| |
return_links(1); ?> |
return_links(1); ?> |
return_links(); ?> |
|
| |
|
|
| |
О возможном магнитном механизме аварии на Чернобыльской АЭС.
|
|
| |
Размышляя над механизмом Чернобыльской аварии, мы заподозрили, что началась она не в реакторе, а в турбинном зале, поскольку многие очевидцы рассказывали о весьма странных электромагнитных явлениях, имевших место в момент аварии. Поэтому захотелось проверить экспериментально, на первый взгляд, «полную глупость» — может ли мощное короткое замыкание повлиять на ядерные процессы.
|
|
| |
Анри РУХАДЗЕ,
Леонид УРУЦКОЕВ,
Дмитрий ФИЛИППОВ,
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН
|
|
| |
Вопрос о Чернобыльской аварии 1986 г. не может быть обойден вниманием по целому
ряду причин. Это крупнейшая катастрофа на техническом объекте за всю историю
науки, которая, на первый взгляд, и должна нести ответственность за ее масштабы
и последствия: ведь именно эта катастрофа заставила обывателя усомниться в
научном всесилии.
Советские и международные официальные структуры дружно переложили всю
ответственность за произошедшее на эксплуатационный персонал, состоящий из
«русских дикарей» (к тому же из них мало кто выжил), и таким образом попытались
успокоить население тех стран, где существуют атомные станции. Действительно,
кому же может быть непонятно, что если существует большая взрывоопасная емкость
с газом или бензином, а дикари рядом разводят костер, то она может из-за их
неосторожности (или, точнее, дикости) взорваться.
Ясно, что цивилизованный европейский человек так никогда не поступит.
Европейские реакторы намного надежней, да и не могут западные специалисты
нарушать инструкции. Не могут — и все тут. Таким образом, авария в Чернобыле —
это чисто советская катастрофа. И проблема как бы снята с повестки дня, по
крайней мере, в Европе. Конечно же, признания официальными структурами СССР
просчетов, допущенных при конструировании РБМК-1000 — канального реактора, —
оказалось недостаточно, и «удар Чернобыля» ощутила атомная энергетика всех
стран.
Первое осознанное ощущение, что что-то в механизме этой аварии мы понимаем не
так, возникло в 1990 г., когда члены Комплексной экспедиции сотрудников
Института атомной энергии им. И.В. Курчатова пробурили первую скважину сквозь
шестиметровую толщину биологической защиты реактора. С помощью обычного
перископа была осмотрена внутренность реактора, и оказалось, что... реактор
пуст. То есть совсем пуст, не было ни 170 т урана, ни 2 тыс. т графита, который
используется в этом реакторе в качестве замедлителя. У реактора не было дна, а
крышка стояла на боку, опираясь на стены реактора.
Но самое большое впечатление произвели стенки реактора. Они были совершенно не
деформированы и покрыты белой краской, сквозь которую просвечивали более темные
метки, нанесенные строителями при монтаже элементов конструкции отражателя
нейтронов. Была какая-то вопиющая дисгармония между катастрофической разрухой
вне пределов реактора и почти больничной белизной в самом его центре.
Создавалось впечатление, что кто-то аккуратно вытащил все содержимое реактора,
правда, ненароком сломав при этом дно и слегка сдвинув крышку.
В начале 90-х годов большие научные коллективы, исследовавшие причины
катастрофы, не столько думали над физическим механизмом аварии, сколько
занимались численными подгонками под уже существующую официальную версию,
кстати, «освященную» МАГАТЭ. Но, на наш взгляд, большого успеха их отчаянные
попытки математически корректного обоснования механизма «разгона» реактора не
имели. Физический процесс, основанный на цепной реакции, описывается
кинетическими уравнениями. И здесь нет большой разницы, химическая ли это цепная
реакция или ядерная, от этого будет зависеть лишь вид системы дифференциальных
уравнений и значения коэффициентов.
Конечно, если имеется система дифференциальных уравнений с коэффициентами,
заданными не в аналитическом виде, а в численном (в виде таблиц), то нельзя
получить аналитического решения и, увы, придется довольствоваться только
численными расчетами. Но зато всегда можно сделать аналитическую оценку, скажем,
взять коэффициент максимально возможным и для этого случая решить уравнение
аналитически. Вы, конечно, ошибетесь, получив максимально возможную зависимость,
но зато будете знать, выше какого значения интересующей вас величины численный
расчет дать не может.
