Имя сей звезде Полынь. Материалы к урокам по чернобыльской катастрофе

В нынешнем году на 25-26 апреля у меня как раз приходятся все восемь "полставочных" уроков химии в Студенческом учебном научном центре МГУ. Школьникам в эти дни не грозят контрольные и самостоятельные работы - можно просто сидеть и слушать. А для учителя это самый трудный урок - за сорок минут объяснить, какой УРОК был дан человечеству 15 лет назад. И объяснить так, чтобы наши "интеллектуально развитые" ученики никогда не забывали именно этот, "чернобыльский урок".

Конечно, в отличие от многих коллег-учителей, мне легче ориентироваться в фактической стороне случившегося - в 1986 году я еще работал в Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова. Тем не менее, для того чтобы на примере чернобыльской катастрофы показать школьникам суть проблемы взаимоотношений человека с созданной им техникой, ни в коем случае нельзя использовать ограниченное время урока для изложения всех технических подробностей произошедшего. В зависимости от уровня подготовки учащихся им даются лишь самые основные научные и технические сведения о работе атомных электростанций. Главный смысл урока - показать, что сейчас буквально каждый день возрастает цена "нажатой кнопки" и ответственности того, кто эту кнопку нажимает.

Ниже приведена информация, которая даже при работе с подготовленными одиннадцатиклассниками достаточна для двух уроков. Что и как сократить при использовании в своей школе - решать вам, уважаемые коллеги.

Цель урока: демонстрация того, что человек психологически еще не всегда готов к использованию своих научных достижений. Разговор о возрастании вероятности "кнопочных" катастроф и ответственности ученых и инженеров перед человечеством.
Оборудование: радиометр (иногда его ошибочно называют "счетчик Гейгера") со звуковой индикацией импульсов (звуковой фон урока).

Весь урок идет под звук работающего радиометра (негромкие редкие щелчки или писк от естественного земного и космического радиационного фона).

На доске изображена стандартная схема атомной электростанции (можно использовать готовый плакат) - см. литературу [1, 5, 7]. Важно подчеркнуть, что во всех учебниках дана двухконтурная схема использования теплоносителя. Материал первого контура (жидкий металл или перегретая вода) отдает полученное в реакторе тепло воде из второго контура в теплообменнике. Вода второго контура не контактирует с радиоактивной зоной станции - в теплообменнике она испаряется, и пар, как и в любой тепловой электростанции, вращает турбину генератора. На схеме реактора можно показать условно основные элементы: графитовый блок - замедлитель нейтронов, один канал с топливным стержнем (блок тепловыделяющих элементов - ТВЭЛ), один канал с управляющим стержнем, один канал с теплоносителем первого контура.

Коротко описываем колоссальные экологические преимущества атомной электростанции (АЭС) перед тепловой (ТЭС) такой же мощности. В небольшой таблице приводим сравнительные характеристики работы за год атомной и угольной электростанций с одинаковой мощностью 1000 мегаватт производимой электроэнергии:

Можно предложить ученикам самим посчитать массу углекислого газа, выделяемого за год ТЭС, исходя из 3,3 млн. т углерода в каменном угле, и массу двуокиси серы, если исходный каменный уголь содержит от 3 до 5% серы. Углекислый газ - это надвигающийся "парниковый эффект", а сернистый ангидрид - хорошо известные "кислотные дожди". Если уголь заменить на более "чистый" природный газ, полностью сократятся только твердые отходы ТЭС.

Можно упомянуть, что последняя в ХХ веке попытка представителей промышленно развитых стран договориться о снижении производственных выбросов в атмосферу с целью ослабления парникового эффекта кончилась провалом. 25 ноября 2000 года конференция в Гааге, организованная ООН и Всемирной организацией здравоохранения, завершилась без подписания итоговых документов. Таким образом, существенно возросла вероятность того, что в ближайшие десятилетия сбудутся самые мрачные пророчества экологов. Доля США в общемировом выбросе в атмосферу углекислого газа составляет 24% (России - 6%).

Совершенно очевидно, что атомная электростанция - самая экологически чистая... если не рассматривать проблему захоронения отработанного ядерного горючего. Отработанные тепловыделяющие элементы содержат большое число высокорадиоактивных изотопов - как и продукты ядерного взрыва. 6 августа 1945 года на японский город Хиросима была сброшена атомная бомба "Малыш", содержавшая 45 кг урана-235. К началу 1950 года только от лучевой болезни в результате взрыва погибли 150 тыс. человек. Примерно столько же людей погибло в результате радиоактивного поражения в Нагасаки (взрыв 9 августа 1945 года, бомба "Толстяк" содержала около 50 кг плутония-239). Сейчас в Японии проживают 367 тыс. человек - потомков людей, выживших при тех взрывах, но получивших радиационные поражения. Их называют "хибакуся". Среди них нет здоровых людей, и им не рекомендуют иметь детей из-за возможных генетических поражений и наследственных заболеваний.

