Kategoria: promieniowanie

Łaskotanie ogona śpiącego smoka – tragiczna historia Daghliana i Slotina

Mirosław Dworniczak8 komentarzy

Tytułowa przenośnia oznaczająca ryzykowne i nie do końca przemyślane działania została wymyślona przez Richarda Feynmana, gdy obserwował prace niektórych eksperymentatorów pracujących w ramach Projektu Manhattan. Przypomnę może, że jest to nazwa kodowa amerykańskiego tajnego programu dotyczącego wykorzystania energii jądrowej, zarówno do celów cywilnych, jak też czysto militarnych. Program zainicjowano dzięki słynnemu listowi Einsteina i Szilarda (1939), rozwinięto w latach 1942-46, a formalnie zakończono w 1947.

Cały program obejmował setki rozmaitych działań – od rozważań teoretycznych przez eksperymenty chemiczne, fizyczne, projekty stricte technologiczne aż do zwieńczenia, którym był test bomby jądrowej o nazwie kodowej Trinity.

Jednym z bardzo ważnych problemów, który musiał zostać rozwiązany w Los Alamos, było doświadczalne wyznaczenie wartości masy krytycznej. Nazywamy tak minimalną masę materiału rozszczepialnego, w której reakcja rozszczepienia jąder atomowych zaczyna przebiegać w sposób łańcuchowy. Obliczenia teoretyczne nie dały prostej i jednoznacznej odpowiedzi na pytanie o masę krytyczną. Różni uczeni uzyskiwali bardzo różne wartości – od kilkunastu kilogramów do ton (!). Dlatego też prowadzono eksperymenty, które mogłyby dać realną odpowiedź na pytanie o konkretną wartość, przynajmniej dla podstawowych pierwiastków – uranu-235 oraz plutonu-239.

Na czym te doświadczenia polegały? Były one dwutorowe. Jedne polegały na przygotowaniu dwóch półkul z materiału rozszczepialnego, a następnie zbliżaniu ich do siebie i monitorowaniu wzrostu promieniowania emitowanego przez ten zestaw. Oczywiście wszystko musiało być prowadzone bardzo ostrożnie, aby nie wywołać rzeczywistego wybuchu jądrowego. Do pewnego stopnia można by to porównać do prób zbliżania zapalonej zapałki do otwartej beczki z benzyną w celu wyznaczenia minimalnej odległości, w której pary benzyny się jeszcze nie zapalą.

W ramach drugich doświadczeń przygotowywano podobne półkule, ale dodatkowo otoczone połówkami wydrążonych kul wykonanych z materiału odbijającego neutrony. Dzięki takiej konstrukcji masa krytyczna materiału rozszczepialnego może być zdecydowanie mniejsza.

I właśnie takie eksperymenty prowadził m.in. Harry Daghlian. Był to bardzo błyskotliwy fizyk pochodzenia armeńsko-amerykańskiego. W wieku 17 lat zaczął studiować matematykę na MIT, ale szybko zakochał się w fizyce, którą ukończył w wieku 21 lat. W 1944 roku został zatrudniony w ramach Projektu Manhattan i przydzielony do grupy badającej masę krytyczną. 21 sierpnia 1945 r., a więc dwa tygodnie po zrzuceniu bomby na Hiroszimę, Daghlian przeprowadzał kolejne doświadczenie z wykorzystaniem rdzenia z plutonu-239 i deflektora neutronów wykonanego z kostek węglika wolframu. W pewnym momencie pozostała mu do dołożenia ostatnia kostka. Zbliżając ją do zestawu, zauważył, że promieniowanie zaczyna szybko rosnąć. W tym momencie popełnił błąd, który kosztował go życie. Cofając ręce, zahaczył o krawędź zestawu, kostka wpadła do środka, powodując start reakcji łańcuchowej. Młody fizyk szybko rozmontował kostki węglika, co zatrzymało reakcję. Niestety, w ciągu tego czasu pochłonął gigantyczną ilość promieniowania gamma i neutronowego. Szacuje się, że było to ok. 5 siwertów. Jest to dawka, która zwykle powoduje śmierć osoby napromieniowanej w ciągu miesiąca. Tak też było w tym przypadku. Daghlian zapadł w śpiączkę i pomimo troskliwej opieki medycznej zmarł po 25 dniach.

