Эту статью следует рассматривать как вторую часть статьи “Очарование и строгость ядерного оружия. Часть 1. Получение урана-235 и плутония”. В ней описываются аварийные случаи радиационного облучения персонала, занятого в производстве плутония, на примере химкомбината “Маяк”, а также приведены известные случаи СЦР (самоподдерживающихся цепных реакций) в мире на промышленных предприятиях при обращении с плутонием и высокообогащённым ураном.
Введение
В период с 1945 по 1946 годы в Советском Союзе были приняты важные организационные и научно-технические решения, направленные на получение двух ключевых материалов для ядерной бомбы — урана-235 и плутония-239. Производство плутония осложняется необходимостью защиты персонала от радиационного излучения. Этапом начала процесса получения плутония является облучение природного урана в ядерном реакторе.
В СССР первый ядерный реактор для наработки плутония был введен в эксплуатацию в июне 1948 года на территории Челябинской области, на Комбинате № 817 (химкомбинат "Маяк").
Второй стадией процесса получения плутония является доставка облучённых в ядерном реакторе урановых стержней на радиохимический завод, где производится разделение химическими способами растворённых стержней на три части: плутоний, уран и продукты деления.
Третьей стадией процесса является передача соединений плутония на химико-металлургический завод, где плутоний переводят в металлическое состояние и изготавливают из него изделия для ядерной боеголовки. Все стадии этого процесса проводятся в дистанционном режиме и не должны сопровождаться облучением человека. Однако в первые годы освоения этой сложной технологии пришлось пройти через неизбежную стадию приобретения знаний и опыта работы с неизвестными продуктами, сопровождаемую облучением персонала продуктами деления, а также облучением персонала нейтронами и гамма-квантами при авариях с делящимися материалами (СЦР).
В статье использован фактический материал, опубликованный в книге Создание первой советской ядерной бомбы. — М.: Энергоатомиздат, 1995. — 448 с.: ил. и в совместном отчёте Лос-Аламосской национальной лаборатории (Нью-Мексико, США) и Физико-энергетического института (Обнинск, РФ) “Обзор ядерных аварий с возникновением СЦР. Редакционная версия 2003 год”.
1. Облучение персонала в первые годы получения делящихся материалов
С самого начала работы промышленного реактора "А" происходило множество аварий. При ликвидации практически всех аварий были зафиксированы высокие уровни радиационного излучения, превышающие безопасные пределы. Частой аварией был так называемый «козёл», то есть распухание урановых блочков в технологических каналах реактора и невозможность их дистанционного извлечения.
В августе 1948 года, одновременно с запуском реактора "А", были разработаны Общие санитарные нормы и правила, которые регламентировали уровень облучения работников на объектах Комбината № 817. В этих нормах была установлена дневная радиационная норма 0,1 бэр (бэр — биологический эквивалент рентгена) при 6-часовой смене, то есть работник за год не должен был получить более 30 бэр. В случае аварии, согласно этим нормам, работникам разрешалось однократное облучение дозой 25 бэр, но не менее, чем за 15 минут. После такого облучения проводилось медицинское обследование работника. Затем ему предоставлялся отпуск или назначалась работа, исключающая воздействие радиации.
После первоначального этапа работы реактора в 1948 году, когда только 4,8% работников получили дозу облучения, превышающую 100 бэр, радиационная обстановка резко ухудшилась в 1949 году. Это было связано с ликвидацией аварийных ситуаций, в первую очередь при извлечении "распухших" урановых блочков, а также при обрывах технологических труб. Это привело к значительному увеличению радиационного воздействия на персонал, в среднем до 93,6 бэр в год. Только спустя 7 лет радиационная обстановка стабилизировалась и превышение среднегодовых доз облучения было замечено лишь у 5% работников.
Приведенные в Таблице 1 данные показывают интервалы доз облучения, которым подвергся персонал реактора "А" в % в период с 1948 по 1956 годы.
Таблица 1. Персонал промышленного ядерного реактора «А» Комбината № 817 («Маяк»), %, получивший повышенные дозы облучения в первые годы эксплуатации
В таблице 2 приведены данные о внешнем гамма-облучении работников различных служб производственного персонала в течение первых десяти лет работы промышленного ядерного реактора.
