладающий определенной степенью пластичности и при небольших механических нагрузках не трескается, а деформируется. Также CsI(Tl) позволяет себя "раздеть" и переупаковать без сухой камеры с инертной атмосферой, тогда как NaI(Tl) настолько гигроскопичен, что покрывается росой и начинает расплываться уже через пару минут нахождения на воздухе. В нашем случае необходимости в переупаковке не было -- корпус детектора был вполне исправен и герметичен, а ручаться за герметичность самодельного контейнера я б не стал.

Первая проба

Для начала решил на скорую руку приложить к кристаллу SiPM даже без всякой оптической смазки между ним и окном -- чтобы не пачкать лишний раз. Заклеил алюминиевым скотчем и черной изолентой от внешней засветки, подключил к лабораторному БП через нагрузочное сопротивление 2,2 кОм, подключил к нему щуп осциллографа... Мнда, негусто. Конечно, небо и земля по сравнению с BGO, но сигнал от Am-241 (59 кэВ) -- около 8-10 мВ при 29,5 В. При этом засинхронизироваться от этих импульсов очень трудно: шумовые импульсы, обусловленные темновыми фотоэлектронами, лишь немного меньше полезного сигнала.

Ну что ж, для начала попробуем сделать, как положено. Заодно оценим, насколько нужны те или иные ухищрения.

Соединяем Si-ФЭУ и сцинтиллятор грамотно

Тут надо начать с того, что сам кремниевый ФЭУ -- крохотный по сравнению с его вакуумным аналогом. Размеры его входного окна -- всего 6х6 мм. И даже наш невеликий кристалл имеет площадь выходного окна в 8,7 раза больше. Обычно ФЭУ подбирают с диаметром фотокатода, совпадающим или почти совпадающим с диаметром сцинтиллятора, именно в таком случае светосбор наиболее эффективен и, что особенно важно для гамма-спектрометрии, не зависит от расположения источника света (вспышки сцинтилляции) в пространстве. В нашем же случае пришлось бы поставить мозаику как минимум из четырех кремниевых ФЭУ, что в бюджет не влезало с учетом того, что уже пришлось купить кристалл (да -- нам, ученым, иногда приходится покупать кое-что для работы из своего кармана). Спектрометрия нам тоже не требовалась, и оставалось надеяться на то, что собранного света окажется достаточно.

Как мы можем оптимизировать светосбор в нашем случае? Если не распаковывать кристалл, у нас возможностей немного. И мы ими воспользуемся.

Какие это возможности? Во-первых, мы должны устранить воздушную прослойку между кристаллом и ФЭУ. Как вы думаете, сколько излучения теряется при ее наличии? Казалось бы, немного. Коэффициент отражения на границе стекло-воздух равно ~ 4%, и можно ожидать, что потеряем мы лишь 8% света. Но это было бы верно, если бы все излучение падало бы на фотокатод перпендикулярно. Но это не так: из сцинтиллятора свет выходит под всеми углами. И при наличии прослойки часть света просто не покидает кристалл из-за полного внутреннего отражения, а излучение внутри "конуса выхода" тоже частично отражается внутрь кристалла, и чем больше угол, тем сильнее.

Для устранения воздушной прослойки кристалл и фотоприемник соединяют с помощью прозрачной оптической смазки или клея, показатель преломления которой максимально близок к показателям преломления окон кристалла и ФЭУ. В качестве смазки можно использовать прозрачное вазелиновое или силиконовое масло, винилин. Существуют также специальные оптические контактные смазки наподобие тех, что производят компании Alpha Spectra Inc и Saint Gobain (BC-631). Для приклейки применимы прозрачные силиконовые и эпоксидные компаунды. С успехом можно использовать OCA -- листовой оптический клей вроде двустороннего скотча, предназначенный для приклейки сенсора к дисплеям смартфонов. Этот материал продается во всех магазинах запчастей для их ремонта и стоит несколько десятков рублей за кусок, вырезанный по форме дисплея.

Второе, что нужно сделать -- это закрыть все пути утечки света из кристалла. И худшее, что здесь можно сделать -- это поддаться соблазну решить все по-простому и заклеить окно алюминиевым скотчем.

Дело в том, что голый алюминий отражает только 85-88% света. Отражательная способность алюминиевого скотча со стороны клея -- еще ниже, не более 60-70%. Учитывая то, что свет будет несколько раз переотражаться туда-сюда внутри кристалла, пока не попадет на фотоприемник, это очень плохие цифры. Существует ряд материалов с очень высоким коэффициентом диффузного отражения, превышающим 95% -- многослойные пластиковые пленки, синтетическая бумага Tyvek и др. Тем не менее, наиболее доступным и весьма эффективным отражателем является обыкновенная сантехническая ФУМ-лента белого цвета в несколько (4-6) слоев , покрытая сверху алюминиевой фольгой, что дает коэффициент отражения примерно 95%. SensL рекомендует [1] для изготовления сцинтилляционных детекторов на основе SiPM именно ее. "Культурный" аналог производства Saint Gobain Crystals называется BC-642Teflon Tape.

Кто сказал "фокон"?

Фокон -- это сокращение от "фокусирующего конуса". Идея в том, что свет падает на конический или параболический рефлектор, концентрирующий свет с большой входной площадки на маленькую выходную. И такое решение действительно часто применяют в сцинтилляционных детекторах, чтобы сопрячь кристалл с ФЭУ меньшего диаметра. Но работает это решение весьма спорно.

Дело в том, что чем больше отношение входной площади фокона к выходной, тем уже конус, из которого фокон собирает свет. Свет, падающий под углом больше критического, отражается обратно. А сцинтиллятор светит во все стороны, и ограничивая угол сбора света, мы теряем его часть, так что обмануть природу не получится. В статье [2] показано, что фоконное сопряжение не дает ничего ни для эффективности светосбора, ни для спектрального разрешения при аналогичном нашему соотношении размеров кристалла и сборки из SiPM (кристалл диаметром 2" и сборка 2х2 из MicroFC 60035).

Сборка детектора

Поскольку наш кристалл находится в стандартном контейнере с кварцевым окном в торце, нам не нужно заботиться о светоотражающем покрытии всего кристалла. Им нужно закрыть его торец, оставив в покрытии квадратное окошко по размерам SiPM, то есть 7х7 мм. Всю остальную площадь окна нужно закрыть полосками ФУМ-ленты в 5-6 слоев. Затем из алюминиевого скотча вырезать круг диаметром около 50 мм, в его центре прорезать макетным ножом такое же квадратное отверстие и наклеить его поверх ФУМ-ленты, чтобы отверстия совпали. Теперь аккуратно заворачиваем его края на цилиндрическую поверхность корпуса, максимально тщательно разглаживая и разравнивая складки, через которые может проникать свет.

В свободный от ФУМ-ленты и фольги квадратик вклеиваем SiPM с помощью квадратика, вырезанного под его размер из OCA-пленки. Сверху на него наклеиваем кусочек каптоновой пленки, чтобы не замкнуть выводы кремниевого ФЭУ фольгой, а затем заклеиваем сверху кружком из алюминиевого скотча для защиты попадания света, пропустив провода от SiPM вдоль цилиндрической поверхности кристалла и оборачиваем боковую поверхность полосой алюминиевого скотча, спрятав под ней некрасивые и могущие пропустить свет складки. Правда, первое включение показало, что этого недостаточно и детектор нормально работает только если прикрыть его от света. Поэтому я закрыл конструкцию еще одним слоем самоклеящейся фольги и пропустил провода под ним в виде петли. В окончательном варианте детектор выглядит вот так.

Результат не заставил себя ждать: амплитуда сигнала от америция возросла более чем вдвое, достигая 20 мВ, что позволяет его уверенно выделять на фоне темнового шума. Вот сколько можно потерять света только из-за того, что пара квадратных сантиметров вокруг сиФЭУ закрыта неидеальным отражателем, и из-за зазора между ним и сцинтиллятором, заполненного воздухом.

Показательным является то, что уровень сигнала не меняется заметно при перемещении америциевого источника вдоль кристалла. Это говорит о том, что даже при столь субоптимальном сопряжении кристалла и фэу светосбор остается относительно равномерным.

Ссылки

1. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9774-D.PDF

2. Kim J., Park K., Hwang J. et al. Efficient design of a 22 inch NaI(Tl) scintillation detector coupled with a SiPM in an aquatic environment. // Nuclear Engineering and Technology. 2019. V. 51. 4. P. 1091-1097.

3. Lavelle C.M., Shanks W., Chiang C. Approaches for single channel large area silicon photomultiplier array readout // AIP Advances. 2019. 9. 035123.

11 марта 2011 года у побережья Японии произошло крупнейшее в истории страны Великое восточно-японскоеземлетрясение и вызванное им цунами. В результате погибло и пропало без вести почти 20 тысяч человек, было разрушено около миллиона домов, около полумиллиона человек были вынуждены эвакуироваться.

Но для многих главным событием тех дней стала авария на АЭС Фукусима Дайчи, крупнейшая авария на атомной станции после Чернобыльской катастрофы. Цунами обесточило станцию, вызвало перегрев реакторов и последовавшие за ним взрывы трех энергоблоков в течение 12-15 марта. Как физик-ядерщик я наблюдал за событиями тех дней, переживая за людей в Японии и коллег по отрасли на станции. Многое уже написано о причинах аварии и событиях тех дней. Но в своей статье я хочу рассказать не об этом, а о последствиях аварии для людей, окружающей среды и мировой атомной отрасли, и о том что сделано за эти 10 лет.

1. Выброс, загрязнение территории и океана

Основные выбросы радиоактивных веществ произошли в первые две недели аварии. Они начались через сутки после цунами и обесточивания АЭС, и были связаны с последовательными взрывами на блоках 1 (12 марта), 3 (14-го) и 2 (15-го). При этом до 15 марта выброс шел в сторону моря. Туда же сливалась вода, направляемая для охлаждения реакторов. Поэтому до 80% выбросов с АЭС Фукусима попали в океан, а не на сушу.

В отличие от Чернобыля, на Фукусиме были разрушены 3 реактора, а не один. Однако их активные зоны не взрывались, поэтому в выбросах практически не было трансурановых элементов и частичек топлива, а были в основном летучие компоненты и благородные газы. Главные из них которых с точки зрения угрозы здоровью это йод (в основном I-131) и цезий (в основном Cs-137). Первый имеет период полураспада всего 8 суток и опасен на ранних стадиях аварии. Второй имеет период полураспада 30 лет и определяет длительные загрязнения. Суммарный выброс I-131 (до 200 ПБк) и Cs-137 (до 16 ПБк) составили около 10-15% от чернобыльских выбросов.

