Otkrivanje tajni Černobila I. dio: Uzroci eksplozije

Utorak, 17. lipnja 2008. u 08:37 sati

"Ljudi jednako preuveličavaju i sreću i nesreću: nikada nismo ni tako sretni ni tako nesretni kako se to govori"
Honoré de Balzac, "Modeste Mignon", 1844.

Od vremena Honoré de Balzaca nije se mnogo promijenilo. Još uvijek smo skloni preuveličavanju događaja, pogotovo nesreća. Sveprisutnim mistificiranjem i zastrašivanjem događanjima u nuklearnoj elektrani Černobil iz 1986., među ljudima se raširio strah, produbljen čak do razine praznovjerja, vezano uz nuklearne elektrane i nuklearnu energiju. U doba kada smo prisiljeni, zbog rasta cijene nafte i plina, okrenuti se novim izvorima energije, kao najveća alternativa upravo jest nuklearna energija. Najveći protuargument nuklearnim elektranama jest Černobil. Što se to tako strašno dogodilo u Černobilu? Trebamo li uistinu, na temelju Černobila, strahovati po pitanju nuklearnih elektrana? Kako bih vam pokušao ponuditi odgovore na ta pitanja, kroz priču u dva nastavka, vodim vas kroz povijest nuklearne energije i tajne nesreće u Čenobilu.

Od otkrića fisije do nuklearnih elektrana
Nakon što je Enrico Fermi 1934. godine zajedno sa svojim suradnicima otkrio kako se jezgra urana cijepa ako je gađamo neutronima, nije bio niti svjestan kako će njegovo otkriće promijeniti svijet. Četiri godine kasnije Otto Hahn, Fritz Strassmann, Lise Meitner i Otto Robert Frisch otkrivaju da se jezgra cijepa na dva približno jednaka dijela, a nedugo potom Leo Szilard objavljuje da se pritom oslobađaju i neutroni sposobni napasti druge jezgre urana i tako izazvati lančanu reakciju. Proces je nazvan fisijom.


Nadolazeći neutron cijepa jezgru urana 235 na dva približno jednaka dijela
pri čemu se oslobađa energije te dodatni neutroni koji potom započinju
lančanu  reakciju koja može biti kontrolirana (elektrane) i
nekontrolirana (atomsko oružje). Izvor: www.btinternet.com

Kada je, nedugo nakon tih otkrića, 1939. godine, izbio Drugi svjetski rat, interes glavnih sudionika rata za nuklearnu energiju bio je velik. Oružje temeljeno na toj energiji preokrenulo bi rat u korist onoga tko ga posjeduje. Energija sadržana u kilogramu urana više je no milijun puta veća od one sadržane u kilogramu ugljena. S time na umu krenulo se u istraživanje nuklearne energije i njene moguće primjene. Veliku ulogu u pokretanju projekta izrade atomske bombe imao je i slavni fizičar Albert Einstein, koji je u svojim pismima američkom predsjedniku Franklinu Delanou Rooseveltu, poglavito trećem pismu koje je potpisao zajedno s Leo Szilardom, inicirao pokretanje projekta Manhattan.

Još od vremena dolaska Hitlera na vlast 1933. započeo je progon Židova i svih onih koji su smatrani nepodobnima u novostvorenom Trećem Reichu i njegovim saveznicima. To je za posljedicu imalo bježanje znanstvenika prema sigurnijim zemljama, poglavito prema SAD-u. Među njima bili su i Enrico Fermi i Leo Szilard, koji su 1942. godine, u jeku rata, konstruirali prvi funkcionalni nuklearni reaktor Chicago Pile-1.


