26 kwietnia 1986 miała miejsce największa w świecie awaria w elektrowni jądrowej. Do wypadku doszło w wyniku wybuchu wodoru z reaktora jądrowego, bloku energetycznego nr 4, elektrowni atomowej w Czarnobylu.
Podobnie jak niedawna awaria w elektrowni jądrowej Fukushima I, katastrofa w Czarnobylu została zakwalifikowana do siódmego, najwyższego stopnia w skali INES. W wyniku awarii skażeniu promieniotwórczemu uległ obszar ponad 140 000 km kwadratowych terenu na pograniczu Białorusi, Ukrainy i Rosji, a wyemitowana z uszkodzonego reaktora radioaktywna chmura rozprzestrzeniła się po całej Europie. W efekcie skażenia ewakuowano i przesiedlono ponad 350 000 osób.
Elektrownia w Czarnobylu
Elektrownia atomowa w Czarnobylu leży w pobliżu miasta Prypeć na Ukrainie, 18 km od Czarnobyla, 16 km od granicy ukraińsko-białoruskiej i około 110 km od Kijowa. W jej skład wchodzą cztery reaktory typu RBMK-1000, każdy o maksymalnej mocy 1 GW. W momencie katastrofy reaktory wytwarzały około 10% energii elektrycznej produkowanej na Ukrainie. Budowa elektrowni rozpoczęła się w latach 70. XX wieku. Reaktor nr 1 uruchomiony został w roku 1977, a nr 4 – w 1983. W momencie wypadku trwała budowa kolejnych dwóch reaktorów nr 5 i nr 6, także o mocy 1 GW.
Główną przyczyną katastrofy były błędy konstrukcyjne reaktora, skonstruowanego do celów wojskowych – produkcji plutonu. Reaktor był modularny i, w przypadku awarii, następował samoczynny wzrost mocy reaktora. Przyczyną wtórną były błędy proceduralne. Po katastrofie, z powodów politycznych, ZSRR eksponował głównie winę operatorów reaktora.
Błędy już przy projektowaniu
25 kwietnia 1986 personel obsługujący czwarty reaktor w elektrowni jądrowej w Czarnobylu prowadził przygotowania do testu, który miał zostać przeprowadzony następnego dnia. Eksperyment powinien odbyć się dwa lata wcześniej, przed oddaniem reaktora do eksploatacji. Jednak wówczas jego wykonanie zagrażało pozaplanowemu oddaniu reaktora do eksploatacji i odłożono go na później, łamiąc podstawowy przepis eksploatacji reaktorów.
Konieczność przeprowadzenia eksperymentu wynikła ze zmian w projekcie. Część wytwarzanego prądu elektrycznego była zużywana na zasilanie pomp wody chłodzącej, systemów kontrolnych itp. Gdyby doszło do konieczności wyłączenia reaktora, energię miały zapewnić początkowo awaryjne agregaty prądotwórcze, a potem z zewnątrz (inne bloki lub elektrownie).
Podczas budowy elektrowni okazało się, że awaryjne agregaty prądotwórcze uzyskują wystarczającą moc dopiero po 60 sekundach od wyłączenia reaktora, a turbogenerator po wyłączeniu reaktora dzięki sile rozpędu jest w stanie zapewniać wystarczającą moc zaledwie przez 15 sekund.
Później napięcie spadało poniżej wartości minimalnej wymaganej do zasilania systemu. Oznaczało to, że przez 45 sekund systemy kontrolne i bezpieczeństwa reaktora nie byłyby zasilane.
W związku z tym istniały dwie możliwości:
– zastosowanie agregatów prądotwórczych o krótszym czasie rozruchu;
– przerobienie turbogeneratorów.
Wybrane zostało to drugie rozwiązanie. W czasie prób technicznych przed odbiorem wykonano podobny eksperyment, który wykrył problem z agregatami prądotwórczymi. Potem przerobiono turbogeneratory, ale zabrakło czasu na powtórzenie eksperymentu, ponieważ zbliżał się czas oficjalnego oddania reaktora do eksploatacji.
Test miał wykazać, jak długo w sytuacji awaryjnej, po ustaniu napędzania turbin generatorów parą z reaktora, energia ich ruchu obrotowego produkuje wystarczającą ilość energii elektrycznej dla potrzeb awaryjnego sterowania reaktorem. Czas ten potrzebny jest, by uruchomić mały generator elektryczny napędzany przez silnik spalinowy. Eksperyment miał polegać na znacznym zmniejszeniu mocy reaktora, następnie na zablokowaniu dopływu pary do turbin generatorów i mierzeniu czasu ich pracy po odcięciu w taki sposób zasilania.