Основное загрязнение территории это след выпадений на северо-запад от АЭС на расстоянии около 40 км. При этом площадь территории с загрязнением более 185 кБк/м2 (или 5 Ки/км2) составила в 2011 году около 1700 км2 6% от площади загрязнения такого же уровня после Чернобыля). Из них 75% леса, около 20% сельхозугодия и 5% территории населенных пунктов. К 2014-му площади такого загрязнения сократились до 600 км2.

Выбросы Cs-137 в океан через атмосферу оцениваются в 5-8 ПБк. (Отчет МАГАТЭ, стр 38), и еще от 1 до 6 ПБк Cs-137 попало в океан путем прямых сбросов с территории станции во время аварии.

Но тут важно помнить, что цезий в океане был и до Фукусимы. Это искусственный радионуклид, но "благодаря" атмосферным испытаниям ядерного оружия (частично я об этом писал в прошлой статье про ядерное разоружение), в мировом океане его скопилось уже более около 300 ПБк. А конкретно в северной части Тихого океана около 70 ПБ, т.е. минимум в 5 раз больше, чем добавила Фукусима.

На схеме выше видно, что сброшенный Cs-137 довольно быстро разбавился до концентраций 1 Бк/м3 и ниже. Доаварийный уровень содержания Cs-137 в морской воде был около 3 Бк/м3. Для сравнения, норматив для питьевой воды по требованиям Всемирной организации здравоохранения в 3000 раз выше до 10000 Бк/м3 (10 Бк/л). Так что следы фукусимского цезия, конечно, с хорошими приборами можно обнаружить и у берегов США, но опасность для здоровья людей он не представляет.

Впрочем, цезий может накапливаться в рыбе. Поэтому поначалу рыболовство в районе АЭС вообще было запрещено, а потом вся продукция подвергалась тщательному контролю. Хотя цунами и без того нанесло ущерб рыбакам, уничтожив 10% от всех рыболовных судов Японии. Однако уровень содержания цезия в образцах рыбы с годами снижался. Если после аварии до 57% отобранных проб показывали превышение японских нормативов в 100 Бк Cs-137 на килограмм сырого веса рыбы, то уже с апреля 2015-го таких превышений не обнаружено (см. статью и картинку из нее ниже), а в большинстве образцов содержание цезия было ниже 5 Бк/кг. При этом рекомендации ВОЗ по содержанию цезия в еде, даже для детей до 1000 Бк/кг. Поэтому ограничения на вылов рыбы в префектуре в итоге были полностью сняты.

Но все эти цифры как обычно не сильно важны широкой общественности, поскольку до сих пор в отношении всей продукции из префектуры Фукусима существуют опасения как внутри Японии, так и за рубежом. До 10% японцев до сих пор предпочитают не покупать продукты из префектуры Фукусима. А в 6 странах до сих пор запрещен импорт продуктов из Японии, еще в 9 они проходят проверку. Хотя 39 стран сняли введенные ранее ограничения. Вылов морепродуктов в префектуре пока восстановился лишь на 12% от доаварийного.

2. Жертвы и пострадавшие

В первые дни после аварии были эвакуированы жители в радиусе 20 км вокруг АЭС, а затем дополнительно и жители загрязненных районов вне этого участка. Все они находятся внутри префектуры Фукусима. Всего же из префектуры с населением 1,8 млн человек по всем причинам, из-за цунами, землетрясения и аварии на АЭС, было эвакуировано 164 тыс. человек. По всей же Японии суммарно было эвакуировано 470 тыс. человек в трех провинциях. Постепенно территории очищали и восстанавливали. На сегодняшний момент около 130 тыс. эвакуированных в провинции Фукусима уже вернулись обратно.

При этом сам процесс эвакуации штука не только сложная, но и опасная. Во время самого цунами в префектуре Фукусима погибли 1829 человек. Но еще 2259 жертв относят к так называемым связанным с катастрофой смертям это погибшие позже из-за стресса или медицинских осложнений, вызванных эвакуацией. В основном это пожилые люди и/или пациенты больниц. При этом 573 случаев из них связывают с эвакуацией из-за аварии на АЭС. В некотором смысле эвакуация убила больше людей, чем сама авария и риск облучения. А он на самом деле был не так уж и велик.

По различным оценкам, включая данные Всемирной организации здравоохранения, эвакуированные в первые дни после аварии могли получить дозы до 6 мЗв, эвакуированные позже до 10 мЗв. Это для взрослых и это консервативные оценки. Для детей оценка дозы в два раза выше. При этом дозы от природных источников в Японии составляют около 2,1 мЗв/год, и еще столько же от медицинских процедур. Т.е. средний японец и без всякой Фукусимы получает около 4 мЗв в год или порядка 200-300 мЗв за всю жизнь. Кстати, критерием для отселения территорий была величина дополнительной дозы в размере 20 мЗв, получаемая при проживании на ней в течении жизни.

Таким образом, радиационное воздействие от аварии на население получилось небольшое, сопоставимое с обычными дозами от природных источников. До сих пор, даже спустя 10 лет многочисленных исследований, как отмечается в свежем отчете Научного комитета по действию атомной радиации ООН, нет никаких свидетельств наличия негативных последствий для здоровья жителей префектуры Фукусима, связанных с радиационным воздействием от аварии.

А что с ликвидаторами? Среди рабочих и сотрудников АЭС во время прихода цунами на станцию 11 марта погибли двое рабочих. Однако из-за облучения никто во время аварии не погиб. Так же не было ни одного случая заболевания лучевой болезнью. Для сравнения, в Чернобыле 28 человек погибли от переоблучения в первые же недели, более 130 получили лучевую болезнь.

Из около 25 тыс. работников компании TEPCO (оператора АЭС Фукусима-Дайчи) и подрядных организаций, занимавшихся ликвидацией последствий аварии, средние полученные дозы составили 12 мЗв (UNSCEAR 2013 Report, стр 2018). 173 человека получили дозы более 100 мЗв, шестеро более 250 мЗв (норматив для чернобыльцев в первые годы аварии) до 680 мЗв. Но и эти дозы ниже уровней, представляющих непосредственную угрозу здоровью в виде детерминированных эффектов или начала лучевой болезни (от 1000 мЗв).

За всеми работниками ведется наблюдение и регулярные медосмотры. Однако ожидается, что как и для населения, среди ликвидаторов статистически не удастся выявить повышение частоты рака над обычным уровнем из-за малой выборки и низких доз (ВОЗ). А в каждом конкретном случае отличить радиационно-индуцированный рак от спонтанного невозможно. Тем не менее, специальная комиссия рассматривает случаи возникновения заболеваний среди ликвидаторов для определения связи их с облучением и выделения компенсаций. Связанными с облучением уже признаны три случая заболевания лейкемией. В 2018 году был признан первый связанный с аварийным облучением смертельный случай от рака легкого. Впрочем, сторонними экспертами связь его с облучением ставится под сомнение.

3. Площадка АЭС и проблемы с радиоактивной водой

На самой станции активно идут работы по подготовке АЭС к выводу из эксплуатации. В 2014-м году было выгружено топливо из аварийного блока 4, а буквально пару недель назад, 28 февраля, была завершена выгрузка топлива из бассейна выдержки на блоке 3. Как это делали лучше посмотреть в этом ролике:

К 2028 году планируется выгрузить и разместить в безопасном хранилище топливо из остальных блоков. Но несмотря на уникальность операции по извлечению топлива из аварийных блоков, это все же событие более интересное для специалистов. Как и обращение с твердыми отходами, образующимися при очистке загрязненных территорий вне и на станции. Хотя это и серьезная по масштабам задача, но опыт и технологии для ее решения имеются. К 2028 году все их планируют переработать и разместить в специализированных хранилищах. Так что не буду перегружать статью их описанием.

Но вот главная проблема вокруг Фукусимы, которая волнует общественность в последние годы и которая весьма специфична для этой аварии это обращение более чем с миллионом тонн загрязненной воды, накопленной на площадке АЭС. И волнует она общественность потому, что ее предполагается слить в океан.

Очень хорошее и понятное описание процесса образования этой воды уже сделал Валентин Гибалов (tnenergy), рекомендую почитать его статью на хабре "Водные преграды TEPCO".

Я лишь коротко поясню, что с самого начала аварии в марте 2011-го главной проблемой на АЭС Фукусима-Дайчи было охлаждение реакторов. Его недостаток из-за обесточивания станции, вызванного цунами, привел к расплавлению топлива в трех реакторах, образованию водорода и взрыву гермооболочек трех энергоблоков. Для охлаждения реакторов в них и заливали воду, сначала морскую, а затем пресную. Но из-за негерметичности конструкций в разрушенные здания постоянно подтекает грунтовая вода, стекающая через площадку АЭС в сторону океана. Попадая в здания АЭС она загрязняется, поэтому ее приходится откачивать и очищать. Постепенно объем этой добавки удалось снизить с 540 м3 в сутки в 2014-м до около 140 м3 в сутки сейчас. К 2025 году ее собираются снизить до 100 м3/сутки. Но в итоге суммарный объем воды, прошедшей частичную очистку, только накапливался (см картинку ниже отсюда).

В результате, к текущему моменту на площадке АЭС накоплено более 1 200 000 м3, собранных примерно в 1000 контейнерах. И ожидается, что к 2022 году места для хранения просто не останется. Эта вода прошла многоступенчатую очистку, благодаря чему из нее удалены 62 вида радионуклидов. 30% ее даже уже отвечают всем нормативам (кроме содержания трития). Но 70% имеют превышения по некоторым нуклидам и помимо трития.

Что такое тритий? Это изотоп водорода, т.е. этот тот же атом водорода, но с парой лишних нейтронов в ядре. Поэтому он не накапливается в организме или в каком-то органе, а участвует в обмене веществ как и водород, в основном в составе воды. Он радиоактивен, но не сильно. Это мягкий бета-излучатель, поэтому его излучение еще и экранируется окружающей водой. А несмотря на период полураспада в 12,3 года, его период полувыведения из организма всего 10 дней. Поэтому тритий гораздо менее опасен для организма чем, например, цезий-137. Это видно и по рекомендациям ВОЗ по допустимому содержанию трития в питьевой воде в 10 000 Бк/л, в то время как у цезия-137 оно всего 10 Бк/л.

К тому же тритий это природный радионуклид. Ежегодно под действием солнечных и космических лучей его на Земле образуется 70 000 ТБк. А общий запас трития в хранилищах на Фукусиме 860 ТБк, т.е. менее 1% этой величины, и это накоплено за 10 лет.