Проделав такую процедуру, мы убедились, что численные расчеты, на которые
опирается официальная версия, не могут объяснить столь быстрого (около 3 секунд)
периода «разгона» реактора, который имел место в ту роковую ночь. Период
«разгона» реактора — это время, за которое мощность увеличивается приблизительно
в 2,8 раза. Но математика — великая наука, ибо она позволяет получить не те
цифры, которые вы хотите, а лишь те, которые следуют из ее уравнений. Если же вы
будете «настаивать» и с помощью манипулирования коэффициентами и эксплуатации
возможностей вычислительной машины все-таки получите нужные вам решения, то
наверняка они будет неустойчивы. И поэтому можно только восхищаться
настойчивостью и профессионализмом тех прикладных математиков, которым за
несколько лет напряженной работы удалось «выдавить» нужный результат из
вычислительной машины.
Далее нам необходимо совершить небольшой экскурс в государство физики, а точнее,
в одну из ее провинций под названием «ядерная физика» и в ее индустриальный
анклав «реакторостроение». Мы вынуждены это сделать, в противном случае читателю
будет непонятен ход дальнейших рассуждений и, как следствие, логика цепи
событий, о которых пойдет речь. Что касается физиков, то им мы советуем
пропустить эти несколько абзацев.
Все хорошо помнят со школьной скамьи, что химические элементы состоят из
протонов (количество которых в ядре и определяет место данного атома в таблице
Менделеева) и нейтронов. Нейтрон по массе близок к протону, но в отличие от него
не обладает электрическим зарядом, что и определило его название. Известно
только одно ядро, в состав которого не входят нейтроны: это ядро атома
простейшего химического элемента — водорода. Во все остальные ядра входят
нейтроны, как необходимое условие их устойчивости. Так, например, невозможно
существование ядра, состоящего из двух протонов. Но если в состав ядра входят
два протона и один нейтрон, то атом такого ядра устойчив и называется гелий-3.
Если мы в ядро гелия-3 добавим еще один нейтрон, то это по-прежнему будет гелий
(т.к. мы не изменили числа протонов, а именно от их количества зависит название
химического элемента), но в нем будет уже четыре частицы (два протона + два
нейтрона), и это будет гелий-4. Точнее, это будет ядро атома гелия-4, но если мы
к нему добавим два электрона, то получим и сам атом гелия-4. Если к ядру гелия-3
добавить два электрона, то получится атом гелия-3. И тот, и другой атомы
существуют в природе, и с точки зрения химии они почти эквивалентны. Таким
образом, возникает парадокс: с точки зрения ядерной физики мы имеем совершенно
различные объекты, которые очень сильно отличаются по своим ядерным свойствам,
но для химии они практически одинаковы. Так часто бывает в семьях, дети носят
одну фамилию, но совершенно различны по характеру. В физике они называются не
братья или сестры, а изотопы. Если продолжить аналогию, то следует отметить, что
достаточно часто встречаются семьи, в которых один ребенок, и в физике это
называется моноизотоп, например, золото-197. А самая многодетная семья у олова,
в нее входит одиннадцать родственников.
На этом наша простая аналогия почти заканчивается. Но прежде чем перейти к
дальнейшему, надо уяснить еще один момент, очень важный. В самом ядре
взаимоотношения между протонами и нейтронами крайне непросты, что, впрочем, и в
семейной жизни не редкость. Так, в семействе урана самым устойчивым является
238-й изотоп, и, как следствие, его содержание в природном уране составляет
99,27%. Следующий по своей устойчивости изотоп 235, его содержание
приблизительно 0,72%. А самым нестабильным изотопом, входящим в состав
природного урана, является 234 — его всего 0,006%. Изотопы урана 236, 237, 239
оказываются совсем нестабильными и если и образуются, то распадаются за столь
короткое время, что об этом и говорить не приходится.
