Tekst opracował specjalista energetyki, m.in. jądrowej, inż. Andrzej Nawrocki (Wrocław)

Blok czwarty elektrowni jądrowej w Czarnobylu, kilka miesięcy po katastrofie

Źródło: Wikimedia, licencja: CC BY-SA 2.0

Czy Czarnobyl musiał się zdarzyć? Nie musiał, ale mógł. A skoro mógł, to się zdarzył. I zapytajmy od razu: czy w Żarnowcu, gdyby oczywiście Żarnowiec był, mogło się zdarzyć coś podobnego? Nie! Nie mogłoby. A dlaczego? Spróbujemy wyjaśnić niżej, korzystając z fragmentu strony 8. tekstu „Subiektywna historia polskiej energetyki jądrowej”.

Mowa tam o różnych przesłankach, którymi się kierowano, podejmując decyzję o wstrzymaniu budowy i likwidacji projektu EJ Żarnowiec. Obok przesłanek ekonomicznych, katastrofa w Czarnobylu wytworzyła klimat wielce sprzyjający przeciwnikom energetyki jądrowej, zwłaszcza radzieckiej. Natomiast nie dość odważne i nie dość kompletne wyjaśnienia kwestii Czarnobyla nie pomogły sprawie.

Winien był wodór, który się zapalił, winien był grafit, który się zapalił, ale dlaczego się zapaliły, tego już nie mówiono. Jak diabeł święconej wody unikano stwierdzenia „wybuch jądrowy”. Słaby, nieudolny, ale wybuch! Bo jak inaczej wytłumaczyć fakt, że w ciągu 4 sekund moc reaktora wzrosła 100 razy? (Inne dane mówią: 1000 razy w 11 sekund). To musiała być nadkrytyczność (lub w pobliżu tego „nad”) na neutronach natychmiastowych! Kluczono, byle tylko z określeniem „reaktor jądrowy” nie kojarzyć słowa „wybuch”. Pamiętamy przecież, że „wybuch” to nic innego jak gwałtowne rozprężenie się jakiegoś medium zgromadzonego pod wysokim ciśnieniem w jakimś zbiorniku. Wysokie ciśnienie natomiast to wynik wysokiej temperatury, która spowodowała stopienie i odparowanie wszystkiego, co w tym zbiorniku mogło się stopić czy odparować. Z kolei wysoką temperaturę spowodowała duża ilość gwałtownie wyzwolonej w wyniku defektu masy towarzyszącemu jakimś przemianom energii. Gdy są to przemiany na poziomie jąder atomowych, które nazywamy reakcjami jądrowymi, a do takich należy reakcja rozszczepienia jader atomowych powodowana neutronami – istota reaktorów jądrowych, to był to wybuch jądrowy. (W odróżnieniu od wybuchu „atomowego”, inaczej – „chemicznego”, gdzie energia wyzwalana jest w wyniku defektu masy towarzyszącemu reakcjom chemicznym, czyli atomowym).(*)

W rezultacie tej katastrofy w powszechnej opinii wszystko, co jądrowe i radzieckie / rosyjskie, miało cechy czarnobylskie! A przecież gros radzieckiej / rosyjskiej energetyki jądrowej to reaktory typu PWR (Pressurized Water Reactor), w naszej części świata nazywane WWER (Wodno-Wodny Energetyczny Reaktor). W takich reaktorach odparowanie wody poprzez zanik spowolnienia neutronów prowadzi do zatrzymania reakcji rozszczepienia, i to pomimo równoczesnego pewnego ubytku pochłaniania neutronów. Natomiast w Czarnobylu, w reaktorze RBMK (Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj), gdzie za spowolnienie neutronów odpowiada głównie grafit – przeciwnie. Odparowanie wody poprzez ubytek pochłaniania neutronów prowadzi do intensyfikacji reakcji rozszczepienia. I stąd te 100 razy w 4 sekundy! W tym klimacie, dla bardziej zapalczywych i nawiedzonych, energetyka jądrowa jawiła się jako zbrodniczy wymysł „żydokomuny”! To nie budowało klimatu „projądrowego”.

