Katastrofa w Czarnobylu – czyli czemu to wybuchło?

Katastrofa w Czarnobylu – nie ma chyba osoby, która by o niej nie słyszała. Kiedyś zastanowiłam się jednak nad tym Czarnobylem (wiem, dziwny temat do rozważań) i uświadomiłam sobie, że – mimo, iż słyszałam o katastrofie, o skażeniu, itp. – to nie wiem, dlaczego doszło do wybuchu, co wybuchło, kto winien a kto nie winien. Dlatego postanowiłam się dowiedzieć i mam nadzieję – podać to w świat.

Dowiedziałam się tego, że przyczyny były dwie – konstrukcyjna oraz spowodowana błędem człowieka. Żeby wyjaśnić tę pierwszą trzeba rozumieć, w jaki sposób działa elektrownia jądrowa.

Budowa reaktora jądrowego

Paliwo

Paliwem wykorzystywanym w elektrowniach jądrowych jest uran, czyli bardzo gęsty i twardy metal, którego jądro atomowe ulega rozpadowi radioaktywnemu. W przyrodzie nic nie ginie (tylko zmienia właściciela), więc jądro uranu rozpada się na lżejsze pierwiastki, obojętne neutrony oraz wydzielana jest pewna dawka energii. Neutrony uderzają w kolejne jądra atomowe, znowu wydzielana jest energia, znowu lżejsze pierwiastki i kolejne neutrony. Te neutrony atakują kolejne jądra… i tak w kółko. Im szybciej to wszystko zachodzi, tym szybciej wydzielana jest energia (ciepło), tym wyższa temperatura w czasie procesu – tym większa efektywność działania elektrowni. Teoretycznie podaje się, że z jednego grama uranu można uzyskać tyle samo ciepła, co ze spalenia całej tony węgla kamiennego. Czyli naprawdę dużo.

katastrofa w Czarnobylu, stosowanym paliwem jest uran

Haczyk

Gdzie jest haczyk? Te neutrony są bardzo szybkie – często zbyt szybkie. Jeśli się ich nie wyhamuje, po prostu odbijają się od powierzchni jąder atomowych nie powodując ich rozszczepienia. W efekcie reakcja łańcuchowa ulega zatrzymaniu i spada efektywność procesu. W takim razie jak je spowolnić? Używa się do tego tzw. moderatorów, czyli określonych substancji dodatkowych. Moderatorem może być woda – ma ona jednak tę wadę, że pomimo tego, że spowalnia neutrony, to działa też jak magnes dla neutronów – wchłania je w swoje związki, przez co spada liczba neutronów mogących spowodować rozszczepienie jąder uranu, przez co spada automatycznie efektywność całego procesu. Innym moderatorem może być grafit – on też został zastosowany w Czarnobylu. Powoduje on zwolnienie neutronów, czyli to, czego się od niego wymaga, ale ich nie pożera tak jak woda.

Reaktor jądrowy

Rdzeń reaktora tworzyły grafitowe, siedmiometrowe bloki. W betonowej studni umieszczono razem 1661 takich elementów, z których każdy zawierał paliwo (uran) oraz specjalny kanał, którym przepływała woda ochładzająca reaktor. Chłodzenie było konieczne, ponieważ reakcje wewnątrz reaktora mogą sięgać milionów stopni, co oczywiście spowodowałoby stopienie całej konstrukcji. Kanały, umożliwiające chłodzenie bloków umożliwiały także wprowadzenie do ich wnętrza prętów kontrolnych. Gdyby z jakiegoś powodu reakcja łańcuchowa zachodziła zbyt szybko, temperatura procesu była zbyt wysoka czy cokolwiek innego, wprowadzano do kanałów pręty kontrolne. Wykonane były z boru, który potrafi wyłapać neutrony i zmniejszyć ich ilość w reaktorze, co automatycznie przekładało się na spowolnienie reakcji łańcuchowej, zmniejszenia temperatury i ilości wydzielanej energii.