Reaktory pracujące w czarnobylskiej elektrowni typu RBMK-1000 są niestabilne przy małej mocy. Wzrost ilości pary w rdzeniu powoduje zwiększanie wytwarzanej przez reaktor energii. Powoduje to niekontrolowany wzrost mocy reaktora. Inną wadą reaktorów RBMK-1000 była konstrukcja prętów kontrolnych, zawierających absorbujący neutrony bor. Ich grafitowe końcówki wymagały powolnego opuszczania (do 20 sekund), a ponadto w początkowej fazie dodatkowa ilość grafitu zawarta w prętach spowalniała jeszcze więcej neutronów, co przyspieszało reakcję łańcuchową. Personel elektrowni nie był wystarczająco poinformowany o tych wadach reaktora i ich skutkach.
Fatalny zbieg okoliczności
Reaktor miał zostać odłączony od sieci 25 kwietnia 1986 w ciągu dnia. Dzienna zmiana pracowników została uprzedzona o planowanym doświadczeniu i zapoznała się z odpowiednimi procedurami. Nad przebiegiem eksperymentu i działaniem nowego systemu czuwać miała specjalnie powołana grupa specjalistów pod nadzorem Anatolija Diatłowa (zastępcy naczelnego inżyniera elektrowni i jedynego atomisty w jej kierownictwie).
Zgodnie z planem eksperymentu, od rana moc reaktora była stopniowo obniżana aż do poziomu 50%. Wtedy jedna z okolicznych elektrowni nieoczekiwanie przerwała produkcję energii. Aby zapobiec niedoborom elektryczności, dyspozytornia mocy w Kijowie zażądała opóźnienia wyłączenia reaktora do wieczora, kompensując popołudniowy wzrost zapotrzebowania na prąd.
Dopiero o godzinie 23:04 z dyspozytorni nadeszła zgoda na wyłączenie reaktora. To opóźnienie było katastrofalne w skutkach. Dzienna zmiana, zaznajomiona z procedurami, dawno już zakończyła pracę. Zmiana popołudniowa szykowała się do odejścia, a nocna, która rozpoczynała pracę o godzinie 0:00, miała przejąć kontrolę reaktora już w trakcie eksperymentu. Zespół ekspertów również odczuwał zmęczenie bezczynnym oczekiwaniem od rana.
Szefem zmiany nocnej był Aleksander Akimow, a operatorem odpowiedzialnym za obsługę reaktora – Leonid Toptunow, młody inżynier z niewielkim stażem pracy (ok. 3 miesięcy). Początkowo rozpoczęto redukcję mocy reaktora z nominalnej 3,2 GW do założonej 0,7–1,0 GW. Jednakże niedoświadczony operator, Leonid Toptunow, za bardzo zredukował tę moc, która spadła do 10 MW.
W tej sytuacji doszło do nadmiernego wydzielania się ksenonu-135, który silnie pochłania neutrony (tzn. zatrucie ksenonowe). Reaktor nie posiadał odpowiednich przyrządów kontrolnych, które pozwoliłyby to wykryć. W przypadku zatrucia ksenonowego należy wyłączyć reaktor i poczekać około 24 h do ponownego uruchomienia.
Przy tak małej mocy przeprowadzenie eksperymentu było niemożliwe. Operatorzy, nieświadomi zatrucia ksenonowego, zaczęli usuwać kolejne pręty kontrolne, aż do momentu gdy konieczne było wyłączenie automatycznych mechanizmów i ręczne przesunięcie prętów do pozycji znacznie przekraczającej przyjęte normy.
Reaktor powoli zwiększył moc do 200 MW, czyli poziomu trzykrotnie niższego niż wymagany do eksperymentu. Mimo tego, nie przerwano go – na jego kontynuację nalegał Diatłow, który lekceważył zastrzeżenia operatorów, nie dorównujących mu ani pozycją ani doświadczeniem zawodowym. Zgodnie z planem, 26 kwietnia o godzinie 1:05 zwiększono obieg wody chłodzącej.
Przepływ chłodziwa przekroczył górny limit o godzinie 1:16. Zwiększone chłodzenie obniżyło temperaturę rdzenia reaktora, a co za tym idzie – ilość pary wodnej. Woda w stanie ciekłym pochłania więcej neutronów niż para, w efekcie czego moc reaktora ponownie spadła. Zrekompensowano to jeszcze dalszym wysunięciem prętów kontrolnych.
W wyniku tych działań reaktor został doprowadzony do skrajnie niestabilnego stanu i pozbawiony zupełnie kontroli. Jedynym czynnikiem hamującym pracę reaktora był wysoki poziom ksenonu w paliwie jądrowym. W tej sytuacji automatyczny system bezpieczeństwa powinien całkowicie wygasić reaktor, jednakże operatorzy zadecydowali o wyłączeniu tego zabezpieczenia.
