Dodatek Havárie v jaderné elektrárn ernobyl (p evzato z internetu) Havárie v jaderné elektrárn ernobyl se stala smutným mezníkem jaderné energetiky. Jelikož jsme asto sv dky toho, jak je tato neš astná skute nost p ekrucovaná a dle pot eby zneužívána, domnívám se, že neuškodí zamyslet se op tovn nad touto nehodou a stru n popsat její pr b h a p í iny i na t chto stránkách. Již za pár dní ub hne totiž dvacet let od doby, kdy se jméno ernobyl stalo celosv tov známým a jisté organizace neopomenou využít tohoto výro í k d raznému odmítnutí jaderné energetiky. Všeobecný popis reaktoru RBMK
Abychom mohli popsat nehodu na sov tské elektrárn v ernobylu, je nutné se alespo minimáln seznámit s reaktory RBMK používanými v této elektrárn . RBMK (Reaktor bolšoj moš nosti kanálnyj reaktor velkých výkon - kanálový) vyvinuli sov tští v dci ve výzkumném ústavu akademika V. I. Kur atova v 60. letech 20. století na základ zkušeností s provozem první atomové elektrárny na sv t v Obninsku. Zárove je nutné p ipomenout, že tento typ reaktoru nikdy nebyl postaven mimo území Sov tského svazu!!! Palivem reaktoru je uran obohacený izotopem 235 na úrove 1,8% (po havárii v ernobylu na 2,4%). Každý palivový lánek je umíst n v palivovém chladícím kanálku (tlakové trubce), které kolmo procházejí velkými cylindrickými grafitovými bloky (v 1000 MW bloku 1. generace je celkem 1693 takovýchto kanálk ). Do kanálk se zespoda erpá „studená“ voda, která se cestou kanálkem nahoru oh ívá až va í a tím odvádí z reaktoru teplo. Naho e odchází sm s páry do separa ního bubnu. Odtud putuje pára do turbíny a voda se vrací zp t do reaktoru (p ichází sem i sm s vody a páry z turbín). Elektrárna je tedy jednookruhová a kv li únik m radiace bylo nutné odstínit i turbínu. Každý palivový kanálek p itom musí být izolován od okolního prost edí. To s sebou p ináší množství svar a v tší riziko havárie v primárním okruhu. Rozte e mezi kanálky jsou vypln ny moderátorem, kterým je v tomto p ípad zmín ný grafit. Celý grafitový blok je uzav en v tlakovém obalu z oceli ve kterém cirkuluje helium a plynný dusík. K horkému grafitu se totiž nesmí dostat vzduch. Tato konstrukce reaktoru si vyžádala zna né rozm ry. Blok o výkonu 1000 MWe m l aktivní zónu o pr m ru 11,8 metr a výšce 7 metr . Na druhou stranu ovšem kanálovým ešením odpadla technologicky náro ná konstrukce tlakové nádoby reaktoru. K regulování chodu reaktoru se využívá celkem 211 regula ních ty í, z nichž 30 (po havárii v ernobylu se toto íslo zvýšilo) je havarijních a 147 lze ovládat ru n . Tento reaktor zárove dovoluje konstruovat bloky neoby ejn velkých výkon . V Kur atov ústavu se p ipravoval reaktor o výkonu až 2400 MW. Dodnes je nejv tším provozovaným reaktorem typu RBMK - reaktor RBMK-1500 v jaderné elektrárn Ignalina. Již konstrukté i reaktoru si uv domovali, že reaktor má jeden zásadní nedostatek, kterým je kladný teplotní koeficient reaktivity. Pracovníci Kur atovova ústavu tuto situaci popsali v popisu reaktoru následovn : „V reaktoru RBMK se p i zvýšení množství páry v reaktoru snižuje 1
množství vodou pohlcovaných neutron a po et pomalých neutron schopných št pit dále uran se tím pádem zvyšuje, protože hlavním moderátorem je grafit, jehož množství v aktivní zón je fixní. Tak vzniká situace nazývaná kladný parní (dutinový) efekt. Zde je patrný markantní rozdíl od reaktor VVER, kde takováto vlastnost není! Charakteristika reaktoru RBMK p ed rokem 1986 Záporné vlastnosti: • •
Kladný teplotní koeficient, který ovšem dle p edstav musel být eliminován ídící technikou (tlakovodní reaktory mají záporný teplotní koeficient). Velké množství nezávislých kanálk , které musely být dokonale ut sn ny. P ípadný únik chladiva na grafit mohl zap í init vážnou nehodu.
