... od atomowej apokalipsy na Wyspach Japońskich w 1945 r.  do awarii w czarnobylskiej  EJ
w  1986 r. Od tej drugiej kolejne czterdzieści lat minie w 2026 r., a gdy doliczymy "okład", to wypadnie gdzieś tak  I kw. 2027r. Czy powinniśmy spodziewać się jakiejś kolejnej apokalipsy tego rodzaju? Nie będę nikogo straszył, bo wszak i tak kto ma wisieć nie utonie. Zatem, gwoli przypomnienia, zastosowałem kanibalizm blogowy, czyli odgryzłem kawałek ze swojej  wcześniejszej notki i zamieszczam go jako odrębny tekst.
Jest to druga część tekstu zamieszczonego na „SN” 3,5 roku temu, choć powstał on sześć lat wcześniej (debiut na s24 z datą 26.04.2015 r.). Niżej link do wersji zamieszczonej na „SN”:

http://stanislaw-orda.szkolanawigatorow.pl/czarnobyl-poczatek-i-koniec

W obecnie przedstawianym tekście wprowadziłem, w porównaniu do poprzedniego, drobne stylistyczno-merytoryczne poprawki.

******

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 zapewne się domyślają, reaktor bloku czwartego elektrowni czarnobylskiej był tylko
w części wykorzystywany dla celów cywilnych, a bodajże 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. Natomiast, jeśli jest poddawany na dłuższą ekspozycję neutronów (tzw. bombardowanie neutronami), które są wytwarzane w procesach rozpadu pierwiastków radioaktywnych, zachodzących w rdzeniu reaktora, (które to procesy stanowią źródło energii - „paliwo”), czyli wskutek procesu rozpadu izotopw 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. A zatem otrzymany izotop plutonu o liczbie masowej 239 [2], który odkłada się na prętach kontrolnych (poprzez ich wsuwanie i wysuwanie kontroluje się przebieg pracy bloku energetycznego reaktora w ten sposób, 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 być wyjęty po trzech tygodniach, gdyż gdyby dłużej absorbował neutrony, tenże uran zamieniłby się w izotop plutonu o liczbie 240, zamiast o liczbie 239.

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 jego 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 to metal należący do rodziny aktynowców (transuranowiec), który jest bardzo 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 nawet w minimalnych ilościach zabójczy dla człowieka (skutki naprowmieniowania 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 obecność izotopu Pu 240 jedynie
w stężeniu kilku procent. W przypadku, gdy reaktor pracuje dla celów cywilnych, nie występuje taki limit ograniczenia czasowego odnośnie wyjmowania prętów w „grafiku” trzytygodniowym (wówczas nie pozyskuje się plutonu zdatnego do zastosowań militarnych). W takim przypadku 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. Tak długi czas stosowany przy wymianie prętów oznacza, że pluton zdążył się przemienić w nieprzydatny militarnie izotop o liczbie masowej 240.

Omówione ograniczenie czasowe, mające uwzględniać „priorytet” potrzeb militarnych, stało się powodem określonej konstrukcji budynku dla bloku reaktora, pozwalającej zapewnić łatwą wymianę kilkunastometrowej długości prętów, własnie w cyklu trzytygodniowym, ale bez zatrzymywania pracy reaktora (każdy pręt był wysuwany w innym terminie, wedle indywidualnego harmonogramu). Dlatego pręty były umieszczone w rurach i trzeba było taki pręt, który „przepracował” już swoje trzy tygodnie, jedynie wysunąć w górę, 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 wprowadzania ich do rdzenia. Hala reaktora musiała więc mieć 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 masywnej obudowy reaktora, a w jej miejsce nad reaktorem bloku czwartego sklecono jakieś prowizoryczne zadaszenie, które zdmuchnął juz pierwszy wybuch.

