Od redakcji: Ta historia została zaktualizowana w poniedziałek, 10 czerwca o 16:45. E.D.T.
W nowym miniserialu HBO „Czarnobyl” rosyjscy naukowcy odkryli przyczynę wybuchu w Reaktorze 4 w elektrowni jądrowej w Czarnobylu, który wyrzucił materiał radioaktywny w północnej Europie.
Reaktor ten, zwany RBMK-1000, okazał się zasadniczo wadliwy po wypadku w Czarnobylu. A jednak w Rosji nadal działa 10 takich samych reaktorów. Skąd wiemy, czy są bezpieczne?
Krótka odpowiedź brzmi: nie. Eksperci twierdzą, że reaktory te zostały zmodyfikowane, aby zmniejszyć ryzyko kolejnej katastrofy w Czarnobylu, ale nadal nie są tak bezpieczne, jak większość reaktorów w stylu zachodnim. I nie ma międzynarodowych gwarancji, które uniemożliwiłyby budowę nowych zakładów o podobnych wadach.
„Istnieje wiele różnych rodzajów reaktorów, które są obecnie rozważane w różnych krajach, które znacznie różnią się od standardowych reaktorów wody lekkiej, a wiele z nich ma wady bezpieczeństwa, które projektanci bagatelizują” - powiedział Edwin Lyman, starszy naukowiec i pełniący obowiązki dyrektora projektu bezpieczeństwa jądrowego w Związku Zainteresowanych Naukowców.
„Im więcej rzeczy się zmienia” - powiedział Lyman Live Live - „tym bardziej pozostają takie same”.
Reaktor 4
W centrum katastrofy w Czarnobylu znajdował się reaktor RBMK-1000, projekt stosowany tylko w Związku Radzieckim. Reaktor różnił się od większości reaktorów jądrowych na wodę lekką, standardowa konstrukcja stosowana w większości krajów zachodnich. (Niektóre wczesne amerykańskie reaktory w Hanford Site w stanie Waszyngton miały podobny projekt z podobnymi wadami, ale zostały naprawione w połowie lat sześćdziesiątych).
Reaktory woda lekka składają się z dużego naczynia ciśnieniowego zawierającego materiał jądrowy (rdzeń), który jest chłodzony przez krążący dopływ wody. W rozszczepieniu jądrowym atom (w tym przypadku uran) rozszczepia się, wytwarzając ciepło i wolne neutrony, które zrzędzą na inne atomy, powodując ich rozszczepienie i uwolnienie ciepła i większej liczby neutronów. Ciepło zamienia krążącą wodę w parę, która następnie zamienia turbinę, wytwarzając prąd.
W reaktorach na wodę lekką woda działa również jako moderator, pomagając kontrolować trwające rozszczepienie jądrowe w rdzeniu. Moderator spowalnia wolne neurony, aby były bardziej skłonne do kontynuowania reakcji rozszczepienia, dzięki czemu reakcja jest bardziej wydajna. Kiedy reaktor się nagrzeje, więcej wody zamienia się w parę, a mniej jest dostępnych do odgrywania roli moderatora. W rezultacie reakcja rozszczepienia ulega spowolnieniu. Ta pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego jest kluczową funkcją bezpieczeństwa, która pomaga uchronić reaktory przed przegrzaniem.
RBMK-1000 jest inny. Używał również wody jako chłodziwa, ale z blokami grafitowymi jako moderatorem. Różnice w konstrukcji reaktora pozwoliły na wykorzystanie mniej wzbogaconego paliwa niż zwykle i na tankowanie podczas pracy. Ale przy oddzieleniu ról chłodziwa i moderatora pętla negatywnego sprzężenia zwrotnego „więcej pary, mniej reaktywności” została przerwana. Zamiast tego reaktory RBMK mają tak zwany „dodatni współczynnik pustki”.
Gdy reaktor ma dodatni współczynnik pustki, reakcja rozszczepienia przyspiesza, gdy woda chłodząca zamienia się w parę, a nie zwalnia. To dlatego, że gotowanie otwiera bąbelki lub puste przestrzenie w wodzie, ułatwiając neutronom podróż bezpośrednio do moderatora grafitu zwiększającego rozszczepienie, powiedział Lars-Erik De Geer, fizyk jądrowy, który jest emerytowany ze Szwedzkiej Agencji Badań Obronnych.
Stamtąd powiedział Live Science, że problem narasta: Rozszczepienie staje się bardziej wydajne, reaktor staje się cieplejszy, woda staje się bardziej parowa, rozszczepianie staje się jeszcze bardziej wydajne, a proces trwa.
