ale zwłaszcza kiedy?


Tekst, gwoli przypomnienia i przestrogi, dotyczy przyczyn awarii w EJ w Czarnobylu w sowieckiej wówczas republice Ukrainy.

Do opisu przyczyn i przebiegu awarii w EJ w Czarnobylu wykorzystałem, m. in.,  publikację dr Tomasza Giebułtowicza (za Jego zgodą), długoletniego profesora University State of Oregon w Corvallis, USA (Uniwersytet Stanowy w Oregonie), specjalizującego się w doświadczeniach z kondensatami ciał stałych i ich właściwościach magnetycznych.

******

W połowie lat 60-tych rozpoczęto w okolicy Czarnobyla na Ukrainie budowę jednej z pierwszych, sowieckich elektrowni nuklearnych (trzeciej w kolejności).

W nocy 26 kwietnia 1986 roku o godzinie 01:23 zaczął topić się reaktor na czwartym bloku elektrowni jądrowej w Czarnobylu.

Jak niektórzy domyślają się być może, reaktor bloku czwartego elektrowni czarnobylskiej tylko w części wykorzystywano dla celów cywilnych, a jego głównym przeznaczeniem była produkcja plutonu do głowic bojowych. Ale pluton, przydatny jako ładunek dla jądrowych głowic bojowych, może być produkowany jedynie w bardzo ścisłym reżimie czasowym. Jeśli jednak jest poddawany na ekspozycję neutronów (tzw. bombardowanie neutronami), ponad określony limit czasowy, wówczas utraci potrzebne właściwości militarne. Neutrony są wytwarzane w procesach rozpadu pierwiastków radioaktywnych, zachodzących w rdzeniu reaktora, które to procesy stanowią źródło energii  - „paliwo”.  Inaczej mówiąc, wskutek procesu rozpadu izotopów radioaktywnych generują ciepło wykorzystywane dla otrzymywania energii konwencjonalnej [1]. Z kolei ciepło to podgrzewa wodę, która napędza turbiny i krąży w obiegu wymuszonym, zaś turbiny wytwarzają energię elektryczną. W taki sposób otrzymuje się izotop plutonu o liczbie masowej 239 [2], który odkłada się na prętach kontrolnych.  Poprzez wsuwanie i wysuwanie takich prętów kontroluje się przebieg pracy bloku energetycznego reaktora.
Jest to możliwe dlatego, że pręty są wykonane z pierwiastków pochłaniających neutrony [3], których emisja jest samorzutna w przypadku pierwiastków stanowiących paliwo dla reaktora.  Np. pręt, na którym osadza się uran o liczbie masowej 238, musi zostać wyjęty z rdzenia reaktora po trzech tygodniach, bo gdyby dłużej absorbował neutrony, tenże uran zamieniłby się w izotop plutonu o liczbie 240, nieprzydatny do wyrobu ładunków bojowych.
Przypisy:
[1] droga do otrzymania plutonu rozpoczyna się od pochłaniania przez uran - 238 U powolnych neutronów wytwarzanych w reaktorach jądrowych. Sama reakcja ma postać: 238 U + n → 239 U → 239 Np (neptun) → 239 Pu (pluton), przy czym rozpady 239 U i 239 Np  są rozpadami beta z okresami połowicznego zaniku dla tych izotopów ; odpowiednio 23,5 minuty oraz 2,35 dni. Natomiast izotop 239 Pu jest alfa-promieniotwórczy, a w jego przypadku okres  połowicznego zaniku wynosi 24 130 lat. Dla ścisłości należy dodać, że istnieją i są stosowane inne metody (reakcje) pozwalające na uzyskiwanie plutonu 239 (np. w EJ w Fukushima, ale to odrębny temat);
[2] Pluton (Pu) to metal należący do rodziny aktynowców (transuranowiec), który jest silnie promieniotwórczy i rozgrzewa się wskutek  własnej (rodzimej) radioaktywności. Znanych jest 15 izotopów plutonu o masach atomowych od 232 do 246. Ze względu na silną radioaktywność jest zabójczy dla człowieka w dawkach minimalnych (skutki napromieniowania kumulują się w tkance kostnej). Izotop plutonu 239 Pu jest obecnie podstawowym składnikiem broni jądrowej, a jeden kilogram tego izotopu stanowi ekwiwalent 20 kiloton TNT (20 000 ton trotylu);
[3] np. izotopy takich pierwiastków jak kadm, lit, bor, gadolin oraz inne. W EJ Czarnobyl pręty były wykonane z węglika boru i w części z grafitu.