Mezi p ednosti reaktoru se p ipisovalo •
• • •
možnost snížení výkonu reaktoru - reaktor mohl standardn dlouhou dobu dodávat výkon do elektrické sít na úrovni nap íklad 70% nominálního výkonu. Navíc regulace výkonu byla pom rn rychlá (tato situace souvisela s p ímou výrobou páry a s možností odstavit nap íklad jen ½ reaktoru) menší obohacení uranu, které bylo velmi technologicky a finan n náro né (dáno grafitovým moderátorem, který minimáln pohlcuje neutrony). možnost vým ny paliva za provozu - bez kompletní odstávky bloku (dáno rozd lením palivových lánk do nezávislých kanálk ). vojenská výhoda - snadn jší zisk vojenského plutonia-239 (vyplývá z výše zmín né výhody vým ny paliva za provozu)
Historie jaderné elektrárny ernobyl Plán na výstavbu jaderné elektrárny v ernobylu byl v Sov tském svazu schválen po átkem 70. let 20. století. V roce 1972 bylo rozhodnuto, že elektrárna bude vybavena reaktory RBMK. První dva bloky byly typu RBMK-1000 (1. generace) a byly otev eny v letech 1978, respektive 1979. Po dokon ení prvních dvou blok za ala stavba dalších dvou blok RBMK-1000 (2. generace). Rozdíl mezi reaktory RBMK1000 první a druhé generace spo íval p edevším ve zm n uspo ádání aktivní zóny, do které bylo na základ p edchozích provozních zkušeností p idáno n kolik regula ních ty í (bloky první generace m ly 179 regula ních ty í oproti 211 regula ním ty ím blok druhé generace). Dále se snížil po et palivových kanálk ze 1693 na 1661. Celkov se rovn ž zm nil design budov elektrárny. T etí blok elektrárny byl dokon en a spušt n v roce 1982 a tvrtý blok v b eznu 1984. Po jejich spušt ní se za alo se stavbou 5. a 6. bloku (rovn ž RBMK-1000 2. generace). Stavba t chto blok byla zastavena po havárii v roce 1986 a již nebyla obnovena. Celá stavba a provoz elektrárny byl pom rn dosti usp chaný - nap íklad 4. blok byl spušt n bez provedení ady požadovaných fyzikálních a technických test . Po havárii 26. dubna 1986 byl zni en 4. blok. První blok byl vážn poškozen havárií v roce 1991 a kv li p edpokládané cen jeho opravy nebyl již opravován. Druhý blok Ukrajina odstavila v rámci dohody s Evropskou unií v roce 1996 a poslední 3. blok byl rovn ž v rámci dohod odstaven 21. prosince 2000. Xenonová otrava - další d ležitý initel ernobylské nehody Ješt než se pustím do popisu samotné nehody, je nutné p iblížit pojem xenonové otravy (anglicky xenon poisoning), protože tento fyzikální jev sehrál p i ernobylské havárii rovn ž d ležitou úlohu. Co to tedy vlastn je? Xenonová otrava je redukce reaktivity reaktoru v d sledku velmi vysokého pohlcování neutron v št pném produktu Xe-135. Jedním z vedlejších produkt vznikajících ze št pení jader uranu U-235 nebo Plutonia-239 je tvorba jodu I-135. Reaktorová fyzika vychází z toho, že jód-135 je b žný št pný produkt, který iní zhruba 6% z v reaktoru vzniklých št pných produkt . Jelikož je malá šance, že by jód absorboval neutron, není jeho výskyt z hlediska ízení št pné reakce významný. Ovšem Jód-135 2
má polo as rozpadu 6,7 hodin a p em uje se postupn v xenon Xe-135 s polo asem rozpadu 9,2 hodin. Tento izotop má neobvykle velký pr ez pro absorbci neutron . Jeho hodnota iní 3 500 000 barn ; oproti tomu Bor má pouhých 750 barn a Uran-235 549 barn (1 barn = 10-28 cm2). Xenon-135 se tak stává tém dokonalým absorbátorem neutron (dokonce se tvrdí, že je to látka s nejvyššími absorb ními schopnostmi) a je velmi d ležitým initelem ovliv ujícím reaktivnost v aktivní zón ! P i normálním provozu reaktoru je p ítomnost xenonu-135 a jódu-135 v rovnováze. Tato situace je daná tím, že probíhající