Pierwszy wybuch
O godzinie 01:23:04 rozpoczął się niedopracowany eksperyment. Załoga, nie zdając sobie sprawy z niestabilności reaktora, wyłączyła przepływ pary do turbin. Ponieważ zwalniająca turbina napędzała pompy, przepływ wody chłodzącej zaczął maleć, a produkcja pary wzrosła, co spowodowało wzrost ilości rozszczepień, a co za tym idzie – temperatury. To jeszcze bardziej zwiększyło parowanie wody. Szybko przekroczona została szybkość pracy reaktora, która mogła być zahamowana przez wydzielony ksenon. Wzrost mocy i temperatury reaktora nastąpił lawinowo.
O 01:23:40 Aleksander Akimow próbował uruchomić procedurę AZ-5, która natychmiastowo wygasza reaktor poprzez całkowite wsunięcie prętów kontrolnych, także tych wyjętych wcześniej ręcznie. Do dziś niejasne jest, czy było to działanie mające zapobiec katastrofie czy po prostu sposób na zrealizowanie planowego wyłączenia reaktora. Diatłow pisze: „Przed godziną 01:23:40 centralny system kontrolny (…) nie zarejestrował żadnych zmian parametrów, które usprawiedliwiałyby AZ-5. Komisja po przeanalizowaniu dużej ilości materiału, nie ustaliła przyczyny rozpoczęcia AZ-5. Reaktor po prostu miał być wyłączony na zakończenie eksperymentu”.
Mechanizm wprowadzający pręty kontrolne do rdzenia nie zadziałał. Powolne tempo wsuwania prętów (około 18-20 sekund na przebycie całej długości) było jedną z przyczyn. Jeszcze gorsze skutki wywołała wadliwa konstrukcja prętów. Ich końcówki wykonane były z grafitu. Podczas wsuwania wypychały chłodziwo, a same – będąc moderatorem – wbrew zamierzeniu przyspieszały reakcję łańcuchową.
W efekcie tego AZ-5, zamiast wygasić reaktor, spowodował nagły wzrost mocy. Wypowiedzi Diatłowa wskazują, że się tego domyślał i dlatego nie chciał włączyć AZ-5; jednakże po pierwsze Akimow postąpił zgodnie z obowiązującymi procedurami, a po drugie Diatłow nie miał w zwyczaju objaśniać motywów swoich działań, a tylko oczekiwał od podwładnych ślepego posłuszeństwa.
Przegrzanie rdzenia sprawiło, że kanały paliwowe popękały, blokując pręty kontrolne. W ciągu trzech sekund moc reaktora wzrosła do 530 MW. O godzinie 01:23:47, w siedem sekund po rozpoczęciu AZ-5, moc cieplna osiągnęła 30 GW, niemal dziesięciokrotnie przekraczając normalny poziom. Gwałtowny wzrost ciśnienia zniszczył kanały paliwowe i rozerwał rury z wodą chłodzącą. Paliwo zaczęło się topić i wpadać do zalegającej na dnie wody.
W 20 sekund po rozpoczęciu AZ-5, wzrost ciśnienia znajdującej się w reaktorze pary wodnej doprowadził do pierwszej eksplozji pary, która wysadziła ważącą 1200 ton osłonę biologiczną (antyradiacyjną) pokrywającą reaktor. Kompletnie zniszczony rdzeń reaktora wszedł w kontakt z chłodziwem, co spowodowało reakcję cyrkonowych wyściółek kanałów paliwowych z wodą, która zaczęła rozkładać się z wydzielaniem wodoru, a po zniszczeniu cyrkonowych osłon bezpośrednio zetknęła się z rozżarzonym grafitem o temperaturze 3000°C i doszło do wydzielenia się mieszanki piorunującej (wodór i tlen w stosunku 2:1).
Drugi wybuch
Następnie doszło do drugiej, jeszcze większej eksplozji wodoru i tlenu, która zniszczyła budynek czwartego reaktora. Eksplozja ta pozwoliła na wniknięcie powietrza do wnętrza reaktora. Spowodowało to zapłon kilku ton grafitowych bloków izolujących reaktor, które płonąc przez 9 dni, uwolniły do atmosfery najwięcej izotopów promieniotwórczych.
Radioaktywne cząstki wyrzucone przez wybuch do atmosfery i te emitowane nadal w wyniku trwającego pożaru grafitu, tworzyły pióropusz radioaktywnych drobin o wysokości 1030 m, który następnie przemieścił się w stronę miasta Prypeć. Wiatr jednak utrzymywał jakiś czas chmurę radioaktywnych cząstek z dala od miasta. Potem chmura radioaktywna powędrowała w kierunku północno-zachodnim. Europa powiadomiła świat o katastrofie w ZSRR.
Krzysztof Szymański