При этом среднее содержания трития в воде хранилищ Фукусимы около 700 000 Бк/л, всего в 11 раз выше требований японских регуляторов для сброса в океан 60 000 Бк/л. Не сильно выше норматива для питьевой воды, но сильно ниже отнесения к радиоактивным отходам (1 млн. Бк/л). Такое требование регулятора появилось не на пустом месте. Оно действовало и до аварии. На самом деле сброс трития делают все АЭС в штатном режиме в допустимых регуляторами пределах, которые рассчитываются исходя из минимальной дозовой нагрузки на окружающую среду и людей.

Поэтому та же АЭС Фукусима-Дайчи в 2010 году, до аварии, спокойно сливала в океан суммарно около 2,2 ТБк воды с тритием. При том что регулятор разрешал в 10 раз больше 22 ТБк в год. Если сбросить весь объем воды с тритием Фукусимы за один год то это даст дозу для местных жителей в 0,8 мкЗв. Это доза, которую они получают от природных источников за 3 часа.

И такие штатные сбросы осуществляют все АЭС от десятых долей до сотен ТБк в год. А перерабатывающие заводы и того больше. Вот лишь некоторые примеры объемов сбросов для АЭС и заводов:

Поэтому если бы Фукусима сливала по те же 22 ТБк в год, как разрешал регулятор до аварии без всяких угроз для населения, то от запасов трития можно было бы избавиться за 40 лет. С учетом того что после аварии все АЭС Японии были остановлены и сброс трития с них прекратился запасы трития на Фукусиме это лишь малая часть от того, что могло бы быть сброшено в океан у Японии по всем нормативам за эти 10 лет.

Похожая же история и с углеродом-14 (C-14). Гринпис рассказывает о нем страшное, как и про тритий что он может изменить человеческую ДНК. Но дело как обычно в цифрах, поскольку риск мутаций связан с дозой, а значит с количеством радионуклида, попавшего в организм, а не с самим фактом его попадания. На самом деле он в нас с самого рождения, и даже с зачатия. В теле 70-кг человека содержится около 3000 Бк C-14. Т.е. каждую секунду в нашем теле распадается с испусканием бета-частиц 3000 атомов углерода-14. Всю жизнь. Что дает нам прибавку по 10 мкЗв в год. Но больший вклад дает другой природный нуклид калий-40, которого в каждом из нас по 5000 Бк, и от которого мы получаем более 200 мкЗв в год.

Но вернемся к фукусимским цифрам. Содержание C-14 в воде хранилищ от 2 до 220 Бк/л. Норматив ВОЗ для питьевой воды 100 Бк/л. Ну т.е. это не всегда питьевая вода, но явно всегда ниже нормативов для сброса в океан. Но даже если в течение года ежедневно пить по 2 л воды с 220 Бк/л С-14, вы получите максимум 100 мкЗв, что ниже, чем вы получаете от содержащегося в организме калия-40. Общее же содержание C-14 в хранилищах Фукусимы называется в 63,6 ГБк. В атмосфере Земли благодаря космическому излучению такое количество C-14 синтезируется (считай - сбрасывается для изменения человеческой ДНК) каждые 40 минут.

Впрочем, это все рассуждения о средних величинах. Как показано выше, воды имеют разный состав, и помимо трития отвечают критериям для сброса лишь 30% их объема. В остальных есть и другие радионуклиды, превышающие нормативы.

Поэтому выбор не стоит между необходимостью резко слить миллион тонн воды в океан или этого не делать. Нужен дифференцированный подход к водам разного состава. Грубо говоря для наиболее чистых, которых больше всего по объему, можно рассматривать вариант контролируемого сброса, растянутого по времени для освобождения емкостей, с обоснованием безопасности процесса. А более грязные нужно доочищать, либо искать иные способы утилизации. В отчете TEPCO в прошлом году они рассматриваются это может быть выпаривание, электролиз или закачки в геологические формации. Кстати, опыт последнего имеется у России, я писал о нем отдельную статью ссылка. Но насколько я понимаю, в приоритете (см платы METI) все же вариант доочистки вод от всех радионуклидов, а затем разбавление для выполнения нормативов по тритию и сброс.

Так что в целом, проблема сброса вод в техническом плане несколько сложнее чем представляется публике, но в большей степени носит политический характер. Так что дело за регуляторами и решением правительства Японии. Ну и грамотностью населения.

4. Последствия для экономики и энергетики Японии

Общие затраты Японии на ликвидацию последствий аварии на АЭС Фукусима-Дайчи по данным японского правительства могут составить около 188 млрд. долларов. Из них около 70 млрд $ выплаты компенсаций, около 45 млрд. $ расходы на очистку территорий и обращение с отходами. При этом вклад самой компании TEPCO составляет около 140 млрд.$, а других энергетических компаний около 30 млрд $. Сама компания TEPCO чтобы избежать банкротства была вынуждена перейти под контроль государства.

Прямые экономические потери от землетрясения и цунами в 2011 году для Японии составили более 200-320 млрд. долларов, без учета ядерной аварии. Правда в тех же оценках потери от Фукусимы оценивались в 60-70 млрд, а потом выросли.

До аварии в Японии обладала развитой атомной энергетикой 54 энергоблока АЭС давали 30% всей электроэнергии. Планировалось к 2030 году довести эту долю до 50%. Но после аварии все АЭС были остановлены до проведения проверок, стресс-тестов, модернизации с повышением безопасности и получения разрешения на перезапуск от местных жителей. Около 20 энергоблоков были окончательно выведены из эксплуатации. Действующее правительство хотело вообще пойти на отказ от атомной энергетики, но в итоге проиграло выборы.

Возникший дефицит электроэнергии в 2011 году (до 40%!) перекроил энергетику Японии, и без того бедную на ресурсы, на большее использование завозного угля, газа и нефти. Сейчас Япония является крупнейшим в мире импортером сжиженного природного газа, потребляя его больше, чем вся Европа целиком. К 2015 году доля сжигаемого топлива в энергобалансе Японии выросла до 88% по сравнению с 62% в 2011, а затраты на топливо после закрытия АЭС выросли в полтора раза. Несмотря на усилия по развитию возобновляемой энергетики, ни она, ни импорт зарубежного топлива пока не очень выгодны ни с экономической точки зрения, ни с точки зрения сокращения выбросов и достижения цели углеродной нейтральности экономики к 2050 году.

Утвержденный в 2015 году план развития энергетики Японии предполагает восстановление доли атома до 20-22% к 2030 году. Для этого надо будет запустить в работу оставшиеся 33 энергоблока и построить новые. С 2013 года энергоблоки стали перезапускать и сейчас работают уже 9 из них, вырабатывая 6% электроэнергии Японии.

5. Последствия для мировой атомной энергетики

Помимо Японии, другие страны имеющие АЭС тоже провели их стресс-тесты по переоценке безопасности и устойчивости на случай природных катастроф. В России в том числе. Даже на ближайшей ко мне Белоярской АЭС на всякий случай установили дополнительные мобильные генераторы (их отсутствие на Фукусиме повлияло на ход аварии), хотя до ближайшего океана почти полторы тысячи километров.

Из атомных технологий, на которые повлияла авария, можно наверно выделить три. Это большее внимание к разработкам толерантного топлива - менее склонного к пароциркониевой реакции при авариях с потерей охлаждения. Именно из-за такой реакции образовывался водород на энергоблоках Фукусимы, а затем взрывался. Впрочем, по борьбе с ним есть много других направлений, например специальные дожигатели водорода, которые ставятся в реакторых залах новых российских энергоблоков. Второе направление малые модульные реакторы с повышенной безопасностью. Но и они развивались до Фукусимы. Третье направление ионоселективная сорбция для очистки жидких радиоактивных отходов. Это то, чем очищают воду на Фукусиме и это реально сильно выстрелившее направление за последние годы. Сам в нем успел поработать. Но в целом атомная отрасль очень консервативна, так что технологические изменения тут идут медленно.

Как ни странно, но авария на АЭС Фукусима, вторая по величине после Чернобыля, не оказала принципиального влияния на развитие мировой атомной энергетики за пределами Японии. Да и в самой Японии, несмотря на резкий спад атомной отрасли, остается стратегическая задача по ее сохранению и развитию.

Ряд стран вроде Германии и Бельгии лишь ускорили свои планы по отказу от атомной энергетики, которые у них были и до 2011 года. Крупные атомные страны, США, Великобритания, Франция, Россия, а так же Финляндия, Чехия, Венгрия, рассматривают атомную энергетику как важную часть своей будущей низкоуглеродной экономики и не собираются от нее отказываться. Бурными темпами строит АЭС Китай, планируя в ближайшие 5 лет увеличить мощности АЭС с 50 до 70 ГВт. За последние 10 лет построили у себя первые АЭС Объединенные Арабские Эмираты, Белоруссия, строят Бангладеш, Турция, планирует строить Польша. Пожалуй единственной страной, политику которой Фукусима развернула, стала Италия. После Чернобыля она свернула свою атомную энергетику, но перед Фукусимой планировала ее восстановить. После аварии эти планы отложили.

Несмотря на спад атомной генерации в Японии, мировое производство электричества на АЭС уже вернулось на дофукусимский уровень.

Так что в гораздо большей степени, чем авария на АЭС Фукусима, на развитие атомной отрасли в мире влияют экономические факторы, доступность ресурсов и климатические соображения.

Ну а я надеюсь что мифов, заблуждений и страхов, связанных с этой аварией, по крайней мере у прочитавших мою статью, будет чуть меньше.

А в конце хочу напомнить, что даже с учетом жертв Фукусимы и Чернобыля, атомная энергетика остается одной из наиболее безопасных форм производства электроэнергии:

Ссылки и источники:

Сайт префектуры Фукусима с описанием мер по реабилитации (ссылка) и презентация.

Why The Cancer Death Of A Fukushima Worker Was Likely Not Due To Fukushima (Forbes, 2018)

It's Really OK If Japan Dumps Radioactive Fukushima Water Into The Ocean (Forbes, 2019)

Comparison of the Chernobyl and Fukushima nuclear accidents: A review of the environmental impacts

Обновление данных по Фукусиме на сайте МАГАТЭ

Отчет TEPCO по сбросу воды "The Subcommittee on Handling of the ALPS Treated Water Report"

Current Status of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. April 2020 (презентация японского правительства)

Автор: Александр Старостин

Кратко о цепной атомной реакции

И ядерное оружие, и атомная энергетика базируются на цепной ядерной реакции деления. Бывает ещё ядерная реакция синтеза, но о ней в другой раз.