Plutonowy rdzeń był nadal wykorzystywany do badań. W 1946 r. zajął się nim kanadyjski fizyk, Louis Slotin. Ten 35-latek z Winnipeg zrobił w 1936 roku doktorat z chemii fizycznej w King’s College w Londynie, a w 1942 został członkiem zespołu badawczego w Los Alamos. 21 maja 1946 r. wykonywał eksperyment ze zbliżaniem do siebie połówek rdzenia z Pu-239. W typowym doświadczeniu kula plutonu jest umieszczona w połówce sfery wykonanej z berylu – reflektora neutronów. Druga połówka sfery jest oddzielona przekładkami dystansowymi. Slotin postanowił uprościć procedurę i zamiast przekładek użył zwykłego śrubokrętu. W pewnym momencie śrubokręt wysunął się z zestawu i górna część reflektora berylowego opadła na dolną, co spowodowało gwałtowny wzrost promieniowania – zestaw stał się nadkrytyczny. Pomieszczenie wypełniło niebieskie światło zjonizowanego powietrza [niektóre źródła twierdzą, że było to promieniowanie Czerenkowa – nie jestem kompetentny, aby to rozstrzygnąć]. Slotin zdążył jeszcze zrzucić górną półkulę berylową na podłogę, co zapobiegło większej tragedii. Poczuł w ustach kwaśny smak, a jego lewa ręka zaczęła silnie piec. Natychmiast po opuszczeniu budynku zaczął wymiotować. Były to typowe objawy silnej choroby popromiennej. Nic dziwnego – fizyk zaabsorbował ok. 21 siwertów promieniowania gamma i neutronowego. Jego los był przesądzony. Zmarł 9 dni później.

Harry Daghlian (drugi z lewej) i Louis Slotin (drugi z prawej) przyglądają się montażowi bomby do testu Trinity.

Źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Rdzeń wykorzystywany w obu tragicznych eksperymentach zyskał nazwę „demon core” („diabelski rdzeń”). Nie prowadzono z nim dalszych eksperymentów związanych z masą krytyczną.

Rekonstrukcja “diabelskiego rdzenia” z eksperymentu Slotina

Źródło: Wikimedia, licencja: Los Alamos National Laboratory

Literatura uzupełniająca

Moim zdaniem najlepsza książka opisująca amerykańską drogę do bomby jądrowej
Richard Rhodes – Jak powstała bomba atomowa

(c) by Mirosław Dworniczak. Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem. Linkować oczywiście można.

Czarnobyl – 2. Oczami inżyniera

Mirosław Dworniczak2 komentarze

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.

Czarnobyl – 1. Dlaczego nastąpiła katastrofa?

Mirosław Dworniczak2 komentarze

Zacznę od osobistego wspomnienia. Pod koniec kwietnia 1986 panowała bardzo ładna pogoda. Było dość ciepło i bezchmurnie. Moja dwuletnia córka kolejny raz zachorowała na anginę. Strasznie smutna patrzyła przez okno na podwórko, gdzie w piaskownicy bawiły się dzieci. Sama oczywiście nie mogła wyjść.

26 kwietnia była sobota. Nikt tutaj nie był świadomy, że 1000 km od nas zaczyna się dramat, który będzie trwał w zasadzie przez lata. W poniedziałek, 28 kwietnia poszedłem do pracy. Około południa przyszedł do naszego zakładu Włodek Augustyniak, radiochemik. Przyniósł zastanawiającą informację – ponieważ po południu miał mieć ćwiczenia ze studentami, chciał przygotować mierniki promieniowania gamma do pomiarów. Zauważył, że liczniki po prostu szaleją. Nie dało się ich wyzerować, po kilku minutach poziom promieniowania rósł. Już wtedy podejrzewał, że coś się musiało wydarzyć, ale nie miał pojęcia, co. Zadzwonił do Warszawy, do Centralnego Laboratorium Ochrony Radiologicznej (tzw. CLOR) z pytaniem, czy coś wiedzą. Odpowiedzieli, że absolutnie nic. Teraz już wiemy, że musieli mieć informacje, choćby ze stacji w Mikołajkach, gdzie rano tego dnia (po 5) poziom promieniowania wzrósł pół miliona razy! CLOR został poinformowany, więc w chwili, gdy Włodek dzwonił, informacja już tam była, ale została oczywiście utajniona. Po burzy mózgów postanowiliśmy przygotować płyn Lugola. Zrobiliśmy go dużo, tak że rozdawałem pojemniczki sąsiadom w hotelu asystenta, w którym mieszkałem. Tak wkroczyliśmy w epokę Czarnobyla.

