Чернобыль. История катастрофы

Добавление или удаление нейтронов из ядра стабильного атома превращает его в нестабильный изотоп[112]. Такой изотоп будет стремиться к восстановлению равновесия, отбрасывая части своего ядра в поисках стабильности – производя либо другой изотоп, либо иногда совсем другой элемент. Например, плутоний-239 отбрасывает два протона и два нейтрона из своего ядра, становясь ураном-235. Этот динамический процесс ядерного распада и есть радиоактивность, а высвобождаемая при этом энергия, которую ядра излучают в форме волн или частиц, – радиация.

Радиация окружает нас всегда и повсюду[113]. Она исходит от Солнца, и ее несут космические лучи, погружая города на большей высоте в фоновую радиацию более высоких уровней, чем в городах на уровне моря. Подземные залежи тория и урана испускают радиацию, как и каменные строения: камень, кирпич и штукатурка содержат радиоизотопы. Гранит, из которого построено здание Капитолия в США, настолько радиоактивен, что нарушает многие нормативы, установленные для атомных электростанций. Все живые ткани в той или иной степени радиоактивны: люди, как и бананы, излучают радиацию, поскольку и те и другие содержат небольшие количества радиоизотопа калия-40. В мышцах его больше, чем в других тканях, поэтому мужчины в целом радиоактивнее женщин. Бразильские орехи, содержащие радий в концентрации в тысячу раз выше, чем любой другой органический продукт, являются самой радиоактивной пищей в мире.

Радиация невидима и не имеет вкуса или запаха. Нам еще предстоит доказать, что до некоего уровня воздействие радиации полностью безопасно, однако она становится стопроцентно опасной, когда излучаемые частицы и волны обладают достаточной энергией, чтобы ионизировать (нарушить оболочку из электронов и превратить в заряженные ионы) атомы, составляющие ткани живых организмов. Такая радиация называется ионизирующим излучением.

Известны три основные формы ионизирующего излучения: альфа-частицы, бета-частицы и гамма-лучи. Альфа-частицы относительно крупные, они движутся медленно и не могут проникнуть через кожу; даже лист бумаги блокирует их движение. Но если им удается проникнуть в тело другими способами – если их проглотить или вдохнуть, – альфа-частицы могут вызвать тяжелое повреждение хромосом и смерть. Радон-222, скапливающийся в виде газа в непроветриваемых подвалах, заносит альфа-частицы в легкие, где они вызывают рак[114]. Мощным источником альфа-излучения является один из канцерогенов, содержащихся в табачном дыме, – полоний-210[115]. Этот яд, подсыпанный в чашку чая, убил в 2006 году в Лондоне бывшего офицера ФСБ Александра Литвиненко[116].

Бета-частицы меньше и движутся быстрее альфа-частиц, они могут проникать глубже в живые ткани, вызывая видимые ожоги кожи и длительные генетические повреждения. Лист бумаги не защищает от бета-частиц, а вот алюминиевая фольга – или достаточное расстояние – защитят. На расстоянии свыше 3 м бета-частицы не наносят ущерба, но они опасны, если попадут внутрь организма. Организм ошибочно принимает их за базовые элементы, и бета-излучающие радиоизотопы могут достигать смертельной концентрации в отдельных органах: стронций-90, относящийся к той же химической группе, что и кальций, накапливается в костях, рутений всасывается кишечником, йод-131 откладывается в щитовидной железе у детей и может вызвать рак.

Гамма-лучи – высокочастотные электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света – имеют наибольшую энергию из всех форм ионизирующего излучения[117]. Они преодолевают большие расстояния, выводят из строя электронные приборы, задержать их могут только толстые слои вещества – бетона или свинца. Гамма-лучи беспрепятственно проходят через человеческое тело, пробивая клетки как микроскопические пули.

Если организм подвергается значительному ионизирующему излучению, это вызывает острую лучевую болезнь (ОЛБ), при которой ткани человеческого тела повреждаются и разрушаются на мельчайших уровнях[118]. Симптомы лучевой болезни включают тошноту, рвоту, кровотечения и выпадение волос, после чего происходит разрушение иммунной системы и костного мозга, распад внутренних органов и, наконец, смерть.