Итак, в силу своих свойств ряд тяжёлых элементов стремится к радиоактивному распаду, то есть изменению состава или внутреннего строения атомного ядра. Для выработки энергии необходимо, чтобы при распаде производилось больше энергии, чем раньше. При распаде ядро испускает некоторое количество нейтронов, которые при этом получают кинетическую энергию и летят в разные стороны. При этом нейтроны могут выделяться как сразу после начала деления (мгновенные нейтроны), так и с задержкой от нескольких миллисекунд до нескольких секунд (запаздывающие нейтроны). Как только они сталкиваются с другим ядром, происходит инициация реакции деления, и ядро испускает нейтроны.

Важно, чтобы эффективный коэффициент размножения нейтронов (проще говоря, количество нейтронов, вызывающих новую реакцию деления, отделяющихся за один акт деления ядра) был больше или равен единице, иначе наша реакция затухнет. Несмотря на малую долю в общем количестве выделяемых нейтронов (менее 1%), запаздывающие нейтроны позволяют существенно продлить время жизни нейтронов одного поколения, позволяя управлять цепной реакцией. Состояние, при котором коэффициент равен единице, называется критическим. Соответственно, если значение коэффициента <1, то состояние подкритичное, а если значение коэффициента >1, то состояние надкритичное. В надкритичном состоянии мощность реакции возрастает экспоненциально, то есть скорость роста мощности тем выше, чем выше мощность. Для ядерного оружия это хорошо, а вот для ядерного реактора не очень, его рост мощности нужно регулировать, не давая достигнуть слишком высоких значений мощности. Ясное дело, что работы по постановке ядерной реакции под контроль были почти столь же приоритетны, как и работы по достижению максимально быстрого роста мощности и достижению максимума мощности.

Краткая история мирного атома в СССР

Первая в мире атомная электростанция была пущена в 1954 году в городе Обнинске Калужской области. Она успешно и безаварийно проработала вплоть до 29 апреля 2002 года, то есть 48 лет (на 30 лет больше запланированного). Реактор вобрал в себя все имевшиеся на тот момент наработки в области создания и использования реакторов двойного назначения. Например, на заводе Маяк реактор не только производил оружейный плутоний, но также электроэнергию и тепло для близлежащих городов. АМ-1 (Атом Мирный именно такой индекс получил реактор на станции) представлял собой уран-графитовый реактор с водой в качестве охладителя и теплоносителя. Электрическая мощность реактора составляла 5 МВт

Изначально предполагалось построить несколько различных типов экспериментальных реакторов, которые должны были в будущем развиться в реакторы для различных нужд, в том числе для подводных лодок, кораблей и судов. Конкретно АМ-1 для этих целей не подошёл - слишком уж громоздкий из-за схемы расположения тепловыделяющих элементов в графитовой кладке.

Спустя 10 лет в работу были пущены реакторы типа АМБ (Атом Мирный Большой) в составе Белоярской АЭС. Это уже были реакторы электрической мощностью 100 МВт. В целом реакторы показали себя не очень надёжными, на всём протяжении их эксплуатации неоднократно происходили различные аварии, причём нередко достаточно серьёзные. Например, в течение первых десяти лет эксплуатации не один раз происходило разрушение тепловыделяющих сборок на первом энергоблоке. Тем не менее, первый и второй блок доработали до полной выработки ресурса, после чего были выведены из эксплуатации. На данный момент ведётся разборка этих реакторов. Сейчас на Белоярской АЭС эксплуатируются два реактора на быстрых нейтронах.

Одновременно с запуском в эксплуатацию БАЭС началось проектирование нового мощного реактора канального типа. Работы велись в Научно-исследовательском и Конструкторском Институте ЭнергоТехники (НИКИЭТ) под руководством академика Николая Антоновича Доллежаля. Научной частью заведовал Институт Атомной Энергии (ИАЭ) им. Курчатова (директор академик Анатолий Петрович Александров). Вообще, работа в области атомной энергетики в частности и атомной промышленности велась и управлялась ведущими советскими учёными. Тот же Александров в 1975 году стал президентом Академии наук СССР.

Анатомия гиганта

Что же представлял из себя новый реактор, получивший поначалу обозначение Э-7? Театр начинается с вешалки, а реактор с тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ). ТВЭЛ это трубка из циркониевого сплава, толщина которой 0.9 мм, а диаметр 13.6 мм. Оставшиеся 11.5 мм занимают спрессованные таблетки диоксида урана UO2. Изначально степень обогащения урана-235 составляла 2%, однако по мере модернизации реакторов её увеличивали. 18 таких ТВЭЛов объединены в тепловыделяющую сборку (ТВС). Внутри неё помимо самих ТВЭЛов находится несущий стержень из оксида ниобия NbO2, крепёжные детали из циркониевого сплава, а также каналы для теплоносителя, то есть воды. Высота одной сборки 3.5 метра. Последовательное соединение двух ТВС называется тепловыделяющей кассетой (ТВК), её высота 7 метров. Высота ТВК соответствует высоте всей активной зоны.

Сама активная зона представляет из себя графитовую кладку, состоящую из графитовых колонн. Каждая колонна собрана из прямоугольных блоков, длина и ширина которых составляет по 250 мм, а высота может составлять 200, 300, 500 или 600 мм. Всего колонн 2488, в каждой просверлен канал диаметром 114 мм. В этом канале может размещаться одна из 1693 топливных кассет либо один из 179 стержней Системы управления и защиты реактора (СУЗ). Остальные колонны являются боковыми отражателями нейтронов, защищающими окружающую среду от этих самых нейтронов. Размеры кладки: эквивалентный диаметр 13.8 метра, из которых на активную зону приходится 11.8 метра, а толщина отражателя 1 метр; высота кладки 8 метров, из которых 7 активная зона, а ещё по полметра сверху и снизу отражатель. Благодаря такой схеме реактор и получил наименование РБМК Реактор Большой Мощности Канальный.

Всё это добро уютно расположилось в шахте размерами 21.6х21.6х25.5 метров. В самом низу шахты находится бетонное основание. На нём покоится крестообразная металлоконструкция (схема С), соединяющая бетонное основание с нижней плитой реактора (схемой ОР). Толщина этой плиты 2 метра, диаметр 14.5 метров. Она состоит из цилиндрической обечайки, заполненной серпентинитом и проходками для топливных каналов и каналов управления, а также двух листов, в которые вварены герметично эти каналы.

Сверху расположена аналогичная по конструкции плита (схема Е), только её размеры иные толщина 3 метра, диаметр 17.5 метров. Она установлена на кольцевом баке с водой (схема Л), исполняющем роль боковой биологической защиты. Внешний диаметр бака 19 метров, а внутренний на высоте 11 метров 16.6 метров. Бак от бетона боковых стен отделяет засыпка песка. Между внутренней стенкой и активной зоной находится герметичный кожух реактора, имеющий также обозначение схема КЖ (металлопрокат, толщина 16 мм), соединяющий верхнюю и нижнюю плиты. Между кожухом и внутренней стенкой бака присутствует полость, заполненная азотом под давлением более высоким, чем давление азотно-гелиевой смеси внутри кожуха. Таким образом, исключается утечка газа из полости реактора. Азотно-гелиевая смесь предотвращает выгорание гелия.

На полу реакторного зала лежит плитный настил, который вместе с дополнительной биологической защитой (схема Г) обеспечивает высокий общий уровень биологической защиты. По этому настилу можно ходить во время работы реактора, он же обеспечивает перегрузку (то есть замену топлива) реактора. Такая конструкция реактора позволяет перегружать тепловыделяющие кассеты без остановки реактора с помощью разгрузочно-загрузочной машины.

Итак, как же работает реактор РБМК? С помощью главных циркуляционных насосов (ГЦН) вода через трубопроводы подаётся непосредственно в ТВК. В них за счёт повышенного давления (7 МПа или 70 атмосфер) температура кипения воды повышается до 284 градусов по Цельсию. Проходя через них, она нагревается и частично испаряется. Сверху (вода подаётся в активную зону снизу) находятся трубопроводы, подводящие образовавшуюся пароводяную смесь к барабан-сепараторам. Их задача отделить пар, содержание которого в смеси в среднем 14.5% от воды. Пар идёт на турбины, а вода снова подаётся в реактор. Таким образом, реактор РБМК является одноконтурным по теплоносителю.

Однако на деле не всё так однозначно, так как на самом деле структура единственного контура РБМК напоминает восьмёрку. Дело в том, что в верхней части этой восьмёрки (нижняя часть это контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ), его я только что и описал) есть ещё ряд систем. Этот ряд включает в себя турбину, генератор, конденсатор, насос и барабан-сепаратор. Пришедшая из реактора в барабан-сепаратор пароводяная смесь разделяется на воду и пар. Пар температурой 284 градуса под давлением в 7 МПа приходит на турбину и вращает её, преобразуя тепловую энергию в кинетическую. Эту энергию турбина передаёт на генератор, вырабатывающий электроэнергию. Из турбины сильно охладившийся пар (до 30 градусов при давлении в 0.004 МПа или 0.04 атмосферы) попадает в конденсатор. Там пар передаёт свою тепловую энергию воде, забираемой из пруда-охладителя станции. На выходе из конденсатора мы получаем воду, с параметрами близким к параметрам пара, которая является "холодным" теплоносителем для второго теплового контура. Эта вода, пройдя через несколько вспомогательных устройств, становится питательной водой и с помощью питательного насоса подается в барабан-сепаратор. Там она смешивается с водой из пароводяной смеси, пришедшей из активной зоны, после чего уходит в реактор. Так замыкается восьмёрка.

Общая тепловая мощность реактора РБМК-1000 3200 МВт, из которых только 1000 МВт электрическая мощность, остальное тратится на обогрев атмосферы и пруда-охладителя. На случай, если нужно уменьшить мощность, заглушить реактор или же что-то пойдёт не так, предусмотрен целый ряд систем защиты, ведущую роль в котором играют Стержни Управления и Защиты (СУЗ), запомните их, они нам вспомнятся ещё не раз. В первых реакторах стержней было 179, позже их стало 211. По своему назначению они делятся на стержни аварийной защиты (24 штуки), стержни автоматического регулирования (12), стержни локального автоматического регулирования (12), стержни ручного регулирования (131) и 32 укороченных стержня-поглотителя (УСП), предназначенные для локального регулирования мощности (появились после аварии на ЛАЭС в 1975 году). При необходимости, стержни вводятся в активную зону или выводятся из неё, тем самым уменьшая или увеличивая мощность соответственно. Введение всех стержней глушит реактор. Все стержни за исключением УСП, вводятся в реактор сверху.

Что из себя по конструкции представлял стержень-поглотитель реактора РБМК? При полностью выведенном из реактора стержне в активной зоне оставался графитовый вытеснитель длиной 4.5 м, а также по 1.25 м воды сверху и снизу. При подаче сигнала на введение в активную зону вытеснитель вытесняет воду снизу и выходит из зоны, а его место занимает соединённый с ним телескопом стержень-поглотитель из бора. Его задача поглотить нейтроны, инициирующие цепную ядерную реакцию.