Таблица 2. Средняя суммарная доза внешнего гамма-облучения в различных профессиональных группах за период 1948–1958 гг.
В 1952 году ввели новые нормативы для персонала ядерных объектов. Эти нормативы устанавливали ограничение дозы облучения в рабочую смену в пределах 0,05 бэр или 15 бэр в год.
В 1970 году снизили годовой уровень облучения персонала ядерных объектов до 5 бэр.
С 2000 года эффективная эквивалентная доза была снижена до 20 мЗв или 2 бэр в год в среднем за любые 5 лет подряд.
Не меньшие трудности возникали при освоении технологии извлечения плутония из облучённого урана на радиохимическом заводе, закодированным из соображений секретности заводом «Б».
Основными задачами технологического процесса на радиохимическом заводе было растворение полученных с завода «А» облученных урановых блоков, отделение высокорадиоактивных многочисленных продуктов деления от урана и плутония, получение концентрированных растворов плутония и передача их на следующий объект — завод «В» на химико-металлургическое производство для изготовления деталей из металлического плутония для ядерной бомбы.
Было чрезвычайно трудно выделить примерно 0,01% плутония из облучённого урана в присутствии высокоактивных продуктов деления. Большие проблемы были связаны с коррозией технологического оборудования. Однако благодаря усилиям коллектива учёных и инженеров, эти проблемы были преодолены.
Ремонтные службы предприятия (механики, прибористы, сотрудники аналитической лаборатории) подвергались высоким дозам радиационного облучения. Среди сотрудников аналитической лаборатории были в основном молодые женщины.
В таблице 3 представлена информация о дозах облучения персонала завода "Б" с 1949 по 1962 годы.
Таблица 3. Персонал завода «Б» Комбината № 817 («Маяк»), %, получивший повышенные дозы облучения в первые годы эксплуатации
К сожалению, приведённые цифры не отражают реального уровня облучения персонала, участвовавшего в процессе получения изделий из плутония или обогащённого урана. Мне посчастливилось работать на радиохимическом заводе Горно-химического комбината в Железногорске Красноярского края с инженерами и рабочими, которые в молодости поработали на «Маяке» на радиохимическом и химико-металлургическом заводах. Один из них — Алексей Иванович Воронцов, инженер технического отдела радиохимического завода ГХК, в молодости поработал на таком же радиохимическом заводе на «Маяке» оператором. Следующая информация пересказана со слов Алексея Ивановича.
«В порядке вещей было занижать дозы полученного облучения при ликвидации практически ежедневных радиационных аварий того или иного масштаба. Это можно было делать различными способами. Наиболее распространённый способ — сообщать медперсоналу по окончании работ заниженную массу своего тела, которая использовалась медиками для расчёта поглощённой дозы облучения. Или просто снимать с себя прибор дозиметрического контроля перед входом в "грязную" зону. Это, конечно, варварский метод, но в условиях нехватки «необлучённого» персонала иного выхода не было. На тяжесть последствий облучения влияла площадь поверхности человека, то есть его габариты».