Katastrofa w Czarnobylu – błąd konstrukcyjny

Tak jak napisałam we wstępie, katastrofa w Czarnobylu była spowodowana błędem konstrukcyjnym. Dotyczył on właśnie prętów kontrolnych. Ich zadaniem było spowolnienie bądź zatrzymanie reakcji łańcuchowej, obniżenie temperatury i ilości wydzielanej energii. Te czarnobylskie pręty, wykonane z boru, świetnie się nadawały do tego zadania. Ale… No właśnie. Ktoś sprytny pomyślał, że gdyby końcówki tych prętów pokryto grafitem, to zmniejszyłoby to tarcie pomiędzy tymi prętami a kanałem reaktora, dzięki czemu elementy nie zużywałyby się zbyt szybko a także samo wkładanie prętów do kanału odbywało się płynniej i bezpieczniej. No właśnie – z grafitu. Gdy opisywałam uran jako paliwo, wskazywałam na konieczność stosowania moderatorów, które spowalniają neutrony i PRZYSPIESZAJĄ reakcję łańcuchową. Czyli – wprowadzamy pręty kontrolne, żeby spowolnić proces i obniżyć temperaturę, ale grafit na prętach kontrolnych powoduje przyspieszenie reakcji łańcuchowej.

To tak jak chcesz schudnąć i kupujesz bezglutenowego, niskokalorycznego pączka pokrytego czekoladą. Chociaż w sumie pączek nie wybuchnie.

katastofa w Czarnobylu, kanały chłodzące pokryte grafitem, jak pączek pokryty czekoladą

Chłodzenie

Woda, która przepływała przez kanały i ochładza je, ogrzewała się od ich ciepła, a następnie płynęła do turbin napędzających generatory prądu elektrycznego. Woda, po przepłynięciu przez system chłodzący, sama ulegała ochłodzeniu, wracała do reaktora i proces się powtarzał. Część z prądu, wytwarzanego w turbogeneratorach zużywały pompy, dzięki którym woda krążyła w obiegu.

Katastrofa w Czarnobylu – błąd człowieka

Mowa o błędzie człowieka jest lekko niesprawiedliwa dla pojedynczej jednostki, bo zaniedbania były dokonywane przez bardzo wielu ludzi na przestrzeni bardzo wielu lat. Pierwszą rzeczą, było w ogóle to, że reaktor nie był testowany przed oddaniem go do użytku. Konstruktorzy i budowniczy wiedzieli, że aby oddać go na czas, nie można tracić czasu na niepotrzebne ich zdaniem procedury weryfikacyjne. To takie myślenie – jakoś to będzie, takie z nas majstry, że co mogłoby pójść źle?

Reaktor oddano w efekcie na czas i dopiero po pewnym okresie jego eksploatacji postanowiono przeprowadzić test. Miał on na celu sprawdzić, jak będzie zachowywał się reaktor w sytuacji awaryjnej, czyli czy na przykład w konieczności nagłego wyłączenia reaktora będzie on odpowiednio chłodzony.

Zazwyczaj każda elektrownia jądrowa posiadała silniki spalinowe, które na wypadek przerwy w zasilaniu pomp doprowadzających wodę do rdzenia, służą awaryjnie do ich napędzania. Takie zewnętrzne silniki potrzebowały wtedy ok. minuty na osiągnięcie wymaganej sprawności. W międzyczasie reaktor byłby chłodzony, ale zbyt słabo. Jak więc można było dodać mocy temu chłodzeniu? Radzieccy inżynierowie postanowili wykorzystać energię turbin, które nawet po wyłączeniu reaktora wciąż jeszcze obracałyby się powodowane siłą rozpędu (lub bezwładnością).

Test

Żeby to jednak zweryfikować konieczne było przeprowadzenie testu. Zakładał on obniżenie mocy reaktora o ok. dwie trzecie, w stosunku do mocy, z którą normalnie pracował. Następnie miał zostać odcięty dopływ wody do turbin. Wtedy naukowcy mieli obserwować, czy energia generowana przez obracające się siłą rozpędu turbiny wystarczy, aby podtrzymać zasilanie systemów kontrolnych reaktora do czasu, aż rozpędzą się silniki Diesla. Po niecałej minucie takiej pracy, reaktor miał został wyłączony.