Отличий в конструкции РБМК от конструкции другого широко распространённого в России реактора типа ВВЭР много, но ключевых два. Во-первых, из-за циклопических размеров РБМК невозможно запаковать в герметичный корпус, который бы защитил окружающую среду в случае взрыва реактора. Во-вторых, в реакторе типа ВВЭР два герметичных контура теплоносителя, которые изолированы друг от друга. Первый вода под высоким давлением, идущая непосредственно в активную зону. Там она нагревается и идёт в теплообменник, передавая свою тепловую энергию воде второго контура, которая в виде пара уже вращает турбину.

В принципе, реактор ВВЭР безопаснее, чем РБМК, однако РБМК давал весьма заметные экономические выгоды. Во-первых, в нём можно использовать менее обогащённое топливо (на ранних этапах считалось, что канальный реактор спокойно может работать на топливе со степенью обогащения 2%, в то время как корпусный требовал степени обогащения 4-5%). Более того, РБМК может работать на отработанном топливе реактора ВВЭР. При этом выгорание топлива в РБМК более равномерное, то есть реактор расходует его более экономно. Во-вторых, как уже говорилось, в РБМК можно менять топливные кассеты без остановки реактора, в то время как для перегрузки топлива реактор типа ВВЭР подвергается разгерметизации корпуса, что сопряжено с большим объёмом работы. В-третьих, при всех своих огромных размерах РБМК проще в строительстве, так как не требует трудоёмкого создания герметичного корпуса, что облегчает как производство, так и установку реактора на месте.

РБМК распространяется

Строительство первой атомной станции, оснащённой реактором РБМК-1000 (то есть Реактор Большой Мощности Канальный электрической мощностью 1000 МВт) началось в 1967 году в 4 км от посёлка Сосновый бор, что в 70 км от исторического центра Санкт-Петербурга. В 1974 году в эксплуатацию ввели первый энергоблок, спустя два года второй. Здесь нужно отметить, что реально реактор подключают к сети раньше, чем официально вводят в эксплуатацию.

И первая очередь ЛАЭС порадовала своих создателей ещё до этой даты зимой 1974 года, с разницей в месяц, произошло два серьёзных инцидента взрыв водорода в газгольдере, где выдерживались газообразные радиоактивные отходы, а также разрыв промежуточного контура с утечкой высокоактивной воды. В результате погибли три человека. Однако это были лишь первые звоночки, а первый гром грянул 30 ноября 1975 года. Подробнее об этой аварии мы поговорим позже, а пока скажем лишь, что результатом аварии стало разрушение одного топливного канала, а общее загрязнение составило примерно 1.5 млн Кюри, что, мягко говоря, немало.

После этого реакторы РБМК были дооснащены дополнительными поглощающими стержнями (добавилось 32 укороченных стрежня), целым рядом систем, направленных на повышение безопасности реактора (например, системой аварийного охлаждения реактора (САОР), системой локальной автоматической защиты (ЛАЗ) и системой локального автоматического регулирования мощности реактора (ЛАР)), повысили степень обогащения урана до 2.4%, а также были внесены множественные уточнения в инструкции персонала и проекты будущих энергоблоков.

От аварии, аналогичной по масштабам чернобыльской, ЛАЭС спасли умелые действия персонала. Сама станция находилась в ведении министерства среднего машиностроения, которое в СССР занималось атомным оружием, атомной промышленностью и атомной энергетикой. Однако все последующие станции строились для нужд министерства энергетики и электрификации. Там всё было куда хуже и с персоналом, и с заводами. Вспоминает Анатолий Дятлов:

Ленинградская АЭС, подведомственная Министерству среднего машиностроения, проектировалась его организациями, под его заводы, оснащенные современным оборудованием. Курская и Чернобыльская станции принадлежали Министерству энергетики и электрификации. В правительственном Постановлении было указано, что нестандартное оборудование для четырех блоков первых очередей этих станций будет изготовлено теми же заводами, что и для Ленинградской. Но для Минсредмаша правительственное Постановление не указ даже и в то время, когда еще немного слушались правительства. Говорят, у вас есть свои заводы, вот и делайте, чертежи дадим. Был я на некоторых заводах вспомогательного оборудования Минэнерго оснащение на уровне плохоньких мастерских. Поручать им изготовление оборудования для реакторного цеха все равно, что плотника заставлять делать работу столяра. Так и мучились с изготовлением на каждый блок. Что-то удавалось сделать, чего-то так и не было. Характерно, вот уж поистине застой, Минэнерго за несколько лет так ни одного своего завода и не модернизировало, чтобы был способен изготавливать не столь уж сложное оборудование.

Между тем, продолжалось строительство энергоблоков с реакторами РБМК-1000 первого поколения. К ним также относились 1 и 2 блоки Курской (начало строительства 1972 и 1973 года, ввод в эксплуатацию 1977 и 1979 года соответственно) и Чернобыльской АЭС (начало строительства 1970 и 1973, ввод в эксплуатацию 1978 и 1979 года соответственно). А дальше началось проектирование и строительство энергоблоков с реакторами РБМК второго поколения.

В чём отличия от поколений 1 и 1+? Во-первых, увеличенный барабан-сепаратор. Во-вторых, трёхканальная САОР, которая теперь снабжала аварийный реактор водой не только из гидробаллонов, но и через питательные насосы. В-третьих, теперь для локализации радиоактивных веществ, выброс которых нельзя было допустить в атмосферу в случае аварии, были предусмотрены двухэтажные бассейны-локализаторы, которые должны были эти радиоактивные вещества аккумулировать. Ну и наконец, теперь реакторные отделения строились дубль-блоком, иными словами, они составляли одно здание, хотя блоки и были разделены. Ранее каждый реактор строился в своём здании.

К реакторам нового типа с повышенным уровнем безопасности относились энергоблоки 3 и 4 Курской АЭС (начало строительства 1978 и 1981 года, ввод в эксплуатацию 1984 и 1986 соответственно), 3 и 4 Чернобыльской АЭС (начало строительства 1972 и 1971 года, ввод в эксплуатацию 1982 и 1984 соответственно), 1 и 2 Смоленской АЭС (начало строительства 1975 и 1976 года, ввод в эксплуатацию 1983 и 1985 соответственно). Кроме того, сюда же относят и 3 и 4 энергоблоки Ленинградской АЭС (начало строительства 1973 и 1975 года, ввод в эксплуатацию 1980 и 1981 соответственно), но они были промежуточными, отличаясь устройством ряда систем как от более ранних, так и более поздних энергоблоков.

Отдельно следует упомянуть об Игналинской АЭС. Её оснастили модифицированной версией реактора РБМК-1500. Как можно догадаться из индекса, электрическая мощность данного реактора составляла 1500 МВт. Достигалось увеличение путём интенсификации теплообмена в ТВК при сохранении размеров реактора. Однако реальная мощность составляла 1300 МВт, так как на номинале и повышенной мощности происходило неравномерное выгорание топлива и растрескивание оболочек ТВЭлов. До аварии на ЧАЭС в 1986 году успели сдать в эксплуатацию один блок (начало строительства 1975, ввод в эксплуатацию 1984 год). Ещё один блок должны были пустить в 1986 году, однако из-за аварии на ЧАЭС пуск и ввод в эксплуатацию перенесли на год (начало строительства 1978, ввод в эксплуатацию 1987 год). Также после аварии заработал третий блок Смоленской АЭС с реактором РБМК-1000 (начало строительства 1984, ввод в эксплуатацию 1990 год). Все остальные достраивавшиеся блоки (КАЭС-5 (строительство остановлено в 2012 на степени готовности 85%), ЧАЭС-5 и 6 (строительство остановлено в 1986 году), САЭС-4 (строительство остановлено в 1993 году), ИАЭС-3 (строительство остановлено в 1988 году)) были законсервированы.

В дальнейшем планировалось ещё увеличить мощность реактора за счёт увеличения диаметра топливных каналов и других ухищрений с топливными кассетами (РБМК-2000 и РБМК-3600), использования перегретого пара (проекты РБМКП-2400 и РБМКП-4800). Кроме того, существовал более поздний проект МКЭР, который предполагалось оснащать двойной защитной оболочкой, четырёхконтурной системой принудительной циркуляции воды против двухконтурной у РБМК, а также рядом новшеств, направленных на снижение расхода топлива и повышение КПД. Тем не менее, ни один из этих проектов дальнейшего развития не получил.

Подводя итог. Реактор большой мощности канальный электрической мощностью 1000 МВт (или РБМК-1000) представляет из себя циклопическое сооружение, которое массово распространилось по АЭС Советского союза и на протяжении многих лет являлось флагманом отечественной атомной индустрии. При этом большинство энергоблоков с этим реактором до сих эксплуатируются, хоть и с условием постоянной модернизации для повышения безопасности. О недостатках машины (в том числе и критических) мы поговорим в одной из следующих частей цикла (причём ближе к концу). А в следующей части о ЧАЭС, Припяти и Чернобыльском крае.

Автор: Александр Старостин

Оригинал

Автор: Александр Старостин

Часть 7

После завершения работ по строительству Саркофага наступление радиации было остановлено, так что пришло время учёному войску нанести контрудар. Оно опять же велось по двум направлениям. Продолжающейся дезактивации территории Зоны, а также по разведке состояния того, что было накрыто объектом "Укрытие". Поговорим сегодня об обоих этих направлениях, здесь есть, что обсудить. И сегодня мы прогуляемся в Рыжий Лес.

Не обойдётся и без мистики (с последующим разоблачением).

Зачистка

Дезактивация не ограничивалась одной лишь перекопкой почвы. Были приняты очень серьезнее меры по недопущению проникновения радиоактивного мусора за пределы зоны.

Вокруг зоны, а также внутри, в границах 5 и 10-километровой зон стояли КПП с ПуСО. Там проводили замеры машин, выходивших из зоны. И если сама машина была загрязнена сильнее, то её отправляли помыться. А вот груз отбирали и отправляли на могильники вслед за техникой. На ПуСО образовывалось огромное количество грязной воды, которую можно было бы использовать повторно, если бы она не была столь сильно загрязнена. Сотрудники Киевского Политехнического института под руководством Александра Шутько разработали для её очистки специальный реагент, который позволял сократить загрязнение радиацией воды на 2-3 порядка.

На территории зоны было организовано два крупных хранилища техники Рассоха и Буряковка. Из-за стоимости захороненной там техники они получались золотыми. Один тот факт, что в итоге там оказались захоронены почти все ИМР (очень дорогой машины, между прочим), имевшиеся на вооружении советской армии, ярко об этом свидетельствует.

