Современные мемуары

Евгений Шабалин

"Вы чересчур эмоционально управляете реактором,
Евгений Павлович!"

Воспоминания инженера-физика

(Продолжение. Начало в N 38, 39)

Письмо тракториста

Вскоре после публикации в центральной прессе сообщений о пуске ИБР-2 (1977-1979) в ОИЯИ пришло письмо от одного тракториста. Он предлагал нам вращать роторы основного и дополнительного отражателей реактора в разные стороны. И тогда, считал народный гений, импульс нейтронов станет короче. Для подвижного отражателя, который тогда использовался, идея тракториста не работала, и в ответном письме ему популярно объяснили, почему - с выражением благодарности за интерес к науке и пожеланием совершенствовать знания. Но примечательно то, что в принципе тракторист был прав! Об этом несколько позднее.

Хотя эти два слова: "подвижный отражатель", - читатели газеты могли видеть неоднократно в связи с реактором ИБР-2, думаю, стоит хоть раз объяснить, что же он "отражает" и почему "подвижный"?

Отражатель - потому что отражает нейтроны, выходящие из активной зоны реактора обратно туда же, вроде как зеркало отражает лучи света, точнее, как белый лист бумаги, а еще точнее - как полупрозрачное стекло. А подвижный - потому что непрерывно вращается вокруг горизонтальной оси, проходя один раз за оборот мимо реактора в течение короткого времени (менее 0,002 секунды), тем самым создавая условия для развития импульса генерации нейтронов в активной зоне. Во время импульса реактор находится в состоянии надкритичности, и мощность его очень быстро нарастает - в два раза за каждые 0,00004 секунды. При этом, во избежание недопустимо сильного импульса ротор ПО должен сохранять положение в пространстве с точностью 0,02 мм. Весьма образно пояснял принцип работы подвижного отражателя ИБР-2 научный телеобозреватель Кенджи Сумита, жизнерадостный и остроумный человек, известный в Японии как "профессор Атом": "Этот ротор проходит с большой скоростью в опасной близости к реактору, выводит его в режим сверхкритичности подобно атомной бомбе, но взрыва не происходит: скорость отражателя очень велика, и он проскальзывает, не касаясь активной зоны. Это похоже на то, как если бы мужчина прошелся своей ладонью в опасной близости от соблазнительных ягодиц красивой женщины, не потревожив ее". Не правда ли, красиво, несмотря на рискованность аналогии?

У подвижного отражателя последней модификации - решетчатого ПО-3 - старший инженер Александр Федосеевич Зацепин и механик Валерий Александрович Комиссарчиков.

Пульсирующий реактор ИБР-2 (или импульсный реактор периодического действия) только один в мире, во всех других реакторах такого устройства, как подвижный отражатель, нет. В статьях и монографиях по физике и технике реакторов нет ни строчки о методах расчета характеристик подобного устройства. Проектирование ПО, расчет его характеристик, выбор формы и материала - все это было сделано впервые, в основном силами немногочисленной группы физиков отдела ИБР-2: А.Д.Роговым, Клаусом Новаком (ГДР), В.Л.Ломидзе, В.В.Мелиховым. Разработка чертежей, изготовление, наладка, эксплуатация были, конечно, заботой коллектива НИКИЭТ (институт в Москве, проектирующий исследовательские реакторы) и, прежде всего, Н.А.Хрястова и В.Сизарева, а также специальной группы ПО отдела ИБР-2 (руководители В.К.Титков и А.Ф.Зацепин).