Spróbujemy teraz odpowiedzieć sobie na pytanie: po co, albo dlaczego, coś takiego, co mogło zachować się tak jak w Czarnobylu się zachowało, czyli wybuchło, człowiek wymyślił, skonstruował, zbudował i do eksploatacji oddał. Reaktor w Czarnobylu i jeszcze w paru innych lokalizacjach byłego Związku Radzieckiego (Leningrad, Ignalina) to reaktor tzw. wrzący, na neutronach termicznych (spowolnionych), typ RBMK. Paliwem był nisko wzbogacony uran (parę procent rozszczepialnego izotopu U-235). Spowalniaczem neutronów grafit, natomiast czynnikiem roboczym – woda pod wysokim ciśnieniem. Ciepło powstałe w elementach paliwowych w wyniku reakcji rozszczepienia wynoszone jest do turbiny parowej wymuszonym przepływem czynnika roboczego wzdłuż elementów paliwowych. W kanałach z elementami paliwowymi woda podgrzewa się to nasycenia, wrze, a przegrzana w pewnym stopniu para wodna wprost zasilała turbinę parową. To oczywiste, że woda w rdzeniu reaktora ma również pewien udział w spowolnianiu neutronów (sprzyjającym rozszczepieniu), ale i ich pochłanianiu (szkodliwym dla rozszczepień).

Zasadne wydaje się pytanie: po co, albo dlaczego, wymyślono i zbudowano Czarnobyl,
a właściwie „Czarnobyle”? Aparat, którego właściwości były dobrze rozumiane, chociaż być może nie do końca wówczas ilościowo opanowane. Ja widzę dwa powody:

1. Dla zastąpienia trudnej, bo wysokociśnieniowej (znacznie ponad 100 ata) konstrukcji zbiornikowej o średnicy około 4000 mm technologicznie łatwiejszą konstrukcją kanałową, wprawdzie też wysokociśnieniową, ale o średnicach tylko około 200 mm.
2. Dla plutonu, tj. pierwiastka niewystępującego w przyrodzie, ale wielce pożądanego, bo jego izotop Pu-239 jest rozszczepialny, tak jak znany wszystkim i występujący
   w przyrodzie izotop U-235. Wytwarzając Pu-239, znacznie powiększamy (teoretycznie stukrotnie) zasoby paliwa jądrowego i dla reaktorów, i dla przemysłu zbrojeniowego (w pewnych zastosowaniach Pu-239 przewyższa U-235: większą liczbą neutronów w jednym akcie rozszczepienia przy mniejszej liczbie neutronów opóźnionych. Druga bomba, ta w Nagasaki, była już plutonowa).

Pu-239 powstaje w wyniku kaskady dwóch beta rozpadów U-239 (po drodze był Np-239) w reaktorze z paliwem uranowym w drodze pochłaniania neutronu przez U-238. I tak się dzieje w każdym reaktorze, z tym że w reaktorach na neutrony szybkie (FBR – Fast Breeder Reactor) dzieje się to efektywniej, a RBMK ma w niewielkim stopniu cechę zbliżoną do FBR. Powstający w reaktorze Pu-239 podlega równocześnie wypaleniu, natomiast konstrukcja kanałowa, w przeciwieństwie do zbiornikowej, pozwala na zindywidualizowane usuwanie z rdzenia reaktora elementów paliwowych z dostatecznie nagromadzonym Pu-239.

A jak doszło do niezamierzonego wybuchu?

Doszło do niego w wyniku niekorzystnego zbiegu kilku okoliczności. Blok, pracując z obniżoną mocą, był już przygotowany do pewnego eksperymentu elektrotechnicznego. Zmierzano do określenia ilości generowanej energii elektrycznej (dla potrzeb własnych) po wyłączeniu reaktora, tj. po zatrzymaniu reakcji rozszczepienia, a korzystaniu z tzw. „ciepła powyłączeniowego”, czyli pochodzącego z rozpadu promieniotwórczego produktów rozszczepienia. Zdarzyło się, że na polecenie dyspozycji mocy wynikającego z potrzeb sieci eksperyment zawieszono, a reaktor, pracując na obniżonej mocy, doznawał narastającego zatrucia ksenonowego (ksenon to produkt rozszczepienia silnie pochłaniający neutrony). Dla stabilizacji mocy reaktora podjęto działania neutralizujące zatrucie ksenonem: maksymalnie możliwe wycofanie z rdzenia reaktora elementów regulacyjnych i bezpieczeństwa, a także zdławienie zasilania kanałów paliwowych wodą. Ten drugi zabieg doprowadził do gwałtownego odparowania wody, a więc do drastycznego zmniejszenia pochłaniania neutronów, co w branży nazywamy „dodatnie sprzężenie zwrotne wywołane efektem próżniowym”. Natomiast wspomniane wyżej maksymalne wycofanie elementów regulacyjnych o pewnej nie najszczęśliwszej budowie w znacznym stopniu ograniczyło możliwość ratowania się poprzez szybkie wprowadzenie do rdzenia pochłaniających neutrony elementów regulacyjnych i zabezpieczenia. Nie dziwota zatem, że doszło do „100 razy w 4 sekundy”!

(*) Od redakcji: Podkreślmy, aby nie było niejednoznaczności – wybuch czarnobylski nie był eksplozją podobną do tej w Hiroszimie, choć efekty w postaci skażenia były zbliżone.