На кадрах выше уже захоронение транспорта за заводом Юпитер в Припяти. Машины заталкивают в траншеи, вырытые специально для них. Это гражданские машины из Зоны, которые набрали слишком большую дозу радиации. Те машины, которые поисправнее, ликвидаторы ещё долго потом использовали, перемещаясь на них по Зоне. Все эти машины имели специальные внутренние номера :

Попавшие в 5-ти и 10-тикилометровую зоны деревни радиация не пощадила. Зимой началось постепенное захоронение тех деревень, которые попали под радиационные следы и были сильно загрязнены. Копачи, Янов, Чистогаловка Все эти сёла уже весной 1987 года превратились в холмики с отдельными остатками бывших домов, огороженные колючей проволокой и знаками, предупреждающими о радиационной опасности. Приезжала ИМР (или другая инженерная машина, БАТ-М), выкапывала траншею, после чего бульдозерным отвалом и своей массой попросту ломала дом и сдвигала его остатки в эту самую траншею, затем могила закапывалась. С домами хоронилась история края, вековые традиции целых семейств. Привязанность местных к своим домам трудно переоценить.

Иначе сложилась судьба отдалённых от АЭС поселений. Чернобыль, ставший в первые дни основной административной базой, превратился в её административный центр, таковым он и является до сих пор. Сейчас там даже живут самосёлы, а тогда город плотно заняли военные. Этот факт сослужил городу весьма интересную службу. Поначалу зона тоже была разделена на несколько зон, но иначе, чем сейчас. Тогда мерили средний уровень радиации по местности. Внутренняя зона, во главе с реактором, имела средний уровень не ниже 15 миллирентген в час. Чуть шире не ниже 5 миллирентген, а ещё более широкая 1.5 миллирентгена. В соответствии с зоной, в которой работал человек ему начисляли надбавку за вредность в размере от трёх до одной зарплат соответственно.

И вот на карте я увидел, как граница 2-й зоны 5 миллирентген в час плавно-плавно тянулась а потом вдруг хищно бросилась вперед и коварным языком поглотила Чернобыль во 2-ю зону. После чего отступила и тихо-мирно-плавно пошла себе дальше.

И этот язык был красным карандашом жирно перечиркан, и им же отсечен по основанию: жирная красная линия зло и прямо соединила те места, откуда этот язык начинал выступать к Чернобылю

А мы знали, что в самом Чернобыле, на ближайшей к АЭС окраине на нашей стоянке было 3 мР/ч.; а центральные улицы и тротуары вообще были отмыты так, что и у нас в лагере, за 35 километров от АЭС, наверно, больше было до нескольких 0,1 мР/ч

Короче, 5 миллирентген в час в Чернобыле и в помине не было, в радиационном отношении мы считали его курортом <>

И вот чернобыльские работники (т. е. работающие в самом Чернобыле столице зоны), включая правительственную комиссию, сам штаб Министерства обороны и все остальные штабы министерств и прочих ведомств, а также всех, кто их посещал-проверял, конечно ж, были заинтересованы, чтоб за пребывание в экс-населенном пункте Чернобыль получать дополнительно +2 (а не +1) средних дневных заработка.

Ну и нагинали разведку, чтоб они липовую обстановку в районе Чернобыля на картах показывали разведотдельские-то данные были истиной в последней инстанции

Сергей Мирный

Сейчас в Чернобыле, да и по всей зоне радиационная обстановка куда лучше.

А в 1987 году начали хоронить Рыжий лес. Тот самый лес, который стоял между Припятью и ЧАЭС и который принял на себя первый удар радиационной стихии. Он был смешанным, а у хвойных деревьев сопротивляемость радиации куда ниже. Впрочем, убийственные дозы быстро набрали и лиственные деревья. В самой загрязнённой части фон составлял примерно 500 мР/ч, а то и выше. В результате на площади в 4.5 тыс. гектар погибли все хвойные деревья, а лиственные породы получили серьёзные повреждения. Хвоя после смерти деревьев приобрела кирпичный цвет, дав название всей местности. Остальная часть леса тоже оказалась загрязнена, но не так сильно. В течение 1987 года Рыжий лес сначала огородили, а потом стали хоронить в траншеях деревья, опасаясь и высокой радиоактивности, которая в случае пожара, могла бы подняться в воздух. Однако в силу малой глубины захоронения, эта радиоактивность попала в грунтовые воды. Операторы ИМР и путепрокладчиков БАТ столкнулись при захоронении с целым рядом серьёзных проблем, осложнявших им работу и обусловленных особенностями применявшейся техники. Например, внутрь машины попадало очень много грязной хвои, которую вычистить было почти невозможно.

В 1988 году в белорусской части тридцатикилометровой зоны был организован Полесский радиационно-экологический заповедник. Он покрывает 2162 км2. Это больше, чем организованная в украинской части Зона отчуждения (2044 км2), но меньше, чем суммарная площадь расположенных в украинском секторе Зоны отчуждения и Зоны безусловного (обязательного) отселения (2598 км2) территорий. Это территории Житомирской (Народичский (с июня 2010 исключён из ЧЗО и преобразован в Древлянский природный заповедник), Овручский районы), Киевской (Иванковский и Полесский районы), Гомельской (Брагинский, Хойникский, Наровлянский районы) областей. Администрация ЧЗО так и осталась в Чернобыле, а вот администрация ПРЭЗ находится в белорусском городке Хойники. На территориях ЧЗО, ЗБ(О)О и ПРЭЗ находилось 190 населённых пунктов, некоторые из которых были захоронены. Строго говоря, их должно было быть больше. Дело в том, что ряд поселений во всё тех же Житомирской и Гомельской, а также Могилёвской областях, в том числе Брагин и уже упомянутые Хойники (оба находятся возле границ ПРЭЗ) тоже следовало бы отселить, однако руководства республик на это не пошли. Часть деревень и сёл рядом с границами зоны вымерли сами, а вот городки остались целы, полупусты и заражены.

Вообще Белоруссии от аварии досталось больше всего заражено порядка 20% территории страны, в том числе под удар попали Гомель и Могилёв, лишь чудом выбросы обошли Минск. В стране высокая смертность из-за онкологических заболеваний и заболеваний крови, и пик всего этого приходится на юго-восток страны, примыкающий к поражённой аварией зоне.

Наука идёт в контрнаступление

К ликвидации аварии на ЧАЭС наука подключилась мгновенно. С самого начала стало понятно, что происходит нечто неординарное, нечто сверх всего происходившего ранее. Аварий такого масштаба и такого уровня последствий не происходило никогда, а потому перед учёными всех областей науки резко появилось непаханое поле для работы в боевых условиях. Вполне естественно, что учёные, в первую очередь физики-атомщики, не могли не воспользоваться такой возможностью.

Для начала необходимо было отразить удар реактора, остановить его наступление. И на полях радиационных сражений заработали умы. Главное понять состояние того, что когда-то было реактором и обнаружить высокие поля радиации, не посылая, по возможности людей. Так начали появляться новые приборы. Например, гамма-визор. В конце лета 1986 года понадобилось определить в бывшем центральном зале 4-го блока зоны с повышенной радиоактивностью на фоне активности окружающих материалов. Так предполагалось искать, например, фрагменты топлива. Для решения этой задачи в Курчатовском институте был разработан специальный прибор, который, улавливая жёсткое излучение, с помощью ряда преобразователей трансформировал его в гамма-изображение участка поверхности, которое можно было наложить на оптическое изображение этого же участка, позволяя, тем самым, обнаруживать светящие области. Быстро появились различные варианты гамма-визора для техники, на которой он применялся (автомобили, вертолёты, руки, штативы). После ликвидации прибор продолжили совершенствовать.

Внутри строящегося саркофага шла разведка и дезактивация внутренних помещений. В очищенных помещениях ставились различные датчики, измерявшие изменения тепловых и радиационных полей. Постепенно пришли к необходимости объединить эти приборы в единую контролирующую систему, данные которой выдавались бы на компьютер, который производил бы их анализ и прогнозировал изменения. Система получила наименование Шатёр и была сдана в эксплуатацию в 1987 году. При этом, из-за недостатка данных о местонахождении топлива, датчики Шатра оказались установлены не слишком эффективно, так как не контролировали основные запасы топливосодержащих материалов, попавших в подреакторные помещения. Кроме того, Шатёр не всегда работал устойчиво, а потому была создана дополняющая Оперативная система диагностики, датчики которой располагались в различных помещениях Укрытия и устанавливались в тот же период.

Отдельная непростая задача, стоявшая тогда перед правительственной комиссией это пуск третьего энергоблока. Помимо более высокого относительно первых двух блоков загрязнения помещений третьего блока, серьёзно загрязнён оказался машинный зал, а точнее, его крыша. Очевидным решением, предлагаемым учёными из оперативной группы ИАЭ им. Курчатов, была полная замена его кровли. Однако в обход ОГ Правительственной комиссии была предложена другая возможная причина рассеянное гамма-излучение, идущее из Укрытия и отражённое атмосферой, так называемый эффект sky shine. Подавлять sky shine предполагалось забросом большого количества свинцовых шариков общей массой в несколько сот тонн внутрь Укрытия. Представители ОГ доказали на очередном совещании, что это может привести к обрушению повреждённых конструкций блока, а значит, к новому загрязнению только что отмытой АЭС. Более того, представители ОГ доказали, что эффект sky shine вносит лишь небольшую (порядка 10%) долю в общее загрязнение машзала. В итоге, кровлю машзала поменяли, однако пришлось потратить несколько лишних месяцев, так что третий блок был пущен лишь в декабре 1987 года.

Разведка боем

Но всё это было лишь остановкой наступления и созданием плацдарма. План настоящего контрнаступления был утверждён 13 октября 1987 года на очередном заседании ПК. И создал его ИАЭ им. Курчатова. Вот в чём он состоял по версии книги Александра Борового и Евгения Велихова Работы Курчатовского института по ликвидации аварии:

• Необходимо было очистить и дезактивировать ряд помещений с западной (а позднее с южной) стороны блока.

• Установить в этих помещениях бурильные станки.

• Пробурить скважины через бетонные стены и другие конструкции в шахту реактора и прилегающие к ней помещения, в подреакторные помещения.

• С помощью специальных перископов, телевизионных камер, фото оборудования провести наблюдения через пробуренные скважины.

• Обнаружив скопления ТСМ, измерить их параметры с помощью гамма, нейтронных и тепловых детекторов.

• Отобрать и исследовать пробы различных материалов.

• После этого оценить реальную опасность топливных скоплений и осуществить мероприятия по ее снижению.

• Выработать предложения по укреплению внутренних конструкций, грозящих серьезными обрушениями.

