W nocy z 25 na 26 kwietnia 1986 r. obsługa bloku energetycznego nr 4 w elektrowni jądrowej w Czarnobylu przeprowadzała opóźniony test funkcjonowania awaryjnego systemu zasilania dla pomp cyrkulacyjnych, dostarczających chłodziwo do reaktora. Według relacji zastępcy głównego inżyniera elektrowni Anatolija Diatłowa, który nadzorował eksperyment, wszystko wydawało się iść jak trzeba. Jak relacjonował inżynier, zgodnie z planem eksperymentu odłączono dopływ pary wodnej do turbogeneratora bloku energetycznego, a następnie, ok. pół minuty później, wykonano procedurę AZ-5, polegającą na jednoczesnym opuszczeniu do rdzenia reaktora wszystkich prętów kontrolnych. Procedurę tę stosuje się w celu natychmiastowego powstrzymania rekcji łańcuchowej i wygaszenia reaktora.

"W sterowni było cicho, żadnych rozmów. Kiedy ktoś się odezwał, odwróciłem się i zobaczyłem, że jeden z operatorów mówi coś do kierownika zmiany. Znajdowałem się około 10 metrów od nich, więc nie dosłyszałem dokładnie co mówił operator. Kierownik zmiany polecił mu wyłączyć reaktor, pokazując palcem i mówiąc: +Wciśnij guzik+. (...) Obróciłem się, żeby obserwować instrumenty. System monitorujący zarejestrował wciśnięcie przycisku AZ-5 o 01:23:40. Nie uruchomiły się wtedy żadne sygnały ostrzegawcze. Pojawiły się one dopiero po kilku sekundach. O 01:23:43 otrzymaliśmy sygnały ostrzegające o zbyt wysokiej mocy reaktora oraz o przyspieszającym wzroście mocy. Główne pompy cyrkulacyjne podtrzymywały obieg chłodziwa do 01:23:46, kiedy (...) tempo przepływu wody spadło. Następnie wzrosło ciśnienie pary w obiegu chłodzącym. O 01:23:46 lub o 01:23:47 usłyszeliśmy potężną eksplozję. Sekundę lub dwie później nastąpiła następna, która w moim odczuciu była jeszcze większa. A potem zapadła cisza" - opisywał Diatłow w jednej ze swoich publikacji.

Pracownicy elektrowni, wysłani do hali, w której znajdował się rdzeń reaktora zobaczyli, że wybuch rozsadził rdzeń reaktora i zerwał przykrywającą go metalowa płytę, ważącą 2 tys. ton. W rdzeniu, składającym się z grafitu, wybuchł pożar. Ze zniszczonego wybuchem budynku wystrzeliły w powietrze rozgrzane fragmenty rdzenia, zawierające paliwo jądrowe, wybuchły więc pożary, zagrażające sąsiednim budynkom. Z powodu odniesionych ran oraz w wyniku napromieniowania zginęło 31 osób, byli to obecni na miejscu pracownicy elektrowni oraz strażacy, próbujący zapobiec rozprzestrzenianiu się pożaru. Ok. tysiąca osób, głównie ratowników i pracowników elektrowni otrzymało duże dawki promieniowania (ok. 1 siwerta), co mogło przyczynić się do poważnych chorób. Po katastrofie wysiedlono ok. 300 tys. osób, mieszkających w promieniu 100 km od elektrowni.

Jedyną oficjalną przyczyną katastrofy, podaną przez radzieckich ekspertów jądrowych i uznaną przez sąd były rażące naruszenia zasad bezpieczeństwa przez obsługę reaktora. Kierownictwo elektrowni oraz nadzorujący eksperyment Anatolij Diatłow zostali uznani za winnych doprowadzenia do eksplozji. Diatłow, który jako jeden z nielicznych uczestników zdarzenia dożył do końca procesu, został skazany na 10 lat więzienia. Został przedterminowo zwolniony, ponieważ w czasie wypadku otrzymał śmiertelną dawkę promieniowania (ok. 5,5 siwerta) i cierpiał na chorobę popromienną. Zmarł po 10 latach od katastrofy. Przez cały czas twierdził, że obsługa nie ponosi winy za wypadek, a jego jedyną przyczyną były wady konstrukcyjne reaktora, który nigdy nie powinien zostać dopuszczony do eksploatacji.