Błędy, błędy, błędy

Katastrofa w Czarnobylu spowodowana była wieloma czynnikami – to już wyjaśniłam. Po pierwsze – konstrukcja. Ale sama konstrukcja mogłaby działać wiele lat, gdyby personel wiedział, jaka ona jest, na co uważać, czego unikać, czego nie robić pod żadnym pozorem. Personel nie wiedział. Personel był przy tym bardzo ambitny i pewny prawidłowego działania wszystkiego. Test zakładał obniżenie mocy o 2/3 oraz wyłączenie niektórych systemów sterujących. Personel uznał dodatkowo, że odłączy możliwość automatycznego wyłączenia reaktora w przypadku wystąpienia awarii. No bo, co złego może się stać? No i jeszcze ten grafit w prętach kontrolnych – o tym pracownicy również nie wiedzieli.

Przypadek?

Dodatkowo, planowo test miał się odbywać już od rana 25 kwietnia 1986 roku. No ale jedna z okolicznych elektrowni musiała przerwać produkcję energii, co groziło nagłym niedoborom elektryczności. W związku z tym Czarnobyl musiał pracować pełną parą a test przełożono na godziny wieczorne, kiedy zapotrzebowanie na prąd nie jest już takie duże. W praktyce przełożyło się to na to, że pracownicy zaznajomieni z procedurami, dobrze wyszkoleni i uświadomieni, zakończyli swoją dzienną zmianę i poszli do domu. Test przeprowadzała inna zmiana, nie do końca świadoma tego, co się będzie działa. Oczywiście mieli oni do pomocy ekspertów, ale ci byli już zmęczeni po całym dniu czekania.

Jeszcze więcej błędów

Wszyscy znudzeni tym czekaniem ambitnie wzięli się za test. Może na pewno zbyt ambitnie. Zbyt szybko zredukowano moc reaktora, w wyniku czego z uranu powstawał ksenon, który silnie pochłania neutrony – co, jak już zapewne pamiętacie powoduje spadek temperatury, ilości wydzielanego ciepła i dalszy spadek mocy. Żeby przeprowadzić test, należało tej mocy dodać. W związku z tym zaczęto usuwać pręty kontrolne, żeby bor nie pożerał kolejnych neutronów. A usuwano je też zbyt ambitnie – wycofano je wysoko ponad przyjęte do tego normy.

Reszta to już historia. Moc udało się zwiększyć – co prawda poniżej pułapu założonego przez potrzeby testu (o trzy razy), ale co tam – będziemy mieć lepszy test. I tak było, chociaż pracownicy nie wiedzieli, w jak niestabilnym stanie jest reaktor. Zgodnie z planem wyłączyli oni przepływ pary do turbin. Zaczął się test właściwy sprawdzający, czy reaktor będzie wystarczająco chłodzony. Przepływ wody zaczął maleć, ale wzrosła produkcja pary wodnej. Para wodna jest dużo skuteczniejszym moderatorem niż woda – spowodowała ona zwiększenie intensywności reakcji łańcuchowej i wzrost temperatury. Wzrost temperatury spowodował produkcję jeszcze większej ilości pary. Wzrost mocy i temperatury następował tak szybko jak szybko kula śnieżna nabiera rozmiarów. Pracownicy chcąc ratować sytuację i obniżyć temperaturę postanowili wsunąć z powrotem pręty kontrolne, bo bor, z którego były zbudowane, miał wyłapać neutrony. Ale nie wiedzieli o tym nieszczęsnym graficie, który spowodował jeszcze większe zwiększenie temperatury całości.

Przy zbyt wysokiej temperaturze i niewystarczającym chłodzeniu popękały kanały paliwowe, rozerwały się rury z wodą chłodzącą, paliwo zaczęło się topić i nastąpił wybuch niszczący osłony pokrywające reaktor, uwolnienie ogromnej ilości dawki promieniowania.  Katastrofa w Czarnobylu stała się faktem.

pożar, wybuch, katastrofa w Czarnobylu

Teraz już mam nadzieję będziecie wiedzieć, co tak naprawdę stało się w Czarnobylu a przy okazji o tym, jak działa elektrownia jądrowa. Katastrofa w Czarnobylu była największą katastrofa w całej historii energetyki jądrowej, więc warto by coś o niej wiedzieć. Ja już wiem 🙂