Причина.
Авария произошла во время эксперимента по испытанию способа охлаждения активной зоны реактора в аварийной ситуации. Испытание было включено в плановую остановку реактора №4.
Испытание.
Неактивный ядерный реактор продолжает генерировать значительное количество остаточного тепла. Реакторы, как и на Чернобыльской АЭС, после аварийной остановки будут продолжать выделять 7 % своей тепловой мощности и поэтому должны продолжать охлаждаться. В чернобыльских реакторах в качестве теплоносителя использовалась вода, а в реакторе 4 имелось 1600 индивидуальных топливных каналов, каждый из которых требовал расхода теплоносителя 28 000 литров в час.
Поскольку охлаждающим насосам для охлаждения реактора требуется электричество, в случае отключения электроэнергии чернобыльские реакторы имели три резервных дизель‑генератора; они запускались через 15 секунд, но требовалось 60-75 секунд для достижения полной скорости и выхода на 5,5 мегаватт, необходимых для запуска основного насоса.
Для устранения этого одноминутного зазора, который считается неприемлемым риском для безопасности, была выдвинута теория о том, что энергия вращения паровой турбины (при ее вращении под остаточным давлением пара) может использоваться для выработки необходимой электроэнергии. Анализ показал, что этого остаточного импульса и давления пара может быть достаточно для запуска насосов охлаждающей жидкости в течение 45 секунд, что позволит преодолеть разрыв между отключением питания и выходом на полную мощностью аварийных генераторов.
Эта теория все еще нуждалась в подтверждении, так как предыдущие испытания закончились неудачно. Первоначальные испытания, проведенные в 1982 году, показали, что напряжение турбины-генератора недостаточно. Система была изменена, и тест был повторен в 1984 году, но снова оказался неудачным. В 1985 году испытания были проведены в третий раз – отрицательные результаты. Процедура испытаний должна была быть повторена в 1986 году, и ее планировалось провести во время технического отключения четвертого реактора.
В ходе испытания основное внимание уделялось последовательности переключения электрических источников питания реактора. Процедура испытания должна была начинаться с автоматического аварийного отключения. Никакого влияния на безопасность реактора не предвиделось, поэтому программа испытаний не согласовывалась ни с главным конструктором реактора, ни с научным руководителем. Вместо этого он был одобрен только директором завода (и даже это утверждение не соответствовало установленным процедурам).
По данным испытания, тепловая мощность реактора должна быть не ниже 700 МВт в начале эксперимента. Если бы условия испытаний были такими, как планировалось, процедура почти наверняка была бы проведена безопасно; возможная катастрофа явилась результатом попыток увеличить мощность реактора после начала эксперимента, что не соответствовало утвержденной процедуре.
Чернобыльская электростанция работала в течение двух лет, не имея возможности выдержать первые 60-75 секунд полной потери электроэнергии, и, таким образом, не имела важного элемента безопасности. Руководители станции, вероятно, хотели исправить это при первой же возможности, что может объяснить, почему они продолжали испытания даже тогда, когда возникли серьезные проблемы, и почему необходимое разрешение на испытания не было запрошено у Советского регулятора ядерного надзора (хотя при комплексе был представитель надзора).
Экспериментальная процедура должна была выполняться следующим образом::
1. Реактор должен был работать на низком уровне мощности – от 700 до 800 МВт.
2. Паротурбинный генератор должен был работать на полную мощность.
3. Когда эти условия были достигнуты, подача пара для турбогенератора должна была быть отключена.
4. Производительность турбогенератора должна была регистрироваться для определения того, может ли он обеспечить мощность для насосов охлаждающей жидкости до тех пор, пока аварийные дизель-генераторы не будут включены и не будут автоматически подавать энергию на насосы охлаждения.
5. После того как аварийные генераторы достигнут нормальной рабочей скорости и напряжения, турбогенератору будет позволено свободно вращаться до остановки.
Эксперимент начался в 1:23:04.