Przygotowanie do katastrofy
Lyman powiedział, że kiedy elektrownia w Czarnobylu działała z pełną mocą, nie był to duży problem. W wysokich temperaturach paliwo uranowe, które napędza reakcję rozszczepienia, absorbuje więcej neutronów, przez co jest mniej reaktywne.
Jednak przy niskiej mocy reaktory RBMK-1000 stają się bardzo niestabilne. W okresie poprzedzającym awarię w Czarnobylu 26 kwietnia 1986 r. Operatorzy przeprowadzili test, aby sprawdzić, czy turbina elektrowni może uruchomić sprzęt awaryjny podczas przerwy w dostawie prądu. Ten test wymagał pracy instalacji przy zmniejszonej mocy. Podczas obniżania mocy władze Kijowa nakazały operatorom wstrzymanie procesu. Konwencjonalna elektrownia przeszła w tryb offline i potrzebne było wytwarzanie energii w Czarnobylu.
„To był główny powód, dla którego wszystko się ostatecznie wydarzyło” - powiedział De Geer.
Zakład pracował przy częściowej mocy przez 9 godzin. Kiedy operatorzy uzyskali zezwolenie na zasilanie przez większą część drogi w dół, w reaktorze gromadził się ksenon pochłaniający neutrony i nie byli w stanie utrzymać odpowiedniego poziomu rozszczepienia. Moc spadła prawie do zera. Próbując go zwiększyć, operatorzy usunęli większość prętów kontrolnych, które są wykonane z absorbującego neutrony węglika boru i służą do spowolnienia reakcji rozszczepienia. Operatorzy zmniejszyli również przepływ wody przez reaktor. Według Agencji Energii Jądrowej zaostrzyło to problem dodatniego współczynnika pustki. Nagle reakcja stała się bardzo intensywna. W ciągu kilku sekund moc wzrosła do 100 razy w stosunku do reaktora, który został zaprojektowany.
Były też inne wady konstrukcyjne, które utrudniały odzyskanie kontroli nad sytuacją po jej rozpoczęciu. Na przykład pręty kontrolne zostały zakończone grafitem, mówi De Geer. Kiedy operatorzy zobaczyli, że reaktor zaczyna szaleć i próbowali opuścić pręty sterujące, utknęli. Natychmiastowym efektem nie było spowolnienie rozszczepienia, ale wzmocnienie go lokalnie, ponieważ dodatkowy grafit na końcach początkowo zwiększał wydajność reakcji rozszczepienia w pobliżu. Szybko nastąpiły dwie eksplozje. Naukowcy wciąż debatują dokładnie, co spowodowało każdą eksplozję. Oba mogły być eksplozjami pary spowodowanymi gwałtownym wzrostem ciśnienia w układzie cyrkulacji lub jednym z nich mogła być para, a drugim eksplozja wodoru spowodowana reakcjami chemicznymi w uszkodzonym reaktorze. Opierając się na wykryciu izotopów ksenonowych w Czerepowie, 230 mil (370 km) na północ od Moskwy po wybuchu, De Geer uważa, że pierwsza eksplozja była w rzeczywistości strumieniem gazu jądrowego, który wystrzelił kilka kilometrów do atmosfery.
Zmiany dokonane
Bezpośrednim następstwem wypadku był „bardzo niepokojący czas” w Związku Radzieckim, powiedział Jonathan Coopersmith, historyk technologii na uniwersytecie Texas A&M, który był w Moskwie w 1986 r. Początkowo władze radzieckie utrzymywały informacje blisko; prasa państwowa zakopała tę historię, a młyna plotek przejęła. Ale daleko w Szwecji De Geer i jego koledzy naukowcy już wykrywali niezwykłe izotopy radioaktywne. Społeczność międzynarodowa wkrótce pozna prawdę.
14 maja radziecki przywódca Michaił Gorbaczow wygłosił w telewizji przemówienie, w którym opowiedział o tym, co się stało. To był punkt zwrotny w radzieckiej historii, powiedział Coopersmith Live Live.
„Sprawiło, że glasnost stało się rzeczywistością”, powiedział Coopersmith, odnosząc się do rodzącej się polityki przejrzystości w Związku Radzieckim.
Otworzyło to także nową erę współpracy w zakresie bezpieczeństwa jądrowego. W sierpniu 1986 r. Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej zorganizowała w Wiedniu szczyt powypadkowy, a radzieccy naukowcy podeszli do niego z niespotykanym poczuciem otwartości, powiedział De Geer, który uczestniczył.
