Шаровая молния была причиной Чернобыльской трагедии

В.П.Торчигин, Институт проблем информатики РАН

Приближается двадцатая годовщина Чернобыльской трагедии, а ее последствия дают о себе знать и в настоящее время. Анализу причин этой трагедии посвящено много исследований. Официальная версия состоит в том, что трагедия является результатом ошибок персонала, усугубленных роковым стечением обстоятельств и некоторыми конструкционными недостатками реактора. То, что такие ошибки персонала и конструкционные недостатки были, не вызывает сомнения. Но было ли это причиной аварии?

Доказать или опровергнуть это невозможно. Простой пример. Произошло дорожно-транспортное происшествие на шоссе, при котором автомобиль оказался в кювете. Исследуя причины аварии, автоинспекция установила, что водитель значительно превысил скорость, а его автомобиль был технически неисправен: плохие тормоза, недопустимый люфт в рулевом управлении и т.п. Все это могло привести к аварии. Однако более тщательные исследования показали, что непосредственно перед аварией навстречу автомобилю двигался грузовик по встречной полосе, и водителю, чтобы избежать столкновения, пришлось свернуть в кювет.

Возникает вопрос. Не было ли какой-либо неизвестной причины, аналогичной двигающемуся по встречной полосе грузовику. Из хронологии событий известно, что приблизительно за минуту до взрыва начались безобидные заранее запланированные электротехнические испытания неядерной части станции. Начались испытания, и через минуту станция оказалась в развалинах. Официальные версии не устанавливают никакой причинно-следственной связи между этими событиями. Отсутствует также такая связь в работе Б.И. Горбачева «Анализ причин и реалистический сценарий Чернобыльской аварии. Основной выбор между двумя версиями» [I]. Приведенный там сценарий рассматривается нами как действительно реалистический.

Попытка установить такую связь предпринята Л.И. Уруцкоевым в статье «Чернобыль может повториться. Тайна ядерной катастрофы близка к разгадке» [2]. Он отмечает, что «спусковым крючком катастрофы стал, по-видимому, не суливший никаких неприятностей эксперимент с запуском насосов охладителей в искусственно созданном аварийном режиме» [2]. Однако описываемые им причины возникновения аварии, связанные с возникновением магнитных монополей при начале электротехнических испытаний, которые по трубопроводам проникли в атомный реактор и выведи его из штатного режима, в настоящее время не подкрепляются ни теоретическими, ни экспериментальными данными. На наш взгляд, более реалистичным, подкрепленным экспериментальными и теоретическими результатами, полученными за 20-летний период после этой трагедии, выглядит рассматриваемый ниже сценарий. Однако прежде имеет смысл привести некоторый фактический материал и свидетельства очевидцев этих испытаний [I].

Электротехнические испытания начались в 01 ч. 23 мин. 04 с. Как свидетельствует начальник предаварийной вечерней смены четвертого блока Ю. Трегуба, "Начинается эксперимент на выбег. Отключают турбину от пара и в это время смотрят - сколько будет длиться выбег. И вот была дана команда.... Мы не знали, как работает оборудование от выбега, поэтому в первые секунды я воспринял что «появился какой-то нехороший такой звук... как если бы «Волга» по полном ходу начала тормозить и юзом пошла. Такой звук: ду-ду-ду, переходящий в грохот. Появилась вибрация здания... БЩУ дрожал. Но не как при землетрясении. Если посчитать до десяти секунд – раздавался рокот, частота колебаний падала. А мощность их росла. Затем прозвучал удар... Удар этот был не очень. По сравнению с тем, что было потом. Хотя сильный удар. Сотрясло БЩУ. Я отскочил, и в это время последовал второй удар. Вот это был очень сильный удар. Посыпалась штукатурка, всё здание заходило... свет потух, потом восстановилось аварийное питание.. .Все были в шоке...»[I].

Вот как описывает ход аварии Б.В. Рогожкин, работавший в аварийную ночь начальником смены станции. "Все события происходили в течение 10-15 секунд. Появилась какая-то вибрация. Гул стремительно нарастал. Мощность реактора сначала упала, а потом стала увеличиваться, не поддаваясь регулированию. Затем - несколько резких хлопков и два "гидроудара". Второй мощнее - со стороны центрального зала реактора. На блочном щите погасло освещение, посыпались плиты подвесного потолка, отключилось всё оборудование" [I].