Вот сценарий самой распространённой аварии на радиохимическом заводе. В каньоне одного из технологических аппаратов сработал сигнализатор наличия раствора. Значит, появился свищ на технологическом оборудовании в каком-то месте. Может, на аппарате, а может на каком-либо из трубопроводов. Необходимо остановить весь технологический процесс завода. Освободить аппарат и трубопроводы в этом каньоне от технологического, высокорадиоактивного, азотнокислого (чаще всего) раствора. Промыть аппарат и трубопроводы дезактивирующим раствором. Опорожнить их. Заполнить водой. И всё это выполнять дистанционно. Открыть каньон. Дверь в каньон из чугуна толщиной полметра. Забегает дозиметрист в каньон, снимает картограмму. То есть измеряет радиационный фон возле каждого участка оборудования. Выбегает из каньона и рассчитывает безопасное время нахождения механика при производстве ремонта оборудования, исходя из разрешённой суточной дозы. А в первые годы разрешённые дозы были очень высокие. Просто ещё не знали смертельный порог внешнего, а тем более внутреннего облучения. Допустим, дозик рассчитал безопасное для одной смены время нахождения человека в зоне работы — 10 секунд. Одному слесарю требуется минут 5, чтобы обследовать всё оборудование, найти свищ, обозначить его мелком и выбежать из каньона. Другому слесарю требуется 20 минут, чтобы вырезать катушку на трубе со свищом, обработать края трубы для приварки новой катушки. Сварщику с помощником требуется 15 минут на приварку новой катушки. Таким образом, первый слесарь получит 30-дневную дозу, второй слесарь — 4-месячную дозу, сварщик и третий слесарь — 3-месячные дозы. Поскольку суточный план по плутонию нельзя было не выполнить, то ликвидацию аварий проводили с ускоренной, но не качественной дезактивацией дефектного оборудования, сознательно завышенным расчётом времени на выполнение ремонтных работ, сознательным превышением времени выполнения ремонтных работ (ну не будешь же прекращать сварку шва, если истекло время на работу). Всё это складывалось в острую лучевую болезнь, онкологию, смерть. Все работники относились с покорностью к такому положению дел. Стране срочно требовался плутоний. Смертельная доза от лучевой болезни для всех индивидуальная. Кому-то достаточно 500 бэр. Кому-то 700. Но для всех смерть наступит при дозе 1000 бэр на всё тело. Алексей Иванович Воронцов рассказывал, как его друг — высокий, широкоплечий, богатырского телосложения молодой человек, очень скоро заболел лучевой болезнью и через несколько месяцев умер. Хотя друзья получали одинаковую дозу при ликвидации радиационных аварий. Но Алексей Иванович — низенький и тощий. И поверхность тела у него была значительно меньше, чем у друга. И количество нейтронов и гамма-квантов он «схватил» меньше. Что и спасло его жизнь.
Чтобы как-то компенсировать людям такие жестокие условия труда, устанавливали высокие зарплаты, обеспечивали магазины в закрытых городах невиданными товарами: икрой, сырокопчёными колбасами, хрусталём, коврами, легковыми автомобилями. Но выезжать из города в отпуск не разрешалось. Даже на похороны близких родственников. В литературе описан такой случай. В 1950-х на «Маяке» срывались сроки ввода в эксплуатацию очередного реактора. Чтобы стимулировать людей на трудовой подвиг и закончить монтаж реактора к 1 мая, Лаврентий Павлович Берия пообещал директору завода выделить самолёт, для того чтобы передовики слетали в краткосрочный отпуск, каждый на свою родину.
2. СЦР
Самые тяжёлые аварии, которые случаются на радиохимических заводах и ядерных установках — это СЦР. Самоподдерживающиеся цепные реакции. Это, по сути, ядерный взрыв на основе цепной реакции в производственных условиях. Но его последствия существенно меньше, чем последствия взрыва ядерной бомбы над Хиросимой или Нагасаки. Первые же акты цепной реакции разбрасывают атомы делящегося изотопа (урана-235 или плутония-239) на расстояние затухания цепной реакции, но СЦР не прекращается, а вспышки продолжаются. Вспышка цепной реакции порождает массу нейтронов и гамма-квантов, которые поражают все живые организмы в радиусе нескольких метров. С февраля 1945 года, когда в США появились первые граммы и килограммы делящихся материалов (ДМ — урана-235 и плутония), СЦР происходили на многих радиохимических и химико-металлургических заводах в США, Великобритании, Японии, где производились эти материалы, а также на исследовательских ядерных установках во Франции, в Бельгии, в Югославии, в Канаде, в Аргентине. У нас в стране СЦР случались на «Маяке», на СХК в Томске-7, на НЗХК в Новосибирске, и на МСЗ в Электростали.
