Mija właśnie 40 lat od największej katastrofy nuklearnej w historii. Mowa oczywiście o Czarnobylu – a konkretniej o reaktorze numer 4 w Czarnobylskiej Elektrowni Jądrowej im. W. I. Lenina. Nie ma chyba osoby, która by o tej katastrofie nie słyszała. Jest przywoływana nie tylko w kontekście bezpieczeństwa jądrowego, ale żyje również w popkulturze – od gier komputerowych, takich jak Stalker, po hitowy serial HBO. Ale jak właściwie doszło do tej katastrofy? Co się wtedy wydarzyło i jakie miało konsekwencje? Pozwól, że wyjaśnię – a przynajmniej zacznę, bo nie jest to temat na jeden wpis, ale na cały cykl.
Radziecki Program Energetyki Jądrowej
Od czego więc zacząć? Najlepiej od początku. Zanim więc opiszę, co wydarzyło się 23 minuty po godzinie pierwszej w nocy, 26 kwietnia 1986 roku, zacznę od tego, co doprowadziło do katastrofy – a miało miejsce całe lata wcześniej. Wtedy kiedy w Związku Radzieckim powstawał program cywilnej energetyki jądrowej. Bo to wtedy właśnie zostały podjęte kluczowe decyzje, które doprowadziły do czarnobylskiej katastrofy. A chodzi tu przede wszystkim o wybór rodzaju reaktora, który zostanie wykorzystany w cywilnych elektrowniach.
Bo na stole były początkowo dwa projekty. Jeden z nich, to wzorowany na reaktorach zachodnich PWR – reaktor wodny ciśnieniowy. Drugi – to wzorowany na reaktorach służących do produkcji materiałów rozszczepialnych do bomb jądrowych reaktor wodno-grafitowy. Jeśli potrzebujecie przypomnienia, jak dokładnie działają reaktory jądrowe – przypominam, że mamy na ten temat cały artykuł. Tutaj skupię się na istotnych cechach, które doprowadziły do dalszych problemów.
Dwa reaktory
Początkowo w ZSRR miały powstać prototypy obu reaktorów, dostosowane do produkcji prądu elektrycznego na dużą skalę. Sęk w tym, że państwo prowadziło szereg olbrzymich projektów modernizacyjnych. Kraj trzeba było wyciągnąć z zapaści. A to oznacza astronomiczne koszty. Potęgowały je rozpoczynający się wyścig kosmiczny, a także program zbrojeń jądrowych. Nie jest też tajemnicą, że koszty tego typu projektów często rosną podczas realizacji. Dlatego też władze zdecydowały: projekt PWR odsyłamy na półkę, skupiamy się na rozwijaniu tego, co już mamy. I to właśnie był pierwszy krok w kierunku katastrofy.
Na czym polegał problem? Przecież reaktor AM-1, który jako pierwszy na świecie został podłączony do cywilnej sieci elektrycznej, był właśnie reaktorem tego typu. Chłodzony wodą, moderowany grafitem. I działał jako źródło elektryczności bez szczególnych incydentów do roku 2002 – czyli dłużej, niż czarnobylska elektrownia! Ba, w późniejszych latach funkcjonował nadal, choć już wyłącznie do celów badawczych. Niestety, reaktor AM-1 produkował ledwie 5 megawatów prądu. Żeby elektrownie jądrowe miały sens, trzeba było go generować dużo więcej. A ten typ reaktora słabo się skaluje. I jest po prostu ogromny.
Prototypy reaktorów
Decyzja jednak zapadła, a więc radzieccy naukowcy i inżynierowie zabrali się do pracy. Zaczęły powstawać coraz większe prototypy energetycznych reaktorów wodno-grafitowych, aż wreszcie zaprojektowano pierwszy z rozmiarów docelowych. Do historii przeszedł pod nazwą RBMK-1000: reaktor kanałowy wysokiej mocy, produkujący 1000 MW energii elektrycznej. Co swoją drogą oznaczało, że jego produkcja ciepła sięgała 3200 MW – jak to zwykle bywa, spora część ciepła się marnuje przy próbie przekształcenia go w użyteczną pracę.