У пионеров атомных исследований, которые изучали «лучистую материю» в конце XIX века, воздействие радиации вызывало живое любопытство[119]. Вильгельм Рентген, открывший Х-лучи в 1895 году, был чрезвычайно заинтригован, увидев проекцию костей своей руки на стене лаборатории. Вскоре он сделал первую в мире фотографию в Х-лучах, сняв руку своей жены – вместе с обручальным кольцом, – и результат привел ее в ужас. «Я увидела свою смерть!» – сказала она[120]. Позже Рентген начал предпринимать меры, чтобы защитить себя от воздействия своего открытия, другие исследователи не были столь осторожны. В 1896 году Эдисон изобрел флуороскоп, прибор, который проецировал Х-лучи на экран, позволяя заглянуть внутрь предметов[121]. Во время этих опытов ассистент Эдисона многократно подставлял руки под Х-лучи. Когда на одной руке появились ожоги, ассистент стал подставлять другую. Однако ожоги не заживали. Со временем хирурги ампутировали ему левую руку и четыре пальца на правой. Когда рак распространился на всю правую руку, доктора отрезали и ее. Болезнь переместилась на грудь, и в октябре 1904 года он умер, став первой жертвой искусственной радиоактивности.

Даже когда стал очевиден вред от поверхностного воздействия радиации, опасность облучения внутренних тканей осознавали плохо[122]. В начале ХХ столетия аптекари продавали средства, содержащие радий в качестве тонизирующего, и люди их пили, веря, что радиоактивность передает энергию. В 1903 году Мария и Пьер Кюри получили Нобелевскую премию за открытие полония и радия – источника альфа-частиц, примерно в миллион раз более радиоактивного, чем уран. Эти вещества они извлекали из тонн вязкой, смолистой руды в своей парижской лаборатории[123]. Пьер Кюри погиб под колесами экипажа, когда переходил улицу, а его вдова продолжила исследовать свойства радиоактивных веществ – до самой своей смерти в 1934 году, вероятно в результате радиоактивного поражения костного мозга. Более чем 80 лет спустя записи, которые велись в лаборатории Кюри, оставались настолько радиоактивными, что их хранили в выложенной свинцом коробке.

Если смешивать радий с другими элементами, они светятся в темноте. Когда это стало известно, часовщики начали нанимать молодых женщин для нанесения флуоресцентных меток на циферблаты[124]. На часовых фабриках в Нью-Джерси, Коннектикуте и Иллинойсе этих «радиевых девушек» учили облизывать кончик кисточки, прежде чем опустить ее в горшочек с радиевой краской. Когда челюсти и скелетные кости девушек стали гнить и распадаться, работодатели заявили, что они больны сифилисом. Однако начатый судебный процесс показал, что менеджеры знали о рисках работы с радием и скрывали это от работниц[125]. Так публика впервые узнала об опасностях попадания радиоактивных материалов в организм.

Биологическое воздействие радиации на человеческое тело поначалу измеряли в бэрах (биологических эквивалентах рентгена), учитывая сложную комбинацию факторов: тип радиации, длительность облучения, сколько радиации проникло в тело и насколько облученные ткани уязвимы для радиации. Части тела, где клетки делятся быстро – костный мозг, кожа, желудочно-кишечный тракт, – больше подвержены рискам, чем сердце, печень и мозг. Некоторые радионуклиды, такие как радий и стронций, более интенсивно излучают радиацию и поэтому опаснее, чем, например, цезий или калий[126].

Выжившие в атомной бомбардировке жители Хиросимы и Нагасаки предоставили медикам первую возможность изучения острой лучевой болезни (ОЛБ) на большой выборке людей[127]. Все выжившие стали субъектами проекта, растянувшегося более чем на 70 лет и создавшего универсальную базу данных по долгосрочному воздействию ионизирующей радиации на человека. Из тех, кто пережил взрыв в Нагасаки, 35 000 человек умерли в ближайшие сутки; заболевшие ОЛБ потеряли волосы за одну-две недели, затем у них начался кровавый понос и они умерли от инфекции и лихорадки[128]. Еще 37 000 человек умерли в течение трех месяцев. Сравнимое число попавших под атомную бомбардировку прожило дольше, но спустя еще три года у них развилась лейкемия. К концу 1940-х годов эта болезнь станет первым видом рака, связанным с радиацией.