Следовательно, для 92 протонов (именно эта цифра характеризует семейство урана)
предпочтительней иметь в качестве соседей 146 нейтронов (146+92=238, уран-238),
менее предпочтительно — 143 нейтрона (143+92=235, уран-235), на крайний случай —
142 (уран-234), но соседство с 144, 145 или 147 нейтронами категорически
невозможно.
Таким образом, получается, что в семье урана могут устойчиво существовать ядра
только с определенным числом нейтронов. Или, говоря более физическим языком,
иметь определенные нейтронно-протонные соотношения. Такое соотношение для урана
238 будет: 146 нейтронов/92 протона — около 1,587. Запомним эту цифру. Теперь
посчитаем, каково то же отношение для химических элементов в середине таблицы
Менделеева. Возьмем серебро. У этого семейства 47 протонов, и они могут
образовывать стабильное ядро либо с 60 нейтронами (серебро-107), либо с 62
нейтронами (серебро-109). Если посчитаем нейтронно-протонное соотношение для
одного из ядер серебра, то увидим, что оно равно приблизительно 1,32.
Сравнив эту цифру с предыдущей, мы увидим, что в различных частях таблицы
Менделеева соотношения между протонами и нейтронами для стабильных ядер
различны. Если бы, например, удалось разделить ядро урана-238 ровно на две
части, что подразумевает деление и протонов, и нейтронов, то получились бы два
ядра палладия-119, у которого 46 протонов и 73 нейтрона. Но такое ядро было бы,
как говорят физики, нейтронно-избыточным. Максимальное количество нейтронов,
которое может иметь стабильное ядро палладия — 64 (палладий-110). Все более
нейтронно-избыточные ядра будут категорически неустойчивы. Таким образом, наше
«мысленное» ядро палладия-119 было бы весьма озабочено тем, как ему приблизиться
к тому нейтронно-протонному соотношению, которое было бы приемлемым для столь
приличного и всеми уважаемого семейства палладия.
На время оставим ядро атома палладия в таком пикантном для него положении, как
нейтронно-избыточность, для того, чтобы понять, какие физические механизмы
имеются в его распоряжении для того, чтобы стать полноправным членом клуба
стабильных изотопов таблицы Менделеева. Нейтрон и протон близки по массе, но
нейтрон тяжелее примерно на 2,5 массы электрона, и это обстоятельство дает ему
принципиальную возможность превратиться в протон + электрон с испусканием еще
одной очень легкой частицы, которая называется антинейтрино.
Таким образом, если нейтрон, находясь в ядре, распадается, то электрон (который
в этом случае называется β-частицей) и антинейтрино вылетают за пределы ядра,
протон же остается в ядре. При этом заряд ядра увеличивается на единицу, и тем
самым атом ядра передвигается по таблице Менделеева вперед на одну позицию
(«меняет фамилию»). Этот процесс называется β-распадом. Испытав последовательно
несколько β-распадов, ядро перемещается вперед на столько же клеточек по таблице
Менделеева. Можно спросить, а зачем ему это надо? Ответ достаточно очевиден. Для
стабильных ядер оптимальное нейтронно-протонное соотношение увеличивается с
возрастанием номера химического элемента (значит, и числа протонов в ядре),
достигая максимума на уране. Таким образом, испытывая β-распад,
нейтронно-избыточное ядро всегда стремится улучшить (с точки зрения
стабильности) свое нейтронно-протонное соотношение.
Не следует думать, что у конкретного нейтронно-избыточного осколка имеется
только однозначный путь улучшения своего нейтронно-протонного соотношения. В
ядерной физике все процессы носят вероятностный характер. С одной стороны, ядра
урана будут образовывать различные осколки деления, а с другой —
нейтронно-избыточный осколок, в свою очередь, может улучшать свое
нейтронно-протонное соотношение различными путями. Но вероятности всех
возможностей могут быть вычислены теоретически и находятся в удовлетворительном
согласии с экспериментом. Сказанное может быть проиллюстрировано следующей
простой аналогией.