Wydajność „bojowa” (weapon grade) plutonu może tolerować domieszkę izotopu Pu 240 jedynie w zakresie kilku procent. Natomiast gdy reaktor pracuje dla celów cywilnych, nie występuje limit ograniczenia czasowego odnośnie wyjmowania prętów w „grafiku” trzytygodniowym (nie pozyskuje się plutonu zdatnego do zastosowań militarnych). W takim przypadku zużyte  pręty przechowuje się  w hermetycznie zamkniętym baniaku z wodą. Dla ich wymiany (gdy już pojemność absorpcyjna baniaku jest wyczerpana) konieczne jest rozhermetyzowanie baniaku, co robi się średnio raz na trzy lata. Ten długi czas stosowany przy wymianie prętów wystarcza, żeby pluton 239 zdążył przemienić się w izotop o liczbie masowej 240 nieprzydatny dla celów militarnych.

Omówione ograniczenie czasowe, mające uwzględniać „priorytet” potrzeb wojskowych, stało się powodem określonej konstrukcji budynku dla bloku reaktora, pozwalającej zapewnić łatwą wymianę kilkunastometrowej długości prętów w cyklu trzytygodniowym, lecz bez konieczności zatrzymywania pracy reaktora. Powodem tego było, iż każdy pręt musiał być wysuwany w innym terminie, wedle indywidualnego grafiku. Dlatego pręty były umieszczone w rurach pod sufitem  i trzeba było taki pręt, który przepracował już swoje trzy tygodnie, jedynie wysunąć do góry, a na jego miejsce wsunąć nowy. Z tego względu dach nad reaktorem musiał być zawieszony na wysokości stanowiącej przynajmniej dwukrotną długość prętów, aby zapewnić dostatecznie dużo miejsca dla łatwego wyprowadzania oraz wprowadzania ich do rdzenia. Z tego powodu hala dla reaktora miała wysokość ok. 40 metrów, toteż wybudowanie bezpiecznej osłony przy takich wymiarach (ściany i strop o grubej żelbetowej konstrukcji) było w praktyce nierealne. Wobec czego zrezygnowano z tak masywnej obudowy, a nad reaktorem bloku czwartego sklecono prowizoryczne zadaszenie, które zdmuchnął pierwszy wybuch.
Reaktor w EJ w Czarnobylu nie był bezpieczny w eksploatacji, gdyż reaktory grafitowe z chłodzeniem wodnym są wrażliwe na zmiany ilości wody, bądź jakiekolwiek zakłócenia w jej obiegu, a wówczas skutkuje to ich szybkim przegrzaniem [4].
[4] rdzeń reaktora w Czarnobylu był złożony z podłużnych grafitowych bloków o wysokości ok. siedmiu metrów. 1661 takich bloków mieszczonych było, jeden obok drugiego, w betonowej studni, dodatkowo obudowano je warstwą grafitu. We wnętrzu każdego z bloków grafitu znajdowało się paliwo jądrowe  – uran, jak również kanał, którym przepływała woda chłodząca reaktor. Woda ogrzewała się od ciepła wytwarzanego w reaktorze, a następnie była kierowana do turbin napędzających generatory prądu elektrycznego. Następnie, po przepłynięciu przez system chłodzący, woda wracała do reaktora i w ten sposób krążyła w obiegu zamkniętym.

W wyniku wspomnianych zakłóceń reakcja łańcuchowa w rdzeniu zawsze wzmagała się, zamiast się wygaszać. Czyli takie reaktory były układami z tzw. dodatnim sprzężeniem zwrotnym, a ich niestabilność wynikała z samej logiki działania (sposobu konstrukcji), gdyż woda silniej absorbuje neutrony, niż grafit. Gdyby z jakichkolwiek przyczyn zaistniał niedobór wody w obiegu, wówczas nadwyżkowe neutrony, nie pochłonięte przez wystarczającą ilość wody byłyby zbyt wolno wychwytywane przez grafit (z którego zbudowane były także części rdzenia reaktora). Wówczas ilość neutronów rosła by lawinowo, a wraz z nią temperatura w rdzeniu.