С 1945 года описаны 59 случаев СЦР в мире. Первые СЦР произошли в США сразу же после появления ощутимых количеств ДМ (сотни граммов или литров растворов с ураном-235 или плутонием) — в феврале 1945 года. Первый случай СЦР в СССР датируется 15 марта 1953 года. Хотя первый плутоний начали получать в декабре 1948 года. Вам ничего не напоминает дата 15 марта 1953 года? Всего то 10 дней после смерти тирана. Наверняка случались СЦР в СССР и раньше, сразу же после декабря 1948 года — когда появились первые количества плутония. Но, видимо, режим секретности не позволял заявить о произошедшем. А ведь эта информация могла бы спасти многие последующие жертвы СЦР.
В мире произошло 59 случаев СЦР, которые можно разделить на две основные категории. Первая категория включает аварии, которые неожиданно произошли на промышленных предприятиях, и их было 22. Вторая категория включает аварии, которые возникли на критстендах или на исследовательских сборках.
В 2000 году Лос-Аламосская национальная лаборатория (ЛАНЛ, США) совместно с Физико-энергетическим институтом (ФЭИ, Обнинск) выпустили отчет “Обзор ядерных аварий с возникновением СЦР”, разрешённый к публикации в открытой печати и без ограничений к распространению. В отчёте описаны все случаи аварий в мире с возникновением неконтролируемой самоподдерживающейся цепной реакции (СЦР) на установках атомной промышленности и на исследовательских ядерных установках (критстендах).
Отчет предоставлял данные о местоположении аварий, дате и кратком описании каждого инцидента, а также о пострадавшем персонале. Это включало информацию о случаях аварий, которые были неожиданными и произошли на промышленных предприятиях, а также о тех, которые произошли во время экспериментов или операций на исследовательских установках.
В таблице 4 приведена информация из отчёта об этих авариях, которые произошли на промышленных предприятиях: их местонахождение, дата аварии, краткое описание аварии и пострадавший при аварии персонал.
Таблица 4. Аварии в мире с возникновением СЦР, произошедших при проведении производственных процессов
В отчёте перечислены существенные особенности этих 22 аварий.
- 21 авария произошла с делящимися веществами в виде растворов или суспензий.
- Одна авария произошла с изделиями в виде металлических слитков.
- Имели место 9 смертельных исходов.
- У троих выживших после аварий были ампутированы конечности.
- В результате только одной из аварий произошло не особенно большое (значительно ниже допустимой нормы годового облучения персонала) облучение людей, не работающих на предприятии.
Заключение
С первых лет развития атомной промышленности стало ясно, что ограничение сроков пребывания персонала в радиационно опасной зоне не может полностью предотвратить переоблучение. Дозы лучевого облучения, получаемые людьми в аварийных ситуациях, порой значительно превышали установленные нормы. Возникает вопрос: можно ли было избежать множества случаев лучевых заболеваний, включая смертельные исходы, среди работников атомной промышленности?
Ответ — «можно». Но при этом необходимо было овладевать новой технологией без спешки. От запуска первого реактора Ф-1 в декабре 1946 года до испытания первой советской ядерной бомбы в августе 1949 года прошло всего 2 года и 8 месяцев, что является поразительно коротким периодом.
Однако стоимость обладания ядерным оружием оказалась чрезвычайно высокой.
Атомная энергетика и исследования в области ядерных технологий имеют огромное значение для нашего мира. Они обеспечивают электроэнергией миллионы людей, позволяют проводить научные исследования и медицинские процедуры, а также играют важную роль в области обороны. Однако, как и любая сложная и передовая технология, атомная промышленность не лишена опасностей.
Несмотря на риски, сопутствующие атомной промышленности, важно отметить и ее положительные аспекты. Атомная энергетика играет ключевую роль в сокращении выбросов парниковых газов и борьбе с изменением климата. Она предлагает стабильные и эффективные источники энергии, которые могут смягчить зависимость от ископаемых топлив. Кроме того, исследования в области ядерной физики и медицины открывают новые возможности в лечении рака и диагностике таких заболеваний.
Развитие атомной промышленности требует баланса между безопасностью и экономической эффективностью. Такой баланс должен основываться на передовых научных исследованиях, общественном контроле и прозрачности.
И нужно всегда помнить о тех, благодаря кому наша страна стала ведущей ядерной державой.