W następnym wpisie pan inż. Nawrocki opisze katastrofę oczami inżyniera. Ja chciałbym tu w wielkim skrócie napisać, co tak naprawdę tam się stało. Przede wszystkim – ten reaktor nie powinien zostać dopuszczony do działania, ponieważ nie wykonano jednego z testów bezpieczeństwa. Dlaczego? Odpowiedź jest prosta – socjalizm. Wtedy mniej istotne były procedury bezpieczeństwa, natomiast liczyło się tylko to, żeby sztandarowe budowy oddać przed terminem. Odłożony eksperyment zaplanowano na kwiecień 1986, aby zameldować władzom w Moskwie sukces przed 1 maja. Miał być wykonany w ciągu dnia, ale… no właśnie, trzeba było go przesunąć, ponieważ była w tym momencie awaria innej elektrowni – w Smoleńsku. Dlatego też rozpoczęto go w piątek, 25 kwietnia, po godz. 23.00, w środku nocy.

Mówiąc krótko – całość miała polegać na „wyłączeniu” reaktora i sprawdzeniu, czy wszystkie systemy zadziałają prawidłowo. Trzeba wiedzieć, że nawet reaktor, który nie pracuje, musi być cały czas chłodzony, a do chłodzenia potrzeba zasilania prądem. Problem polegał na tym, że w chwili, gdy wyłączy się prąd, agregaty awaryjne potrzebują 60 sekund, aby przejąć zasilanie. Tymczasem główne turbogeneratory dostarczają energię tylko przez 15 sekund. No i mamy lukę – kluczowe 45 sekund.

Tutaj niestety zaczęły się błędy ludzi, wynikające z braku doświadczenia i zmęczenia. Na przedpołudniowej zmianie była odpowiednia kadra, która uczestniczyła już w podobnych testach. Nocny zespół był niestety zdecydowanie mniej doświadczony. Jednym z kardynalnych błędów było wyłączenie systemu automatycznego wyłączania reaktora. Podstawową kwestią, która miała tutaj kluczowe znaczenie, był fakt, że ten typ reaktora jest bardzo czuły na zmiany mocy (pojawia się tzw. zatrucie ksenonowe), które mogą spowodować niestabilność jego działania. Tak się właśnie stało. Jeśli ktoś chciałby dowiedzieć się nieco dokładniej o mechanizmie tego, co poprzedziło wybuch, proponuję zapoznać się z pojęciem współczynnika reaktywności przestrzeni parowych.

26 kwietnia, około godziny 1.23, gdy reaktor zaczął wymykać się spod kontroli, próbowano uruchomić procedurę natychmiastowego wsunięcia prętów kontrolnych w celu wygaszenia reaktora (tzw. procedura AZ-5). Nie udała się, ponieważ pręty kontrolne miały końcówki grafitowe (one pogorszyły sytuację), rdzeń już był przegrzany, co spowodowało znaczące odkształcenie kanałów, w które pręty powinny się wsunąć. W efekcie doszło do niekontrolowanego wzrostu mocy, co spowodowało gwałtowny wzrost ciśnienia wewnątrz reaktora, którego skutkiem było wyrzucenie w powietrze osłony radiacyjnej reaktora (1200 ton!). Naruszenie konstrukcji spowodowało z kolei kontakt wody z cyrkonowymi osłonami kanałów paliwowych, co doprowadziło do rozkładu wody chłodzącej na gazowy wodór i tlen. Ta mieszanina piorunująca eksplodowała nieco później, po zetknięciu się gazów z rozgrzanym do 3 tysięcy stopni grafitem. Wybuch zniszczył budynek czwartego bloku reaktora, powodując zapłon kilku ton kostek grafitowych i ich rozrzucenie po okolicy. Ich pożar trwał 9 dni. To właśnie wtedy do atmosfery przedostały się duże ilości izotopów promieniotwórczych, głównie jodu, cezu i strontu.

Chmura radioaktywna ruszyła na północ, ale niestety po kilkunastu godzinach zmieniła kierunek i nadciągnęła m.in. nad Polskę. Stąd wyniki ze stacji w Mikołajkach. Potem chmura poszła dalej na południe siejąc izotopami. Co ciekawe, największe punktowe skażenia nie były na północy, ale na Opolszczyźnie. Jod się zdezaktywował dość szybko, ale cez, a zwłaszcza stront są w glebie do dziś, chociaż już praktycznie nie stanowią już niebezpieczeństwa.

Dziś strefa wokół Czarnobyla podlega nadal restrykcjom. Sam reaktor jest od 2013 osłonięty tzw. arką, która w założeniu ma przetrwać ok. 100 lat.

O katastrofie napisano już wiele, ja z konieczności musiałem to skrócić do minimum.

Literatura uzupełniająca:

Adam Higginbotham – O północy w Czarnobylu – niesamowicie ciekawa książka!

Katastrofa w Czarnobylu minuta po minucie

Chronologia wydarzeń (j. ang.)

Jak to z Czarnobylem było – prof. Zbigniew Jaworski