Znanstveni tim koji stoji iza uspješnog kreiranja prvog funkcionalnog reaktora Chicago Pile-I na četvrtoj godišnjici
njihovog uspjeha. Počevši od gornjeg reda s lijeva na desno stoje: Norman Hilberry, Samuel Allison, Thomas Brill,
Robert G. Nobles, Warren Nyer i Marvin Wilkening. Srednji red: Harold Agnew, William Sturm, Harold Lichtenberger,
Leona W. Marshall i Leo Szilard. Prednji red: Enrico Fermi, Walter H. Zinn, Albert Wattenberg i Herbert L. Anderson.
Izvor: Exploring the History, Science, and Consequences of the Atomic Bomb

Konstrukcijom atomske bombe i njenim korištenjem u Hirošimi i Nagasakiju, počelo je nuklearno doba. Kako je, dobrim dijelom zahvaljujući Klausu Fuchsu, tajna izrade atomske bombe prešla i na istok, u tadašnji SSSR, počela je utrka u naoružanju. Uvidjevši opasnost koju nosi nuklearno naoružanje, vlade obje države pokrenule su i istraživanja nuklearne energije u mirnodopske svrhe. Prvi put je električna energija proizvedena pomoću nuklearnog reaktora 20. prosinca 1951. godine u EBR-I eksperimentalnoj postaji u Arcou, Idaho. Međutim tadašnji predsjednik SAD-a Harry Truman nije bio zagovornik nuklearne energije. To se promijenilo dolaskom na vlast Dwighta Eisenhowera, koji je pokrenuo program "Atomi za mir", projekt mirnodopske uporabe nuklearne energije.

Sličan projekt pokrenut je i u SSSR-u i rezultirao je prvom nuklearnom elektranom uključenom u električnu mrežu. Bila je to elektrana kod Obninska, puštena u rad 27. lipnja 1954. godine. Proizvodila je oko 5MW električne energije. Dvije godine kasnije u Calder Hall, Sellafield, Engleska, otvorena je prva komercijalna nuklearna elektrana početne snage 50MW. Te su elektrane slijedile brojne druge, poglavito u SAD-u i SSSR-u, a jedna od njih je i nuklearna elektrana kod ukrajinskog grada Černobila.

Nuklearna elektrana Černobil

Punim imenom "Memorijalna nuklearna elektrana V. I. Lenjin", elektrana je smještena 18 kilometara sjeverozapadno od grada Černobylja, Ukrajina. Početak izgradnje bio je 1970. godine, zajedno s pripadajućim gradom u kojem su bili smješteni radnici i njihove obitelji - Prypjat. Elektrana je bila RBMK tipa, treća takva na području SSSR-a. Do trenutka nesreće elektrana se sastojala od četiri reaktora, koji je svaki za sebe mogao proizvesti 1000 MW električne energije. Prvi reaktor je pušten u rad 1977. godine, sljedeći 1978. godine, treći 1981. godine, a četvrti 1983. godine. Bila su planirana još dva reaktora, međutim zbog nesreće koja se dogodila 1986. godine oni nikada nisu sagrađeni. Gradnja reaktora broj 5 bila je u punom jeku kada se dogodila nesreća pa još nezavršen reaktor i građevinska mehanizacija još uvijek napušteni stoje na poprištu nesreće.


Černobil, ukrajinski grad u čijoj je blizini izgrađena nuklearna elektrana i pripadni joj grad Prypjat.
Izvor: GreenFacts - Facts on Health and the Environment

Kako bismo bolje razumjeli nesreću koja se odigrala u toj elektrani, potrebno je upoznati reaktor koji je u njoj radio. Relativno nestabilni reaktor RBMK-1000 sovjetske proizvodnje igrao je, uz ljudski faktor, bitnu ulogu u događajima koji su se u vrijeme nesreće odvijali.

RBMK-1000 reaktori

Reaktor tipa RBMK-1000 izvorni je ruski (sovjetski) tip reaktora. Prijevod punog naziva iza skraćenice približno bi glasio "kanalni reaktor visoke energetske proizvodnje". Reaktori su građeni u sklopu sovjetskog programa mirnodopske upotrebe nuklearne energije. Predtipovi RBMK-1000 bili su reaktori tipa AM-1 ("Mirni atom"). Oni su mogli proizvoditi 5 MW električne energije i koristili su se u elektrani koja je strujom opskrbljivala grad Obninsk od 1954. godine do 1959. godine.

