Chemia katastrof w Windscale i Czarnobylu

Chemia katastrof w Windscale i Czarnobylu

Zbigniew Paweł Zagórski
profesor doktor habilitowany, Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa

 (Tekst ze starych „Problemów” (11/1988), szkoda by zniknął)

Katastrofa w Czarnobylu do dziś budzi żywe emocje. W prasie, radiu i telewizji powiedziano już o niej wiele – na ogół kierując się bardziej emocjami niż rzetelną wiedzą na ten temat. Nic więc dziwnego, że w powszechnym odczuciu ta katastrofa spotęgowała strach przed energetyką jądrową. Czy słusznie? Sądzimy, że Czytelnik sam sobie odpowie na to pytanie po przeczytaniu artykułu. A przy okazji dowie się jak do niej doszło. Zachęcamy do lektury, (red.)

 

 

Kto to pisze? I po co?

Redakcja „Problemów” opracowując ten artykuł umieściła łaskawie moją afiliację naukową. Wystarczyłaby ona, gdybym pisał na przykład o historii odkrycia nowej wartościowości wolframu. Niestety, notka nie jest wystarczająca, gdy pisze się dziś o czymkolwiek, co styka się z energią jądrową, radiochemią i promieniowaniem jonizującym. W nerwowej atmosferze wytwarzanej przez przeciwników energetyki jądrowej patrzy się podejrzliwie na każdego piszącego: gdzie stoi jego biurko i czym chce społeczeństwo oszukać. Spowodowane jest to przez samych przeciwników i protestujących, którzy w większości nie starają się zrozumieć meritum sprawy i opierają się na fragmentarycznych informacjach, często fałszywie rozumianych. Nic dziwnego, że czasem czują się manipulowani – i tak właśnie bywa.

Oczywiście, manipulacji należy strzec się pilnie, zwłaszcza w sytuacji Polski. Żeby rozwiać wątpliwości, że to ja mógłbym kimś manipulować, wyjaśniam, że nie wchodzi w grę jakaś lojalność czy też dyscyplina polityczna, bo nie należę do żadnej partii ani PRON-u, nawet do ZBOWiD-u, choć jestem kombatantem AK, rannym w Powstaniu Warszawskim. Nie potrzebuję też chyba zapewniać, że nie jestem członkiem żadnej loży ani lobby i nie posiadam akcji Westinghouse czy innego producenta siłowni jądrowych.

Dziwne, że potrzeba takich deklaracji, ale zmusza mnie do tego właśnie ta nieszczęsna aura w Polsce i podejrzliwość rodzimych niespecjalistów. Żeby dopełnić tego strip-teasu wyjaśniam jeszcze, że nie jestem uwikłany w budowę elektrowni jądrowych w Polsce, bo instytuty jądrowe w naszym kraju tym się nie zajmują. To też jest warte podkreślenia, bo mało kto w Polsce o tym wie.

Jeżeli już wyspowiadałem się kim nie jestem, to powiem kim jestem: po prostu Polakiem, któremu leży na sercu czyste powietrze i przyszłość dalszych pokoleń. Przyszłość szczęśliwa, z nieuszkodzonym materiałem genetycznym, ze zmniejszającym się udziałem nieuleczalnych chorób, z ograniczaniem liczby wypadków śmiertelnych przy pozyskiwaniu energii, a w sferze komfortu życia – braku wyłączeń prądu, nieograniczania się w zużyciu energii wtedy, gdy jest ona naprawdę potrzebna. Moje związki z promieniowaniem są bardzo ścisłe, bo od roku 1958 pracuję w kraju i za granicą bez przerwy z dozymetrem na fartuchu.

Nie taję więc, że wydźwięk mojej popularyzacji będzie za energetyką jądrową, ale rozsądną – jak każda rzecz w postępie cywilizacyjnym. W rozwoju technicznym świata nie wszystko było przecież rozsądne i bezpieczne, toteż byłoby nonsensem sądzić, że w zastosowaniach nukleoniki było inaczej. Tezą mojego artykułu jest zwrócenie uwagi, że to właśnie zaniedbanie chemii w dziedzinie w zasadzie niechemicznej może doprowadzić do niepowodzeń. Dla wyjaśnienia dodam, że artykuł jest częścią jednego z rozdziałów przygotowanej do druku większej pracy pt. „Chemik w świecie niechemików”. Jako aktualny idzie na pierwszy ogień (właśnie ogień – jak się za chwilę przekonamy) szczególny typ reaktora jądrowego.

 

Są różne moderatory, ale przyjrzyjmy się grafitowi

Nie można nadużywać cierpliwości i miejsca w „Problemach” opisem budowy reaktora jądrowego. Popełnię więc autoplagiat z bardzo skondensowanego hasła w „Słowniku Chemicznym” (nowe, VII wydanie w przygotowaniu w „Wiedzy Powszechnej”). Zaczyna się ono tak: reaktory jądrowe, urządzenia, w których jądra atomów paliwa ulegają pod wpływem neutronów powolnych rozszczepieniu w sposób łańcuchowy. Przebieg reakcji łańcuchowej można regulować, wpływając na liczbę i prędkość reagujących neutronów. Podstawowym środkiem tej kontroli reakcji jest właściwy dobór moderatora oddziałującego z neutronami. Więcej wstępnych informacji na razie nam nie potrzeba.

W wystarczającym uproszczeniu można powiedzieć, że najlepszymi moderatorami reaktorowymi są węgiel, ewentualnie jego związki z wodorem, oraz woda, zwykła – dla uranu wzbogaconego w izotop 235, lub ciężka – dla uranu naturalnego. Paliwo wraz z moderatorem stanowią rdzeń reaktora. Uwalnia się w nim duża ilość energii, głównie w postaci ciepła, które musi być odprowadzone. Inaczej wszystko by się stopiło, a zresztą o wykorzystanie tego ciepła nam przecież chodzi. Nośnikiem ciepła z rdzenia reaktora może być znów woda, albo jej para pod dużym ciśnieniem, gazy takie jak dwutlenek węgla albo szlachetny hel. Chłodziwo może pełnić jednocześnie funkcję moderatora.