А теперь вернемся к нашей экологически чистой мирной АЭС. В год на каждые 1000 МВт электрической мощности получается 1,5 т высокоактивных отходов (2 т в таблице - с учетом оболочек ТВЭЛов). В АЭС используется слабообогащенный уран: 98% урана-238 и 2% урана-235 (в природном уране его всего 0,7%). Радиоактивность такого "топливного" урана примерно в 10 раз ниже, чем чистого "оружейного" урана-235. Весьма приблизительный, не учитывающий многих факторов оценочный расчет показывает, что 1,5 т годовых отходов АЭС способны вызвать такое радиоактивное загрязнение, как обе атомные бомбы 1945 года (в сумме около 100 кг "оружейных" изотопов), т.е. при рассеянии на местности привести через 50 лет к поражению примерно 400 тыс. человек. Эти цифры можно оставить как иллюстрацию того факта, что российские хранилища предполагается "выгодно" использовать для захоронения отходов зарубежных АЭС.

Для дальнейшего изложения обязательно нужно найти журнал "Наука и жизнь", N 12 за 1989 год. Там описаны все необходимые и достаточные подробности событий 15-летней давности с хорошими иллюстрациями. Уравнения ядерных процессов в реакторе и описание механизма цепной реакции деления урана приведены в книгах [1, 5, 7].

Прежде всего обратим внимание учащихся на "экономические" факторы. Реактор РБМК-1000 (реактор большой мощности канальный, электрическая мощность 1000 МВт, тепловая 3200 МВт, соответственно коэффициент полезного действия 31%) конструктивно проще и дешевле изображенного на доске "классического". В нем всего один контур теплоносителя. Рабочий пар, подаваемый на турбину, образуется непосредственно в активной зоне (графитовый блок с ядерным горючим). Стираем изображенный на доске теплообменник. При этом паровой коэффициент реактивности РБМК положительный - это означает, что чем больше пара образуется в активной зоне, тем сильнее идет ядерная реакция за счет повышения коэффициента размножения нейтронов. Следовательно, реактор физически способен к "саморазгону", от которого его защищают специальные автоматы регулировки и контроля. Общая масса урана в реакторе - 190 т.

Для регулировки ядерной реакции используются управляющие стержни, которые состоят из двух частей - верхней (поглотитель), хорошо поглощающей нейтроны (кадмий), и нижней (вытеснитель), способствующей цепной реакции (графит).
Поглощать нейтроны могут не только вещества регулирующих стержней, но и многие продукты деления ядер урана. Для управления реактором очень важна следующая цепочка ядерных превращений: осколок деления урана теллур-135 быстро (период полураспада 18 сек.) превращается в йод-135, а он с периодом полураспада 6,6 часа становится ксеноном-135. Этот изотоп ксенона поглощает тепловые нейтроны в миллион раз лучше, чем уран, что вызывает "ксеноновое отравление" реактора. Но остановки цепной реакции не происходит: ксенон-135 с периодом полураспада 9,1 часа превращается в менее вредный для реакции цезий-135. Во всей цепочке превращений атомная масса не меняется, а заряд (+) ядра увеличивается, это указывает на бета-распад:

При стабильной работе реактора концентрация ксенона и его влияние поддерживаются на постоянном уровне. При быстром снижении мощности реактора за счет разницы в периодах полураспада приведенной цепочки происходит дополнительное торможение цепной реакции ксеноном, который продолжает получаться из йода-135. Однако, если затем снова попытаться быстро увеличить мощность реактора, она сначала будет нарастать медленно из-за оставшегося ксенона, а затем цепная реакция резко ускорится, когда ксенон "выгорит" (превратится в цезий-135). Этот эффект называют "йодной ямой". Его легко продемонстрировать на модели: шарик для настольного тенниса на резинке прикрепляем к стене пластилином и плавно тянем резинку на себя. Пока пластилин держит шарик, ничего не происходит. Но как только пластилин перестанет держать возросшее усилие, шарик полетит в того, кто тянул резинку.

Для схематичного показа причин катастрофы этих предварительных объяснений достаточно. Существует масса дополнительных факторов и альтернативных версий, но не будем забывать, что мы ограничены временем и знаниями наших школьников.

Дальнейшее изложение основано на официальной информации совещания экспертов МАГАТЭ [3].

25 апреля 1986 года на 4-м энергоблоке Чернобыльской АЭС был запланирован электротехнический эксперимент: использовать энергию генератора, который продолжает долго вращаться по инерции после прекращения подачи пара, при плановой профилактической остановке реактора (режим выбега).