Ze względu na goniące terminy z jednej strony, a graniczącą z arogancją pewność siebie z drugiej – zrezygnowano z budowy i testowania prototypu samego RBMK-1000. Uznano, że doświadczenia z mniejszymi reaktorami spokojnie wystarczą. W związku z tym pierwszy skonstruowany reaktor tego typu był już przeznaczony do “standardowego” użytkowania – uruchomiono go w elektrowni jądrowej pod ówczesnym Leningradem1Wcześniej i później znanym jako Petersburg. I wtedy zaczęły wychodzić na jaw problemy, na które mało kto zwracał uwagę wcześniej.
Problemy z reaktorem
Przede wszystkim trzeba zwrócić uwagę na to, że reaktor RBMK był wprost ogromny. Wysokość studni, w której go umieszczano, to około 25 metrów, a średnica – około 22 metrów. Dla porównania – reaktory PWR są przeciętnie niższe o ⅓, ale ich średnica jest 4-5 razy mniejsza. Jest to możliwe między innymi dlatego, że stosuje się w nich wyżej wzbogacone paliwo – czyli zawierające więcej rozszczepialnego izotopu U-235. Reaktory RBMK były przystosowane do pracy z uranem wzbogaconym w bardzo niewielkim stopniu, co oznaczało niższe koszty eksploatacji – ale nie ma nic za darmo. Paliwa w nim jest 2-3 razy więcej, niż w modelach zachodnich.
Wspominałem już, że ten typ reaktora kiepsko się skaluje, prawda? Sęk w tym, że nie było to od razu oczywiste. Wręcz przeciwnie: modułowa konstrukcja reaktora sprawiała, że łatwo było go złożyć na miejscu z prefabrykatów, a także łatwo było projektować coraz większe i mocniejsze jednostki. Niestety, po uruchomieniu okazało się, że ze względu na rozmiary, reaktor nie zachowywał się jak jedna całość. Kontrolowanie go przypominało bardziej kontrolowanie kilku reaktorów ustawionych jeden obok drugiego, przy czym granice pomiędzy tymi reaktorami płynnie się przesuwały. Reaktywność w jednej części reaktora mogła być drastycznie odmienna od tej, którą obserwowano w innej jego części. Co gorsza, czujniki nie były w stanie dokładnie analizować reaktywności w środku tego wielkiego ustrojstwa, dlatego też zamiast na nich, operatorzy musieli często polegać na intuicji, starając się dociec, czy i gdzie znajdują się miejsca o reaktywności znacząco wyższej, niż przewidziana w parametrach operacyjnych.
Problemy z reaktywnością
Znacznie bardziej kompaktowe reaktory PWR nie mają tego problemu. A w reaktorach wodno-grafitowych problem ze zbyt wysoką reaktywnością jest dużo poważniejszy, niż byłby w jakichkolwiek innych, ponieważ mają one jeden feler, którego ten układ nie pozwala uniknąć. Jeden, ale za to poważny. Nazywany jest dodatnim współczynnikiem reaktywności przestrzeni parowych. Ta przydługa ukrywa śmiertelnie niebezpieczne zjawisko. Ale po kolei. Czym są przestrzenie parowe? Przestrzeniami wypełnionymi parą. Oczywiste, prawda? A skąd biorą się w reaktorze? Stąd, że woda, odbierając ciepło z reaktora, wrze i odparowuje. Para jest znacznie mniej “skupiona” niż ciekła woda, więc przestrzenie parowe zawierają – w jednostce objętości – znacznie mniej cząsteczek wody, niż przestrzenie wypełnione cieczą.
I teraz dochodzi do tego współczynnik reaktywności. Jeśli, tak jak w reaktorach zachodnich, woda pełni naraz funkcję chłodziwa i moderatora, to spadek gęstości oznacza przede wszystkim, że woda przestaje spowalniać neutrony. To z kolei owocuje zmniejszeniem reaktywności – współczynnik reaktywności przestrzeni parowych jest ujemny, system dąży do stabilizacji. Jeśli reaktywność jest zbyt wysoka, tworzy się więcej ciepła, woda odparowuje, więc reaktywność spada, więc powstaje mniej ciepła, więc mniej wody odparowuje, więc reaktywność rośnie… I tak dalej. Niewielkie oscylacje, ale układ nie wymyka się spod kontroli.
