Чернобыль. История катастрофы
Поломка в напорных трубках была одной из худших аварий, которую разработчики ожидали на РБМК, – так называемая максимальная проектная авария. Это определение также включало другие потенциальные угрозы, включая землетрясение, падение самолета на станцию или полный разрыв одной из труб большого диаметра в контуре охлаждения реактора, что лишило бы активную зону воды и запустило ее расплавление. Для защиты от этого разработчики предусмотрели аварийную систему охлаждения на сжатом азоте и операторы реакторов на всех уровнях атомной отрасли были обучены любой ценой поддерживать постоянную подачу воды в реактор.
Теоретически, конечно, были возможны и худшие аварии. Расчеты показывали, что если хотя бы три-четыре из 1600 напорных трубок реактора разорвутся одновременно, то неожиданный выброс пара высокого давления сможет поднять все 2000 т «Елены» и «пятачок» со своих оснований, разорвав каждый из оставшихся паропроводов и все напорные трубки, и вызвать разрушительный взрыв[277]. Однако конструкторы не считали нужным готовиться к такой опасности, ее рассматривали за пределами разумной вероятности[278]. Тем не менее такому сценарию дали наименование «гипотетическая авария»[279].
Министерство среднего машиностроения поручило разработку первых чертежей РБМК заводу тяжелого машиностроения в Ленинграде, где также делали танки и тракторы[280]. Но, получив чертежи, Средмаш отверг их как технически непригодные. Один ученый из Курчатовского института предупреждал, что конструкция слишком опасна для гражданского использования[281]. Другой признавал, что опасность положительного значения парового коэффициента реактивности делает реактор конструктивно подверженным риску взрыва, и, хотя руководство Курчатовского института пыталось выгнать его за несогласие, он начал писать письма, которые достигли ЦК КПСС и Совета министров[282].
Но к тому времени правительство, следуя твердым правилам централизованного экономического планирования, уже выпустило указ о строительстве четырех огромных реакторов[283]. И конструкторы из НИКИЭТ взялись за коренную переделку чертежей РБМК и превращению противоречивой машины для производства плутония и электричества в мирный генератор электричества для гражданских сетей. Это была полная ошибок тяжелая работа, которая заняла намного больше времени, чем ожидалось: примитивная советская компьютерная технология делала расчеты ожидаемых параметров работы реактора трудоемкими и давала ненадежные результаты. Новую конструкцию реактора, теперь названного РБМК-1000, удалось завершить только к 1968 году[284]. Тогда, чтобы сберечь время, в Средмаше решили пропустить стадию прототипа: самым быстрым способом узнать, как новые реакторы вырабатывают электроэнергию, можно было, начав их массовый выпуск[285].
Первый РБМК начали строить в 1970 году на станции Средмаша на берегу Финского залива, неподалеку от Ленинграда[286]. Тем временем Киевское отделение проектного института «Теплоэлектропроект» выбирало место для первой АЭС. Выбор быстро свели до двух мест. Но первое было отведено под электростанцию на ископаемом топливе, и Совет министров УССР принял указ о строительстве новой республиканской станции мощностью 2000 мегаватт на берегу реки у деревни Копачи, в Киевской области, в 14 км от Чернобыля[287].
Первый реактор РБМК на Ленинградской станции был запущен 21 декабря 1973 года, за день до того, как все энергетики в СССР отмечали свой профессиональный праздник[288]. Гордые отцы РБМК-1000, Анатолий Александров из Курчатовского института и Николай Доллежаль из НИКИЭТ, присутствовали на запуске. Уже шло строительство второго блока в Ленинграде, и строители начали подготовку площадок в Чернобыле и Курске. Но первый ленинградский реактор не успел выйти на полные мощности, когда стало ясно, что стремление разработчиков быстрее провести свое дитя от кульманов к полномасштабному производству обошлось дорого[289]. Серьезные конструкторские недоработки преследовали РБМК с самого начала. Одни выявились сразу, другие – много позже.