Начальник смены Орлов вспоминает, что вначале он слышал гул, подобный звуку, исходящему при выходе их строя одной из деталей турбогенератора, Затем, по его словам, возник пожар на нижних отметках — горело трансформаторное масло. То же самое вспоминают другие работники электростанции. Сотрудник Курчатовского Института доктор физико-математических наук Л. И. Уруцкоев отмечает, что после взрыва стены реакторной шахты 4-го энергоблока были покрыты масляной эмульсией, а в листе металла шахты «зияло прожженное неизвестно чем большое отверстие правильной круглой формы».

Каким же образом мог повлиять на атомный реактор безобидный факт отключения турбины от пара, имея в виду, что турбина не находится в непосредственной близости к реактору? Изучая в последнее время свойства шаровых молний и причины их появления, мы пришли к выводу, что есть веские основания полагать, что причиной аварии была шаровая молния, возникшая при отключении генератора от пара при коммутации большого тока.

Хорошо известно, что особенно часто шаровые молнии возникают в аккумуляторных подводных лодках при реверсировании двигателей. Такие шаровые молнии летают по каютам и иногда обжигают стойки и прожигают перегородки. Многочисленные свидетельства появления огненных шаров описаны в монографии Барри [З], посвященной шаровым молниям. Например, норвежский гидроэнергетик Нильсон показал, что от области замыкания генератора постоянного тока отделялась красноватая светящаяся масса и оставалась видимой в воздухе в течение нескольких секунд. Приведены фотографии светящегося шара, отделившегося от светящейся массы. Имеются свидетельства того, что шаровая молния диаметром около 20 см прожгла отверстие диаметром около 7 см в боковой стенке заводской трубы ([4], случай 34), а также многочисленные свидетельства того, что появляющееся в салонах самолетов шаровые молнии прожигают их обшивку.

Значительный вклад в изучение свойств шаровых молний и условий, благоприятных для их получения в лаборатории, был сделан Р.Ф. Авраменко и его коллегами. В 1994 году ими была опубликована книга «Шаровая молния в лаборатории», в которой приведены результаты исследований так называемых автономных объектов (АО), получаемых при эрозийном газовом разряде [5]. Было показано, что АО обладают целым рядом аномальных свойств, сходными со свойствами шаровых молний. При эрозийном разряде происходит испарение электрода или вещества, нанесенного на электрод. Этот способ получения АО использовался впоследствии многими исследователями [6, 7]. Объяснение благоприятного воздействия эрозийного разряда на возникновение АО было дано совсем недавно, после того как была объяснена физическая природа шаровой молнии и показано, что АО являются миниатюрными шаровыми молниями с относительно малым временем жизни [8].

Шаровая молния представляет собой тонкий сферический слой сильно сжатого газа, в котором циркулирует интенсивный белый свет по всевозможным направлениям. Показатель преломления слоя больше показателя преломления окружающего пространства и такой слой выступает в роли планарного световода, который не позволяет свету излучаться по касательным к сферическому слою в свободное пространство. В свою очередь, интенсивный свет создает электрострикционное давление, которое обеспечивает сжатие газа в слое.

В настоящее время опубликовано более десятка статей в международных журналах, в которых объясняются все странности поведения шаровой молнии в земной атмосфере, а также исследуются условия, благоприятные для ее появления. Показано, что шаровая молния движется вдоль градиента плотности газа, в котором она находится [9]. При этом она может деформироваться и проникать в щели толщиной в несколько микрон. В частности, она может догонять самолет, летящий со скоростью 200 м/с, и проникать в салон самолета, давление в котором больше, чем снаружи.

Свойство шаровой молнии стремиться в область с наибольшим показателем преломления позволяет объяснить благоприятное действие эрозийного разряда на возникновение шаровой молнии. Действительно, при эрозии увеличивается плотность газа в области, в которую происходит испарение. Шаровая молния, стремясь находиться в области с максимальным показателем преломления, располагается в области, в которую происходит эрозия, и которая находится в области газового разряда. Это способствует длительному накоплению света в шаровой молнии.