št pná reakce neustále produkuje nový jód-135, který se m ní v xenon-135 a ten se bu p irozen rozkládá na stabilní cesium-135, a nebo ( ast ji) pohlcuje neutrony a p em uje se na stabilní xenon-136. Zde platí, že ani cesium-135 ani xenon-136 již neutrony neabsorbují a ší ení št pné reakce tedy neovliv ují. Pakliže ovšem drasticky snížíme výkon reaktoru a nebo reaktor odstavíme, je rovnováha narušena a v reaktoru se za íná hromadit xenon-135, protože již vytvo ený jód-135 se stále p em uje na xenon-135, ale ten vlivem výrazn menšího po tu neutron v aktivní zón z stává v reaktoru a „nevyho í“. Vrchol koncentrace xenonu-135 nastává zhruba po 12 hodinách od odstavení reaktoru. To je dáno p edevším polo asem rozpadu xenonu-135 (9,2 hodin). Z tohoto d vodu není ani možné spustit krátce po odstavení op t reaktor - xenon tomu prost zabrání. Havárie 4. bloku RBMK-1000 v ernobylu 25. dubna 1986 krátce po p lnoci za ala sm na operátor 4. bloku ernobylské jaderné elektrárny provád t pokus, jehož cílem bylo ov ení dodávek elekt iny pro erpadla primárního okruhu reaktoru po odstavení turbín bloku. Podle teorie inženýr a v dc se pot ebná energie pro erpadla (cca 6 MW) m la získat ze setrva ného dob hu turbíny. Podle výpo t to m lo být dostate né množství k udržení chodu erpadel po dobu 50 sekund. Reaktor je sice také vybaven dieselovými agregáty, ty však pot ebují 45 - 50 sekund k rozb hu na plný výkon. Proto m l být výkon získaný ze setrva nosti dostate ný na p eklenutí mezery mezi vypnutím proudu a náb hem agregát . P edchozí testy ukázaly, že a koliv byla turbína schopná pot ebnou energii dodat, napájecí nap tí erpadel kolísalo a jejich chod tak nebyl uspokojivý. Inžený i proto provedli zm ny v magnetickém poli regulátoru nap tí. K otestování zm n m l posloužit práv p ipravovaný experiment. Plánovaný pr b h experimentu m l vypadat následovn : Nejprve se m l snížit výkon reaktoru na 1/2 a m lo dojít k odpojení první ze dvou turbín bloku. Poté m lo následovat další snižování výkonu až na 1/3, což byla tak ka minimální bezpe ná hranice provozu reaktoru RBMK. Dále m lo následovat uzav ení druhé turbíny. Tento krok m l být zárove signálem pro systém havarijní ochrany, který m l sou asn automaticky odstavit reaktor. Poté m ly být vyhodnoceny výsledky testu. Obsluha tedy podle plánu zapo ala s plynulým snižováním výkonu reaktoru z 3200 MWt až na výkon 1600 MWt a následným odpojením první ze dvou turbín. Pak byl ale test na žádost energetického dispe inku na 9 hodin p erušen a dále v n m proto pokra ovala jiná sm na. Jak vyplynulo z vyšet ování ernobylské havárie, nová obsluha bloku v ernobylu nedostate n chápala fyzikální principy innosti sv eného reaktoru a nap íklad o principu xenonové otravy (která se i vlivem odkladu testu stala aktuální) nem la dostate né znalosti. Tento nový tým tedy pokra oval v pokusu, p i kterém bylo nutno snížit tepelný výkon reaktoru zhruba na hranici 1000 MWt. P itom obsluha postupovala chybn a výkon klesl až pod hranici oblasti bezpe ného provozu (tato hranice se pohybovala kolem 700 MWt - po jejím dosažení za ala bezpe nostní automatika okamžit odstavovat reaktor; operáto i ji ale odpojili, p ešli na ru ní ovládání a pokusili se reaktor oživit a dokon it pokus). Ani po p echodu na manuální ovládání reaktoru se neda ilo operátor m udržet reaktor p i život a výkon dále klesal až na 30 MWt (pod 1% nominálního výkonu), což znamenalo v podstat úplné zastavení št pné reakce. Obsluha se pokoušela b hem této obrovské ztráty reaktivity zvýšit výkon tím, že postupn vytahovala z aktivní zóny