Электротехническая проблема состоит в том, что плавно уменьшается не только мощность генератора, но и частота тока; поэтому энергию "выбегающего" генератора использовать не очень просто.

Полезно задать в обычном "учебном стиле" вопрос классу: "А что такое "косинус фи" в цепи переменного тока?" Обычно начинается ропот: "У нас сейчас химия, а не физика". Вот и первая психологическая проблема: операторы станции занимались в тот момент не ядерно-цепными процессами, а электротехническими. А ядерные процессы продолжали идти по своим законам, даже если о них на время забыли.

Для успешного проведения электротехнического эксперимента энергоблок должен был останавливаться в нестандартном режиме, поэтому часть автоматических систем защиты пришлось отключить. В этом не было ничего опасного - ведь эксперимент был запланирован во время ОСТАНОВКИ реактора.

В час ночи 25 апреля началось медленное снижение мощности реактора. К 13 часам 25 апреля тепловая мощность реактора была снижена в два раза - до 1600 МВт. Однако около 14 часов диспетчер "Киевэнерго" потребовал продолжить работу блока - в конце рабочей недели потребление электроэнергии после обеда обычно возрастает. В результате эксперимент был приостановлен до 23 часов. После разрешения диспетчера продолжилось снижение мощности реактора. По-видимому, это было сделано слишком быстро, чтобы компенсировать 9-часовую задержку эксперимента. В результате тепловая мощность реактора упала слишком сильно - до 30 МВт (менее 1% от номинальной). В такой ситуации по инструкции, чтобы избежать сложностей из-за описанного выше эффекта "йодной ямы", полагается заглушить реактор на несколько суток. Но тогда могли быть сорваны испытания электротехнической системы. Реактор решили снова разогнать до мощности около 700 МВт (22% от номинала, что само по себе не опасно). Вторая психологическая проблема: в подсознании операторов не было страха - продолжался электротехнический эксперимент на почти выключенном и потому безопасном реакторе.

Поскольку такой повторный разгон не допускался автоматикой, ее пришлось отключить. Управляющие стержни были полностью подняты из активной зоны реактора (1 ч. 19 мин. ночи 26 апреля). Но цепная реакция не начиналась - мешал остававшийся в ТВЭЛах ксенон-135. В 1 час 23 минуты реактор начал разгоняться. Регулирующие стержни медленно пошли вниз, управляемые автоматикой, но их действие не компенсировало слишком быстрый разгон цепной реакции.

В это время можно еще раз повторить в классе эксперимент с шариком на резинке - он уже оторвался от стены и полетел в того, кто эту резинку тянул.

В 1 час 23 минуты 40 секунд оператор попытался вручную ввести в реактор все стержни-поглотители. Но в активную зону в первые секунды вошли нижние части регулирующих стержней, которые не замедляют, а, наоборот, ускоряют цепную реакцию (см. выше). Такой режим просто не был предусмотрен конструкцией станции (как и ее повторный быстрый разгон), и поэтому в 1 час 23 минуты 44 секунды тепловая мощность реактора достигла не менее 320000 МВт (в 100 раз больше номинала). При достигнутой температуре белого каления началась реакция графита с водой (точнее, с водяным паром):

С + Н2О = СО + Н2

Реактор стал превращаться в смесь горючих газов. Его верхняя крышка - стальная плита массой более 1000 т подпрыгнула, как крышка кипящей кастрюли. Раскаленные горючие газы смешались с воздухом...

В 1 час 23 минуты 46 секунд 26 апреля 1986 года над Чернобыльской АЭС поднялось огненное облако не ядерного, а вполне химического взрыва смеси горючих газов с воздухом.

27 апреля в Скандинавии был зарегистрирован всплеск радиоактивности, соответствующий ядерной тревоге в случае возможной мировой войны. Мир узнал о самой страшной техногенной катастрофе ХХ века...

Сбылось библейское предсказание (по-украински полынь - чернобылка) (Откр. 8, 10-11):

"Третий Ангел вострубил, и упала с неба большая звезда, горящая подобно светильнику, и пала на третью часть рек и на источники вод.

Имя сей звезде полынь; и третья часть вод сделалась полынью, и многие из людей умерли от вод, потому что они стали горьки".

На сегодняшний день считается, что в течение первых десяти суток интенсивного выброса раскаленного содержимого реактора он потерял до 30% своей активной зоны, или около 50 т слабообогащенного урана и продуктов его распада [4]. Среди этих продуктов наиболее опасны: йод-131 с периодом полураспада 8 суток (это он накапливается в щитовидной железе, особенно у детей); цезий-137 с периодом полураспада 30 лет (накапливается в организме как аналог калия); стронций-90 с периодом полураспада 29 лет (накапливается в костях как аналог кальция и поражает костный мозг).