Это же свойство шаровой молнии позволяет объяснить, почему шаровая молния может прожигать отверстия в металлических пластинах [8]. Шаровая молния может быть заряжена [10]. Как известно, любое заряженное тело при приближении к металлической пластине начинает к ней притягиваться, так как в области пластины, расположенной наиболее близко к телу, наводятся заряды противоположного знака. Если при приближении к металлической пластине шаровая молния нагревает пластину до температуры выше температуры испарения металла, то происходит эрозия металла и показатель преломления в области между шаровой молнией и пластиной увеличивается. Располагаясь в этой области, шаровая молния испаряет металл в пластине до тех пор, пока не прожжет пластину насквозь, либо пока не иссякнет ее энергия. В последнем случае в пластине наблюдается кратер. Как отмечает Уруцкоев, в стене шахты реактора «зияло прожженное неизвестно чем отверстие правильной круглой формы», (выделено автором).

В качестве вещества, которое подвергается эрозии при газовом разряде, может выступать любое вещество. Например, в экспериментах по получению искусственных шаровых молний в качестве такого вещества использовался воск, предварительно нанесенный на электроды, между которыми происходит газовый разряд [12]. В других экспериментах в качестве такого вещества использовался металл, различные полимеры, вата, стружки дерева [13]. По-видимому, в качестве такого вещества при формировании шаровой молнии в машинном зале выступало трансформаторное масло. По словам начальника смены Орлова, на нижних отметках возник пожар - горело трансформаторное масло [I].

После возникновения шаровой молнии в эрозийном газовом разряде события могли развиваться следующим образом. Шаровая молния проникла через прожженную щель в паропровод и, двигаясь вдоль градиента показателя преломления, попала в некоторый тепловыделяющий элемент, в котором происходит образование пара и, следовательно, имеет место «эрозия» воды. Плотность пара и, следовательно, показатель преломления в этом месте максимальны. Дойдя до этой области и разрушив тепловыделяющий элемент, шаровая молния попала в шахту, притянулась к металлическому листу шахты, в котором прожгла отверстие правильной круглой формы. После исчезновения шаровой молнии остались сжатые в оболочке шаровой молнии пары трансформаторного масла. Поскольку исчезло удерживающее их электрострикционное давление света, они расширились и постепенно сконденсировались на стенках шахты. Поэтому стены шахты были покрыты масляной эмульсией.

Таким образом, возникшая шаровая молния привела к возникновению нештатной ситуации, которую не могли предусмотреть ни эксплуатационники, ни проектировщики. Произошла разгерметизация системы, обеспечивающей постоянное поступление пара в турбину. При этом могли возникнуть релаксационные колебания. Такие колебания наблюдаются в природе весьма часто. Например, каждый лист дерева, находясь на ветру, имеющем неизменные скорость и направление, не является неподвижным, а колеблется, совершая при этом релаксационные колебания. Это же можно сказать о ветках и макушках деревьев. Скрип двери, визг тормозов, звуки, издаваемые духовыми музыкальными инструментами, также вызываются релаксационными колебаниями.

По-видимому, более знакомы релаксационные колебания, возникающие при передвижении обычного стола по полу путем толкания. Такое перемещение часто сопровождается звуками типа «ду-ду-ду». Чем слабее ножки стола прикреплены к его столешнице, тем больше амплитуда релаксационных колебаний, а их частота меньше. Другими словами, чем больше предельное перемещение основной массы тела, при котором еще не нарушается сцепление опоры тела с основанием, тем больше вероятность возникновения релаксационных колебаний. Когда перемещение тела превосходит некоторый предел, при котором сила, приводящее тело в движение, превосходит силу трения, опора начинается двигаться относительно основания и все тело приходит в движение. При этом сила, вынуждающая тело двигаться, уменьшается, и тело останавливается. Таким образом движение происходит скачками.

