Майкл ДиМеркурио - Подводные лодки

Несколько категорий чрезвычайных ситуаций могут обречь судно на гибель. Основными из них являются: проблемы в системе охлаждения и потеря управления реактором.

В случае возникновения проблем в системе охлаждения основная водяная петля, по которой проходит вода через реактор для охлаждения топливных модулей, разрушается, и вода вытекает из трубы. Во многих случаях это может привести к падению давления в системе.

Когда происходит потеря давления и запасов воды, вода в реакторе вскипает и превращается в пар, вскрывая топливные модули. Температура топлива повышается до тех пор, пока оно не улетучится. Водород переходит в пузырьки пара вследствие тепловой реакции с циркониевым покрытием топливохранилища и от этого может воспламениться и нарушить работу реактора. Жидкое топливо в неисправной системе излучает огромные дозы радиации в окружающую среду.

Но бывает и еще хуже. Топливо в реакторе подлодки более взрывоопасное, чем в реакторе на атомной электростанции. В нем используется уран 235, высокооктановая разновидность, вместо природного урана (95 % урана 238, который находится в покое и 5 % урана 235, который распадается и выделяет теплоту). Если в результате неполадок в системе охлаждения уран 235 расплавится, то существует вероятность того, что он может создать критическую массу на дне активной зоны реактора. Далее возможно возникновение неконтролируемой ядерной реакции. В наименее вероятном случае он взорвется, как ядерная бомба, и судно просто-напросто испарится. В более вероятном случае это вызовет быстрый критический распад, что является неконтролируемой ядерной реакцией, которая заставляет топливо взорваться, хотя и не на полную мощность, но достаточно сильно, чтобы вскрыть реактор и корпус подлодки.

В случае неполадок в системе охлаждения команда старается доставить больше воды в основную систему и активную часть реактора. Необходимо использовать пресную воду, потому что морская вода разрушит части из нержавеющей стали в считанные часы. Если вода не может попасть в активную зону реактора из-за давления пара или пузырьков водорода, процесс остановить невозможно.

Некоторые говорят: «А почему бы просто не остановить реактор?» Этого будет недостаточно. Если ядро реактора приостановить при работе на полную мощность, то оно все равно сохраняет около 8 % мощности из-за остаточного тепла от распада и случайного распада урана. Если тепло не отвести от реактора, то ядерное топливо может просочиться наружу.

Термин «критическая» во фразе «реактор достиг критической массы» означает, что уровень нейтронов в активной зоне реактора способен поддерживать постоянную ядерную реакцию без уменьшения количества распадов. Критичность достигается в промежуточной стадии, незадолго до вхождения в мощностную фазу работы реактора. В мощностной фазе ядро реактора способно изменять температуру основного охлаждающего элемента. Если реактор субкритичен, это значит, что количество нейтронов уменьшается, а, следовательно, падает мощность.

Даже если ядерное топливо и не является в данный момент объектом ядерной реакции, оно может достигнуть температуры, достаточной для того, чтобы проникнуть сквозь реактор и корпус подлодки. В этом случае реакторный отсек полностью затопит. Размер пробоины имеет значение, потому что, если она будет достаточно велика, то судно может расколоться пополам.

Ещё одной разновидностью экстренных ситуаций является потеря контроля над реактором. Это может случиться по-разному, но в каждом из этих случаев повышается скорость реакции в активной зоне реактора. Мощность реактора регулируется рычагами. Если эти рычаги случайно сдвинуты с места, то мощность реактора повышается до отметки взрыва из-за переизбытка пара внутри реактора. Паровой взрыв происходит, когда вода получает от топлива энергии больше, чем она может принять. Вода превращается в пар большой температуры и большого давления. В некоторых случаях реактор может разлететься на куски, как, например, в испытательной лаборатории SL-1 в местечке Айдахо Фолз, когда вследствие этого погибли три оператора (см. следующий раздел «Трагедия в Айдахо фолз: SL-1»).

На одной из подлодок класса «Sturgeon» проходили учения по остановке реактора.

Во время остановки реактора предпринимались экстренные действия для восстановления мощности и недопущения повреждения реактора. Команда начала восстанавливать мощность реактора — эта процедура называется «быстрый восстановительный запуск». Во время ее проведения реактор восстанавливает мощность в 50 раз быстрее, чем реактор на атомных электростанциях.

Эта процедура настолько опасна, что ее разрешается проводить только на расстоянии более 50 миль от побережья. Во время восстановления мощности рычаг управления неожиданно вышел из строя.