Для обеспечения выполнения плана генерального наступления была создана Комплексная экспедиция при ИАЭ (КЭ) под руководством сначала И.Камбулова, а после А.Пасечникова. Научным руководителем стал академик С.Т.Беляев. КЭ получила статус филиала ИАЭ, хотя в её состав также входили сотрудники научно-исследовательских институтов Украины и Белоруссии, а также Минсредмаша СССР. В наиболее напряжённый период работ состав КЭ превышал 3000 человек. КЭ также должна была обеспечить проведение научно-исследовательских работ по укреплению конструкций Укрытия, а также обеспечить выполнение монтажно-строительных работ в обеспечение выполнения программ исследований. Ну и конечно же никто с КЭ не снимал задачи по совершенствованию диагностических систем.

Работы начались вскоре после принятия плана. К февралю 1988 года был дезактивирован ряд помещений, необходимых для начала бурения скважин. Кроме того, были приготовлены бурильные станки. Они разбирались на небольшие узлы, дабы их можно было нести даже по самым узким лазам, поскольку энергоблок 4 превратился в лабиринт завалов, сверхзагрязнённых помещений, чистых коридоров, свежего бетона и пока ещё толком не обнаруженной топливной лавы. Узлы станков обрабатывались различными составами, облегчающими их дезактивацию.

Сами скважины имели длину до 26 м, а диаметр от 60 до 150 мм. Такие размеры обуславливались целым рядом приборов, которые планировалось ввести в скважины для дальнейшего наблюдения и контроля состояния топливосодержащих материалов. Бурили их в двух направлениях большинство с запада на восток, но иногда и с юга на север, на разных отметках (иначе говоря, высотах здания блока), иногда с наклоном вверх или вниз. Каждая скважина получала свой отдельный индекс вида Н-В-О, где Н направление (З для направления с запада на восток и Ю для направления с юга на север), В высотная отметка начала бурения, а О индивидуальное буквенное или числовое обозначение скважины. До 1992 года было осуществлено бурение практически 150 скважин.

Первые скважины были пробурены с запада на восток из помещения 207/5 на отметках от +9.000 (иначе говоря, 9 м от земли) до +10.700 в подаппаратное помещение 305/2, то есть помещение, находившееся под днищем реактора (эта плита, напомню, обозначалась как схема ОР).

Первый день мая приходился на воскресенье. Но это был не просто нерабочий день, а крупнейший праздник и поэтому к вечеру внутри "Укрытия" осталось совсем немного людей. Бригада бурильщиков, работавших в нижних помещениях, дежурные в пультовой, дозиметристы, электрики, охрана.

А сотрудники нашего отдела собрались в Чернобыле за праздничным столом.

Хорошо известно, что все неприятности происходят в праздники и чем неприятность крупнее, тем позже ночью она возникает. Поэтому в тот момент, когда веселье достигло апогея, меня вызвали к телефону. Говорил мастер бурильщиков.

Из скважины идет какой-то не то пар, не то туман. Устье ее уже плохо видно. Скоро доползет до станка. Что делать?

Выводите немедленно людей. Закройте все двери и постарайтесь их загерметизировать. Ждите меня, я сейчас приеду.

Легко сказать сейчас приеду, до блока 14 км, праздничная ночь, найти машину и трезвого водителя невозможно.

Но тут неслыханно повезло. Один из наших водителей, в этот момент вернулся из поездки и еще не успел присесть к праздничному столу. Безропотно, пошел он к своему автобусу и мы, двое сотрудников и я, поехали по темной дороге к станции.

Бурильщики находились наверху, в пультовой. Мы спустились вниз и подошли к дверям, ведущим в коридор, из которого уже можно было попасть в помещение с буровыми станками. Двери были прикрыты, но ничем не загерметизированы. Ругнувшись про себя, я вошел внутрь и закрыл за собой дверь. Даже в коридоре видна была стоящая в воздухе пыль. Пока я пытался оценить обстановку, сзади вдруг раздался голос:

Пропуск. Предъявите Ваш пропуск!

Из тумана приблизилась фигура солдата, прижимающая рукой ко рту совершенно неверно одетый респиратор.

Вас почему не вывели? Забыли?!

Никак нет. Не могу покинуть пост.

А офицеры где?

Не знаю. Должны прийти.

Не трудно было догадаться, где сейчас офицеры.

Я тебя могу снять с поста?"

Вы же штатский.

Сколько времени, как туман появился в коридоре?

Минут пять, семь.

Еще минут десять простоишь здесь и можешь вообще не выходить. Легче помирать будет! - Жестокие и неправильные слова я произнес, но другого выхода тогда не нашел. Солдатик убежал.

А мы, заскакивая по очереди на несколько секунд сначала в коридор, а потом к станкам, с водяным шлангом в руках и действуя точно так, как действуют дворники, т.е. разбрызгивая воду, туман постепенно осадили.

Топливная пыль еще раз сделала нам весьма серьезное предупреждение.

Итак, охлаждающая буровой инструмент вода, попала в область высокой температуры. Она начала быстро испаряться, разрушая вещество, превращая его в пыль. Эту пыль потоки пара и воздуха выбросили наружу.

Но для этого в прежде сплошную плиту должно было попасть что-то, выделяющее много тепла. Топливо? Как? С помощью постепенного ее разрушения, прожигания. Подозрения, связанные с "синдромом", подтверждались и, впоследствии, подтвердились окончательно.

Александр Боровой. Цитируется по книге Мой Чернобыль.

А 3 мая произошло знаменательное событие. В шахту реактора вышла первая скважина. Через неё туда ввели щуп, которым попытались нащупать графитовую кладку. Не удалось, щуп свободно прошёл через шахту и упёрся в противоположную её стенку. Мягко говоря шокированные учёные (две сотни тонн урана, ещё больше графита где?!) быстро пробурили ещё одну скважину на том же уровне. В первую скважину ввели перископ, а во вторую осветитель. Увиденное шокировало ликвидаторов куда сильнее, чем сотрудников тюрьмы Шоушенк туннель Энди Дюфрейна. Шахта реактора оказалась практически полностью опустошённой! Весьма необычный и двусмысленный подарок на майские праздники. Ведь с одной стороны, отсутствие графитовой кладки позволяло сделать вывод, что самопроизвольно реакция начаться уже не сможет. Но с другой стороны, задача серьёзно усложнилась, ведь теперь нужно было найти непонятно куда подевавшееся топливо. О том, как шла работа в тот день, расскажет Александр Боровой.

Мы ввели в скважину длинный щуп и попытались определить границы разрушенной активной зоны. Щуп уходил все дальше и дальше, не встречая сопротивления. Наконец, он достиг противоположной стенки бака, в котором должна была находиться кладка. Никаких признаков ее не было.

Произошло это вечером. Все так измотались, так устали за этот день, что сразу как-то не осознали важности события.

Молодежь пошла отмываться в душ, а я, совершенно обессилев, сел на какой-то ящик, оперевшись спиной о многострадальный буровой станок. Совсем тихо стало. Слышно, как из превентора скважины капает вода. И в мою усталую голову, побродив где-то в подсознании, пришла честолюбивая мысль:

"Сейчас встану и загляну в скважину. И буду первым на земле человеком, заглянувшим не куда-то там, а в активную зону взорвавшегося чернобыльского реактора. Но в реакторе темнота. Абсолютно темно, ничего увидеть нельзя. Ну и пусть. Все равно буду первым человеком, который попытался заглянуть в реактор. Скважина небольшого диаметра и очень длинная. Излучение, которое бушует в шахте реактора, сюда практически не доходит. Угол маленький. Да я и не буду долго смотреть в эту абсолютную темноту. Вставать только не хочется".

Честолюбие победило лень. Я встал и пошел к скважине. Если бы только знать, чем это кончится, никогда бы с места не двинулся, но кто же мог предположить...

Скважина не обманула ожиданий моего зрения ничего видно не было. Зато слух преподнес неожиданный и даже страшный сюрприз. Из отверстия донесся голос, который посоветовал немедленно убираться отсюда, если я не в состоянии нормально работать.

Подходил я к стене медленно и не торопясь, а от нее даже не отходил и не отбегал, а отпрыгнул, с неожиданной резвостью. Остановился и пытался придти в себя.

"Ясно, что в реакторе, в поле, измеряемом тысячами рентген в час, никто сидеть не может. Он и не сидит, никого там нет. Значит этот голос внутри меня. И, скорее всего я сошел с ума. А может быть, не сошел? Надо еще раз все обдумать, торопиться теперь некуда, хуже не будет".

Я снова сел на ящик и задумался. В основном о том, что дети не кончили еще институт, и кто же будет кормить семью, если меня отправят в психиатрическую больницу. Очень невеселые были мысли, а от усталости еще и тянулись медленно.

"Может быть это разовый психоз? Разовая галлюцинация? Надо еще раз попробовать".

Повторный эксперимент принес тот же результат. Голос из скважины продолжал меня ругать и даже уличал в технической безграмотности. И вот в ответ на это горькое обвинение моя усталая голова сработала, все стало ясно.

Несколькими этажами ниже бригада буровиков трудилась над параллельной скважиной. Они немного отставали, и сейчас бур только вошел в огромный цилиндрический бак, сооруженный вокруг активной зоны. Бак с водяной защитой. После аварии вода из его секций полностью или частично вылилась, и бак стал прекрасным резонатором. Даже тихо сказанное внизу слово было отчетливо слышно через скважину. А слова так и лились из уст мастера, поскольку при входе бура в бак бурильщик ухитрился сильно дернуть штангу и как-то уронить его вниз. Замена же инструмента требовала времени.

Александр Боровой. Цитируется по книге Мой Чернобыль.

А пока началось дальнейшее бурение, сопряжённое с поиском топлива и мониторингом состояния блока. В новых шахтах устанавливали теле- и фотокамеры, перископы, осветительные приборы, датчики гамма-излучения, тепловых полей, нейтронного излучения и т.д. В результате была создана исследовательская система диагностики Финиш. Начала она работать ещё в 1987 году, однако основная часть датчиков была смонтирована с 1988 по 1990 годы. В её состав в итоге вошли 18 датчиков теплового потока, 30 датчиков температуры, 5 датчиков плотности потока нейтронов и 6 датчиков МЭД. Каждый сторожевой датчик, будучи установленным в скважину, на протяжении месяцев проверялся на устойчивость работы. Вместе с ним проверялся и остальной канал передачи данных. После того, как данные с них анализировались и делался вывод об устойчивости работы канала, его включали в ИСД. Данные с неё ежедневно отправляли в Москву. С самого начала работы Финиш регистрировал постепенное падение всех измеряемых параметров, что означало снижение опасности.