Fizyka reaktorowego interesują przede wszystkim geometria i własności jądrowe wszystkich składników rdzenia. Chemik natomiast patrzy inaczej – zgodnie z definicją chemii, a mianowicie na to, co się dzieje na zewnętrznych powłokach elektronowych. A tu może się dziać i dzieje wiele.

Od razu możemy podzielić wymienione moderatory pod względem reaktywności chemicznej na dwie grupy: materiały niereaktywne lub słabo reaktywne, a w szczególności niepalne, a więc hel, dwutlenek węgla, wodę zwykłą i ciężką. Natomiast węgiel i jego związki z wodorem są zwyczajnie palne, i to jak! Jeżeli nie ma w otoczeniu grafitu powietrza jako źródła tlenu, to reagują z parą wodną już w niezbyt wysokich temperaturach dając produkty jeszcze bardziej niebezpieczne. Po prostu pierwiastek węgiel (C) jest zachłanny na tlen i nic mu nie sprawia większej satysfakcji jak znaleźć się w postaci trwałej dwutlenku węgla (CO2), a po drodze niezupełnie utlenionego tlenku węgla (CO). Tę skłonność manifestuje wydzieleniem dużych ilości ciepła, co jest zresztą podstawą energetyki węglowej.

Ze wszystkich odmian węgla i jego związków ulubieńcem techniki reaktorowej jest grafit. Da się łatwo obrabiać w równe cegiełki, wiercić na wylot i w ogóle zachowuje się przyjemnie, poza brudzeniem palców, co tu akurat nie jest ważne. Mówiąc komuś, że grafit może się palić, można narazić się na posądzenie o nabieranie rozmówcy. Grafit, taki jak w ołówku? Palny? Oczywiście palny, nawet ten z ołówka, nieważne, że ma różne dodatki, np. glinkę regulującą twardość i wytrzymałość mechaniczną. Grafit może się palić jak każda odmiana węgla, z diamentem, królem odmian alotropowych węgla na czele. Nawet brylant może wypalić się już w temperaturze poniżej topnienia złotej oprawy. Przepraszam, że przypominam wiadomości ze szkoły podstawowej. Nie uważam za śmieszną anegdotki o tym działaczu, który mawiał podobno, że „żaden uniwersytet nie może zastąpić solidnej szkoły podstawowej”. Rozumiem to jako stwierdzenie, że wąski specjalista może być ignorantem z sąsiedniej dziedziny na poziomie właśnie szkoły podstawowej.

Ryc. 1 Rzeźba na terenie uniwersytetu w Chicago, w miejscu, gdzie w 1942 roku uzyskano pierwszą łańcuchową reakcję rozszczepienia. Przy tym budzącym dziwne skojarzenia – od hełmu futbolowego do trupiej czaszki – pomniku autor artykułu. Tablica pamiątkowa znajduje się z boku placyku. Fot. dr inż. T. Kulik.

 

Dla tych, którzy jeszcze palą w piecach albo pamiętają tę technikę, można powiedzieć, że grafit rozpala się prawie tak jak koks, zwłaszcza gdy jest podziurawiony. A gdy się już zapali, to wiadomo, że wystarczy wyregulować dostęp powietrza i dalej pali się sam. Wiadomo też, że umiarkowane polewanie wodą daje dobre, dla procesu palenia oczywiście, efekty.

Jak już wspomniałem, grafit ma swoją bogatą nuklearną historię. Z pewnych względów ciężka woda wydawała się w czasie II wojny światowej tak Niemcom, jak i Kanadyjczykom (i akurat przebywającym tam naukowcom z Europy) najkrótszą drogą do wyzwolenia energii jądrowej. Obydwa projekty upadły z powodu braku odpowiednich chemików w tych zespołach. Inne były niedoróbki chemiczne w Montrealu, inne w Lipsku (na nasze szczęście) i szczegóły nie należą do tej historii, poza wskazówką, że fizycy powinni częściej konsultować się z chemikami. Istotne jest, że to w Chicago, a nie gdzie indziej w roku 1942 trafiono świadomie na właściwą w tych czasach drogę budując stos („mielerz” – jak to trafnie nazwano po polsku zaraz po wojnie) z cegieł grafitowych. Osiągnięto cel: samopodtrzymującą się reakcję rozszczepienia jąder uranu. Stos chicagowski, niestety, szybko rozebrano i w tym miejscu stoi tylko dziwny pomnik (ryc. 1).

Na tym etapie moce były tak małe, że nie można mówić o zachodzeniu reakcji chemicznych grafitu. Nawet gdy grafit zapędzono do pracy w reaktorze energetycznym w Obnińsku (ZSRR), w roku 1954, nic się nie nasuwało z punktu widzenia chemika, bo moc wynosiła zaledwie 5 MW. Moc ta nawet na stosunki przedwojenne była niewielka, bo wtedy dopiero od 50 MW coś się liczyło, np. nasza hydroelektrownia w Rożnowie. Przy obecnej skali potrzeb cywilizacyjnych poprzeczka została podniesiona o dalszy rząd wielkości i dziś liczy się dopiero od. 500 MW, co zresztą od razu eliminuje z dyskusji energię wiatru, pływów morskich oraz energię słoneczną (oczywiście tę pozarolniczą). Mimo raczej symbolicznego znaczenia, instalację w Obnińsku pod Moskwą nazywa się emfatycznie ,,pierwszą w świecie” i określenie to znajdujemy czasem nawet w literaturze u Amerykanów, którzy szanują każdy ambitny projekt.