Воздействие ионизирующего излучения на неодушевленные предметы и на живых существ изучалось в конце 1950-х годов в ВВС США[129]. В рамках правительственной программы создания самолетов на атомной тяге компания Lockheed Aircraft построила 10-мегаваттный ядерный реактор с водяным охлаждением в подземной шахте в лесах Северной Джорджии. Нажатием кнопки реактор можно было поднять из защитного кожуха на уровень земли, подвергнув все в радиусе 300 м воздействию смертельной дозы радиации. В июне 1959 года этот реактор радиационного воздействия был выведен на полную мощность и впервые испытан, убив почти все живое в окрестностях объекта: насекомые падали в воздухе, мелкие животные и живущие на них и в них бактерии погибли (этот феномен назвали «моментальной таксидермией»). Воздействие на растения было различным: дубы пожухли, а трава-росичка странным образом не пострадала; больше всего досталось соснам. Изменения предметов, попавших в зону действия реактора, тоже казались загадочными: прозрачные бутылки с кока-колой стали коричневыми, приборы на транзисторах перестали работать, гидравлическая жидкость коагулировала до консистенции жевательной резинки, а резиновые шины стали твердыми как камень.

При этом, каким бы интенсивным ни было облучение человека ионизирующей радиацией, оно редко сопровождалось заметными ощущениями. Человек может купаться в гамма-лучах, способных убить его 100 раз, и ничего не ощущать при этом.

21 августа 1945 года, за две недели до того, как атомная бомба была сброшена США на Хиросиму, Гарри Даглян-младший, 24-летний физик, участвовавший в ядерном Манхэттенском проекте, проводил эксперимент на базе в Лос-Аламосе в штате Нью-Мексико[130]. Внезапно рука его дрогнула, и конструкция, которую он составил, – шар из плутония, окруженный брусками карбида вольфрама, – перешла в критическую фазу. Даглян увидел моментальную синюю вспышку и был поражен волной гамма-лучей и нейтронной радиации свыше 500 бэр. Он быстро разобрал установку и сразу обратился к врачам[131]. Те не отметили никаких видимых симптомов, но радиация убила ученого с той же неотвратимостью, как если бы он шагнул под поезд. Двадцать пять дней спустя Даглян впал в кому и уже из нее не вышел – первый человек в истории, случайно погибший от близкого воздействия реакции ядерного распада. Газета The New York Times назвала причиной смерти ожоги, полученные в результате «аварии на производстве»[132].

С самого начала ядерная энергетика стремилась выйти из тени своего военного прошлого. Первый ядерный реактор, собранный под трибунами заброшенного футбольного стадиона Университета Чикаго в 1942 году, стал наковальней Манхэттенского проекта, важнейшим первым этапом для наработки плутония-239. Этот делящийся материал требовался, чтобы выковать первое в мире атомное оружие. Последующие реакторы, построенные на полосе земли вдоль реки Колумбия в Хэнфорде, штат Вашингтон, были сооружены только для того, чтобы вырабатывать плутоний для атомных бомб растущего арсенала Соединенных Штатов. Военно-морские силы США выбрали конструкцию реактора, в дальнейшем использованную почти для всех гражданских энергетических станций в стране. Первая в США атомная станция для гражданских нужд была спроектирована по чертежам реактора для атомного авианосца.

СССР пошел по тому же пути. Первая советская атомная бомба – РДС-1, или «Изделие 501», как называли ее создатели, – была взорвана 29 августа 1949 года в казахстанских степях, на полигоне, расположенном в 140 км к северо-западу от Семипалатинска[133]. Советский атомный проект, получивший кодовое название «Программа номер один», возглавил 46-летний физик с бородой спиритиста Викторианской эпохи Игорь Курчатов, в котором кураторы из НКВД отмечали скрытность и политическую неоднозначность[134]. Первая советская бомба была точной копией бомбы «Толстяк» (Fat Man), за четыре года до того уничтожившей Нагасаки, и имела плутониевое ядро, произведенное на реакторе «А», или «Аннушка», построенном по образцу реакторов в Хэнфорде[135].