Первая проблема возникла в связи с положительным паровым коэффициентом – в случае потери охладителя этот недостаток делал советские водно-графитовые реакторы подверженными неуправляемой цепной реакции, что на РБМК усугубилось из-за попыток удешевить процесс[290]. Чтобы РБМК мог конкурировать со станциями на ископаемом топливе, его сконструировали для максимизации выработки электричества на урановом топливе. Но только после запуска первого энергоблока на Ленинградской АЭС один из разработчиков обнаружил, что воздействие положительного парового коэффициента тем выше, чем больше сгорает топлива; чем дольше реактор эксплуатировался, тем сложнее становилось им управлять. Подходил к концу очередной трехлетний эксплуатационный цикл, реактор останавливали на профилактическое обслуживание, а РБМК становился наиболее непредсказуемым. В конструкцию внесли изменения, но нестабильность сохранялась. Ни Александров, ни Доллежаль не хотели исследовать эти проблемы и даже вникать в них полностью – в результате в руководствах по эксплуатации реактора не было анализа безопасности парового коэффициента реактивности. Результаты экспериментов в Ленинграде показали существенные отличия между теоретически предсказанным поведением реактора и тем, как он работал на деле. Но конструкторы решили не изучать эти результаты слишком пристально. Даже когда началась полномасштабная промышленная эксплуатация, никто не знал, как РБМК поведет себя в случае крупной аварии[291].
Второй недостаток реактора происходил от его колоссального размера. РБМК был настолько велик, что реактивность в одной части ядра имела лишь слабое отношение к реактивности в другой[292]. Операторам приходилось управлять им не как одним блоком, а как несколькими реакторами в одном. Один специалист сравнил это с многоквартирным домом, где одна семья могла праздновать веселую свадьбу, а соседи справлять поминки[293]. Отдельные горячие точки реактивности могли появляться в глубине активной зоны, где их трудно было обнаружить[294]. Проблема была особенно заметна при пуске и остановке: когда реактор работал на малой мощности, системы, предназначенные для определения реактивности активной зоны, оказывались ненадежными. В эти критические периоды инженеры, сидевшие за пультами в зале управления, становились практически слепы к тому, что происходило в активной зоне. Вместо того чтобы снимать показания с приборов, им приходилось определять уровень реактивности активной зоны, используя «опыт и интуицию»[295]. Это делало запуск и остановку самыми напряженными и непредсказуемыми стадиями эксплуатации РБМК.
Третий недостаток таился в сердце системы аварийной защиты реактора – последней линии обороны в случае аварии[296]. Если операторы сталкивались с ситуацией, требующей экстренной остановки – например, с серьезной протечкой охладителя или неуправляемой реакцией, – они могли нажать кнопку аварийного глушения реактора, запустив последнюю стадию системы пятиступенчатого снижения мощности блока, известную под названием АЗ-5. Нажатие этой кнопки одновременно погружало в активную зону специальный комплект из 24 управляющих стержней из карбида бора, а также каждый из поднятых в это время автоматических или управляемых вручную стержней, заглушая цепную реакцию во всем реакторе. Однако механизм АЗ-5 не предусматривал резкую аварийную остановку[297]. Доллежаль и технологи из НИКИЭТ считали, что внезапное отключение электричества, вырабатываемого реактором, может быть разрушительным для работы советских энергосетей. Поэтому они разработали систему АЗ-5 только для постепенного снижения мощности реактора до нуля. Вместо использования специальных аварийных приводов система приводилась в действие теми же электрическими подъемниками, передвигавшими ручные стержни управления, которые операторы использовали в условиях нормальной эксплуатации для управления мощностью реактора. Начиная с полностью поднятого положения над реактором, стержням АЗ-5 требовалось от 18 до 21 секунды, чтобы целиком опуститься в ядро; конструкторы полагали, что медленная скорость стержней будет компенсирована их большим количеством[298]. Но в нейтронной физике 18 секунд – длительное время, вечность в ядерном реакторе с высоким положительным паровым коэффициентом.
Вдобавок к этому тревожному списку крупных конструктивных недостатков устройство реакторов страдало и от низкого качества работ, беды советской промышленности. Полный запуск ленинградского реактора № 1 был отложен почти на год после того, как топливные сборки застряли в своих каналах и их пришлось возвращать в Москву для повторных испытаний[299]. Клапаны и измерители потока воды на других РБМК, используемые для управления критически важным потоком воды в каждом из более 1600 заполненных ураном каналов, оказались ненадежными, и операторы в зале управления часто не имели представления, до какой степени охлаждается реактор и охлаждается ли вообще[300]. Аварии были неизбежны.