JAK DZIAŁAŁA ELEKTROWNIA W CZARNOBYLU?

Żeby to wyjaśnić trzeba najpierw opowiedzieć o podstawowych zjawiskach fizycznych, wykorzystywanych w każdej elektrowni jądrowej. Pierwiastki promieniotwórcze (takie jak uran) inaczej nazywa się rozszczepialnymi, ponieważ jądra ich atomów ulegają z czasem rozszczepieniu, tworząc inne, lżejsze pierwiastki. Rozpadające się jądro atomu ciężkiego pierwiastka emituje neutrony i pewną porcję energii. Neutrony, jeśli uderzą w jądra kolejnych atomów doprowadzają do ich rozpadu i emisji kolejnych neutronów oraz dalszej energii i tak dalej. Taki proces nazywany jest reakcją łańcuchową. Im szybciej zachodzą kolejne reakcje rozpadu, w tym krótszym czasie wydzieli się ciepło, zatem tym większą temperaturę uda się osiągnąć. Właśnie dzięki tej energii, wytwarzanej przez rozpad jądrowy, energetyka jądrowa jest najwydajniejszym znanym źródłem energii. Teoretycznie jeden gram uranu (czyli kulka o średnicy ok. 0,5 cm) może dostarczyć ok. 20 gigadżuli energii w postaci ciepła (tyle co spalenie niemal tony węgla kamiennego).

Jednak naturalne złoża uranu w kopalniach nie gotują się. Nie gotują się nawet pierwiastki o wiele bardziej promieniotwórcze. Bryłka radu, jednego z najbardziej promieniotwórczych występujących w przyrodzie pierwiastków, może w ciągu godziny wytworzyć tyle ciepła, żeby stopić bryłkę lodu o tej samej masie. To nie jest imponujący wynik z punktu widzenia energetyki. Powodem jest fakt, że neutrony, emitowane podczas rozpadu promieniotwórczego poruszają się zbyt szybko, aby rozszczepić kolejne jądra - odbijają się od ich powierzchni. Żeby więc wywołać opisaną wyżej reakcję łańcuchową, trzeba znaleźć sposób na spowolnienie neutronów. Można to zrobić, umieszczając w sąsiedztwie materiału promieniotwórczego jakąś substancję składającą się lekkich pierwiastków. "Podobnie jak kula bilardowa tocząca się po stole zwalnia, uderzając w inne, znajdujące się na jej drodze kule, tak neutrony zwalniają w kontakcie z lekkimi atomami" - opisuje dr hab. Ludwik Pieńkowski z Uniwersytetu Warszawskiego. Substancja, powodująca spowolnienie neutronów nazywana jest moderatorem i jest niezbędnym elementem każdego reaktora jądrowego. Jak wyjaśnia Pieńkowski, moderatory są różne. Niektóre z nich dobrze spowalniają elektrony, ale mają tendencję do "pożerania ich" - np. z wody, która znakomicie spowalnia neutrony, wychodzi ich stosunkowo mało. Natomiast inny moderator - grafit nieco gorzej spowalnia neutrony, ale za to niemal wszystkie spowolnione wydostają się z niego. W reaktorze typu RBMK, takim jak ten czarnobylski, jako moderatora użyto właśnie grafitu.

Rdzeń reaktora w Czarnobylu był złożony z podłużnych grafitowych bloków o długości ok siedmiu metrów. 1661 takich bloków mieszczonych było jeden obok drugiego w betonowej studni. Dookoła obudowano je dodatkową warstwą grafitu. We wnętrzu każdego ze słupów znajdowało się paliwo jądrowe - uran oraz kanał, którym przepływała chłodząca reaktor woda. Woda ogrzewała się od ciepła wytwarzanego w reaktorze, a następnie płynęła do turbin napędzających generatory prądu elektrycznego. Woda, po przepłynięciu przez system chłodzący, wracała do reaktora i proces się powtarzał. Część z prądu, wytwarzanego w turbogeneratorach zużywały pompy, dzięki którym woda krążyła w obiegu.