Pora na kolejny ważny element, który okazał się główną przyczyną czarnobylskiej katastrofy. 
W trakcie pochłaniania neutronów przez paliwo w reaktorze, czyli procesu rozczepiania uranu o liczbie masowej 238 (w cyklu uran-neptun-pluton; zob. przypis nr 1) wytwarzany jest silny pochłaniacz neutronów, jakim są atomy izotopu ksenonu o liczbie masowej 135 (Xe 135). Przy normalnej pracy reaktora pochłanianie jest stabilne, gdyż izotop ten ma krótki okres połowicznego rozpadu (ok. 16 sekund). Ale problem w tym, że izotop ksenonu jest wytwarzany z pewnym opóźnieniem. W przypadku regularnej, standardowej pracy reaktora ksenon wyłapuje neutrony, czyli zachowywana jest względna równowaga pomiędzy wytwarzaniem neutronów, a ich pochłanianiem. Ale gdy moc reaktora zostaje obniżona (pracuje on na mocy ułamkowej), te „opóźnione” atomy ksenonu nie są zneutralizowane przez zmniejszoną emisję neutronów ze spowalnianej reakcji w rdzeniu. Nadwyżka ksenonu 135 kumuluje się, co prowadzi do zjawiska nazywanego zatruciem ksenonowym. Wówczas odtrucie reaktora możliwe jest poprzez jego wyłączenie i odczekanie, aż ksenon 135 rozpadnie się samoistnie i jego stężenie obniży się  do poziomu nie blokującego pracy reaktora.
W dniu 25 kwietnia 1986 r. centralny dyspozytor mocy na sowieckiej Ukrainie nie wydał zgody na całkowite wyłączenie reaktora w czwartym bloku, gdyż na tym bloku prowadzono pewien eksperyment. A zaraz po jego zakończeniu blok i tak miał pauzować.

Z wymienionych przyczyn wystąpiła sekwencja następujących zdarzeń. Po przejściu na moc ułamkową reaktor zatruł się ksenonem i nie mógł zwiększyć mocy. Wówczas obsługa reaktora, chcąc zwiększyć moc do poziomu umożliwiającego przejście do parametrów określonych dla celów eksperymentu, wysunęła z reaktora pręty kontrolne (spowalniające i kontrolujące reakcję łańcuchową) [5].
[5] w bloku czwartym EJ w Czarnobylu zastosowano 211 prętów, ale nie wszystkie eksploatowano jednocześnie, gdyż część stanowiła rezerwę.

Nagle, nieoczekiwanie dla obsługi, moc reaktora skoczyła w górę, gdyż nadwyżka ksenonu dusząca reaktor zdążyła się w międzyczasie „rozłożyć”, w wyniku czego nie absorbowała neutronów. Ze względu na to, że pręty zostały wysunięte z reaktora, było ich za mało, aby mogły zaabsorbować nagły przyrost ilości neutronów po „odtruciu”. Skutek był taki, że moc reaktora wzrastała szybko w sposób niekontrolowany. A wraz z nią gwałtownie podnosiła się  temperatura w rdzeniu bloku. Obsługa, ulegając  panice, chciała opuścić „wolne” pręty, ale większa część kanałów dla nich zdążyła się już odkształcić z powodu zbyt wysokiej temperatury, a zbyt mała ilość  prętów, które zdołano opuścić, nie mogła zahamować wzrostu temperatury. Rdzeń zaczął się topić, a ciśnienie przegrzanej pary, która wybuchowo wydostała się z obiegu, spowodowało zerwania dachu. Rosnąca temperatura rozłożyła wodę na wodór i tlen, doprowadzając do drugiego wybuchu, tym razem  wodoru. Zerwany dach otworzył dopływ powietrza (tlenu), co umożliwiło spalanie się grafitu.

Takie były przyczyny katastrofalnej emisji efektów spalania, skażających przez długi czas atmosferę, glebę i wodę  cząstkami radioaktywnymi w szerokim promieniu od elektrowni.

Kolejnym elementem, który uniemożliwił uniknięcie katastrofy, było ustawienie automatycznego „zrzucania prętów” do rdzenia reaktora jedynie w przypadku zaniku zasilania w energię. Pręty kontrolne wisiały na elektromagnesach, czyli  gdyby wystąpił brak zasilania zewnętrznego w energię elektryczną, wówczas opadałyby siłą grawitacji.

W  czarnobylskiej EJ zainstalowano rozwiązanie na wypadek zaniku takiego zasilania, natomiast nie było awaryjnego rozwiązania na wypadek skokowego wzrostu mocy w reaktorze. W takiej sytuacji, pręty nie opadały samoistnie wskutek siły grawitacji, ale obsługa techniczna musiała opuszczać  je w sposób mechaniczny. Ale trwało to na tyle długo, że nie mogło, z wymienionych wcześniej powodów, przynieść pozytywnego rezultatu.

W wyniku dochodzenia prowadzonego w celu ustalenia przyczyn, które doprowadziły do katastrofy w EJ w Czarnobylu, okazało się, że załoga elektrowni w Czarnobylu nie znała ani przyczyn, ani skutków zjawiska nazywanego „zatrucie ksenonem”.