Razvojem reaktorskih tipova, sagrađeni su i RBMK-1000 reaktori. Njihova je prednost bila to da su, koristeći "laganu" vodu za hlađenje i grafitne šipke kao moderatore, za gorivo mogli koristiti prirodni uran. Nisu trebali separator izotopa ili upotrebu teške vode. Ta prednost pokazala se i manom reaktora jer je za posljedicu imala relativnu nestabilnost.

RBMK-1000 sastoji se od 7 metara visokih tlačnih cijevi u kojima su smještene 3.5 metara duge šipke s gorivom. Unutar svake nalazi se gorivo u obliku malih valjkastih uložaka. Za gorivo se koristi neobogaćen uranov dioksid. Šipke s gorivom učvršćene su na bazu koja služi kao držač, ali i drži propisnu udaljenost između pojedinih šipki. Voda u tlačnim cijevima grije se do temperature od 290°C. Između tlačnih cijevi nalaze se grafitne šipke koje služe kao moderatori reakcije (kontrolne šipke).


Reaktor RBMK-1000 u zaštitnoj zgradi. Relativna nestabilnost reaktora sovjetske proizvodnje pospješila je
stvaranje uvjeta potrebnih za nesreću. Izvor: Radiation and Nuclear Safety Authority (STUK)

Voda koja se koristi kao rashladno sredstvo, a grafit kao moderator. Međutim "lagana voda" upija određenu količinu neutrona i time usporava tijek reakcije. U RBMK-1000 reaktoru nadomještanje količine neutrona koje upije voda regulira se pomicanjem kontrolnih šipki. U procesu reakcije u reaktoru se pojavljuju mjehuri vodene pare. Kako je gustoća vodene mnogo manja od gustoće tekuće vode, sposobnost upijanja neutrona je zanemariva. Povećanom količinom vodene pare u reaktoru, količina neutrona koje upija voda dramatično pada i broj slobodnih neutrona koji mogu izazvati nekontroliranu lančanu reakciju raste. To svojstvo naziva se koeficijentom praznina i za RBMK-1000 reaktore prilično je velik (oko 4.7 b). Veliki koeficijent praznina smanjuje stabilnost reaktora, ali ga ne čini pretjerano nestabilnim (unatoč tome nakon nesreće u Černobilu koeficijent praznina smanjen je sa 4.7 b na 0.7 b).

Kako bi se brzo i učinkovito kontrolirala količina slobodnih neutrona u reaktoru, kontrolne šipke su kontrolirane automatski. Na taj način, ukoliko dođe do opasnosti nekontrolirane reakcije, ona se može veoma brzo svesti na minimum ili čak u potpunosti obustaviti. To, međutim, nije bio slučaj u Černobilu. Tamo su se kontrolne šipke kontrolirale ručno.

Osim koeficijenta praznina, za reaktor je bitna i značajka koja se naziva povratnom vezom. Povratna veza može biti pozitivna, negativna ili nula. U slučaju nule sustav je u ravnoteži, dok za pozitivnu ili negativnu povratnu vezu dolazi u područje nestabilne ravnoteže što za posljedicu može imati gubitak kontrole nad sustavom. U slučaju RBMK-1000 reaktora postojala je izrazito pozitivna povratna veza. To znači da je razvoj situacije uzrokovan promjenom uvjeta u procesu ubrzavao sam proces (za razliku od negativne povratne veze koja usporava proces).

Za vrijeme reakcije u reaktoru dolazi do fisije urana 235 i oslobađanja energije. Osim urana 235 u gorivu se nalazi i izotop urana 238, koji reakcijom može prijeći u plutonij 239 koji i sam podliježe fisiji. Osim njega neki produkti nuklearnih reakcija imaju sklonost upijanja neutrona i na taj način usporavaju reakciju i smanjuju učinkovitost reaktora. Takvi produkti se nazivaju nuklearnim otrovima. Najpoznatiji je ksenon 135, koji je odigrao veliku ulogu i u černobilskoj katastrofi. Reaktor RBMK-1000 ima mogućnost zamjene goriva za vrijeme proizvodnog procesa kada dođe do situacije da je optimalna proizvodnja energije narušena.

