Katastrofy jądrowe w Three Mile Island i Czarnobylu. Czego nas nauczyły?

Three Mile Island 

W elektrowni jądrowej Three Mile Island pracowały dwa reaktory B&W LLB (DRYAMB). Reaktor nr 1 miał moc elektryczną netto równą 819 MW_e a nieco większy reaktor nr 2 - 906 MW_e. Oba z nich należały do najpopularniejszego typu reaktorów – reaktorów wodnych ciśnieniowych (PWR). Rolę chłodziwa i moderatora pełni w nich lekka woda krążąca w dwóch obiegach. W obiegu pierwotnym woda przepływająca przez rdzeń znajduje się pod bardzo wysokim ciśnieniem dzięki czemu nie wrze nawet w temperaturze ok. 300 °C. Woda z obiegu pierwotnego w wytwornicy pary oddaje ciepło do wody z obiegu wtórnego znajdującej się pod niższym ciśnieniem, która zamienia się w parę i zasila turbinę zasilającą generator wytwarzający napięcie.

Dlaczego doszło do awarii?

Awaria Three Mile Island miała swoją genezę właśnie w obiegu wtórnym. 28 marca 1979 r. około godziny 4:00 doszło do zatrzymania pompy dostarczającej wodę po stronie wtórnej wytwornicy pary. Doprowadziło to do odparowania wody w wytwornicy pary i automatycznego wyłączenia turbiny i reaktora. W związku z brakiem odbioru ciepła ciśnienie w obiegu pierwotnym zaczęło rosnąć, w celu jego redukcji został otwarty zawór bezpieczeństwa zlokalizowany na górze stabilizatora ciśnienia. Ów zawór po przywróceniu ciśnienia do bezpiecznego poziomu powinien się zamknąć… ale się nie zamknął. Pomimo tego panel kontrolny w nastawni pokazywał operatorom stan zaworu jako… zamknięty! 

W związku z tym nie mieli oni pojęcia, że mają do czynienia z sytuacją określaną jako LOCA – Leak Of Coolant Accident. Oznacza ona wyciek chłodziwa z obiegu pierwotnego reaktora, który w skrajnej sytuacji może grozić odsłonięciem i stopieniem paliwa jądrowego. Opierając swoje działania na błędnych danych operatorzy zastosowali procedury nieadekwatne do zaistniałej sytuacji. Doprowadziło to do odparowania wody ze zbiornika ciśnieniowego reaktora, przegrzania i stopienia pozbawionego chłodzenia rdzenia. Stopione paliwo skaziło pozostałe chłodziwo izotopami promieniotwórczymi oraz zaczęło wypełniać obieg pierwotny reaktora radioaktywnymi gazami. Usunięcie owych gazów z reaktora bez jednoczesnej emisji materiału promieniotwórczego do otoczenia stało się głównym wyzwaniem dla ludzi walczących ze skutkami awarii. Zostały one odprowadzone systemem sprężarek i rur do specjalnych zbiorników, a izotopy radioaktywne, które uciekły przez nieszczelności w sprężarkach zostały w większości zatrzymane przez filtry węglowe oraz HEPA znajdujące się w obudowie bezpieczeństwa reaktora. 

Według danych amerykańskiego dozoru jądrowego emisja materiału promieniotwórczego wynikająca z awarii w elektrowni Three Mile Island spowodowała przyjęcie przez 2 miliony ludzi mieszkających w jej otoczeniu średniej dawki promieniowania w wysokości 0,01 mSv. Jest to mikroskopijna wartość około 5 razy mniejsza od dawki przyjmowanej podczas wykonywania zdjęcia rentgenowskiego klatki piersiowej.

Nauka na przyszłość

Wypadek w elektrowni Three Mile Island pokazał jak ważne jest istnienie betonowej obudowy bezpieczeństwa budynku reaktora przy ograniczaniu skutków awarii. Pod jego wpływem znacząco zaostrzono regulacje dotyczące systemów bezpieczeństwa w elektrowniach jądrowych oraz udoskonalono system szkolenia operatorów. Jednakże wnioski z Three Mile Island zostały wyciągnięte jedynie po zachodniej stronie Żelaznej Kurtyny o czym dobitnie przekonano się 7 lat później.

Awaria w Czarnobylu

Na 25 kwietnia 1986 w bloku 4 Czarnobylskiej EJ w ZSRR zaplanowano przeprowadzenie testu bezpieczeństwa związanego z możliwością zasilania pomp chłodziwa hamującą turbiną w przypadku utraty zasilania w elektrowni zanim zdążą uruchomić się generatory awaryjne. Konieczność wykonania takiego testu 4 lata po uruchomieniu reaktora jest pierwszym z bardzo wielu zaniedbań jakich dopuszczono się przy konstrukcji i eksploatacji tej elektrowni. Niedługo później okazało się, że ten pozornie prosty test miał mieć tragiczne konsekwencje dla Czarnobylskiej EJ, miasta Prypeć oraz całej światowej energetyki jądrowej.