Grafit nie był wyborem tylko radzieckiej techniki jądrowej. Prawa natury nie zależą (na szczęście) od ustroju i równie ambitny program reaktorowy w Wielkiej Brytanii też się zaczynał od prostego grafitu. Ale miłość do grafitu okazała się nieodwzajemniona i nastąpiło poważne ostrzeżenie w Windscale (Wielka Brytania) w roku 1957. Grafit po prostu się zapalił, i to przy niezbyt dużej mocy, spowodował skażenie, tyle że nie na miarę czarnobylską, a sprawa weszła nawet do podręczników akademickich. Jeszcze dziś jest szczegółowo opisywana, np. w ostatnio (1987) wydanym na Węgrzech po angielsku dla wydawnictwa Elsevier podręczniku chemii jądrowej.

W ubiegłym roku minęło trzydzieści lat od pożaru w Windscale, a po tym właśnie okresie następuje ujawnienie w Wielkiej Brytanii wszelkich, nawet tajnych szczegółów. Mam więc przed sobą tak zwany Raport Pinneya o tym, co się stało. Nie podzielam zdania głodnych sensacji dziennikarzy prasy, którą przed wojną nazywano „czerwoną”. Oskarżyli oni zaraz atomistów brytyjskich, że coś ukrywali przed społeczeństwem, a co gorsze (straszne!) – królową. Porównanie raportu z tym, co wiemy choćby z podręczników, wykazuje, że to, co potrzeba, ujawniono, i to w rzetelny sposób, tak by naukowcy na całym świecie wiedzieli, że grafit może się zapalić. Warto jednak przeczytać o pewnych szczegółach, które nie były dotąd tak dobrze znane.

 

Co się zdarzyło w Windscale?

Trzydzieści lat temu czasy były bardzo nerwowe, a główną przyczyną był wyścig o wyprodukowanie jak największej ilości paliwa rozszczepialnego, dającego się wykorzystać w broniach jądrowych. To nie to co teraz, gdy jesteśmy świadkami raczej ograniczenia rozwoju broni jądrowych, które jako zbyt niszczące nie wytrzymują konkurencji z wyrafinowanymi broniami „konwencjonalnymi”, rozwiniętymi w ostatnim trzydziestoleciu dzięki postępom elektroniki. Bomba atomowa ma się tak do naprowadzonego laserem zwykłego pocisku jak ciężki młot do skalpela. Ale wtedy było inaczej. Pluton był bożkiem i politycy pytali tylko bez przerwy „ile go mamy dziś rano?”

Ryc. 2Przekrój pionowy reaktora grafitowego w Windscale. 1 – blok grafitowy objęty częściowo pożarem, 2 – pręty sterowania, 3 – pręty wyłączania reaktora, 4 – linia odbioru puszek z uranem przepracowanym, 8 – komin wylotu powietrza chłodzącego (z filtrami), 9-12 – zespół kanałów załadowanych puszkami ze świeżym paliwem uranowym, 13 – schron wodny paliwa zużytego. Na rysunku zaznaczono wymiary rdzenia reaktora.

 

Nie znając widocznie staropolskiego powiedzenia „co nagle, to po diable” (Polacy w Wielkiej Brytanii nie byli dopuszczani do tajności), Anglicy zbudowali dwa mielerze, czy może lepiej po polsku stosy, (piles) z grafitem jako moderatorem w ośrodku w Windscale, nad brzegiem Morza Irlandzkiego, na wysokości Wyspy Man (ryc. 2). Prymitywne te reaktory zbudowane były z bloków grafitu, a w kanałach umieszczano uran w puszkach ze stopu litu z glinem. Stosowano wówczas głównie uran metaliczny, bo nie brano poważnie ostrzeżeń, że nawet nierozdrobniony uran pali się jak zapałka. Ciepła reakcji rozszczepienia nie odzyskiwano, a chłodzenie odbywało się strumieniem powietrza wydmuchiwanego do komina wysokości 150 metrów. Koncepcja reaktora wydawała się maksymalnie uproszczona, ponieważ nie wprowadzono do rdzenia dodatkowego czynnika pochłaniającego neutrony, co tak zaważyło 30 lat później w Czarnobylu. Pojawił się jednak nowy czynnik związany z grafitem, nie znany przedtem w zestawach małej mocy. Część energii neutronów pozostaje w graficie wskutek zmiany jego struktury. Energia ta, od nazwiska odkrywcy zwana energią Wignera, musi być od czasu do czasu uwalniana przez podwyższenie temperatury. Inaczej wyzwoli się sama w najbardziej, oczywiście, niekorzystnym momencie. Tak się stało w Windscale już w roku 1952, w rok po uruchomieniu, na szczęście bez większych konsekwencji. Od tego czasu aż do dziś energia Wignera jest sprawą podręcznikową dla chemii jądrowej.

Ostrzeżenie z roku 1952 poskutkowało i w Windscale wprowadzono rutynowo okresowe wygrzewania grafitu. Odbywało się to po prostu przez wyłączenie dmuchawy powietrza. Postawiono jednak ograniczenie, że temperatura puszek z uranem nie może przekroczyć 250°C. Rozzuchwaleni powodzeniem operatorzy zwiększali okresy pomiędzy wygrzewaniem z 20 tysięcy megawato-dni eksploatacji do 30, 40 i dobrze nie wiadomo ile, gdy zamknięto stos numer 1 siódmego października 1957. Nagromadziło się wtedy więcej energii Wignera niż kiedykolwiek przedtem.

 

Ryc. 3 Schematyczne porównanie reaktorów jądrowych grafitowych i wodnych:

Reaktor grafitowy RBMK. 1 – blok grafitowy (rdzeń), 2 – pręty paliwowe i przewody ciśnieniowe parowo-wodne, 3 – pręty regulujące, 4 – separator wody i pary, 5 – pompy wodne, 6 – turbina i generator prądu, 7 – ściany budynku reaktora.