Наиболее подходящим для расчета нейтронных характеристик ПО казался мне метод статистических испытаний, "метод Монте-Карло", ММК. Первые общие уроки по ММК я брал у сотрудника ЛВТА Геннадия Алексеевича Ососкова. Но как применить ММК конкретно к задаче ПО - было неясно. Я ездил и в Обнинск, к одному из лучших расчетчиков реакторов в СССР В.Г.Золотухину, и в Академгородок под Новосибирском к известному теоретику и практику расчетов по методам Монте-Карло Геннадию Алексеевичу Михайлову, тезке Ососкова (кстати, они были друзья). Тот носил значок лауреата Госпремии, которую получил, работая в Сарове. Этот значок произвел на меня сильное впечатление; тогда я даже не мог и подумать о том, что сам позднее удостоюсь такого же. Еще я запомнил его загадочную фразу: "А кто сказал, что минимальная критмасса - у шара? Это математически безупречно никем не доказано". Но выписать мне хороший рецепт для расчета характеристик подвижного отражателя не смогли ни он, ни Золотухин. И пришлось самому разрабатывать методику расчета без доказательств математической строгости, которая положена у математиков и теоретиков. (Инженеры никогда не создали бы такие устройства, как атомные бомбы и импульсные реакторы, опираясь на теоремы, - доказательством всегда были конечные экспериментальные результаты. Кто не верит - почитайте воспоминания Нобелевского лауреата Р.Фейнмана.) Писали программы для ЭВМ с Владимиром Ивановичем Кочкиным, а затем - с Анатолием Дмитриевичем Роговым, делали натурные испытания моделей ПО сначала на физическом стенде в Обнинске, затем после физического пуска ИБР-2 в 1977 году - уже у нас на стендах в здании 117 в 1978, 1981 и 1983 гг. Были исследованы десятки вариантов принципиально разных конструкций ПО. Уменьшенные копии роторов тех ПО, что были изготовлены и опробованы на реакторе, находятся в музее ИБР-2.

Многолетняя эпопея разработки и совершенствования подвижного отражателя богата интересными, иногда драматическими моментами. Подвижный отражатель на самом деле состоит из двух роторов: основного, который вращается быстрее и формирует импульс, и дополнительного, определяющего частоту импульсов реактора. В начале оба ротора представляли собой блоки прямоугольного поперечного сечения. Ведущий инженер Центрального аэрогидродинамического института, куда мы с Ананьевым приехали на консультацию по газодинамическим свойствам нашего ПО, пренебрежительно назвал их "поленьями". И эти полена пришлось долго обтачивать, но не для того, чтобы улучшить обтекаемость гелием, а для увеличения их воздействия на реактор.

В 1968 году свойства будущего ИБР-2 изучались на его физической модели на БФС - "большом физическом стенде" Физико-энергетического института (ФЭИ) в Обнинске. Стенд предназначался для исследований нейтронно-физических свойств энергетических реакторов на быстрых нейтронах, но из-за уважения к Дмитрию Ивановичу Блохинцеву, бывшему директору ФЭИ, нам выделили время на этом стенде. Туда я наезжал несколько раз, Б.И.Куприн жил там три месяца постоянно. Один раз меня поселили на "Морозовской даче" - так в народе называли небольшое двухэтажное здание недалеко от берега реки Протва, чудесный особняк сказочной архитектуры, гармонично сливающийся с окружающим лесом. Рассказывали романтическую историю о том, что якобы Савва Морозов построил это здание для своей тайной любовницы. На самом деле дачу называли "Морозовской" по фамилии последней владелицы, богатой меценатки Маргариты Кирилловны Морозовой, однофамилицы известного фабриканта. Сама же она именовала купленное в 1909 году поместье Михайловским, по имени рано умершего любимого мужа и сына. Во время Отечественной войны здесь размещался командный пункт командующего Западным фронтом маршала Жукова.

Попав на эту дачу, а скорее виллу, я сразу почувствовал какое-то возвышенное умиротворение. Гармония с природой целиком охватила меня. Глядя из широкого окна мансарды на окружающий пейзаж, захотелось жить и творить в этом доме, никуда не уезжая и никуда не торопясь... Не получилось. С утра - на работу в ФЭИ, на пульт. Там произошел один конфуз, который стоил бессонной ночи мне и главному физику стенда Валерию Зиновьеву (он, кстати, принимал активное участие в двух критических сборках ИБР в Дубне в 1959-1960 гг).

Итак, идет переборка стенда - поиски оптимальной конфигурации активной зоны ИБР-2. По моему заданию, утвержденному Зиновьевым, механик меняет блоки имитатора подвижного отражателя. Механик находится внизу, непосредственно в баке стенда. Блоки регулирования опущены, радиации нет, безопасность, как будто, обеспечена. И вдруг аварийная сирена... Падают стержни аварийной защиты. Механик замер в испуге, мы с Зиновьевым и того пуще. Дозиметрист проверяет индивидуальный дозиметр механика - тот зашкалил! Операция, которую проводил механик, не должна была вызвать разгон реактора, да и приборы контроля потока нейтронов не показали превышения. Однако защита сработала, механик облучился. Так, был разгон реактора или не был? Обсудили с Зиновьевым ситуацию и рискнули не докладывать начальству до следующего дня - авария казалась невероятной. Всю ночь оба независимо считали, какую дозу мог получить механик. И получалось - мизерную, как ни крути. Утро вечера мудренее - дозиметристы выяснили, что дозиметр механика неисправен, он еще до ложного срабатывания защиты был в зашкаленном состоянии. Но еще по одной "белой точке" на МРТ головного мозга мы с Валерием получили (такие точки возникают после каждого перенесенного стресса).