В ночь на 30 ноября 1975 года, чуть более чем через год после выхода 1-го энергоблока Ленинградской АЭС на полную рабочую мощность, его снова запускали после планового обслуживания, и он начал выходить из-под контроля[301]. Была активирована система экстренной защиты АЗ-5, но прежде, чем цепная реакция остановилась, случилось частичное расплавление, уничтожив или повредив 32 топливные сборки и произведя выброс радиации в атмосферу над Финским заливом. Это была первая крупная авария с реактором типа РБМК, и Министерство среднего машиностроения назначило комиссию для расследования причин. Причиной разрушения единственного топливного канала назвали производственный дефект. Но комиссия знала иную причину: авария была результатом конструктивных недостатков, изначально присущих реактору РБМК, и это вызвало неуправляемое возрастание парового коэффициента[302].
В Средмаше доклад комиссии положили под сукно[303]. Аварию скрыли. Операторам других РБМК не сообщили об ее истинных причинах. Тем не менее комиссия дала несколько важных рекомендаций: разработать новые правила безопасности на случай потери охладителя, проанализировать, что произойдет при резком увеличении содержания пара в активной зоне, сконструировать более быстродействующую систему аварийной защиты. Несмотря на очевидную срочность этих директив, ни одну из них разработчики не выполнили, а в Москве вскоре распорядились строить следующие реакторы. Через день после ленинградского расплавления Совмин СССР окончательно одобрил строительство второй пары реакторов РБМК-1000 в Чернобыле, доведя проектную мощность станции до внушительных 4000 мегаватт[304].
Первого августа 1977 года, через семь с лишним лет с того дня, когда Виктор Брюханов наблюдал, как забивают первый колышек в заснеженную землю на берегу Припяти, и на два года позже, чем планировалось, реактор № 1 Чернобыльской атомной электростанции наконец вышел в критическое состояние[305]. Молодые операторы станции испытывали гордость, готовясь дать первый ток с первой атомной станции Украины[306]. Они оставались на своих постах днем и ночью, пока шла загрузка первых топливных сборок, реактор медленно выводили на полную мощность и, наконец, подключили генераторы к трансформаторам. В 20:10 27 сентября ученые и конструкторы Курчатовского института и НИКИЭТ разделили ликование работников станции: первое украинское ядерное электричество пошло по линиям напряжением 110 и 330 киловольт и влилось в советские энергосети. Вместе они спели куплет песни, который у атомщиков всего СССР считался гимном Советского Реактора: «А пока, а пока ток дают РБМК!»[307]
Но операторы Чернобыля вскоре обнаружили, что реактор, который они так обожали, был не склонен прощать ни одной ошибки. Нестабильность РБМК делала его настолько сложным в управлении, что от старших инженеров требовались не только умственные, но и физические усилия. Внося ежеминутно поправки, они не могли даже присесть и потели, словно копали траншею[308]. До них дошли слухи, что под Ленинградом инженеры РБМК удвоили число операторов и «играли дуэтом», чтобы справиться с управлением[309]. Операторы так терзали пульт, что переключатели стержней управления постоянно выходили из строя и их нужно было менять. Когда один бывший офицер атомной подводной лодки сел за пульт 1-го энергоблока ЧАЭС, он был потрясен и колоссальными размерами реактора, и тем, насколько устаревшими были приборы.
«Как вы вообще управляете этим гигантским куском говна? – спросил он. – И что он делает у гражданских?»[310]
После первой плановой остановки реактора на обслуживание операторы Чернобыля обнаружили множество повреждений в извилистой системе трубопроводов РБМК: трубы охлаждения проржавели, циркониево-стальные соединения на топливных каналах разболтались, а системы защиты реактора от аварии при подаче воды просто не было – со временем инженерам ЧАЭС пришлось разработать и изготовить свою собственную[311]. Тем временем в Москве конструкторы РБМК продолжали обнаруживать дальнейшие недостатки своего создания.