Добиться успеха Курчатову помогли наличие нескольких глубоко внедрившихся в американский атомный проект советских шпионов и информация, содержавшаяся в изданной правительством США в 1945 году и успешно расходившейся книге «Атомная энергия для военных целей» (Atomic Energy for Military Purposes), которую тут же перевели в Москве[136]. Ядерные исследования были возложены на вновь сформированное Первое главное управление при СНК СССР и «атомное политбюро»[137] под надзором подручного Сталина Лаврентия Берии, возглавлявшего Народный комиссариат внутренних дел, предшественник КГБ[138]. С самого начала советский ядерный проект развивался в условиях жестокой спешки и параноидальной секретности. К 1950 году в распоряжении Первого главного управления находились 700 000 человек, более половины из них заключенные, включая 50 000 военнопленных, работавших в том числе на урановых рудниках[139]. Когда сроки заключения этих мужчин и женщин подошли к концу, их посадили в товарные вагоны и отправили в ссылку на Крайнем Севере, чтобы они не смогли никому рассказать, чему стали свидетелями. Многих никогда больше не видели. Когда команда Курчатова добилась успеха, Берия вознаградил их – в той же пропорции, которую предназначал им в случае неудачи[140]. Те, кого он приказал бы расстрелять немедленно, – Курчатов и Николай Доллежаль, автор проекта реактора «Аннушка», – вместо этого были удостоены звания Героя Социалистического Труда, дач, персональных автомобилей и денежных премий. Те же, кого ждали максимальные тюремные сроки, вместо этого получили вторую по значимости награду – ордена Ленина.

К тому времени как «Изделие» было испытано, Курчатов решил создать реактор для выработки электричества. В 1950 году во вновь построенном закрытом городе Обнинске в двух часах езды на юго-запад от Москвы та же группа, которая построила «Аннушку», принялась за работу над новым реактором, предназначенным для превращения воды в пар и вращения турбины. Ресурсов не хватало, и некоторые участники ядерной программы считали, что от энергетического реактора не будет практической пользы. Берия дал разрешение на этот проект исключительно благодаря заслугам Курчатова как отца бомбы[141]. И только в конце 1952 года власть признала перспективность ядерной энергетики, сформировав для создания реакторов Научно-исследовательский и конструкторский институт энергетических технологий (НИКИЭТ)[142].

На следующий год СССР испытал первое термоядерное устройство – в тысячу раз более разрушительную, чем атомная, водородную бомбу. Теперь в мире появились две ядерные сверхдержавы – США и СССР, теоретически способные уничтожить человечество[143]. Даже Курчатов был потрясен мощью нового оружия, которое превращало поверхностный слой земли в стекло в радиусе 5 км от эпицентра взрыва[144]. Не прошло и четырех месяцев, как президент США Дуайт Эйзенхауэр выступил с речью «Атомы для мира» перед Генеральной Ассамблеей ООН. Отчасти это была попытка успокоить американское общество, перед которым открылась перспектива апокалипсиса[145]. Эйзенхауэр призвал страны к глобальному сотрудничеству, чтобы сдержать начинающуюся гонку вооружений и направить силу атома на благо человечества. Он предложил созвать международную конференцию для рассмотрения этих вопросов. Никто особенно не удивился, когда СССР публично отверг эту идею, объявив ее пустой пропагандой[146].

Однако в августе 1955 года Международная конференция ООН по мирному использованию атомной энергии все же собралась в Женеве, и советская делегация туда прибыла. Это был первый случай за 20 лет, когда советским ученым было разрешено общаться с иностранными коллегами, и они нанесли свой пропагандистский удар[147]. Было объявлено, что 27 июня прошедшего года в СССР к московской энергосети успешно подключили обнинский реактор АМ-1.

Первый в мире ядерный реактор, вырабатывавший электричество в гражданских целях, в СССР окрестили «Атомом Мирным-1» (АМ-1). До пуска первой американской АЭС в Шиппингпорте, штат Пенсильвания, оставалось два года. Расположенный в причудливом здании с высокой трубой, напоминавшем шоколадную фабрику, АМ-1 давал всего 5 мегаватт энергии. Этого хватило бы от силы для того, чтобы привести в движение локомотив, однако обнинский реактор символизировал способность социалистической системы поставить ядерную энергию на благо человечества[148]. Рождение советской ядерной энергетики положило начало новому противостоянию – технологической холодной войне между сверхдержавами.