Теперь можно предложить ученикам сделать оценочный расчет: 100 кг "оружейных" изотопов образца 1945 года дали в Японии через 50 лет 367 тысяч "хибакуся". Сколько пораженных второго поколения будет в 2036 году на территории России, Беларуси, Украины, если активность 50 т (!) "топливных" изотопов примерно в 10 раз ниже, чем "оружейных"?

(Ответ: около 18 млн. человек).

Следует учесть, что решение этой задачи иногда вызывает в классе шок. Я сам успокаиваю ребят тем, что здоровый дядька, отец двух здоровых детей (В.З.), родился через год после того, как оба моих родителя участвовали в единственных в СССР "атомных" тоцких учениях 1954 года и находились очень близко от эпицентра произведенного тогда ядерного взрыва. Мои родители вполне здоровы, так что "злая радиация" поражает не всех одинаково.

Можно предложить решить еще одну задачу. Иодистый калий в таблетках, который раздавали школьникам в зараженных зонах в сентябре 1986 года (120 суток после катастрофы), необходим, чтобы препятствовать накоплению в щитовидной железе высокорадиоактивного йода-131 с периодом полураспада 8 суток. Во сколько раз больше была бы эффективность этой профилактической меры, если бы иодистый калий начали раздавать (и принимать) сразу после аварии? Можно условно считать, что к 1 мая 1986 года выброс йода-131 прекратился.

Решение. В 120 сутках содержится 15 раз по 8. За каждые 8 суток активность йода уменьшается в два раза (период полураспада), соответственно эффективность профилактики падает тоже в два раза. За 120 суток эффективность профилактики упадет в 215 = 32768 раз. На самом деле к 5 мая 1986 года разрушенный реактор потерял около 50% йода-131, и йодная профилактика по-прежнему была необходима, поскольку летучий йод продолжал выделяться из многочисленных щелей "саркофага" [4]. Расчет показывает, насколько опасно было замалчивание истинных масштабов катастрофы.
Как упоминалось выше, в рамках школьного урока нет смысла рассматривать все появившиеся позже гипотезы и альтернативные версии катастрофы (вплоть до козней инопланетян). Однако полезно заметить, что атомные электростанции в мире работают с 1954 года (первая Обнинская АЭС), но в 1984 году (через 30 лет) был открыт новый редкий тип радиоактивного распада, встречающийся у распространенных ядерных горючих [2]. А это значит, что люди строят энергетические установки колоссальной мощности, не зная до конца все физические принципы их работы. При таком потребительском и необдуманном подходе к результатам научных исследований техногенные катастрофы становятся неизбежными.

Наш нынешний комфорт - это десятки тысяч жертв автомобильных аварий, тысячи жертв других транспортных катастроф ежегодно. "Экологически чистый" природный газ в жилых домах - это несколько взрывов каждый год (зимой 2000/2001 года картинки с очередным разрушенным жилым домом появляются по российскому телевидению еженедельно).

Наиболее серьезные проблемы человечества - эколого-сырьевой и энергетический кризисы, межнациональные и межрелигиозные войны, терроризм, техногенные катастрофы - невозможно решить с помощью достижений науки и техники. Ученые предлагают безукоризненно (с их точки зрения) обоснованные решения этих проблем, но люди не желают следовать их рекомендациям. "Я знаю, что катастрофы наступят, но не верю этому" - так думают сейчас не только малообразованные обыватели, но и подавляющее большинство политиков и руководителей - "людей, принимающих решения". Риск крупных аварий возрастает с каждым днем, потому что управлять сверхмощной техникой одним движением пальца на кнопке приходят люди, с детства привыкшие к компьютерным играм. Привычка к жизни в виртуальном мире вызывает потерю чувства реальности - ведь из любой "крупной" игровой неприятности можно выйти с помощью кнопки RESET (перезагрузка). Мне уже приходилось наблюдать многочисленные мелкие аварии в лаборатории, когда студент или молодой сотрудник привычно перезагружает "свой" компьютер, забыв, что он не дома и что компьютер участвует в круглосуточной работе лабораторной сети и связан с другими вычислительными машинами и спектральными приборами. А ведь в современной терминологии чернобыльскую катастрофу можно рассматривать как результат неудачной "перезагрузки" "зависшего" в режиме малой мощности реактора.

Полезно вспомнить предвидения великого русского философа Николая Александровича Бердяева (1948 г.):

"Человек раздавлен собственными открытиями и изобретениями, к которым мало приспособлена его природа, формированная совсем в другую эпоху. Романтический возврат к состоянию, предшествующему технике, машине, индустриализации человеческой жизни, невозможен. Но это ставит вопрос о развитии и обнаружении духовных сил в человеке, которым овладели и подчинили себе выпущенные на свободу не демоны природы, а демоны техники и машины".