Ворота Николаева. Главный инженер ЛНФ в 1956-1989 гг. Сергей Константинович Николаев был крайне осторожным человеком. Опасаясь разрушения подвижного отражателя ИБР-2 на стенде и поражения людей разлетающимися осколками, он приказал поставить защитные ворота из стальных балок - видимо, вспомнил, как сам в молодости был вратарем. Из тех, кто сидит на воротах, до сих пор работают в ЛНФ Николай Александрович Шилин (второй слева), Александр Ксенофонтович Попов (четвертый слева), пятый - Владимир Дмитриевич Ананьев и рядом с ним - Е.П.Шабалин.

На этой сборке в Обнинске мной была допущена непростительная ошибка: я решил не измерять эффекты реактивности дополнительного отражателя. Его влияние, мол, на форму импульса ничтожно. И лишь потом, на физпуске, обнаружили фатальное отрицательное влияние дополнительного отражателя на длительность импульса. Повторился случай 1959 года с ИБРом - импульс мощности оказался в 2,5-3 раза длиннее, чем ожидали. И тут вспомнили об уже забытой моей идее 1970-1971 годов: использовать эффект взаимодействия двух отражателей в виде решеток. А ведь был даже получен патент на такой тип модулятора реактивности (авторы В.И.Константинов, А.Д.Рогов и Е.П.Шабалин). Для такой конфигурации реактивность должна меняться в несколько раз быстрее, а импульс нейтронов сокращаться. Причем противоположное вращение усиливает эффект решетки! Читайте, физики, письма трактористов!

Почему идея решеток не пошла сразу? Во-первых, мы просто еще не умели рассчитывать вторые производные реактивности по смещению роторов, что удалось сделать только к 1980 году. И не верили в сильное вредное влияние ДПО. А руководство не верило в сильный эффект решеток. В результате пришлось пройти длинный экспериментальный путь, прежде чем решетчатый отражатель получил признание у всех коллег и начальства, и тракторист был "реабилитирован".

Обычно я поясняю эффект решетки буквально на пальцах: предлагаю собеседнику соединить две ладони с растопыренными пальцами и, двигая их относительно друг друга, смотреть на окно. Он видит быстрое мелькание света - вот так "мелькает" и поток нейтронов, отраженный от двойной решетки. Соедините пальцы, и мелькания будут в пять раз реже - это уже отражатель "полено". Между прочим, Илья Михайлович Франк несколько раз беседовал со мной на эту тему, но принцип решетчатого ПО упорно не понимал. Наверное, такая вульгарная популяризация была для нобелевского лауреата неприемлема. Однако он восхищался аналогией Бора, который во время лекции в Институте физических проблем пояснял неупругое рассеяние нейтрона ядром с помощью тарелочки и набора стальных шариков. Безусловно, далеко мне до Бора!

Целью совершенствования ПО всегда было стремление к короткому импульсу, но в итоге вновь и вновь оказывались заколдованные 200 микросекунд! Как в старом анекдоте: "Опять сапожник!". Объяснялось все просто: сделав более эффективный ПО, одновременно снижали скорость вращения. И так дважды: в 1980 году - в два раза, в 2004 - в два с половиной. В итоге - пятикратное снижение скорости, приведшее к тому, что последний ныне действующий гребенчатый, или решетчатый, подвижный отражатель, который при сохранении начальной скорости вращения 3000 об/мин обеспечил бы импульс длительностью менее 100 мкс, дает 220 мкс при скорости 600 об/мин. Выгода? Ресурс работы увеличен соответственно в пять раз - до 25 лет. Фактически все годы боролись не за короткий импульс, а за ресурс ПО. Так часто бывает - добиваешься одного, а в результате получаешь что-то иное, иногда даже более интересное...

(Продолжение следует.)