Reaktor z wodą pod ciśnieniem. 1 – zbiornik ciśnieniowy reaktora, 2 – rdzeń z prętami paliwowymi, 3 – pręty regulujące, 4 – generator pary, 5 – pompy wodne, 6 – turbina i generator prądu, 7 – osłona bezpieczeństwa mogąca zatrzymać wszelkie produkty awarii. Wewnątrz osłony nie ma nic palnego.

 

Dyrekcja Windscale była poganiana przez premiera MacMillana, który zarządził przyśpieszenie próbnego wybuchu nowej bomby wodorowej z czerwca 1958 na listopad 1957. Konkurencja z USA oraz obawa wypadnięcia Wielkiej Brytanii z gry nuklearnej też odegrały swoją rolę. Pikantnym szczegółem jest, że Anglicy nie chcieli się przyznać Amerykanom do stosowania przestarzałego inicjatora jakim jest polon 210, wytwarzany w tym samym reaktorze z bizmutu. Izotop ma półokres zaniku około 150 dni i musi być wytwarzany praktycznie stale, jeżeli broń, dla której jest niezbędny, ma być dyspozycyjna.

Z pewną tremą operatorzy zaczęli proces wygrzewania, a naczelny fizyk zadecydował o godzinie 11, 8 października, by go kontynuować, mimo że temperatura doszła do 300°C. W ogólnym zamieszaniu zapomniano, że czujniki temperatury znajdują się przy puszkach z uranem, a nie w głębi bloków grafitu. Obawiano się ciągle uranu, a nie grafitu. W środę wieczorem temperatura doszła do 400°C, którą uznano za grożącą pękaniem puszek z uranem. Dyżurny fizyk włączył wentylatory, co dla każdego znającego się na węglowych piecach kuchennych musiało oznaczać otwarcie drzwiczek popielnika. Nic dziwnego, że w czwartek o świcie 10 października musiał już buzować ogień, skoro monitory promieniotwórczości u wylotu komina zaczęły szaleć. Niestety, dopiero o godz. 16.30 zdecydowano się zajrzeć do najgorętszego (na dotyk) kanału i stwierdzono, że wszystko się żarzy. Pożar zaczął się prawdopodobnie od pękniętej puszki z uranem, a otaczającego grafitu nie trzeba było zachęcać do palenia się.

Zaczęto pompować zamiast powietrza dwutlenek węgla. Ale tu znów ukłoniła się zaniedbana chemia i powiedziała, że w podwyższonej temperaturze zachodzi reakcja C + CO2 = 2 CO, czyli znów palny gaz. W tej fazie duża część materiału radioaktywnego była zatrzymywana przez filtry, nawiasem mówiąc zainstalowane na wyraźne życzenie naukowców wbrew życzeniom Komisji Energii Atomowej. W tej chwili już wszyscy obawiali się katastrofy. Zaczęły się działania nerwowe, na przykład wypychanie przypadkowymi drągami puszek z uranem.

Najcięższą do podjęcia, ale słuszną, jak się okazało, decyzją było zalanie reaktora wodą. Nie małą ilością, która dałaby groźną reakcję C + H2O = H2 + CO (nowa mieszanka wybuchowa z powietrzem), ale dużą ilością, podobną do zalania paleniska węglowego. W ciągu jednej doby wlano 5 milionów litrów wody, dławiąc wspomnianą reakcję oraz nie dopuszczając do powstania geometrii reaktora wodno-grafitowego. Nie doszło do żadnego wybuchu, ani chemicznego, ani jądrowego, i można powiedzieć, że skończyło się na strachu i utracie mnóstwa mleka, które trzeba było wylać wskutek skażenia okolicy jodem 131.

Obecni komentatorzy pożaru w Windscale podają ważną informację, którą powtarzam jako członek społeczności naukowej. Otóż sypią się gromy na głowy naukowców, że robią tajemnice z niepowodzeń i oszukują swoje społeczeństwa. Tymczasem naukowcy z Windscale i członkowie komisji Penneya chcieli opublikować absolutnie wszystko. Zgadzało się na to nawet Ministerstwo Obrony. To ówczesny premier, Harold MacMillan, utajnił pełną wersję. Tym niemniej trzeba powiedzieć, że publikowano na tyle dużo, że jasno wynikały niebezpieczeństwa stosowania grafitu w reaktorach dużej mocy. Wystarczająco dużo opublikowano też na temat skażeń – dużo na tyle, że wszystko, co potrzeba dochodziło do wiadomości naszego Instytutu Badań Jądrowych, który znajdował się wtedy w fazie żywiołowego rozwoju.

Ograniczenia informacyjne jednak trwały, jako skutek specyficznego dla XX wieku styku pomiędzy techniką i nauką z jednej strony a polityką. Broni jądrowych nie produkowano na magazyn, ale dużą ich część detonowano w próbnych wybuchach. Przypadki poważnych skażeń, które wystąpiły w świecie po obłędnych próbnych wybuchach jądrowych wszystkich państw nuklearnych ciągle nie są ujawnione. Wciąż nie można dokonać porównań ze skażeniami poczarnobylskimi, a przecież wiadomo, że skażenia pastwisk szkockich były w latach sześćdziesiątych tak duże, że stront 90 zaczął przechodzić do żelatyny stosowanej w błonach fotograficznych Ilforda!