Вскоре после смерти Сталина в 1953 году Берия был арестован, заключен в тюрьму и расстрелян[149]. Первое главное управление переформировали и переименовали[150]. Теперь вопросами атомной энергии – от добычи урана до испытаний бомб – занималось Министерство среднего машиностроения, сокращенно Минсредмаш или просто Средмаш. Новый премьер Никита Хрущев положил конец эпохе сталинских репрессий, либеральнее относился к искусствам, поддерживал развитие высоких технологий и обещал к 1980 году построить в СССР коммунизм – утопию вроде Шангри-Ла[151], гарантирующую трудящимся равенство и изобилие[152]. Чтобы модернизировать экономику и крепче удерживать власть, Хрущев выступал за освоение космоса и развитие ядерных технологий.

В успехе АМ-1 советские физики и их партийные боссы увидели панацею, которая, наконец, поможет СССР освободиться от ограничений прошлого и продвинуться в светлое будущее[153]. Людям, все еще восстанавливавшим разрушенную войной страну, обнинский реактор наглядно демонстрировал, что СССР может быть мировым технологическим лидером в интересах обычных граждан, принося свет и тепло в их дома. Физики, работавшие на АМ-1, получили Ленинскую премию, энергию атома воспевали в журнальных статьях, фильмах и радиопередачах, в школах детям рассказывали об основах ядерной энергетики и о мирных целях советской ядерной программы в отличие от милитаристских устремлений США[154]. По словам историка Пола Джозефсона, ученые-ядерщики стали «почти мифологическими фигурами в пантеоне советских героев» – наряду с космонавтами и павшими героями Великой Отечественной войны[155].

Однако маленький реактор в Обнинске был не тем, чем казался на первый взгляд[156]. Его конструктивные особенности были заточены не на выработку электричества, а для быстрого и дешевого производства оружейного плутония. Реактор начинала строить та же команда Минсредмаша, которая создала «Аннушку», но коррозия материалов, утечки радиации и ненадежность инструментов помешали им завершить задачу. В основу АМ легли технологии, разработанные для атомных подводных лодок, и только когда идея была сочтена непрактичной, кодовое название АМ – «Атом Морской» – заменили на более невинное[157].

Родовой особенностью этого реактора была нестабильность работы[158].

В ядерном оружии огромное число ядер атомов урана распадается в доли секунды, высвобождая всю свою энергию в разрушительной вспышке огня и света. В реакторе процесс деления должен быть управляемым и осторожно поддерживаемым в течение недель, месяцев и даже лет. Для этого требуются три компонента: замедлитель, стержни управления и охладитель.

Простейшая форма ядерного реактора не требует никакого оборудования вообще. Если имеется нужное количество урана-235 в присутствии замедлителя нейтронов – воды или графита, начинается самоподдерживающаяся цепная реакция с выделением ядерной энергии в виде тепла. Некогда комбинация обстоятельств, необходимых для такого события, – критичность – спонтанно возникла на территории современного государства Габон, в древних подземных залежах урана, где замедлителем служили грунтовые воды[159]. Там самоподдерживающаяся цепная реакция началась 2 млрд лет назад, производя небольшие количества тепловой энергии – в среднем около 100 киловатт (достаточно, чтобы зажечь 1000 стоваттных лампочек), и безостановочно продолжалась миллион лет, пока вода не выкипела от тепла распада.

Но для генерации энергии в ядерном реакторе поведение нейтронов необходимо контролировать, чтобы обеспечить постоянство реакции и использовать тепловую энергию деления для получения электричества. В идеале каждая отдельная реакция деления должна запускать лишь одно следующее деление в соседнем атоме, так что каждое последующее поколение нейтронов должно содержать то же самое их число, что и поколение до него, и реактор должен оставаться в том же критическом состоянии.