reaktoru regula ní ty e (aby to bylo možné, bylo nutno vypnout další automatické ochrany reaktoru). Chod reaktoru v oblasti malého výkonu trval však již p íliš dlouho, a tak se v aktivní zón za alo hromadit velké množství xenonu-135 a samaria-149, a proto na úbytek ty í v aktivní zón reaktor nereagoval. Pracovníci velína si tuto situaci nedokázali vysv tlit (nikdo z nich neznal p esné chování t chto vzácných plyn a zkušení pracovníci na bloku chyb li). Obsluha proto riskantn vytáhla z aktivní zóny postupn tak ka všechny regula ní a havarijní ty e až nad p ípustné limity (to bylo p ísn zakázané a aby to bylo možné, musela obsluha vypnout havarijní ochranu reaktoru. Po tomto zásahu z stalo v aktivní zón áste n pouze 8 z 211 regula ních a havarijních ty í). Tak ka úplná absence 200 ty í znamenala p ece jenom zna ný úbytek absorb ních látek v aktivní zón a reakce se za ala pozvolna op t rozbíhat. 3
Operátor m se postupn poda ilo zvýšit výkon reaktoru až na 500 MWt a dokonce považovali jeho chod za stabilní! Za ali proto s pokra ováním experimentu. Uzav eli druhou turbínu a odpojili 4 z 8 cirkula ních erpadel primárního okruhu (reaktor ovšem pracoval dál, protože havarijní ochrana, která ho m la odstavit byla odpojena). Potom, když byl uzav en p ívod k turbínám, za al výb h rotoru. Kv li zmenšení pr toku páry ze separa ního bubnu rostl tlak páry v aktivní zón rychlostí 0,5 atm/s a celkový pr tok chladiva skrz reaktor se za al snižovat kv li tomu, že pohony cirkula ních erpadel byly napájeny z brzdícího generátoru. Ve spojení s výrazným omezením cirkulace chladící kapaliny došlo k op tovnému nár stu teploty v reaktoru. Pom rn rychle stouplo hromad ní a tvorba páry v reaktoru. Situace se podstatn zhoršila tím, že se pára dostala až do erpadel, jejichž ú innost se tím pádem výrazn snížila. To znamenalo další zhoršení ob hu chladící kapaliny v reaktoru a vedlo k nadm rné tvorb a hromad ní páry v aktivní zón . Nyní se projevil kladný teplotní koeficient reaktoru RBMK. Nár st páry tak vedl k zna nému zvýšení reaktivnosti. S tím jak se za ala rozši ovat št pná reakce zvyšoval se i po et moderovaných neutron , které mohly št pit xenon-135. Vlivem zvyšování reaktivnosti tak xenon-135 ubýval a b hem n kolika málo vte in došlo k jeho „vyho ení“, ímž reaktor p išel o prakticky jediný absorbátor neutron , který se v aktivní zón nalézal. To zap í inilo gigantické rozší ení et zové reakce a s tím spojený prudký nár st teploty aktivní zóny zhruba na desetinásobek konstruk ní projektované hodnoty (postupný nár st až na 35 000 MWt). V této fázi si „vedoucí sm ny“ uv domil svoji chybu, stiskl tla ítko nejvyššího poplachu (5. stupe ) a vydal pokyn k havarijnímu zasunutí regula ních ty í a nouzovému odstavení reaktoru. Bylo však již p íliš pozd . Vysoká teplota v jád e reaktoru vedla ke ztrát chladícího média, když se veškerá voda p em nila kompletn v páru. Nyní se ješt více projevoval kladný teplotní koeficient, který et zovou reakci dále mohutn posiloval. Navíc poté, co obsluha vydala povel k havarijnímu odstavení reaktoru okamžitým zasunutím havarijních ty í do aktivní zóny vyvstaly další dva problémy. Jednak vlivem obrovské teploty se již n které kanálky reaktoru zdeformovaly natolik, že do nich nešlo zasunout havarijní ty e a potom ídící ty e byly vysunuty nad maximální povolenou mez a jelikož tyto ty e byly vybaveny na svých koncích grafitovým dílem, svým zasouváním do aktivní zóny minimáln v první ásti reakci rovn ž netlumily, ale podpo ily (Grafitová ást regula ních ty í sloužila pro lepší ovládání reaktoru za