 

Trzydzieści lat po Windscale

Pożar w Windscale można przyjąć za znak „stop” na drodze powiększania mocy reaktorów energetycznych z grafitem na Zachodzie i w Japonii. Istotnie, co zostało z grafitu do dziś, to zastosowanie go jako reflektora nie stwarzające specjalnych zagrożeń, ponieważ nie rozgrzewa się on przy tym znacznie i jest go niewiele. Na skalę istotną myśli się, co prawda, nadal o reaktorach grafitowych, jednak trudno to nazwać czymś więcej niż przymiarkami, głównie w RFN. Projektowana moc nie będzie przekraczać 100 MW. Pozostał jeszcze w ruchu dużej mocy grafitowiec pracujący w stanie Washington, w USA, utrzymywany zresztą tylko do produkcji plutonu i przeznaczony do rychłej kasacji. Ten tzw. N Reactor, działa 23 lata i jest potrójnie, jak mówią zwolennicy utrzymania go w biegu, zabezpieczony przed wszelkimi niespodziankami – podwyższaniem się temperatury, pęcznieniem grafitu, pękaniem rur, powstawaniem wodoru itd. Mimo to wszystko wskazuje na to, że po dyskusji w roku 1987 reaktor będzie jednak zamknięty. Ostatnim, niezbyt fortunnym strzałem sentymentalistów było podkreślenie, że N Reactor znajduje się w najsłabiej zaludnionej części Stanów Zjednoczonych.

Po drodze od Windscale do Czarnobyla zrezygnowano z moderatora i chłodziwa z wyższych węglowodorów aromatycznych. Ostatnią chyba instalację próbną do tego celu, unieruchomioną, widziałem w kanadyjskim ośrodku nuklearnym Whiteshell w Pinawa (Winnipeg) w roku 1987. Tutaj już nie tylko groźba pożaru, ale chemia radiacyjna powiedziała „nie!”. Nie można było opanować degradacji i polimeryzacji tej nieprzyjemnej cieczy złożonej z polifenyli.

Światowa sympatia do grafitu przejawiała się zresztą i u nas, gdy w początku lat sześćdziesiątych wydawało się, że każdy KDL będzie miał własnego typu reaktor energetyczny, jak w USA, gdzie każda większa firma ma ambicje zbudowania własnej odmiany. Jest to zresztą tam krytykowane jako gorsze rozwiązanie od francuskiego, gdzie ujednolicono projekty. W zespole zakładów chemicznych polskiego Instytutu Badań Jądrowych o paskudnej chemii grafitu uświadamiał nas znakomity specjalista chemii węgla, prof. Bohdan Kalinowski (zmarły już niestety), na emeryturze w roku 1982. Dla niego masa rozgrzanego grafitu kojarzyła się zawsze z pożarem kopalni węgla. Nie dożył swych obaw.

Projekty narodowych siłowni jądrowych w KDL zostały zarzucone, gdy ZSRR zaproponował dostawę niepalnych elektrowni z reaktorem wodnym, budowanych w kooperacji z innymi krajami RWPG. Nie skończyła się na tym historia grafitu. Na swoim wyłącznie terytorium ZSRR wystąpił z reaktorami RBMK, grafitowymi, podciągniętymi do mocy elektrycznej 1000 MW (3200 MW cieplnych) jaką miał pierwszy egzemplarz w Leningradzie w roku 1973. W jednym przypadku, w Ignalińsku – na północny wschód od Wilna, reaktor został podrasowany, używając terminologii samochodowej, do 1500 MW, typ ten nazwano RBMK-1500.

Pomijając wszystkie inne charakterystyki, które wymagałyby dodatkowej popularyzacji, spójrzmy tylko na rozmiary tego Golema, powielonego łącznie w piętnastu elektrowniach, m.in. też i w Smoleńsku, Kursku a przede wszystkim w czterech egzemplarzach w Czarnobylu: blisko 2000 ton grafitu, czyli 200 wagonów kolejowych zwykle u nas używanych do przewozu rzeczy delikatniejszych niż żwir, 180 ton wzbogaconego uranu, jeden obwód pary wodnej – od rdzenia prosto do turbin i z powrotem. Całość z konieczności ogromna, umieszczona w betonowej komorze o podstawie 21 X 21 m, głębokiej na 25 m. Temperatura wody wchodzącej do rdzenia wynosi około 275°C, a wychodzącej mieszaniny wody i pary jest bliska 300°C; ciśnienie wynosi około 80 atmosfer. Temperatura lokalna elementów paliwowych musi być znacznie większa dla efektywnego przepływu ciepła. Dopiero 750°C zapewnia przyzwoity gradient i na tyle ocenia się w najgorętszych miejscach temperaturę grafitu.

W tym miejscu każdy chemik zaczyna mieć wątpliwości co do bezpieczeństwa systemu. 750° to jest już widoczny żar, na przykład dobrze rozgrzanej spirali w kuchence elektrycznej. Grafit w tej temperaturze może egzystować tylko w atmosferze wolnej od tlenu, a więc azotu, argonu, helu, inaczej zaczyna się natychmiast palić. Pierwsze żarówki elektryczne miały włókna grafitowe, ale bańka szklana musiała być wypełniona gazem obojętnym. Według „Chemiczeskoj Encyklopedii” (tom 5, Moskwa 1967) grafit o temperaturze 300°C już może zacząć się palić, jeżeli dostanie się powietrze. Tego nie ma do chwili rozszczelnienia wskutek eksplozji chemicznej lub fizycznej. Grafit w temperaturze 750°C reaguje żywo z parą wodną według wspomnianej prostej reakcji: C + H2O = CO + H2. To jeszcze nie jest pożar, ale wytwarzanie gazu palnego, który zmieszany z powietrzem daje mieszankę wybuchową. A przecież w omawianym reaktorze jest woda, jest masa przegrzanej wody w 1661 rurkach przechodzących przez kanały w rdzeniu grafitowo-uranowym. Najmniejsza nieszczelność wywołuje nagromadzenie się niebezpiecznego gazu, początkowo rozcieńczonego gazem neutralnym. Zapłon grafitu w obecności powietrza jest ułatwiony działaniem neutronów rozluźniających strukturę grafitu, silnym polem promieniowania oraz pojawiającymi się w trakcie pracy nowymi nuklidami, które mogą działać katalitycznie.