Приборы, входящие и не входящие в Шатёр и Финиш. Камера Сплав применялась для измерения мощности экспозиционной дозы (попросту фон) в высоких полях радиации.

Но данные Шатра и дополняющего его Финиша, а также лабораторный анализ извлекаемых из блока образцов ТСМ и обломков бетона, которые добывали при бурении скважин всё же не позволяли получить достоверные данные о новой конфигурации внутренних помещений здания, расположении топливной лавы. Всё равно нужны были люди и роботы. Роботы появятся позже, а пока в блок продолжили ходить учёные. В итоге с помощью комбинирования данных был установлен уровень повреждения конструкций блока, изучена конфигурация завалов в центральном зале и других зонах.

А вот и слон!

И повреждения эти были колоссальными. Обрушились перекрытия не только центрального зала, но и барабан-сепараторов. Схема Е (верхняя биологическая защита реактора) поднялась встала диагонально, отклонившись на 15 градусов от вертикали и оперевшись внутри на боковую биологическую защиту. То есть на самом деле она повернулась на 105 градусов от изначального положения. При этом крышка держалась на трубах пароводяных коммуникаций, скреплённых дополнительно бетоном, попавшим туда при строительстве Саркофага. Этот бетон вообще много куда попал. Первое печальное известие обнаружило себя во всё том же центральном зале. Дело в том, что вертолётная засыпка, на которую так надеялись в апреле-мае 1986 года и при доставке её на реактор огромные дозы получили лётчики, в сам реактор не особо-то и попала. Основная её часть образовала завалы в центральном зале, помещениях барабан-сепараторов и ещё ряде помещений там же. Ко всему прочему там же валялись сброшенные с крыши третьего блока обломки.

Шахта реактора практически не содержала следов графитовой кладки и топлива, однако в неё попали огромные бетонные плиты, организовав на просевшей плите нижней биологической защиты (схема ОР) завалы в форме костра. Сама же схема ОР оказалась нецельной. Просев на почти 4 метра, она раздавила крестообразную опору реактора. При этом произошло объединение подреакторного помещения 305/2 с шахтой, а также, скорее всего, раскол схемы ОР. Её часть отсутствует, скорее всего она расплавилась вместе с топливом, быстро превратившимся в лаву. Сама лава, получив доступ во внутренние помещения, потекла туда. Конечно, не вся. Часть так и осталась в шахте, однако же её следы обнаружились сразу в нескольких местах. Помимо лавы и бетонных плит, в помещении 305/2 также обнаружили и остатки графитовой кладки.

Всего выделяют три потока лавообразных топливосодержащих материалов (ЛТСМ). Все они исходят из юго-восточной части помещения 305/2. Каждый поток отличается друг от друга по ряду параметров концентрация урана (в первом максимальная, во втором средняя, в третьем минимальная) и железа (наоборот), цвету и скорости генерации нейтронов.

Первый поток (также известен как большой вертикальный) уходит в бассейн-барботёр через паросбросный клапан 4, помещение парораспределительного коридора 210/7 и пять паросбросных труб на верхний и нижний этажи ББ. Их обнаружили ещё в 1986 году, приняв сначала за кучи глины из-за внешнего вида. Фон везде был высоким, поэтому они не слишком выделялись. Позже исследователи обнаружили, что эти ЛТСМ с водой таки контактировали, так как её слили только 6 мая. При этом на первом этаже ЛТСМ меньше, чем на втором в 5 раз. Однако реальные площади и объёмы уточнили лишь в 1993 году.

1 из 4

. ФОТО 2: 1 - ЛТСМ, 2 - бетон, . ФОТО 3 . ФОТО 4

Второй поток (малый вертикальный) пошёл в помещения парораспределительного коридора, в результате чего лава, смешанная с жидким металлом попала в помещения 210/6 и 210/7. В помещение 210/5 лава не попала, но попал жидкий металл. Впрочем, сюда попадал (как и в остальные помещения ПРК) свежий бетон и наклонные скважины.

Примерно так распределялась лава второго потока

Третий поток (иногда его зовут горизонтальным) пошёл в отличие от двух других не вниз, а по горизонтали. Дело в том, что между помещениями 305/2 и 304/3 образовался провал в стене (скорее всего, из-за взрывной волны). Именно через него поток распространился в коридор обслуживания 301/5, залив пол в помещении 303/3, а потом перебрался в коридор 301/6. В этом коридоре имелись проходки в расположенное под ним помещение 217/2. Так на свет появились самые известные образования Слоновья нога, Капля, Сталактиты. Основания последних, кстати, залиты бетоном.

Можно наблюдать искривление и повреждение стены справа, помещение 305/2 как раз за ним. Пол 304/3 полностью покрыт ЛТСМ. Предполагается, что поток в помещении был очень бурным, так как оставил после себя разгром.

В самом помещении 305/2 с ЛТСМ тоже всё непросто. Там они, помимо юго-восточной части, находятся также на юго-западе, причём здесь лаву залило бетоном и засыпало обломками активной зоны.

В 1990 году на лаве второго потока обнаружили ярко-жёлтые пятна, покрывавшие чёрную керамику расплава. Из-за внешнего сходства эти пятна прозвали пемзой. После ряда анализов выяснилось, что пемза - это продукты разложения топливосодержащих материалов, происходящего вследствие вторичного окисления урана. Пемза может уноситься с застывшей лавы водой или же проникать в окружающую среду любым другим способом.

Однако не лавой единой нарушается ядерная безопасность Саркофага. И если остатки активной зоны просто лежат и фонят себе в завалах, то вот с пылью и содержащимися в ней горячими частицами всё не так просто. Частицы эти образовывались несколькими разными способами, но так или иначе они имеют отношение к топливу. Это могут как просто частицы ТВЭЛов микронных размеров, так и разные летучие радионуклиды. Именно горячие частицы считаются наиболее опасными. Это и не удивительно, ведь за пределами Саркофага практически невозможно наткнуться на любые другие варианты ТСМ, а высокорадиоактивные зоны так или иначе отмечены. А вот горячие частицы попросту летают в воздухе, хотя чем дальше от ЧАЭС, тем меньше их концентрация. Особенно опасно попадание горячих частиц в организм, далеко не всегда от этого можно защититься.

Мехкорпуса вступают в бой

Сложная радиационная обстановка не раз и не два ставила вопрос о необходимости использования дистанционных средств диагностики. Однако крыша третьего блока показала, что не всё так просто. В условиях высокого уровня заражения роботы работать не могли. Кроме того, существующие машины были мало приспособлены к сверхтяжёлым условиям четвёртого блока.

В условиях отсутствия на фронте необходимых средств ведения боя, нередко сами бойцы мастерят что-то своё. Ярким примером таких самоделок от фронтовых кулибиных являются гантраки (легкобронированные и вооружённые грузовики) и техникалы (вооружённые пикапы). Смешно, но история чернобыльских дистанционно-управляемых систем началась с бронетехники, хоть и игрушечной. В робота-разведчика переквалифицировали детский танчик, управлявшийся по проводам. Заменили провод на более длинный и многожильный, поставили вместо башни датчик температуры, дозиметр и фонарь. Игрушка с честью служила новым хозяевам до захоронения весной 1987 года, исполняя роль передового радиационного разведчика.

Но одними самоделками сыт не будешь. И на фронте, и в тылу уже осознали необходимость настоящей боевой техники. Сформулировали требования к ней, изучили имеющийся рынок (в том числе и зарубежную его часть), но всё это не подходило. Машины застревали в завалах, вынуждая операторов вытаскивать их вручную в сложных радиационных условиях; роботы сходили с ума в областях с высоким фоном; невероятно усложнялась дезактивация машин, которые не рассчитывались на действия в условиях высокого пылеподъёма. Результат не заставил себя ждать: требования переформулировали.

В конце 1989 года стало понятно, что всё, что можно, люди уже исследовали. Остались лишь зоны, в которые людям соваться смертельно опасно. В ИАЭ приняли решение создать свою собственную лабораторию, которая должна была заниматься разработкой дистанционно-управляемых систем (ДУС). В 1990 году в составе комплексной экспедиции появилась лаборатория под руководством С.Абалина (позже её переименуют в Отдел дистанционных комплексов и технологий, ОДТК). Задачей лаборатории стало создание семейства машин, специально подготовленных для работы в четвёртом блоке. Эти ДУС должны были быть дешёвыми и простыми в изготовлении и ремонте, базироваться на унифицированном шасси, иметь высокую проходимость при малых размерах, быть герметичными и в то же время легко дезактивируемыми. Задача, мягко говоря, непростая.

Но всё получилось. Было сконструировано семейство из нескольких универсальных самоходных платформ, которые обладали высочайшей проходимостью, без проблем катаясь по завалам и лестницам. А главное управлялись они по проводам, что повышало отказоустойчивость в условиях мощного радиоактивного излучения. А универсальность платформ позволяла оснащать их любым оборудованием. Так появилась на свет буровая ДУС ТР-4. Её задачей было бурение масс ЛТСМ, скрытых под наслоением бетона, дабы получить образцы лавы. Летом 1991 года ТР-4 начал эксплуатироваться и показал, что является вполне годной машиной для выполнения своих задач.

Ещё одна ДУС, сконструированная в лаборатории в Чернобыле в 1990 году, по рельсам через завалы проехала в юго-восточную часть помещения 305/2 и осуществила там видеосъёмку. Удовлетворительные схемы этого места составят много позже на основе множества различных фото- и видеоматериалов, но уже даже первые данные сыграли огромную роль.

Первый промежуточный итог

В 1990 году свет увидел важнейший документ, обусловивший дальнейшее проведение работ. Это подготовленный ИАЭ по поручению Госатомнадзора СССР отчёт Техническое обоснования ядерной безопасности (ТОЯБ) объекта Укрытие. Именно этот документ являлся первой и общепризнанной работой, содержавшей описание текущего состояния Укрытия и оценку опасности хранящегося в нём топлива.

ТОЯБ выполняло несколько задач. Оно описывало работу Комплексной экспедиции, описывало количество и состав ТСМ под Саркофагом, анализировало ядерную безопасность объекта, прогнозировало дальнейшие возможные тенденции развития состояния ТСМ, как благоприятные (дальнейшее снижение их опасности), так и неблагоприятные (понижение подкритичности ТСМ, а значит, пересмотру выводов о ядерной безопасности Укрытия). Главный вывод ТОЯБ гласил:

...можно считать, что в настоящее время объект Укрытие является ядернобезопасным.

На этом Комплексная экспедиция свою работу по сути (но пока ещё не формально) завершила. Однако до конца работ было далеко. Наступал новый период...

Начало цикла

Автор: Александр Старостин

Оригинал