EKSPERYMENT

Test, który zaowocował tragedią, miał na celu sprawdzenie pomysłu, który mógł zapewnić ciągłość funkcjonowania systemu kontrolnego i chłodzenia reaktora w sytuacji awaryjnej. Takie sytuacje to np. konieczność awaryjnego wyłączenia reaktora lub spowodowana jakąś usterką przerwa w zasilaniu pomp cyrkulacyjnych, zapewniających dopływ wody chłodzącej rdzeń. Normalnie w takiej sytuacji korzysta się z zewnętrznego zasilania, np. z prądu wytwarzanego przez inny blok energetyczny lub inną elektrownię. Niemniej nie zawsze jest to możliwe. Wobec tego każda elektrownia jądrowa jest wyposażona w silniki spalinowe, które w razie takiej awarii moga posłużyć do napędzania pomp cyrkulacyjnych.

"Problemem jest jednak to, że silniki spalinowe potrzebują ok. minuty na osiągnięcie pełnej mocy. Chodzi więc o to, aby na te 60 sekund znaleźć skądś energię potrzebną do zasilania pomp. Inżynierowie wpadli na prosty pomysł, żeby energię tę pozyskiwać z turbin, które nawet po wyłączeniu reaktora przez jakiś czas obracają się siłą rozpędu" - tłumaczy dr hab. Ludwik Pieńkowski ze Środowiskowego Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego. Jego zdaniem, eksperyment był pożyteczny i potrzebny.

Test zakładał stopniowe obniżenie mocy reaktora o ok. dwie trzecie, w stosunku do mocy, z którą normalnie pracował. Następnie miał zostać odcięty dopływ wody do turbin. Wtedy naukowcy mieli obserwować, czy energia generowana przez obracające się siłą rozpędu turbiny wystarczy, aby podtrzymać zasilanie systemów kontrolnych reaktora do czasu, aż rozpędzą się silniki Diesla. Po niecałej minucie takiej pracy, reaktor miał został wyłączony.

CO SIĘ STAŁO?

Test miał się odbyć 25 kwietnia w środku dnia. W poprzedzającą noc rozpoczęto przygotowania do niego, polegające na obniżeniu mocy. Osiągnęli to poprzez opuszczenie do rdzenia reaktora zrobionych z węgliku boru prętów kontrolnych. Bor jest jakby przeciwieństwem moderatora. Pochłania neutrony, które emitowane są z rozpadu jąder uranu. W ten sposób reakcja łańcuchowa zwalnia. Prętów takich reaktor miał 211 typu. Opuszczając część z nich, operatorzy obniżyli moc o połowę, czyli do ok. 1600 megawatów. Wczesnym popołudniem zamierzali przeprowadzić test, ale zmuszeni byli go przełożyć o kilka godzin, bo z Kijowa przyszła informacja, że reaktor nie może przerwać pracy, bo potrzebny jest prąd w sieci. Do przygotowań powrócono więc następnej nocy. Zdaniem niektórych specjalistów przyczyniło się to do katastrofy, ponieważ operatorzy z nocnej zmiany, którzy przyszli wtedy do pracy nie mieli przeprowadzać eksperymentu, więc się do niego nie przygotowywali.

Operatorzy krótko północy rozpoczęli dalsze obniżanie mocy reaktora, która miała w trakcie testu wynosić ok 700-1000 MW. Okazało się jednak, że moc spadła o wiele bardziej i wyniosła 30-40 MW. Ten efekt wywołało tzw. zatrucie ksenonowe. W reakcji jądrowej uran rozpada się na lżejsze pierwiastki. One z kolei na jeszcze lżejsze itd. W tym procesie pojawia się też izotop ksenonu 135, który ma podobne właściwości jak węglik boru w prętach sterujących - pochłania neutrony. Jest to jednak izotop krótko żyjący, więc przy długotrwałej pracy reaktora na tej samej mocy jego poziom jest stabilny i nie ma wpływu na tempo reakcji łańcuchowej. Wtedy jednak reaktor nr 4 pracował zaledwie przez kilka godzin z połową mocy. Przez te kilka godzin stężenie ksenonu 135 wzrosło znacząco. Jak wyjaśnia Pieńkowski, w takiej sytuacji opuszczenie kolejnych prętów kontrolnych powoduje większy spadek mocy, niż gdyby reaktor pracował wcześniej stabilnie, bo wywołane prętami spowolnienie reakcji spowoduje redukcję emisji neutronów. Skutkiem tego będzie spadek tempa "spalania" ksenonu i wzrost jego stężenia czyli dalsze spowolnienie reakcji łańcuchowej.