„To było niesamowite, ile nam powiedzieli” - powiedział.
Wśród zmian w odpowiedzi na Czarnobyl znalazły się modyfikacje innych działających reaktorów RBMK-1000, w tym czasie 17. Według Światowego Stowarzyszenia Jądrowego, które promuje energię jądrową, zmiany te obejmowały dodanie inhibitorów do rdzenia, aby zapobiec niekontrolowanym reakcjom przy niskiej mocy, wzrostowi liczby prętów kontrolnych używanych podczas pracy i wzrostowi wzbogacania paliwa. Pręty kontrolne zostały również zmodernizowane, aby grafit nie poruszał się w pozycji, która zwiększałaby reaktywność.
Pozostałe trzy reaktory w Czarnobylu działały do 2000 r., Ale od tego czasu zostały zamknięte, podobnie jak dwa kolejne RBMK na Litwie, które zostały zamknięte jako wymóg wjazdu tego kraju do Unii Europejskiej. W Kursku działają cztery reaktory RBMK, trzy w Smoleńsku i trzy w Petersburgu (czwarty wycofał się w grudniu 2018 r.).
Te reaktory „nie są tak dobre jak nasze”, powiedział De Geer, „ale są lepsze niż kiedyś”.
„Istniały podstawowe aspekty projektu, których nie można naprawić bez względu na to, co zrobili” - powiedział Lyman. „Nie powiedziałbym, że byli w stanie podnieść ogólne bezpieczeństwo RBMK do standardu, jakiego można oczekiwać od reaktora z lekką wodą w zachodnim stylu”.
Ponadto, jak zauważył De Geer, reaktory nie zostały zbudowane z pełnymi systemami zabezpieczającymi, jak widać w reaktorach w stylu zachodnim. Systemy ograniczające to osłony wykonane z ołowiu lub stali przeznaczone do zatrzymywania promieniotwórczego gazu lub pary przed wydostaniem się do atmosfery w razie wypadku.
Przeoczenie przeoczyło?
Pomimo potencjalnie międzynarodowych skutków awarii elektrowni jądrowej, nie ma wiążącej umowy międzynarodowej w sprawie tego, co stanowi „bezpieczną” elektrownię, powiedział Lyman.
Konwencja o bezpieczeństwie jądrowym wymaga, aby kraje były przejrzyste w kwestii swoich środków bezpieczeństwa i umożliwia wzajemną ocenę elektrowni, powiedział, ale nie ma żadnych mechanizmów egzekwowania ani sankcji. Poszczególne kraje mają własne agencje regulacyjne, które są tak niezależne, jak pozwalają na to lokalne rządy, powiedział Lyman.
„W krajach, w których szerzy się korupcja i brak dobrych rządów, jak możesz oczekiwać, że jakakolwiek niezależna agencja regulacyjna będzie w stanie funkcjonować?” Powiedział Lyman.
Chociaż nikt poza Związkiem Radzieckim nie produkował reaktorów RBMK-1000, niektóre proponowane nowe konstrukcje reaktorów wiążą się z dodatnim współczynnikiem pustki, powiedział Lyman. Na przykład reaktory szybkiego rozmnażania, które są reaktorami, które wytwarzają więcej materiału rozszczepialnego podczas wytwarzania energii, mają dodatni współczynnik pustki. Rosja, Chiny, Indie i Japonia zbudowały takie reaktory, chociaż Japonia nie działa i planuje się jej wycofanie z eksploatacji, a Indie mają 10 lat opóźnienia w otwarciu. (W Kanadzie działają również reaktory o małych dodatnich współczynnikach pustki).
„Projektanci twierdzą, że jeśli weźmiesz wszystko pod uwagę, ogólnie rzecz biorąc są bezpieczne, więc to nie ma większego znaczenia” - powiedział Lyman. Powiedział jednak, że projektanci nie powinni być zbyt pewni swoich systemów.
„Takie myślenie spowodowało kłopoty Sowietów” - powiedział. „I to może wpędzić nas w kłopoty, ponieważ nie szanujemy tego, czego nie wiemy”.
Notka redaktora: Ta historia została zaktualizowana, aby zauważyć, że większość, ale nie wszystkie pręty kontrolne zostały usunięte z reaktora, i aby zauważyć, że niektóre wczesne reaktory w Stanach Zjednoczonych również miały dodatni współczynnik pustki, chociaż ich wady konstrukcyjne zostały naprawione .