У автомобиля, в частности, у «Волги» предельное перемещение в поперечном направлении гораздо больше, чем в продольном в том случае, когда вращение колес заблокировано. Это связано с тем обстоятельством, что шины в поперечном направлении деформируются значительно больше, чем в продольном, а предельное перемещение подвески в поперечном направлении гораздо больше, чем в продольном. При резком торможении, когда автомобиль начинает двигаться юзом в продольном направлении, возникают релаксационные колебания с высокой частотой и малой амплитудой. Слышен характерный звук. Из-за высокой частоты и малой амплитуды колебаний пассажир не воспринимает, что он движется скачками. Если же автомобиль разворачивается, и он начинает двигаться юзом в поперечном направлении, то возникает нештатная ситуация, при которой релаксационные колебания имеют большую амплитуды и относительно малую частоту. Заметим, что большая амплитуда релаксационных колебаний может привести к выходу подвески из строя. Эти релаксационные колебания сопровождаются звуками типа «ду-ду-ду», о которых упоминает начальник вечерней смены Ю. Трегуба.

Релаксационные колебания также наблюдаются в обычной водопроводной трубе при открытии крана в том случае, если резиновая прокладка в кране плохо закреплена. Труба начинает гудеть. Каждый может заставить свои губы производить релаксационные колебания путем издания звука тпру-у-у, используемого в качестве команды для остановки лошади. В этом случае проходящий через сжатые губы воздух вызывает релаксационные колебания. Релаксационные колебания совершает также язык при произнесении буквы «р».                                             

Возвращаясь к релаксационным колебаниям, возникающим при толкании стоящего на полу стола, заметим, что если в процессе перемещения крепление ножек стола к столешнице постепенно ослабевает, то амплитуда колебаний возрастает, а их частота падает. В конечном счете, это может привести к поломке крепления и «выходу системы из строя». Приблизительно такая же картина наблюдалась после начала электротехнических испытаний. Сначала появился «какой-то нехороший такой звук, как если бы на полном ходу «Волга» начала тормозить и юзом пошла. Такой звук: ду-ду-ду»... «Частота колебаний падала, а их мощность росла». Эти колебания привели к выходу системы из строя. «Прозвучал удар».

Таким образом, шаровая молния, проникнув в паропровод, привела к возникновению нештатной ситуации, при которой в системе возникли релаксационные колебания. Мощность этих колебаний постепенно возрастала по мере того как росла неисправность, приводящая к релаксационным колебаниям. На этом можно было бы закончить статью, заключив, что причиной трагедии является недостаточное полное знание человечества о явлениях природы.

Даже если первопричиной трагедии была не шаровая молния, необходимо в будущем исключить возможность появления шаровых молний на атомных станциях. При этом надо не только с большой осторожностью подходить к коммутации больших токов, но и принять меры, исключающие попадание естественных шаровых молний в помещение АС. Недопустима вентиляция, при которой в здании АС создается избыточное давление. В этом случае все шаровые молнии, появляющиеся около здания, будут стремиться проникнуть внутрь точно так же, как они проникают в салон летящего самолета, где давление выше, чем снаружи.

После того как возникшая шаровая молния прожгла паропровод, и/или повредила тепловыделяющий элемент, события могли развиваться по сценарию, приведенному в [I]. Изрядно перегретая вода почти мгновенно превратилась в пар довольно высокого давления. Этот пар, расширяясь, подтолкнул массивную 2500-тонную крышку реактора вверх. Для этого, как оказалось вполне достаточно разрыва всего нескольких технологических каналов. На этом закончилась начальная стадия разрушения реактора и началась основная.

Двигаясь вверх, крышка последовательно, как в домино, разорвала остальную часть технологических каналов. Многие тонны перегретой воды почти мгновенно превратились в пар, и сила его давления уже довольно легко подкинула "крышку" на высоту 10-14 метров. В образовавшееся жерло ринулась смесь пара, обломков графитовой кладки, ядерного топлива, технологических каналов и других конструкционных элементов активной зоны реактора. Крышка реактора развернулась в воздухе и упала обратно ребром, раздавив верхнюю часть активной зоны и вызвав дополнительный выброс радиоактивных веществ в атмосферу. Ударом от этого падения можно объяснить двойной характер "первого взрыва".