W Czarnobylu pracowały reaktory RBMK-1000 radzieckiej produkcji. Jest to bardzo specyficzny typ reaktora opracowany przez zespół pod kierownictwem Nikołaja Antonowicza Doleżalla i Anatolija Pietrowicza Aleksandrowa na bazie reaktora wojskowego do produkcji. W RBMK-1000 moderatorem jest grafit a chłodziwem woda. Jest to połączenie, które pozwala na stosowania paliwa o stosunkowo niskim wzbogaceniu lecz poza Związkiem Radzieckim nie było ono stosowane ze względów bezpieczeństwa. W przypadku zastosowania chłodzenia wodą w reaktorze z moderatorem grafitowym występuje efekt znany w fizyce reaktorowej jako dodatni współczynnik reaktywności przestrzeni parowych. W dużym uproszczeniu oznacza to że wraz ze wzrostem temperatury rdzenia rosła moc reaktora (dla porównania w najpowszechniejszych reaktorach lekkowodnych wraz ze wzrostem temperatury moc spada). Jak się miało później okazać nie była to jedyna wada konstrukcyjna reaktorów RBMK-1000.

Test turbiny miał się odbyć przy mocy reaktora równej około 25% mocy maksymalnej. W celu osiągnięcia takiego stanu stopniowe obniżanie mocy zaczęto już na nocnej zmianie 25 kwietnia. Proces ten został przerwany przez polecenie zwiększenia mocy w celu pokrycia zapotrzebowania wydane przez kijowskiego operatora sieci elektroenergetycznej. W momencie, w którym można było wrócić do dalszego obniżania mocy reaktor znajdował się już w stanie zatrucia ksenonowego. Oznacza to nagromadzenie się w rdzeniu izotopu Xe-135 będącego bardzo dobrym pochłaniaczem neutronów. Stan ten prowadzi do spadku reaktywności i co za tym idzie mocy a wywoływany jest przez zbyt gwałtowne obniżenie mocy reaktora. W celu zrekompensowania tego spadku operatorzy zaczęli wyciągać z rdzenia pręty kontrolne. Zatrucie ksenonowe, wyciągnięcie prętów kontrolnych oraz praca na bardzo niskiej mocy (ok. 200 MWt) doprowadziły reaktor do stanu wysoce niestabilnego.

Jak doszło do katastrofy?

O godzinie 1:23:04 rozpoczął się test. Z pozoru wydawało się, że wszystko przebiega zgodnie z planem. Po 36 sekundach trwania testu jeden z operatorów wycisnął przycisk AZ-5 wyłączający reaktor przez opuszczenie wszystkich prętów kontrolnych. Tego co nastąpiło potem nie spodziewał się nikt z przebywających w nastawni bloku nr 4. Moc reaktora zaczęła gwałtownie rosnąć kilkudziesięciokrotnie przekraczając wartość nominalną. Raptowny wzrost ciśnienia doprowadził do eksplozji, która odsłoniła rdzeń. Wysoka temperatura w rdzeniu doprowadziła do powstania wodoru, przez utlenianie się cyrkonowych koszulek paliwowych. Wodór po kontakcie z powietrzem po pierwszej eksplozji ciśnieniowej wywołał drugą – chemiczną. Była ona na tyle silna, że zniszczyła dach bloku, całkowicie odsłaniając emitujący pierwiastki promieniotwórcze rdzeń.

Tak gwałtowna reakcja na wciśnięcie AZ-5 była wywołana najpoważniejszą ze wszystkich wad konstrukcyjnych RBMK. Pręty kontrolne reaktora, które powinny pochłaniać neutrony, miały kilkumetrowe końcówki z grafitu. Grafit w RBMK pełnił rolę moderatora, więc nagłe przezeń zastąpienie wody i pary znajdującej się w kanałach prętów doprowadziło do skokowego wzrostu reaktywności. W połączeniu z dodatnim współczynnikiem reaktywności przestrzeni parowych wywołało to niekontrolowany przyrost mocy reaktora.

Misja ratunkowa zakończona sukcesem

Eksplozja spowodowała wyrzucenie w powietrze silnie radioaktywnego grafitu z rdzenia. Po kontakcie z tlenem doszło do jego zapłonu. Pożar trwał aż 10 dni, uwalniając przez ten czas ogromne ilości izotopów promieniotwórczych. Do jego gaszenia użyto mieszaniny boru (pochłaniającego neutrony), piasku, gliny, dolomitu oraz ołowiu zrzucanej z powietrza. Działania te pozwoliły na chwilową redukcję emisji radionuklidów lecz wygenerowały kolejny problem. Spowodowały one zmienienie się rdzenia w tzw. korium, będące czymś na kształt radioaktywnej magmy, która przetapiała się przez posadzkę dawnego budynku reaktora. Stwarzało to ryzyko kontaktu korium z wodą znajdującą się w basenie rozbryzgowym pod reaktorem. Uważano wówczas, że taki kontakt mógłby doprowadzić do kolejnego wybuchu. W celu uniemożliwienia zetknięcia się stopionego rdzenia z wodą należało odpompować ją z basenu. Było to możliwe jedynie poprzez manualne odkręcenie zaworów znajdujących się pod reaktorem. 