Konstrukcja RBMK nie była tajemnicą, pokazywano ją wcześniej specjalistom zagranicznym; z Polski był m.in. ówczesny Pełnomocnik Rządu do spraw Wykorzystania Energii Atomowej, prof. Stanisław Andrzejewski (zm. w 1980 r.), który dzielił się obserwacjami w kraju. Obserwatorzy zagraniczni kiwali uprzejmie głowami, niektórzy wyrażali swe wątpliwości, ale ponieważ ZSRR nie oferował nigdy RBMK jako obiektu eksportowego, o sprawie zapomniano. W końcu suwerenne państwo może sobie budować na użytek lokalny co zechce. Nie dochodziły do świata zewnętrznego żadne głosy na temat trudności eksploatacyjnych, nie była to zresztą epoka „głasnosti”. Co prawda w raportach po katastrofie czarnobylskiej wspomniano o bliżej nieokreślonym incydencie w elektrowni kurskiej, ale nie ma szczegółów, by analizować ją z punktu widzenia chemicznego. Zapomnieniu sprzyjał fakt, że pierwsze egzemplarze grafitowców dużej mocy pracowały ponad 10 lat wykazując, że można ostrożnie gotować jajka na beczce z benzyną. Rzeczywiście, można to robić, ale jak się już stanie to najgorsze, to szkody są niewspółmiernie duże do popełnionych błędów. No i zysków z oszczędności.

 

Scenariusz katastrofy czarnobylskiej

Doskonale wiadomo, nawet z popularnych gazet, jak bezpośrednio doszło do katastrofy. Nie należy to do strony chemicznej, ale gwoli pełnego obrazu przypomnijmy jak to wygląda według raportów złożonych w Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej w Wiedniu. Jasne jest, że – jak już widzieliśmy – nie każdy reaktor z moderatorem grafitowym musi się spalić. Aby doszło do katastrofy musi nastąpić nagromadzenie się kilku czynników. Oprócz chemii jądrowej i ogólnej dochodzą tu okoliczności związane z fizyką reaktorową. Błędy w tej działce odpowiedzialności były niewątpliwie języczkiem spustowym – wyzwalaczem – katastrofy. Ponieważ fizyka jądrowa dominuje w sprawach reaktorowych, więc aspekty chemiczne zostały przesłonięte. Nawet aspekty organizacyjne, z ich niewątpliwymi niedociągnięciami przyciągały uwagę jako łatwe do zrozumienia przez ogół.

Jest osobliwością całej sprawy, że eksperyment, jaki postanowiono przeprowadzić na żywym reaktorze nr 4 w Czarnobylu, nie był ani zachcianką operatorów, ani problemem poznawczym wydumanym przez teoretyków fizyki reaktorowej. Należał do zagadnień technologicznych, których rozwiązanie miało polepszyć, o ironio, bezpieczeństwo eksploatacji reaktorów RBMK. Z przyczyn, które nie należą do mojej chemicznej działki zagadnień, reaktory grafitowo-wodne (woda częściowo w stanie pary) o tej’ mocy i przy małym stopniu wzbogacenia paliwa należą do układów o tzw. dodatnim współczynniku reaktywności. Oznacza to, że przy pracy na ułamku mocy, poniżej 20%, są nadzwyczaj niestabilne i łatwo z tego stanu uciekają w reakcję jądrową tak gwałtowną, że trzeba dużych sztuczek, by ją zatrzymać. Ilustruje to ryc. 6, na której widać jak każdy poprzedni etap wzmaga następny, zupełnie jak tocząca się kula śniegu na coraz bardziej stromym stoku. Ryc. 7. pokazuje wykres mocy takiego reaktora, otrzymany drogą symulacji komputerowej. Tu już konkretnie widzimy jak w ciągu niewielu sekund moc skacze do wartości, w których nic już nie można poradzić. Wykres ten przypomnimy jeszcze w ostatnim rozdziale opisującym środki zaradcze, które muszą być zastosowane w sekundach. Ryc. 7 pokazuje też przebieg zdarzeń przy obniżaniu mocy reaktora wodnego z ujemnym współczynnikiem reaktywności. Nowa niższa moc ustala się bez niczego szczególnego na nowym poziomie.

Ryc. 4 Reaktor grafitowy RBKM w Czarnobylu. 1 – blok grafitowy z kanałami paliwowymi, 2 – kanały wymiany paliwa, 3 – wlot wody, 4 – separatory pary, 5 – odprowadzenie pary, 6- odprowadzenie wody, 7 – pompy wodne, 8 i 9 – odpływ wody chłodzącej, 10 – stacja pomiaru aktywności wody, 11 – pokrywa reaktora (uniesiona wybuchem w czasie katastrofy), 12 – ściana boczna, 13 – dno komory z grafitem, 14 – schron wodny dla schłodzenia elementów paliwowych, 15 – maszyna do załadunku i wymiany paliwa, 16 suwnica (maszyna i suwnica zostały przewrócone wybuchem).

 

Pytaniem postawionym systemowi było: jak długo mogą turbiny na ostatnich obrotach, przy wyłączonym reaktorze, zasilać urządzenia zabezpieczające reaktor przed ucieczką w katastrofę. Jeden z moim profesorów mawiał, że natura nie odpowiada na głupie pytania. W tym wypadku pytanie nie było głupie, ale reaktor go nie zrozumiał, a pomogła mu w tym załoga. Wybór czasu na eksperyment nie był przypadkowy. Reaktory czarnobylskie pracowały bardzo intensywnie w czasie zimy i wiosny, toteż z nastaniem cieplejszej pogody i tak miały być wyłączone. Przebieg eksperymentu miał być prosty: wpierw odłączenie go od sieci, obniżenie mocy, wyłączenie reaktora i obserwowanie roli spełnianej przez turbogenerator nr 8. Problem był sprowadzony właściwie do układu elektrycznego. Od północy 25 kwietnia zaczęto obniżać moc – powoli, bo reaktor nie lubi szoków temperaturowych – i o godz. 13.30 wszystko było gotowe do eksperymentu. Turbina nr 7 wyłączona, a turbina nr 8 produkowała moc 500 MW. Energii wytwarzanej przez tę turbinę nie chciano użyć do napędzania awaryjnych pomp wodnych, a zmierzyć tylko jej ilość na układzie z symulowanym obciążeniem. W tym momencie gotowości do rozpoczęcia eksperymentu dyspozycja mocy odczuła nagle jej brak, było to piątkowe popołudnie przed weekendem, i zażądała normalnej pracy. Zapomniano jednak uruchomić ponownie systemy awaryjne, co można położyć na karb zmęczenia załogi.