Sam reaktor mora biti dobro zaštićen kako bi rad u njegovoj blizini bio siguran. Zbog toga se nalazi unutar metalne oplate ispunjene inertnim plinom kako bi se spriječilo da dođe do kontakta kisika i vrućeg grafita (oko 700°C). Osim zaštite od kisika postoji i zaštita od radijacije. Ona uključuje betonsku ploču na dnu prostorije, betonske zidove i pješčane slojeve između sa bočnih strana te veliku betonsku ploču na vrhu. Na gornju ploču pričvršćena je većina dijelova reaktora, uključujući i cijevi s vodom. Nakon nesreće u nuklearnoj elektrani "Otok Tri Milje" (SAD), u sigurnosni sustav RBMK-1000 reaktora uključeno je dodatno osiguranje. Glavni dio toga bio je stavljanje cijevi ispod reaktora u nepropusne spremnike s vodom, kako bi u slučaju nesreće oslobođeni radioaktivni materijal ostao zarobljen u njima.

Kako je RBMK-1000 reaktor bio građen tako da se nuklearno gorivo može mijenjati za vrijeme reakcije (ali i vaditi plutonij, koji za fisije nastaje, za vojne svrhe) bilo je potrebno imati dizalice iznad njega. To i činjenica da je izgradnja velikog (7 metara visokog) reaktora bila veoma skupa, odrazilo se na nemogućnost gradnje zaštite cijevi iznad reaktora, kao što zaštićene one ispod, te na samu kvalitetu izgradnje reaktora.

Uzroci eksplozije reaktora

Iz već izloženog opisa vidljivo je da je reaktor tipa RBMK-1000 nestabilan i zahtjevan za rukovanje, što može rezultirati brojnim problemima. Prvi problemi u elektrani Černobil pojavili su se godine 1982. kada je došlo do djelomičnog taljenja jezgre u reaktoru broj 1. Kako se u ono vrijeme provodila politika zataškavanja incidenata, javnost godinama nije za njega znala. Zahvaljujući dobroj zaštitnoj konstrukciji reaktora 1, nastala šteta je uklonjena i reaktor vraćen u rad kroz nekoliko mjeseci bez posljedica po ljude i okoliš.


Nuklearna elektrana Černobil slikana s krova jedne od zgrada u obližnjem gradu Prypjatu. Izvor: Wikipedia

Prilikom izgradnje 3. (1981. godine) i 4. (1983. godine) reaktora štedjelo se na materijalu, što se odrazilo u nesreći. Da je reaktor 4 bio osiguran kao reaktori 1 i 2, posljedice bi bile znatno manje. Osim ušteda, prilikom izgradnje posljednja dva reaktora elektrane, osoblje koje je njima upravljalo nije bilo kvalitetno educirano za taj posao. Direktor elektrane V. P. Bryukhanov bio je osposobljen za upravljanje termoelektranama na ugljen, glavni inženjer Nikolai Fomin također je prešao u Černobylj s konvencionalne elektrane dok je Anatoliy Dyatlov, zamjenik glavnog inženjera za reaktore 3 i 4, imao nešto iskustva s malim nuklearnim reaktorima na podmornicama. Ostatak zaposlenika elektrane također je potjecalo iz termoelektrana. Nitko od njih nije bio pravilno osposobljen za rad, niti upoznat s osobinama i opasnostima reaktora tipa RBMK-1000. Osim navedenog, reaktor je radio već godinu dana bez prekida i nagomilali su se mnogi nusprodukti nuklearnih reakcija, koji su pospješili razvoj kritične situacije koja će dovesti do nesreće.

Dana 25. travnja 1986. godine reaktor 4 trebao je biti zagašen kako bi se provelo i redovito održavanje. Odlučeno je da će tom prilikom biti isprobana sposobnost da generator pokretan turbinama proizvede dovoljno energije kako bi pokretao sigurnosne sustave reaktora u slučaju gubitka vanjske energije (kolapsa energetske mreže). RBMK-1000 reaktor zahtjeva kruženje vode u reaktoru dok god u njemu ima nuklearnog goriva.