Reaktor w EJ w Czarnobylu był niebezpieczny w eksploatacji, gdyż reaktory grafitowe z chłodzeniem wodnym były wrażliwe na zmiany ilości wody, bądź jakiekolwiek zakłócenia w jej obiegu, a wówczas skutkowało 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 tego typu 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.

Gdy z jakichkolwiek przyczyn powstaje niedobór wody w obiegu, nadwyżkowe neutrony są zbyt wolno wychwytywane przez grafit (z którego zbudowane były części rdzenia reaktora), i ich ilość rośnie lawinowo, a wraz z nią temperatura w rdzeniu.

Pora wymienić kolejny ważny element, który okazał się główną przyczyną czarnobylskiej katastrofy . Otóż 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 przez izotop ksenonu jest stabilne, gdyż izotop ten ma krótki okres połowicznego rozpadu (ok. 16 sekund). Ale jednocześnie izotop ksenonu jest wytwarzany z  opóźnieniem. Przy 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 spóźnione 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 w drodze jego wyłączenia i odczekania, aż ksenon 135 rozpadnie się osiągając stężenie nie blokujące 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 ten blok, zaraz po jego zakończeniu, 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 prowadzenia eksperymentu, wysunęła z reaktora pręty kontrolne (spowalniające i kontrolujące reakcję łańcuchową) [5].

[5] w bloku czwartym EJ w Czarnobylu było zastosowanych 211 prętów (oczywiście, nie wszystkie eksploatowano równocześnie, część z nich stanowiła rezerwę).

Nagle, nieoczekiwanie dla obsługi, moc reaktora skoczyła w górę, gdyż dusząca reaktor nadwyżka ksenonu zdążyła się w międzyczasie „rozłożyć”, w wyniku czego nie absorbowała neutronów.
Ze względu na to, że pręty zostały wysunięte z reaktora, nie zaabsorbowały nagłej nadwyżki neutronów po „odtruciu”, co skutkowało tym, że moc reaktora rosła gwałtownie i w sposób niekontrolowany, a wraz z nią temperatura w rdzeniu bloku.

Obsługa, ulegając  panice, chciała zrzucić pręty, ale większa część kanałów dla nich zdążyła się już odkształcić z powodu zbyt wysokiej temperatury, zatem niewielka ilość  grafitu na tych nielicznych prętach, które zdołano opuścić, nie zdołała osłabić wzrostu temperatury. Rdzeń zaczął się topić, a ciśnienie przegrzanej pary , która wybuchowo wydostała się z obiegu, doprowadziło do zerwania dachu. Rosnąca temperatura rozłożyła wodę na wodór i tlen, doprowadzając do drugiego wybuchu, tym razem  wodoru. Zerwany dach otworzył dopływ powietrza (tlenu), co powodowało możliwość spalania się grafitu i emitowanie w szerokim promieniu od EJ efektów spalania, skażających przez długi czas atmosferę, glebę i wodę radionuklidami.

Kolejnym elementem, który uniemożliwił uniknięcie katastrofy, było ustawienie automatycznego „zrzucania prętów” do rdzenia reaktora jedynie w przypadku zaniku zasilania energii. Pręty kontrolne wiszą na elektromagnesach, czyli opadają siłą grawitacji wówczas, gdy wystąpi brak zasilania zewnętrznego w energię elektryczną.

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, jeśli pręty nie opadły samoistnie wskutek siły grawitacji, obsługa techniczna była zmuszona starać się opuszczać pręty kontrolne sposobem mechanicznym. Co, oczywiście trwało na tyle długo, że nie mogło, z wymienionych wcześniej powodów, przynieść pozytywnego rezultatu.

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

Info:

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

 

******

Wykaz wszystkich moich notek na portalu "Szkoła Nawigatorów" pod linkiem:

http://stanislaw-orda.szkolanawigatorow.pl/troche-prywaty

 

 

---

tagi:

	stanislaw-orda
	28 kwietnia 2021 10:51

31     1844    10 zaloguj sie by polubić