Предположим, что вы, катаясь на горных лыжах где-нибудь в районе Шамони или
Аварьяза, поднялись по канатной дороге на вершину. Как обычно, у вас есть ряд
возможностей для спуска по различным трассам. Но, начав спуск в соответствии с
вашим желанием, вы уже выбрали ту долину, в которую будете спускаться. Точно так
же поступает ядро, только оно согласует свой выбор не с личным желанием, а со
строгими вероятностными законами. Однако некоторые из возможных каналов
β-распада приводят к тому, что последовательный β-распад становится весьма
затруднительным. В нашей аналогии это эквивалентно тому, что на вашем пути
оказались скалы или участок без снега.
Но что же в такой ситуации делать нейтронно-избыточному ядру, каким образом ему
избавиться от своего избытка нейтронов? Выход простой: можно излучить нейтрон,
после чего продолжить цепочку β-распадов. Такие нейтроны называются
«запаздывающими», но запаздывающими по отношению к чему? Конечно же, к моменту
первоначального деления ядра урана. Когда уран-235 поглощает медленный нейтрон,
он на миг превращается в уран-236, который тотчас разваливается на два осколка.
Этот процесс называется вынужденным делением и сопровождается испусканием 2,4
нейтрона. (Не будем забывать, что один нейтрон мы потратили на деление.)
Конечно, не надо думать, что испускается дробная часть нейтрона. Просто в одних
актах деления испускается 2 нейтрона, а в других — 3, в зависимости от этого
образуются различные осколки деления.
Несмотря на то, что и испускание нейтронов, и β-распад приводят к изменению ядер
и в этом смысле являются ядерными процессами, обусловлены они совершенно разными
типами взаимодействий. Если испускание нейтронов осуществляется за счет так
называемых сильных взаимодействий и происходит мгновенно, то β-распад происходит
за счет слабых взаимодействий, и это совершенно другое характерное время
процессов. Очень грубо разделение зон ответственности различных типов
взаимодействий в атоме можно представить себе так: электромагнитное
взаимодействие определяет устойчивость самого атома (ядро + электронная
оболочка); сильные — устойчивость ядра; слабые — устойчивость нейтрона в ядре.
На самом деле, конечно же, такого разграничения полномочий нет, и все
перемешано.
В производстве ядерной энергии основную нагрузку несет сильное взаимодействие,
поскольку именно оно ответственно за деление ядра и освобождение основной части
его энергии. Но процесс деления проистекает так быстро, что время появления
следующего поколения нейтронов (т.е. тех, которые будут образовываться из-за
деления следующего ядра урана теми самыми 2,4 нейтронами) ограничено только
временем их замедления. Так, уран-235 эффективно делится медленными нейтронами,
но время их деления все равно очень мало: за 0,01 сек будет размножаться тысяча
поколений нейтронов. Понятно, что при такой скорости нарастания мощности (каждый
акт деления сопровождается выделением энергии) протекание стационарной ядерной
реакции невозможно. Будет либо режим ядерной бомбы, либо, если нейтроны во время
замедления успевают поглотиться где-то в элементах конструкции реактора, цепная
реакция прервется. Значит при столь высокоскоростном процессе никакое
регулирование невозможно.
Если бы все нейтроны образовывались только в момент деления, то была бы возможна
лишь ядерная бомба, а не ядерная энергетика. Но, к счастью, это не так, и
осколки деления урана также излучают нейтроны, которые называются
запаздывающими, поскольку они выделяются в среднем через 10 сек. после акта
деления. Именно этому счастливому обстоятельству ядерная энергетика и обязана
своим существованием. За счет сильных взаимодействий добывается энергия, а
управляется этот процесс за счет слабых взаимодействий. Поскольку 10 сек. — это
уже вполне достаточное время для того, чтобы иметь возможность механически
регулировать интенсивность деления захватом избыточных нейтронов специальными
поглотителями.
Запаздывающие нейтроны играют такую же определяющую роль в самом существовании
ядерной энергетики, какую природа отвела максимуму плотности воды. Хорошо
известно, что максимум плотности воды приходится на +4°С, и именно это
обстоятельство спасает речные водоемы в Канаде и Сибири от тотального
промерзания зимой, ибо в противном случае все рыбы и другие обитатели водоемов в
северных широтах были бы обречены на вымерзание.
Теперь мы наконец приближаемся к своей цели, а именно к попытке понять, каким же
образом могла произойти авария.
(Продолжение в следующем номере) |
|
| |
|
|
| |
|
|
|
|