В 1980 году в НИКИЭТ провели закрытое исследование и определили девять главных недостатков конструкции и термогидравлических нестабильностей, нарушавших безопасность работы РБМК. В докладе говорилось, что аварии не просто возможны в редких и маловероятных условиях, но ожидаемы при постоянной эксплуатации[312]. Однако никакие изменения в конструкцию реактора не внесли и персонал станций о потенциальных опасностях не предупредили. В НИКИЭТ просто переписали руководства по эксплуатации для РБМК-1000. Видимо, после десятилетий безаварийной работы военных реакторов руководители НИКИЭТ и Курчатовского института считали, что толково написанного руководства достаточно, чтобы гарантировать ядерную безопасность. Разработчики предполагали, что если люди будут точно следовать новым правилам, то и действовать они будут так же быстро и безошибочно, как любая электромеханическая система безопасности станции.
Но персонал советских атомных электростанций, сталкиваясь с постоянно растущими производственными заданиями и постоянно ломающимся или негодным оборудованием, да к тому же обязанный отчитываться перед требовательными бюрократами, давно привык обходить или игнорировать правила, чтобы выполнять свою работу[313]. Полученные из НИКИЭТ инструкции не были подробно изложены и пояснены. Одна из новых директив определяла минимальное число стержней управления, которые должны оставаться в активной зоне в любой момент, но при этом не подчеркивалось, что это ограничение на оперативный запас реактивности (ОЗР) является важнейшей мерой безопасности, нацеленной на предотвращение крупной аварии[314]. Не проинформированные, в чем состоит важность правил, операторы продолжали работать как прежде, не подозревая о потенциально катастрофических последствиях нарушения[315].
В то же время любая авария, произошедшая на атомной станции в Советском Союзе, по-прежнему приравнивалась к государственной тайне и скрывалась от специалистов даже на тех станциях, где она случилась.
Ранним вечером 9 сентября 1982 года Николай Штейнберг сидел в своем кабинете на третьем этаже между 1-м и 2-м блоками, над вентиляционной трубой, которую делили оба реактора ЧАЭС[316],[317]. Штейнберг, приветливый 35-летний мужчина с короткой бородкой, работал на Чернобыльской станции с 1971 года. Он приехал сюда сразу по окончании Московского энергетического института, это был человек из новой породы атомщиков – с горящими глазами и дипломом по ядерной теплогидравлике. Он изучал принципы работы РБМК в институте прежде, чем первый реактор был построен, видел, как растут два блока станции, и сейчас был начальником турбинного цеха 3-го и 4-го энергоблоков. И сейчас, увидев, что из вентиляционной трубы идет пар, Штейнберг знал, что это означает неприятности: по меньшей мере разрыв трубки в реакторе и выброс радиации.
Он дозвонился до смены 1-го блока, чтобы предупредить операторов о необходимости отключения реактора, но начальник смены отмахнулся от его слов. Штейнберг настаивал на своем, начальник повесил трубку. Штейнберг собрал свой персонал, ожидая вызова на аварию. Но никто не позвонил. Так прошло почти шесть часов, в полночь он и его люди сели по машинам и поехали обратно в Припять.
Вернувшись на работу следующим утром, Штейнберг услышал, что на 1-м блоке в самом деле были проблемы – больше он, несмотря на свой пост и опыт, ничего выяснить не смог. Директор Брюханов и главный инженер станции с самого начала настаивали на своем: что бы ни случилось на станции – выброса радиации не было, а местные офицеры КГБ приняли меры по «предотвращению распространения панических, провокационных слухов и других негативных заявлений»[318]. Фактически же радиоактивное заражение, разносимое ветром и дождем, достигло Припяти и распространилось на 14 км от станции[319]. Оно включало йод-131, частицы топлива – двуокиси урана и горячие частицы, содержавшие цинк-65 и циркон-ниобий-95, что говорило о частичном разрушении активной зоны реактора. Уровень радиации в деревне Чистогаловка, в 5 км от станции, был в сотни раз выше нормы. Но команда из Союзатомэнерго – руководящей организации по атомной энергетике в СССР – оспорила эти сведения. Зараженные площади в непосредственной близости к станции просто пролили водой и засыпали грунтом и листвой. В Припяти грузовики для обеззараживания полили улицы пеной, на проспекте Ленина по-тихому уложили новый асфальт.