 

Ryc. 5 Przykład reaktora siłowni jądrowej z wodą pod ciśnieniem. 1 – zbiornik ciśnieniowy, 2 – generator pary, 3 – główna pompa chłodzenia, 4 – przepust pary do turbiny, 5 – przepust powrotu wody.

 

O jedenastej w nocy nadszedł nowy sygnał z dyspozytorni mocy, że zapotrzebowanie na energię spadło i że można zaczynać eksperyment. Nie chcę tu z braku miejsca opisywać dalszych fizycznych i chemicznych szczegółów specyfiki reaktora RBMK, zagadnienia neutronów opóźnionych, roli prętów kontrolnych z węglika boru, roli pęcherzyków pary wodnej w rurkach, zatrucia reaktora ksenonem itd. Dla zrozumienia katastrofy wystarczy ryc. 5: przy znacznym obniżeniu mocy trzeba zastosować wyjątkowe środki, które powstrzymają ucieczkę reaktora. Półtorej godziny później, o godz. 0.28 – 26 kwietnia, jeden z operatorów wykonał błędne operacje prowadzące do nagłego spadku mocy do 1% nominalnej. Dalsze czynności – wysunięcie prętów regulujących – pogłębiły tylko nieszczęście. Radziecki zespół rekonstruował później przebieg katastrofy, czyli ostatnie cztery minuty życia reaktora nr 4, na podstawie danych z wydruków komputerowych i taśm rejestracyjnych, które zachowały się do badań. Rozważania i symulacje dokonywane przez naukowców zachodnich dały w zasadzie wyniki zgodne, mimo że nikt z fachowców poza obywatelami radzieckimi nie miał dostępu do dokumentacji wyjściowej ani nie miał możności rozmawiać ze świadkami.

O godz. 1.19 jeden z operatorów zaczął nerwowo manipulować dopływem wody do reaktora, to zamykając zawór, to otwierając, by tylko utrzymać niestabilny system w jakiej takiej równowadze. Gdy pęcherzyki pary zaczęły się powiększać, pręty regulujące, jeszcze automatycznie uruchamiane, spowalniały przybór mocy i to był ostatni moment możliwości uratowania reaktora. O godz. 1.23 sekund 04 nastąpił ostateczny krok do przepaści, gdy operator odciął dopływ pary do turbogeneratora, a więc wykonał zaplanowany element eksperymentu. Pompy chłodzące szybko wytracały moc, woda pozostała w reaktorze zaczęła gwałtownie wrzeć, znów powstały nowe, puste dla neutronów luki. O godz. 01.23.40 operator zdecydował nacisnąć guzik awaryjny AZ-5, ale już było za późno. 199 prętów kontrolnych miało wpaść da rdzenia, ale poruszały się za wolno w stosunku do rozpędu reakcji w rdzeniu. W ciągu 4 sekund moc reaktora skoczyła od 200 MW termicznych dc około 360 000 MW, a więc sto razy większej mocy od projektowanej dla RBMK. Pręty spadają 7 prędkością średnią około 40 cm/s, częściowo w wodzie, i do ukończenia operacji zabrakło ponad dziesięciu sekund. Jedynemu komercjalnemu reaktorowi zachodniemu z dodatnim współczynnikiem reaktywności CANDU, z ciężką wodą, potrzeba na taką operację 1 sekundy.

Ryc. 6 Poglądowy schemat samowzmagającego się, trudnego do regulacji zjawiska lawinowo narastającej mocy w reaktorach z dodatnim współczynnikiem reaktywności.

 

W tym miejscu zaczyna się chemia, niespecjalnie nawet jądrowa. 60 000 rurek cyrkonowych z dwutlenkiem uranu wzbogaconym do około 1,8% uranu 235 zaczęło po prostu pękać od nadmiaru energii cieplnej. Transport ciepła wewnątrz pręta ma wartość ograniczoną i dlatego wnętrze musi się nagrzać w tych warunkach powyżej założonych granic. W ciągu sekundy około 30% paliwa uwolniło się z cyrkonowych koszulek strzelając kawałkami w resztę wody i w grafit. Trudno powiedzieć, co szybciej dało chemiczną mieszankę wybuchową, reakcja wody z grafitem czy z cyrkonem, który reaguje z wodą dopiero powyżej 1100°C. Konstruktorzy reaktora preferują oczywiście tę ostatnią, oszczędzając opinię grafitu. Najprawdopodobniej zachodziły obie reakcje, choć w różnych częściach reaktora. Niewątpliwymi reakcjami chemicznymi były też reakcje cyrkonu z tlenem w dwutlenku uranu oraz reakcja cyrkonu z grafitem na węglik cyrkonu. Powstałe w rezultacie tych reakcji ciśnienie gazów odrzuciło w górę i w bok ważącą kilka tysięcy ton pokrywę rdzenia. Potrzebną do tego energię oblicza się na 0,2 do 2 GJ (giga dżuli). Koncepcję „fizyczną” eksplozji trzeba więc odrzucić; wybuch musiał być ,,chemiczny”. Odsunięcie pokrywy na bok stworzyło warunki dla dochodzenia powietrza podtrzymującego pożar grafitu. Siła wybuchu przewróciła też wielki dźwig, a ten wtrącił do rdzenia maszynę do przeładunku paliwa. W tym momencie nastąpił jeszcze jeden wybuch, prawdopodobnie z powodu coraz żywszej produkcji wodoru i tlenku węgla oraz swobodnego dopływu powietrza.