RBMK-1000 je imao dva dizelska generatora koji pokreću pumpe za vodu u slučaju nestanka struje, no trebalo je oko 40 sekundi da postignu maksimalnu brzinu. Ideja je bila da se reaktor iskoristi za postizanje maksimuma vrtnje generatora s turbinama. Jednom kada se maksimum postigne, generator s turbinama bi prestao dobivati energiju od reaktora i pokretao se zbog postignutog momenta vrtnje. Na taj način bi se provjerilo može li generator s turbinama u fazi gašenja pokretati pumpe za vodu dok se ne pokrene dizelski generator. Taj test je već ranije napravljen na jednom reaktoru (uz sve sigurnosne mjere), ali bez uspjeha. Kako je u međuvremenu došlo do nadogradnji sustava, odlučeno je da se pokus ponovi.


Kontrolna soba nuklearne elektrane Černobil snimljena 20. ožujka 1996. godine. Elektrana je nastavila rad
unatoč nesreći iz 1986. godine sve do 15. prosinca 2000. godine, kada je ugašen zadnji aktivni reaktor.
Izvor: Eyeball Series

Za vrijeme dana 25. travnja sve se pripremalo za izvođenje pokusa. Pri tom se energija reaktora postupno smanjivala do 50%. To je za posljedicu imalo neočekivano iskakanje kijevske elektrane iz električne mreže pa je na zahtjev tamošnjeg glavnog inženjera test odgođen do noćnih sati, kada je manja potreba za strujom. U noćnim satima 25. travnja pokus se nastavio, čak i unatoč tome što je u elektrani ostalo samo najosnovnije osoblje. Uz to, nova smjena radnika nije znala za prethodno isprobano i odgođeno provođenje pokusa pa je prebrzo smanjivala izlaznu energiju reaktora.

U 23:04 sati dobiveno je dopuštenje iz kijevske elektrane da se nastavi pokus. Izlazna termalna snaga reaktora trebala je biti smanjena sa 3.2 GW na 0.7-1.0 GW. Kada je operator zatražio smanjenje izlazne energije, energija je naglo pala na svega 30 MW, oko 5% potrebne za izvođenje pokusa. Uvjereni kako je riječ o kvaru automatskog regulatora izlazne snage, naređeno je da se izvlačenjem kontrolnih šipki poveća izlazna snaga reaktora.

Nagli pad izlazne energije reaktora nije bio posljedica kvara automatskog regulatora izlazne snage, već reakcija unutar reaktora. Glavni produkt fisije bio je jod 135, koji s poluživotom od 6.7 sati prelazi u nestabilni ksenon 135. Ksenon 135 je jedan od jačih "nuklearnih otrova" koji upija neutrone i na taj način znatno usporava tijek reakcije. Međutim jednom kada upije neutron, nestabilni ksenon 135 prelazi u ksenon 136, koji više ne upija neutrone. Kada reaktor radi u punoj snazi, postiže se ravnoteža u kojoj se izjednačuju brzina trošenja ksenona 135 u struji neutrona i brzina njegova nastanka iz joda 135. Kako je izlazna energija reaktora 4 smanjena prebrzo (zajedno s tokom neutrona), više se ksenona 135 proizvodilo iz joda 135 nego što se moglo potrošiti. To je rezultiralo nagomilavanjem ksenona 135 i usporavanjem reakcije koje se očitovalo kao nagli pad izlazne energije.

Naređeno djelomično izvlačenje kontrolnih šipki izlazna energija reaktora se povećala na 200 MW, još uvijek nedovoljnu količinu, manju od petine potrebne. Eksperiment je nastavljen. U 01:05 ujutro 26. travnja uključene su vodne pumpe, koje su trebale biti pokretane generatorom s turbinama. Uključenjem pumpi povećan je tok vode kroz reaktor. Kako voda upija neutrone, došlo je do novog pada u izlaznoj energiji reaktora pa su gotovo sve kontrolne šipke izvučene. Time su stvoreni izuzetno opasni uvjeti i sve što je sprječavalo nekontroliranu reakciju u reaktoru bio je nagomilani ksenon 135.