Последовавшее расследование выявило, что на 1-м блоке случилось частичное расплавление. Когда реактор вернули в эксплуатацию после обслуживания, один из капризных клапанов охлаждения остался закрытым, урановое топливо в канале перегрелось, и канал разорвало[320]. Никто не погиб, но на устранение повреждения ушло восемь месяцев. Рабочие носили графитные блоки ведрами и подверглись значительному облучению[321]. Главный инженер принял вину на себя, был понижен в должности и переведен на работу в Болгарию. Аварии присвоили гриф «совершенно секретно», и все непосредственно причастные к ней лица подписали в КГБ обязательство о неразглашении[322]. Николай Штейнберг узнал правду о том, что случилось, только годы спустя[323].
Впоследствии на других советских атомных станциях произойдут и более серьезные аварии – и все их скроют. В октябре 1982 года на Армянской АЭС близ города Мецамор взорвался генератор, турбинный зал сгорел. Чтобы спасти активную зону, аварийную бригаду пришлось везти с Кольского полуострова, из-за Полярного круга[324]. Не прошло и трех лет, как при запуске реактора на Балаковской АЭС взорвался перепускной клапан. Перегретый пар температурой 300 °С ворвался в кольцевые помещения вокруг корпуса реактора. Четырнадцать человек сварились заживо. Обе эти аварии были скрыты, и до операторов на других станциях дошли только слухи да неясные намеки в газете «Правда»[325].
Однако самое опасное сокрытие снова произошло внутри НИКИЭТ, центрального ядерного конструкторского бюро в Москве, где РБМК был задуман. В 1983 году, помимо множества уже выявленных недостатков реактора, разработчики узнали еще об одном – курьезной ошибке в конструкции стержней системы аварийной защиты АЗ-5. Первые убедительные свидетельства появились во время физического запуска двух новейших реакторов РБМК, добавленных в советскую сеть: 1-го блока Игналинской АЭС в Литве и 4-го блока в Чернобыле.
Проводя испытания до начала эксплуатации реакторов, инженеры в Игналине и Чернобыле заметили небольшой, но тревожный сбой. Когда они включали кнопку экстренной остановки АЗ-5, чтобы заглушить реактор, стержни управления начинали опускаться, но вместо постепенного завершения работы возникал противоположный эффект: на какой-то момент мощность реактора возрастала. Специалисты обнаружили, что величина этого «концевого эффекта» зависела от условий внутри реактора при начале глушения – в особенности от ОЗР (оперативного запаса реактивности), величины, показывающей, сколько из 211 стержней управления выдвинуты из активной зоны реактора[326]. Если в начале остановки вдвинутыми оставались более 30 стержней, механизм АЗ-5 работал, как положено, и реактор останавливался быстро и безопасно[327]. Если общее число вдвинутых стержней было менее 30, поведение реактора при аварийной остановке становилось все более непредсказуемым и система АЗ-5 с трудом выполняла свою задачу. Когда вдвинуты были только 15 стержней, техники увидели, что начальное замедление деления в реакторе было незначительным, и потребовалось шесть секунд, прежде чем реактивность стала снижаться. А при некоторых обстоятельствах, когда в активной зоне оставалось семь или менее стержней, нажатие кнопки АЗ-5 могло не остановить реактор, а, наоборот, запустить неуправляемую цепную реакцию. Если бы это случилось, рост мощности реактора после запуска АЗ-5 мог быть так велик, что реакцию уже невозможно было бы остановить – до полного уничтожения реактора.