Четыре (из восьми) главных циркуляционных насоса (ГЦН) были активны. Пар к турбинам был отключен, и начался спад турбогенератора. Дизель-генератор заработал и последовательно принял нагрузку. В течение этого периода мощность для четырех генераторов подавалась турбогенератором по мере снижения. По мере уменьшения импульса турбогенератора расход воды уменьшался, что приводило к увеличению образования паровых пустот (пузырьков) в активной зоне.
Из-за характера реактора при низких уровнях мощности, он был загрунтован, чтобы встать на положительный контур связи, в котором образование паровых пустот уменьшало способность жидкого водяного теплоносителя поглощать нейтроны, что в свою очередь увеличивало мощность реактора.
Однако на протяжении почти всего периода эксперимента система автоматического управления успешно противодействовала этой положительной связи, непрерывно вводя стержни в активную зону реактора для ограничения повышения мощности.
В 1:23:40, как зафиксировала централизованная система управления, было инициировано аварийное отключение реактора, которое непреднамеренно вызвало взрыв. Запуск начался с нажатия кнопки системы аварийной защиты реактора: это полностью вставило все стержни, включая ручные стержни, которые были извлечены ранее.
Причина, по которой была нажата кнопка аварийного отключения, возможно никогда не будет известна, было ли это сделано как экстренная мера или просто как обычный метод выключения реактора после завершения эксперимента.
Существует мнение, что, возможно, это была реакция на неожиданное быстрое увеличение мощности, хотя нет никаких подтверждений, убедительно доказывающих это. Некоторые предположили, что кнопка не была нажата, и вместо этого сигнал был автоматически произведен системой аварийной защиты; однако система явно зарегистрировал ручной сигнал.
Несмотря на это, вопрос о том, когда и даже была ли нажата кнопка, был долгим предметом обсуждения. Есть утверждения, что давление было вызвано быстрым ускорением мощности на старте, и утверждения, что кнопка не была нажата до тех пор, пока реактор не начал самоуничтожение, но другие утверждают, что это произошло раньше и в спокойных условиях.
После нажатия кнопки началось введение стержней в активную зону реактора. Механизм ввода переместил из на полную высоту ядра, около 7 метров. Более серьезной проблемой была дефектная конструкция стержня с графитовым наконечником, который сначала вытеснял теплоноситель, прежде чем вставить нейтронно-поглощающий материал, чтобы замедлить реакцию. В результате система фактически увеличил скорость реакции в нижней половине ядра.
Через несколько секунд после начала запуска произошел мощный скачок мощности, ядро перегрелось, и через несколько секунд этот перегрев привел к первоначальному взрыву. Некоторые из стержней сломались, блокируя колонны стержней и заставляя их застревать на одной трети вставки. За три секунды мощность реактора поднялась выше 530 МВт.
Последующий ход событий не был зафиксирован приборами: он известен только в результате моделирования. По-видимому, большой подъем мощности сначала вызвал повышение температуры топлива и массивное накопление пара, что привело к быстрому повышению давления. Это разрушило топливные элементы и разорвало каналы, в которых эти элементы находились.
Затем, по некоторым оценкам, реактор подскочил примерно до 30 ГВт тепловой мощности, что в десять раз превышает нормальную рабочую мощность. Последнее показание на панели управления было 33 ГВт. Восстановить точную последовательность процессов, приведших к разрушению реактора и здания энергоблока, не удалось, но взрыв пара, подобно взрыву парового котла от избыточного давления пара, по-видимому, был следующим событием. Существует общее понимание, что именно пар из разрушенных каналов, поступающий во внутреннюю структуру реактора, вызвал разрушение корпуса реактора, отрыв и подъем 2000-тонной металлической пластины, к которой крепится весь каркас реактора. Это был первый взрыв, который услышали многие. Этот взрыв разорвал дополнительные топливные каналы, и в результате оставшийся теплоноситель перешел в состояние пара и вышел из активной зоны реактора. Общие потери воды в сочетании с высоким содержанием пустоты еще больше увеличили мощность реактора.
Второй, более мощный взрыв произошел примерно через две или три секунды после первого; свидетельства указывают на то, что второй взрыв был из самого ядра. Ядерный распад прекратил цепную реакцию. Однако к этому моменту горел графитовый огонь, что в значительной степени способствовало распространению радиоактивных материалов и загрязнению отдаленных районов.