W tej sytuacji operatorzy zdecydowali się podnieść znaczną część prętów sterujących, aby z powrotem podwyższyć moc reaktora. Ten ruch był, zdaniem większości specjalistów, błędem i przyczynił się do katastrowy. Operatorzy bowiem wyjęli z rdzenia więcej prętów, niż zalecane to było w instrukcji obsługi. Mówiła ona, że zawsze w trakcie pracy reaktora musi zostać zachowany tzw. operatywny zapas reaktywności (OZR). Chodzi o to, żeby zawsze część prętów sterujących była opuszczona, bo tylko wyciągając pręty można podnosić jego moc.

"Aby wyprowadzić reaktor ze stanu zatrucia ksenonem potrzebny jest taki wzrost reaktywności, któryby to zatrucie z nadmiarem skompensował. Dokonuje się tego za pomocą wyciągania prętów regulacji. Zachodzące zjawiska są następujące: wzrost mocy powoduje z jednej strony produkcję ksenonu, z drugiej strony zaś następuje "wypalanie się" ksenonu i rozpad jodu - jego poprzednika. W stanie stacjonarnym reaktora szybkość produkcji ksenonu jest zrównoważona szybkością jego destrukcji. Operatorzy podnosili moc, bo chcieli osiągnąć zaprogramowany poziom mocy. Do tego m.in. przeznaczony był OZR" - wyjaśnił PAP specjalista w dziedzinie energetyki jądrowej dr inż. Jerzy Kubowski z Instytutu Energii Atomowej POLATOM.

Obsługa reaktora miała trudności z utrzymaniem mocy na zaplanowanym poziomie. Podnoszono kolejne pręty sterujące. Operatorzy mieli też kłopoty z monitorowaniem stanu reaktora, bo instrumenty pomiarowe nie były precyzyjne, a obsługa ich zajmowała mnóstwo czasu. O godz. 1.22 nastąpił kolejny gwałtowny spadek mocy reaktora. Zanotowały to przyrządy. Nie wiadomo jednak czy obsługa na pewno o tym wiedziała. W każdym razie eksperyment rozpoczął się o godz. 01:23, tak jak relacjonował to cytowany na wstępie Anatolij Diatłow. Po odłączeniu dopływu pary do pomp, w obiegu głównym wzrósł, a później obniżył się przepływ wody. Moc reaktora zaczęła rosnąć.

Jak wiadomo, precesu tego nie przerwało awaryjne opuszczenie prętów sterujących. Moc wzrosła bardzo gwałtownie. W ciągu kilku sekund kilkadziesiąt razy przekroczyła normalną moc maksymalną. Błyskawicznie rosnące ciśnienie wrzącej w kanałach chłodzących wody spowodowało pierwszy wybuch - rozerwanie grafitowych słupów i uszkodzenie prętów paliwowych. Znajdujący się w prętach, osłaniający uran cyrkon, wszedł z wodą w reakcję, której jednym z produktów był wodór. Również sama woda pod wpływem bardzo wysokiej temperatury rozkładała się na wodór i tlen. Druga eksplozja, o której Diatłow pisał że była większa, to był wybuch wodoru.

Jak to możliwe, że procedura natychmiastowego wyłączenia reaktora, która w sytuacjach awaryjnych ma zapobiegać katastrofom, właśnie katastrofę wywołała? Bezpośrednią przyczyną była wadliwa konstrukcja prętów sterujących. "Pokrycie rdzenia było wykonane z grafitu, który był moderatorem. Pręty sterujące wpuszczano przez otwory w górnej pokrywie. W pozycji podniesionej, znajdujące się w otworach pręty byłyby "hamulcami", które pochłaniałyby neutrony. Wobec tego ich końcówki wykonano z grafitu. Opuszczanie prętów trwało stosunkowo długo, więc przez kilka pierwszych sekund tej operacji do rdzenia reaktora dostawało się jedynie mnóstwo dodatkowego grafitu. To powodowało skokowy wzrost mocy. Większość prętów została wcześniej uniesiona, a w obrębie rdzenia pozostało ich prawdopodobnie zaledwie 15 lub mniej. Wynika z tego, że opuszczono nagle niemal 200 prętów, których część była wykonana z grafitu.