Если каждое деление не создает столько же нейтронов, как предыдущее, реактор переходит в субкритическое состояние, цепная реакция ослабевает и со временем останавливается, реактор «глохнет». Если же каждое поколение нейтронов приносит более одного деления, цепная реакция может начать расти слишком быстро – к потенциально неуправляемой сверхкритичности и внезапному значительному выбросу энергии, как это происходит в ядерном оружии. Поддержание стабильного состояния между этими двумя крайностями – тонкая задача. Первым инженерам-ядерщикам пришлось создать инструменты для овладения силами, опасно близкими к пределам человеческих возможностей управления.

Масштаб субатомной активности внутри ядерного реактора, микроскопической и невидимой, трудно воспринять: генерация электрической мощности в 1 ватт требует деления 30 млрд ядер атомов в секунду[160]. Около 99 % нейтронов, выбрасываемых при одном событии деления, являются частицами высокой энергии – «быстрыми» нейтронами, вылетающими со скоростью 20 000 км/с. Быстрые нейтроны ударяют своих соседей и вызывают последующее деление, продолжая цепную реакцию в среднем в течение всего 10 наносекунд. Этот отрезок времени остроумцы американского Манхэттенского проекта измеряли в «шейках»[161] от английского выражения «two shakes of a lamb’s tail», «два дрожания хвоста ягненка». Он слишком краток, чтобы в течение него можно было управлять какими-либо механическими средствами[162]. К счастью, среди оставшегося 1 % нейтронов, высвобождаемых каждым распадом, есть меньшинство, испускаемое в более доступных человеку временны́х рамках, которые измеряются секундами или даже минутами[163]. Существование этих запаздывающих нейтронов, появляющихся достаточно медленно, чтобы ими мог управлять человек, и делает возможной работу ядерного реактора.

Плавно управлять нарастанием цепной реакции позволяют электромеханические стержни, содержащие такие поглощающие нейтроны элементы, как борид кадмия или карбид бора. Они действуют как «атомные губки», впитывая и удерживая запаздывающие нейтроны, предотвращая запуск дальнейшего деления[164]. Когда стержни вставлены в реактор полностью, активная зона реактора остается в субкритическом состоянии. По мере их вытаскивания деление медленно нарастает, пока реактор не становится критическим – затем он может быть оставлен в этом состоянии и регулироваться по необходимости. Вытаскивание стержней выше или в большем числе увеличивает реактивность и количество вырабатываемого тепла и энергии, введение дает противоположный эффект. Но работа с реактором с использованием только этой части в менее чем 1 % всех нейтронов деления делает процесс управления очень чувствительным: если стержни выдвигаются слишком быстро, слишком далеко – или не срабатывает одна из нескольких защитных систем, – реактор может захлебнуться от делений и его состояние станет «надкритическим». Результатом будет авария, катастрофический сценарий, при котором случайно запускается процесс, схожий с тем, что происходит в атомной бомбе, и неконтролируемый выброс энергии нарастает, пока активная зона реактора не расплавится – или не взорвется.

Для выработки электричества урановое топливо внутри реактора должно разогреться достаточно для того, чтобы превращать воду в пар, но не настолько, чтобы само топливо начало плавиться[165]. Для этого, помимо стержней управления и нейтронного замедлителя, нужен охладитель для отвода избыточного тепла из реактора. Первые реакторы, построенные в Великобритании, использовали графит в качестве замедлителя и воздух как охладитель; позднее коммерческие американские модели использовали кипящую воду и как замедлитель, и как охладитель. У обоих конструкций имелись выраженные риски и преимущества. Вода не горит, но превращение ее в пар под давлением может вызвать взрыв. Графит не взрывается, но загорается при высоких температурах. Первые советские реакторы, скопированные с образцов Манхэттенского проекта, использовали и графит, и воду[166]. Это была рискованная комбинация: замедлитель, который при высоких температурах яростно горит (графит), и взрывоопасный охладитель (вода)[167].

Три соревнующиеся между собой команды физиков дали начальные предложения для того, что стало затем реактором АМ-1[168]. Первая предложила разрабатывать водно-графитовый вариант, вторая – использовать графит как замедлитель и гелий как охладитель, третья – попробовать в качестве замедлителя берилл. У советских инженеров, занимавшихся установками по производству плутония, было больше опыта в работе с водно-графитовыми реакторами[169]. Кроме того, последние были дешевле и проще в строительстве. Поэтому у менее разработанных (и потенциально более безопасных) решений просто не было шансов[170].