Таким образом, с точки зрения физики "первый взрыв" собственно не был взрывом, как физическим явлением, а представлял собой процесс разрушения активной зоны реактора перегретым паром. Поэтому сотрудники ЧАЭС, рыбачившие в аварийную ночь на берегу пруда-охладителя, не услышали звука после него. Именно поэтому сейсмические приборы на трёх сверхчувствительных сейсмостанциях с расстояния 100 -180 км смогли зарегистрировать только второй взрыв.

Параллельно с этими механическими процессами в активной зоне реактора начались различные химические реакции. Из них особый интерес вызывает экзотермическая пароциркониевая реакция. Она начинается при 900 °С и бурно проходит уже при 1100 °С. Её возможная роль более подробно изучалась в работе [14], в которой было показано, что в условиях аварии в активной зоне реактора 4-го блока только за счёт этой реакции в течение 3 сек могло образоваться до 5 000. куб. метров водорода.

Когда верхняя "крышка" взлетала в воздух, в центральный зал из шахты реактора вырвалась эта масса водорода. Перемешавшись с воздухом центрального зала, водород образовал детонационную воздушно-водородную смесь, которая затем взорвалась, скорее всего, от случайной искры или раскалённого графита. Сам взрыв, судя по характеру разрушений центрального зала, носил бризантный и объёмный характер, аналогичный взрыву известной "вакуумной бомбы" [14]. Именно он и разнёс вдребезги крышу, центральный зал и другие помещения 4-го блока.

Список литературы
1. Горбачев Б.И. Причины чернобыльской аварии: окончательный выбор между двумя версиями. //Сборник «Проблемы Чернобыля», вып. 10, ч.1 Чернобыль 2002.
2. Чернобыль может повториться. Тайна ядерной катастрофы близка к разгадке. Новые Известия,
3. Barry J. D. Ball Lightning and Bead Lightning. N.Y.: Plenum Press, 1980.
4. Стаханов И П. О физической природе шаровой молнии. (Москва, Атомиздат, 1985).
5. Под ред. Р.Ф. Авраменко. Шаровая молния в лаборатории. (Москва, Химия, 1994).
6. Егоров А.И., Степанов С.И., Шабанов Г.Д. Демонстрация ШМ в лаборатории. УФН 174 №1, Январь 2004, с. 107-109.
7. Бычков В.Л. Бычков А.В., Тимофеев И.Б. Экспериментальное моделирование долгоживущих светящихся образований на основе полимерных органических материалов. ЖТФ 74, вып.1 (2004) с. 128-133.
8. V.P. Torchigin, A.V. Torchigin. Phenomenon of ball Lightning and its outgrowths. Physics Letters A 337 (2005) 112-120.

назад

Материалы из архива

2.2007 Наши начинают и выигрывают

Мария Русинова, СМИ УЭХК 28 сентября на Уральском электрохимическом комбинате состоялся конкурс профессионального мастерства среди электромонтеров. Он был рассчитан на специалистов УЭХК по ремонту и обслуживанию устройств релейной защиты и электроавтоматики подстанций напряжением 6–10 кВ. А уже через месяц наше предприятие встречало гостей из 5 городов – участников подобного конкурса, но уже УПЯМовского уровня.

9.2008 Наша деятельность требует высокой квалификации

С.А.Адамчик, заместитель руководителя Ростехнадзора. — Сергей Анатольевич, кого сегодня в нашей стране волнует безопасность атомной отрасли? — Наверно, в большей мере население. Хотя у меня такое впечатление складывается, что ему уже все равно – оно не очень активно. Его провоцируют на формирование отдельных мнений, особенно в районах строительства атомных станций, а в целом наше население проявляет активность только, если что-то случается. Даже достаточно страшное событие – Чернобыльская катастрофа – сегодня уже стало забываться.

3.2006 Принцип СП: ваш продукт – наши технологии

"Урал может стать местом реализации совместного российско-иранского проекта в сфере атомной энергетики. О нем в конце февраля принципиально договорились в Тегеране… При этом не исключается, что заказы, имеющие отношение к иранской ядерной программе, получат и другие предприятия отрасли, расположенные в Уральском округе" (ИА REGNUM)