Причина концевого эффекта объяснялась устройством самих стержней, ненамеренным желанием НИКИЭТ «сберечь нейтроны» и сделать эксплуатацию реактора более экономичной[328]. Как и все стержни ручного управления, используемые для управления реактором в рабочем режиме, аварийные стержни АЗ-5 содержали карбид бора, нейтронный «яд», который поглощает медленные нейтроны для замедления цепной реакции[329]. Но, даже будучи полностью выдвинутыми из своих заполненных водой каналов, концы стержней должны были оставаться наготове на самой границе активной зоны реактора – там, где, если они содержали карбид бора, они бы имели отравляющее воздействие, создавая небольшую, но постоянную потерю мощности реактора. Чтобы этого не случилось, на концах стержней имелся небольшой участок графита, замедлителя нейтронов, который облегчает распад. Когда происходило аварийное отключение и стержни погружались в каналы управления, графит замещал поглощающую нейтроны воду, что приводило к начальному увеличению реактивности ядра. Только когда более длинная часть стержня, заполненная бором, вслед за графитом вдвигалась в канал, начиналось снижение реактивности.
Это была абсурдная и тревожная инверсия роли устройства безопасности – как если бы педали в автомобиле подсоединили наоборот и нажатие на тормоз разгоняло бы машину вместо того, чтобы замедлять. Инженеры еще поэкспериментировали и подтвердили, что концевой эффект стержней мог вызвать локальную критичность в нижней части гигантской активной зоны РБМК – особенно если запускали систему АЗ-5, когда реактор работал на менее чем половинной мощности.
Встревоженный начальник отдела ядерных реакторов Курчатовского института сообщил в НИКИЭТ об аномалиях в системе АЗ-5 и необходимости изучить их более пристально. Он предупреждал: «Кажется вероятным, что более тщательный анализ выявит и другие опасные ситуации». Николай Доллежаль, главный конструктор НИКИЭТ, ответил пустыми заверениями: о проблеме знают, меры принимаются. Но они не принимались[330]. Хотя некоторые частичные модификации системы АЗ-5 были одобрены, они оказались дорогостоящими и неудобными и выполнялись частично, на одном реакторе за другим[331]. Постепенно было назначено внесение изменений в блоки 1, 2 и 3 ЧАЭС. 1-й блок, уже близкий к завершению, должен был пройти первое плановое обслуживание в апреле 1986 года.
НИКИЭТ разослал уведомления об эффекте положительной реактивности при остановке руководителям всех станций с реакторами РБМК. Но, утонув в потоках бюрократических документов, скрытые завесой секретности, эти новости так и не дошли до операторов реакторов[332]. Тем не менее, по мнению Анатолия Александрова и остальных руководителей ядерной отрасли, сомнительный РБМК-1000 – национальный советский реактор – имел лишь временные недостатки. На тот момент, когда Виктор Брюханов в последний день 1983 года поставил окончательную подпись, подтверждая завершение строительства 4-го энергоблока АЭС имени В. И. Ленина, мир говорил всего об одной ядерной аварии[333]. И это унижение легло на Соединенные Штаты.
Ранним утром 28 марта 1979 года пригоршня маленьких, меньше горчичных зерен, шариков смолы, предназначенных для очистки воды, закупорила клапан во вторичном контуре охлаждения реактора № 2 АЭС Три-Майл-Айленд возле Гаррисберга в штате Пенсильвания[334]. В следующие 24 часа цепочка мелких неисправностей оборудования и человеческих ошибок привела к серьезной потере охладителя и частичному обезвоживанию и обнажению активной зоны реактора. Активная зона начала плавиться, и это загрязнило здание биологической защиты тысячами литров радиоактивной воды. У персонала не было другого выбора, и радиоактивные газы были выброшены прямо в атмосферу. Хотя от выброса никто не пострадал – облако короткоживущих изотопов инертных газов отнесло в Атлантический океан, – новости об аварии вызвали панику. На дорогах трех штатов возникли пробки, когда 135 000 человек покинули свои дома в Пенсильвании. Президент Джимми Картер, служивший некогда инженером-ядерщиком в Военно-морском флоте США и понимавший, чего ждать от таких аварий, – прибыл на место происшествия. Международное антиядерное движение, собравшее немало приверженцев, не могло и ожидать жупела страшнее, чем сорвавшаяся с привязи опасная технология. В Соединенных Штатах развитие ядерной энергетики, и без того уже подорванное ростом расходов на строительство и опасениями широкой публики, практически остановилось в одночасье.