normálního stavu, kdy se absorb ní bórová ást ty e nahrazovala modera ní grafitovou a pak teprve vodou. To umož ovalo p i b žném provozu zvýšení ú inku zasunutí/vysunutí ty e. Se stavem do kterého operáto i reaktor dostali se nepo ítalo). Výkon reaktoru tak dále stoupal a b hem chvíle se dostal až na 350 000 MWt (zhruba stonásobek konstruk ní projektované hodnoty). Ohromné množství páry (tlak stoupal rychlostí 15 atm./s.) vytvo ilo na reaktor obrovský tlak, kterému jeho konstrukce nedokázala odolat a ten explodoval. Do reaktoru vnikl vzduch, pára se dostala na rozpálený grafit a reakcí se zirkoniovým povrchem palivových lánk vznikla výbušná sm s vodíku a kyslíku jejíž následná exploze rozervala budovu reaktorovny a áste n i strojovny blok . Výbuch zabil 2 pracovníky elektrárny, kte í se nacházeli v blízkosti reaktoru a dalších 26 zam stnanc a hasi zahynulo b hem likvidace havárie v pr b hu 26. dubna (v tšinou na následky radia ního ozá ení). Další t i podlehli zran ní o n kolik dní pozd ji - jednalo se o pracovníky, kte í se vydali zasouvat regula ní ty e do reaktoru ru n . Prokázaný po et ob tí iní tedy 31 osob. Celkem na 750 tisíc lidí se ú astnilo záchranných operací. Úmrtnost mezi nimi je menší, než je ukrajinský pr m r v dané v kové kategorii. Situace bezprost edn po havárii Okamžit po havárii 4. bloku nastala v elektrárn zajímavá situace, kdy odpov dní zam stnanci odmítali uv it tomu, že reaktor je zni en a mnozí pokra ovali v práci jakoby se nic ned lo. Tak došlo nap íklad k další trestuhodné nedbalosti, kdy sousední 3. blok, který byl ve stejném komplexu a byl výbuchem lehce poškozen byl odstaven až po p ti hodinách od nešt stí. V té dob již n kolik hodin bojovali hasi i s požárem na st eše a ve strojovn 3. bloku, nádrže havarijního chlazení tohoto bloku byly p itom poškozeny. Zbývající bloky, které m ly se 4. blokem rovn ž spole nou strojovnu a mohly být poškozeny byly odstaveny a zabezpe eny až po 24 hodinách od nešt stí. S ohledem na pokra ující únik radioaktivních látek do ovzduší byl reaktor zasypán z vrtulník olovem, bórem, jílem a pískem a pode dnem reaktoru byl narychlo vybudován tunel, zalitý dodate nou vrstvou betonu, aby se rozžhavené palivo nepropadlo do zem . Jelikož v blízkém atomovém m ste ku Pripjati stoupla radioaktivita proti 4
p irozenému pozadí o t i ády, bylo v ned li 27. 4. b hem t í hodin pomocí 1 200 autobus evakuováno 45 tisíc obyvatel Pripjati do bezpe í. Evakuace prob hla bez paniky a byla posléze rozší ena na všechny obyvatele do vzdálenosti 30 km od místa nešt stí. Krom obyvatel se evakuoval i dobytek. Zm ny provedené v konstrukci reaktor RBMK po ernobylské havárii • • • • • •
•
Zvýšení množství havarijních ty í ze 30 na 45 na úkor palivových lánk v aktivní zón (samoz ejm 45 je po et u tohoto typu RBMK-1000) S tím související zm na uspo ádání aktivní zóny a drobné snížení výkonu blok Zm na obohacení paliva uranem-235 z 1,8 na 2,4% (jako kompenzace za zm nu geometrie aktivní zóny) Znemožn ní svévolného odpojení automatických ochranných systém reaktoru a znemožn ní p ekro ení konstruk ních omezení Modernizace po íta ídících reaktory RBMK, p edevším systém ovládajících regula ní a havarijní ty e Úprava grafitového náb hu regula ních ty í (s tím související i jejich schopnost havarijního odstavení reaktoru nejpozd ji do 12 vte in po vyvolání signálu namísto dosavadních 18-20 sekund). P idání dalších 80 pomocných absorbátor neutron
Celkov všechny zm ny p isp ly ke snížení kladného teplotního koeficientu reaktoru RBMK z p vodních +4,5 beta na sou asných +0,7 beta.
5