Odwrotnie jest w reaktorach RBMK. Moderatorem jest grafit, ponieważ woda nie jest wystarczająco “mocna”, żeby umożliwić pracę z nisko wzbogaconym paliwem. Jednak wciąż potrafi pochłaniać część neutronów, tym samym zmniejszając reaktywność. Co jednak, jeśli woda odparowuje? No cóż, przestrzenie parowe nie pochłaniają tyle neutronów, co przestrzenie wypełnione ciekłą wodą. A więc wzrost reaktywności podnosi temperaturę, co sprawia, że więcej wody odparowuje, a to podnosi reaktywność, podwyższając temperaturę i doprowadzając do odparowania większej ilości wody… I tak dalej. Widzicie, do czego to zmierza, prawda?
Byle się nie przegrzało
Dodajmy do tego fakt, że ze względu na wielkość układu chłodzenia – ale i typowo radziecką jakość wykonania – operatorzy często mieli mocno ograniczoną wiedzę o tym, jaka jest wydajność chłodzenia różnych części rdzenia reaktora. A przegrzanie mogło doprowadzić do największej awarii, na jaką reaktor był zaprojektowany: pęknięcia rury, którą płynęło chłodziwo pod wysokim ciśnieniem. Taka awaria powinna być możliwa do opanowania. Pęknięcie kilku takich rur jednocześnie już wykraczało poza zaprojektowane możliwości. Uznano po prostu, że jest zbyt mało prawdopodobne. Bo niby czemu kilka takich rur miałoby pęknąć jednocześnie? Przecież gdy pęknie jedna, ciśnienie w instalacji spadnie, chłodzenie zostanie przejęte przez system awaryjny, a operatorzy uruchomią proces awaryjnego wyłączania reaktora.
No własnie. Proces. Wyłączanie reaktora typu RBMK-1000 w Czarnobylu – jak i każdej innej elektrowni korzystającej z tego modelu – trwało kilkanaście sekund. Dla człowieka – niezbyt długo. W świecie reakcji jądrowych? Wieczność. Pamiętajcie, że reakcja łańcuchowa w bombach jądrowych trwa mniej niż jedną mikrosekundę. Oczywiście, elektrownia jądrowa nie wybucha niczym bomba jądrowa – ale wciąż powinno to dawać do myślenia w temacie skali czasowej. Krótko mówiąc – było to proszenie się o kłopoty.
Pierwszy wypadek
I kłopoty nadeszły. Pierwszy poważny wypadek zdarzył się w Leningradzie w 1975 roku. Reaktor zaczął wymykać się spod kontroli. Operatorzy awaryjnie go wyłączyli, ale czas, który był potrzebny do całkowitego wyłączenia, wystarczył do częściowego stopienia rdzenia. I tu wyszła na jaw kolejna wada projektowa. Otóż ze względu na rozmiar reaktora zrezygnowano z obudowy bezpieczeństwa, czyli grubej, wytrzymałej struktury mającej zatrzymać wewnątrz wszystko, co mogłoby “wylecieć” z uszkodzonej czy nawet zniszczonej jednostki. Taka obudowa, ze względu na swoją wielkość i wymagane parametry, podwoiłaby koszt budowy RBMK-1000. Uznano, że studnia reaktora, i nakrywająca ją, trzymetrowej grubości, ważąca 2000 ton płyta, spokojnie wystarczą.
Awaria w Leningradzie wykazała, że nie wystarczą. Materiały radioaktywne wydostały się z reaktora nad Zatokę Fińską. Dlatego też komisja badająca ten wypadek sformułowała szereg wniosków dotyczących procedur bezpieczeństwa, w tym – wprowadzenie szybszej metody awaryjnego wyłączania reaktora.
Raport utajniono, a żadnych zaleceń nie wprowadzono w życie. Choć do katastrofy w Czarnobylu pozostało ponad 10 lat, pierwsze kamyki zwiastujące lawinę już staczały się w dół zbocza.
Bibliografia
- https://world-nuclear.org/information-library/appendices/rbmk-reactors
- https://www.ans.org/news/article-3913/a-reactor-physicist-explains-chernobyl/
- http://accidont.ru/ENG/LAES.html
- Higginbotham, A. (2019). O północy w Czarnobylu. Nieznana prawda o największej katastrofie nuklearnej. Wydawnictwo SQN.
Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!