U 01:23:04 sati glavni je dio pokusa imao započeti. Niti jedan senzor nije indicirao da je reaktor u izrazito nestabilnom i opasnom stanju, niti je koji član osoblja koje je radilo na pokusu zamijetio išta neobično. Tok pare koji je pokretao turbine generatora prekinut je i moment vrtnje koji je generator postigao pokretao je vodene pumpe. To je za rezultat imalo veliko smanjene toka vode kroz reaktor, što je za posljedicu imalo smanjenje broja upijenih neutrona. Zbog visoke temperature u reaktoru, voda je počela isparavati stvarajući džepove vodene pare. Zbog velikog koeficijenta praznine RBMK-1000 reaktora, nastala para povećala je izlaznu snagu reaktora. Ubrzanjem reakcije u reaktoru došlo je do pozitivne povratne veze koja je dodatno ubrzavala reakciju. Nagomilani ksenon 135 koji je zadržavao tok reakcije počeo se trošiti mnogo brže no što je nastajao. S izvučenim kontrolnim šipkama, bržim izgaranjem no nastajanjem ksenona 135 i većom količinom pare u reaktoru, ništa više nije moglo spriječiti nekontroliranu reakciju.


Anatoliy Dyatlov, zamjenik glavnog inženjera za reaktore 3 i 4 svoje iskustvo
o nuklearnim reaktorima stekao je radom na reaktoru nuklearne podmornice.

U 01:23:40 sati operatori su pritisnuli AZ-5, opciju čija je zadaća bila naredba SCRAM-a, hitno isključivanje reaktora. Do danas je nejasno je li do naredbe došlo zbog uočavanja nastale situacije ili je ona posljedica završetka pokusa. Dyatlov je u svojoj knjizi o černobilskoj katastrofi izjavio da je SCRAM naređen kao uobičajeni postupak na kraju pokusa, a ne zbog uočene situacije.

SCRAM je započeo spuštanje kontrolnih šipki. Postupak je bio spor i trebalo je oko 20 sekundi za potpuno spuštanje. Uz to, u situaciji koja je nastala čak niti pozivanje SCRAM-a nije moglo spriječiti nesreću, već je, naprotiv, ubrzalo nekontroliranu reakciju. Vruće šipke grafita uronjene u vodu uzrokovale su dodatno isparavanje i smanjenje količine rashladnog sredstva, koji je ujedno i upijač neutrona. Došlo je do naglog rasta energije i loma šipki s gorivom. Polomljeni dijelovi, zbog dizajna reaktora, pali su tako da su blokirali daljnje spuštanje kontrolnih šipki (spustile se manje od trećine svoje dužine) i zaustavljanje reakcije. Kao posljedica svega toga, do 01:23:47 sati, izlazna energija reaktora skočila je na 30 GW, što je mnogostruko više od normalnog. U takvim uvjetima počelo je taljenje šipki i dodatno isparavanje vode što je rezultiralo porastom tlaka u reaktoru koji je zbog toga ubrzo eksplodirao. Nastala para kretala se okomito kroz reaktor uništavajući sve na svom putu i razarajući poklopac reaktora. Kisik koji je kroz nastalu rupu ušao u reaktor burno je reagirao s vrućim grafitom tvoreći grafitnu vatru koja je doprinijela širenju radioaktivnih čestica.

U sljedećem nastavku priče o nesreći u nuklearnoj elektrani kod Černobila pratit ćemo što se događalo nakon eksplozije pare u reaktoru. Počevši od reakcije osoblja preko reakcija odgovarajućih institucija i politike zataškavanja, sve do stanja u Černobilu danas. Analizirat ćemo do kraja tijek i posljedice nesreće, kao i njene uzroke. Za širu raspravu o ovoj i sličnim temama pridružite se našem AstroForumu. Popis literature dan je u idućem nastavku.