Команда управления реактором была в таком шоке от этого странного события, что они полностью сконцентрировались на сломанном рычаге, а не на том, что переключатель «замер» в позиции «рычаги выключены». Уровень мощности реактора продолжал повышаться с выключенными рычагами. Вместо положенных 10–5 в минуту и режиме запуска, активная зона реактора работала в промежуточном режиме на 10–10 в минуту. Проведенные позднее расчеты показали, что реактор был в 6 секундах от критичного уровня, повлекшего бы за собой взрыв от пара и раскол корпуса подлодки.

В режиме 10–10 схема защиты реактора перезапустила его. После того как был написан отчет об этом инциденте и проведены расчеты, лидер инженерной команды, вахтенный инженер, придумал церемонию, во время которой он встает на колени перед панелью управления реактором, которая спасла подлодку, а потом целует монтажную плату.

При остановке ядерного реактора, уровень ядерной реакции уменьшается в десятки раз. Реактор переходит из мощностного режима (в котором ядерная реакция способна повышать температуру охлаждающей жидкости) в промежуточный режим (в котором в реакторе все еще происходит довольно интенсивная реакция, но он уже не способен повышать температуру охлаждающей жидкости). Промежуточный режим находится в диапазоне от 10–5 до 10–14. Режим запуска находится в диапазоне от 10–3 до 10–14 (разные узлы). В начале режима запуска существует так называемый «нулевой» уровень, при котором уровень радиации настолько мал, что его нельзя измерить, но она все равно присутствует.

Когда вы производите быстрый запуск реактора после его остановки, вы переводите реактор из режима запуска в промежуточный режим, поворачивая рычаги и контролируя показания приборов запуска. Вы сохраняете режим. 10–5 в минуту, и он набирает мощность. В конце режима запуска вы считываете показания счётчика и переключателя, сохраняя режим 10–5 в минуту. Когда мощность активной зоны реактора приближается к верхней границе промежуточного режима, вы увидите, что стрелка указателя мощности передвинется с 0 % на 1 % — вы вошли в мощностной режим. Теперь вы можете запускать пар в машинное отделение.

Ещё одной разновидностью потери контроля над реактором являются несчастные случаи с холодной водой. Большинство процессов в реакторе проходят при рабочей температуре 260 °C. Сначала необходимо отметить, что основное отличие между ядерным реактором и ядерным оружием состоит в утечке нейтронов.

Ядерная реакция происходит, когда ядро нестабильного урана 235 бомбардируют медленные нейтроны (быстрые промчатся мимо). В результате процесса ядро распадается и высвобождает 2 или 3 быстрых нейтрона. Нейтроны должны быть «замедлены» для того, чтобы следующая ядерная реакция была возможна. Если все быстрые нейтроны, кроме одного, «вытекут» из реактора, а этот оставшийся станет медленным, то ядерная реакция может произойти и мощность реактора останется прежней. Если и этот единственный нейтрон вырвется наружу, то ядерная реакция приостановится и мощность реактора будет падать. Чем меньше нейтронов будет вырываться из реактора и чем большее их число будет становиться медленными, тем больше будет расти мощность реактора.

Модератор — это то, что минимизирует утечку нейтронов и замедляет быстрые нейтроны. В реакторе подлодки, находящемся под большим давлением, роль модератора выполняет вода, которая течёт сквозь активную зону реактора на пути к паровым котлам, — вода выполняет две функции в качестве охлаждающей жидкости.

В реакторе, где в качестве охлаждающего вещества используется газ, охлаждающее вещество, которое переносит тепло к паровым котлам, не выполняет роли модератора. В этом случае модератор требуется добавлять в активную зону реактора в виде графита. В воде лишь водород выступает в качестве модератора. Атомы кислорода в воде связывают электроны двух атомов водорода, так что атомы водорода, «торчащие» с двух сторон молекулы воды, на самом деле протоны в чистом виде, которые имеют такой же молекулярный вес, что и нейтроны. И, подобно бильярдному шару, нейтрон теряет скорость, когда он сталкивается с объектом такого же размера, как и он. Бильярдный шар, отталкиваясь от борта, передает минимум энергии массивному столу. Если же он сталкивается с объектом, соотносимым с ним по массе, т. е. шаром, то энергия перелается тому шару, с которым он сталкивается, а сам он останавливается. Точно так же водород воды замедляет нейтроны до такой степени, чтобы они были способны столкнуться с ядром урана для того, чтобы произошла еще одна реакция.