W tym celu zostało oddelegowanych trzech pracowników elektrowni. Ich misja zakończyła się powodzeniem i wbrew powielanym później plotkom, każdy z nich przeżył. Według osób odpowiedzialnych za radzenie sobie ze skutkami katastrofy istniało ryzyko przetopienia się korium przez posadzkę reaktora i skażenia gleby. W ramach zniwelowania tego zagrożenia zdecydowano się na wykopanie komory pod reaktorem, którą następnie zalano betonem. W ten sposób miał powstać bufor mający powstrzymać korium przed wydostaniem się. Do konstrukcji podkopu ściągnięto górników z całego ZSRR. Dzięki ich ciężkiej pracy w trudnych i niebezpiecznych warunkach (dopuszczalna dawka skuteczna dla górników wynosiła aż 250 mSv) instalację udało się ukończyć do końca czerwca 1986. Jak na ironię okazało się, że nie była ona potrzebna, gdyż korium zastygło podczas przetapiania się przez posadzkę.

Awaria w Czarnobylu – raporty międzynarodowe

Raport Komitetu Naukowego ONZ ds. Skutków Promieniowania Atomowego (UNSCEAR) stwierdza, że wybuch reaktora był bezpośrednią przyczyną śmierci trzydziestu osób. Należeli do nich pracownicy elektrowni oraz strażacy, którzy próbowali gasić pożar od razu po awarii. Katastrofa w Czarnobylskiej Elektrowni Jądrowej miała drastyczny wpływ na życie mieszkańców okolicznych terenów. Po 36 godzinach od wybuchu rozpoczęto ewakuację Prypeci. Osoby odpowiedzialne za ewakuację przekazały mieszkańcom miasta, że jest ona jedynie tymczasowa. Było to kłamstwo. Mieszkańcy Prypeci mieli już nigdy nie wrócić do swoich domów. Dwa dni później rozpoczęto ewakuację wszystkich miejscowości w promieniu 30 km od elektrowni. Powstała w ten sposób legendarna strefa wykluczenia. W tym miejscu należy się zastanowić czy aż tak radykalna akcja ewakuacyjna była konieczna. 

Po 20 latach od wybuchu Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) opublikowała raport dotyczący skutków zdrowotnych katastrofy. Stwierdził on nieznaczny wzrost zachorowań na nowotwór tarczycy wśród likwidatorów i mieszkańców terenów skażonych, którego przyczyną mógł być radioaktywny jod I-131. Jednakże śmiertelność w tej grupie była bardzo niska. Najbardziej brzemiennym w skutkach wydarzeniem związanym z katastrofą w Czarnobylu była właśnie ewakuacja. Ludzie zostali z dnia na dzień wyrwani z miejsc, w których mieszkali przez całe życie i siłowo przesiedleni. Osoby ewakuowane ze strefy wykluczenia często spotykały się ze stygmatyzacją w swoich nowych miejscach zamieszkania. Wywołana była ona powszechnym, irracjonalnym strachem przed promieniowaniem i wszystkim co miało z nim styczność. Powyższe czynniki doprowadziły do epidemii depresji i alkoholizmu wśród wysiedlonych, co było najpoważniejszym skutkiem zdrowotnym katastrofy w Czarnobylskiej Elektrowni Jądrowej z 26 kwietnia 1986 roku. 

Według pomiarów prowadzonych regularnie od momentu katastrofy poziom dawek promieniowania w większości strefy wykluczenia w kilka lat po awarii spadł do poziomu tła w niektórych zamieszkanych miejscach w Europie. Pozwala to stwierdzić, że faktycznie tymczasowa ewakuacja mogłaby być dużo lepszym rozwiązaniem niż permanentne wysiedlenie.

Czego nauczyły nas katastrofy jądrowe?

Awarie w Three Mile Island i Czarnobylu miały daleko idące skutki dla całej branży energetyki jądrowej. Pierwsza z nich doprowadziła do zaostrzenia regulacji dotyczących bezpieczeństwa i reform systemów szkolenia operatorów na Zachodzie. O wiele bardziej drastyczny Czarnobyl spowodował przede wszystkim śmierć lub uszczerbek na zdrowiu od kilkudziesięciu do kilku tysięcy osób. Ponadto obnażył dysfunkcyjność radzieckiego systemu zarządzania i projektowania reaktorów jądrowych. W ciągu kilku lat po katastrofie pozostałe reaktory RBMK pracujące w Związku Radzieckim zostały zmodyfikowane w ten sposób, aby pozbyć się z nich najniebezpieczniejszych wad konstrukcyjnych. Katastrofa czarnobylska wytworzyła wiele mitów potęgujących irracjonalny strach przed energetyką jądrową, z których część niestety żyje do dzisiaj.

Źródła: nrc.gov
T. Ilnicki Czarnobyl i Fukushima. Przyczyny, przebieg i konsekwencje.
Raport INSAG-7
who.int

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Energetyków Jądrowych URANIUM, AGH.
Kamil Grabowski