Ponadto w reaktorze czarnobylskim występowało zjawisko tzw. dodatniej reaktywności temperaturowej. Było one związane z działaniem wody chlodzącej jako drugiego, obok grafitu moderatora. Jak wyjaśnia Kubowski, gęsta, czyli stosunkowo chłodna woda mieszana z parą wodną jest dobrym moderatorem, czyli przyspiesza reakcję. Kiedy jednak rośnie jej temperatura, para traci właściwości moderujące i reakcja powinna zwalniać. W RBMK jednak tak się nie działo.

"Woda, jak każdy moderator, spowalniania neutrony, ale także powoduje ich pasożytniczy wychwyt. Wyróżnia się dwa stany reaktora: +niedomoderowany+ i +przemoderowany+. Zależą od stosunku liczby jąder moderatora do liczby jąder paliwa. Jeśli reaktor został zbudowany tak, iż ten stosunek jest większy od wartości optymalnej (tzn. przemoderowany), to wówczas w przypadku zmniejszania się gęstości wody (czyli zmniejszania się pochłaniania neutronów) następuje wzrost mocy (mówi się o dodatnim sprzędzeniu zwrotnym); w przeciwnym przypadku - moc maleje (sprzężenie ujemne). Po awarii, we wszystkich reaktorach typu RBMK wzbogacenie paliwa zostało zwiększone, by wyeliminować niebezpieczną charakterystykę - dodatni temperaturowy efekt reaktywności. I oczywiście zrekonstruowano pręty bezpieczeństwa" - tłumaczy Kubowski.

KTO ZAWINIŁ?

Jak pisał i mówił mediom Diatłow, nikt z operatorów nie poczuwa się do żadnego błędu. Wszystkie zasady eksploatacji, które umieszczono w oficjalnych instrukcjach były, jego zdaniem, ściśle przestrzegane. Całą winę, jego zdaniem, ponosili konstruktorzy z naukowo-badawczego Instytutu im. Igora Kurczatowa w Moskwie i eksperci nadzoru jądrowego którzy zaprojektowali i dopuścili do eksploatacji reaktor z wadami konstrukcyjnymi, z których zdawali sobie sprawę. O mankamentach, m.in. możliwych skutkach podniesienia zbyt wielu prętów kontrolnych oraz późniejszej próby jednoczesnego ich opuszczenia, jak mówił, załoga nie została poinformowana.

"Uważam, że powodem katastrofy była i wadliwa konstrukcja i błędy w działaniach obsługi. Bardzo wiele uwag Diatłowa wynika z rozpaczliwej obrony samego siebie i podległych mu ludzi. Co nie oznacza, że nie ma racji, gdy oskarża konstruktorów reaktora, a także inercję Instytutu Kurczatowa, który ograniczył się tylko do wysłania pisma z uwagami do konstruktorów" - ocenia fizyk prof. Ludwik Dobrzyński.

Z kolei Kubowski podkreśla, że postępowanie załogi, niezależnie czy było błędne czy nie, stworzyło jedynie sytuację, w której katastrofę wywołały wadliwe elementy konstrukcyjne reaktora. "Istota rzeczy polega na tym, iż reaktor - niezależnie od stanu - w każdych sytuacjach eksploatacyjnych (niezależnie od takiej, lub innej wartości zatrucia ksenonem, takiej, czy innej temperatury moderatora) powinien się dać wyłączyć. Reaktor czarnobylski tych warunków nie spełniał" - mówi.

Jego zdaniem, Diatłow miał też rację, tłumacząc, że nie wiedział o wadzie prętów. "W instrukcji eksploatacji reaktora mówiło się o tym, iż się zabrania zmniejszania operatywnego zapasu reaktywności (OZR) poniżej pewnej wartości. To dziwne ograniczenie nie zostało objaśnione i nie uprzedzono, czym ono grozi. Diatłow tej kwestii nie rozważał, bo nie należała do niego. Instrukcja eksploatacji reaktora była zatwierdzona m.in. przez biuro konstrukcyjne reaktora. (...) Diatłow nie mógł brać pod uwagę takiej koincydencji, która doprowadzi do awarii, bo po prostu o tym nie wiedział" - podkreślił.

PAP - Nauka w Polsce, Urszula Rybicka 

tot/bsz