Ryc. 7 Zmiany mocy reaktora (górna krzywa) typu RBMK-1000 z dodatnim współczynnikiem reaktywności, obliczona z wyjściowego obciążenia 7 proc., współczynnika pęcherzyków pary +3 X 10-4 (proc. obj. w przypadku wyłączenia głównych pomp chłodzenia). Przy nagłym odparowaniu chłodziwa tak zwiększa się reaktywność, że dochodzi do katastrofalnego wzrostu mocy. Dolna krzywa jest obliczona dla analogicznego pod względem mocy reaktora z wrzącą wodą zwykłą i ujemnym współczynniku -8 X 10-4/proc. obj. Redukcja szybkości wypalania paliwa o 70 proc., tak jak w przypadku górnej krzywej w RBMK, tutaj wywołuje spokojne dojście do nowego, niższego stanu stacjonarnego.

 

Rozrzucone żarzące się kawałki grafitu zainicjowały dalsze pożary w liczbie około trzydziestu. Tym niemniej dla niefachowego obserwatora z zewnątrz -pożar nie był zbyt spektakularny i nie był podobny do pożaru rafinerii ropy naftowej lub chociażby dużego magazynu. W tym upatrywać można słabą początkową reakcję władz lokalnych, a po świcie sporą liczbę gapiów. Promieniowania jonizującego nie widać, nie słychać ani nie czuć. Czy tak samo odbierali ten pożar nieszczęśni strażacy, w ogóle nie przygotowani do katastrofy nuklearnej ?

W tym miejscu obowiązkiem popularyzatora jest objaśnić co rozumiemy pod eksplozją fizyczną, chemiczną i jądrową. Pierwsza z nich to zgoła niewinna eksplozja z powodu wytworzenia gazów. Do tej kategorii można zaliczyć eksplozję zbyt ogrzanej butelki z wodą sodową. Tylko najgorszy scenariusz w tym wypadku może przewidywać wybicie oka odłamkiem szkła. Eksplozja chemiczna to jest sprawa poważna i na niej opierały się do tej pory wszystkie nowożytne wojny, jeżeli uważać wybuchy nad Hiroszimą i Nagasaki jako (udane) akty terroru a nie działań militarnych. Eksplozja chemiczna spowodowana jest przyspieszeniem reakcji chemicznych do krótkiego, liczonego w milisekundach czasu trwania. Na ogół materiał wybuchowy, np. trójnitrotoluen, spalić się może bez sensacji, jeżeli postaramy się by odbywało się to wolno. Tu mamy analogię z następną kategorią wybuchów, czyli eksplozją nuklearną. Zamiast kontrolowanego, spokojnego spalania materiału rozszczepialnego w reaktorze wybuch nuklearny to podobna reakcja jądrowa, tyle że dokonująca się w milisekundach i dlatego wytwarzająca temperaturę milionów stopni i potężną falę uderzeniową. O to właśnie chodzi wojskowym i bez tego bomba atomowa byłaby dla nich zupełnie nieciekawa.

Co nastąpiło w Czarnobylu? Właśnie gwałtowna reakcja łańcuchowa, ale przebiegająca w zwolnionym tempie. Szybko wygasła sama z siebie, bo geometria rdzenia reaktorów jądrowych jest zbyt luźna. Rozrzucenie paliwa w pierwszej fazie też zapewniło, że nie doszło do milionów stopni i powstania fali uderzeniowej. Przy tej okazji możemy zrobić ważną obserwację: do zajścia eksplozji jądrowej niezbędne jest nie tylko szybkie zgromadzenie ponadkrytycznej ilości materiału rozszczepialnego, np. więcej niż 9 kilogramów czystego uranu 235, ale przytrzymanie tego materiału w początku rozwijania się reakcji. Inaczej materiał się rozproszy mechanicznie i sytuacja najlepiej będzie opisana przez staropolskie określenie niepowodzenia: „proch spalił się na panewce”, które przeszło nawet w idiom. Utrzymanie materiału w początkowej geometrii nie jest łatwe. Dobre i szybkie rozwiązanie problemu było jednym z największych osiągnięć naukowych w Los Alamos w roku 1943-44, a zdradzenie tej techniki kosztowało Rosenbergów ich głowy, a innych uczestników tej akcji – wieloletnie więzienie.

W relacjach dalszego rozwoju wypadków w Czarnobylu, w nocy z 25 na 26 kwietnia 1986, zaczynają się mieszać niestety fakty z oficjalnych raportów z fikcją literacką. Do niej należy sztuka Władimira Gubarjewa „Sarkofag”. Utrzymuje się w niej, że dachy budynków reaktora pokryte były łatwopalną masą wycofaną 12 lat temu z powodu pożarów w innych zakładach przemysłowych. Mimo, że palny lepik na dachu mógłby być efektownym kąskiem dla chemika, sądzę, że należy opierać się wyłącznie na faktach i odrzucać sugestie nie potwierdzone. Tym bardziej, że „Sarkofag” nie tylko w warstwie merytorycznej jest wątpliwy, ale i dlatego, że zawiera w swej treści trudne do przyjęcia posłanie moralne: należy uratować życie winnego katastrofy dyrektora tylko dlatego, by móc go skazać i pokazywać ludziom, wyzwolić nienawiść tłumu. Coś mi się zdaje, że wdali się w sprawę osławieni erenburgowscy „inżynierowie dusz”.

Oczywiście palenie się tego co zazwyczaj się pali w pożarach przemysłowych lub domowych nie interesuje nas tu zbytnio. Natomiast pożar tych dwóch tysięcy ton grafitu naszpikowanych cyrkonem, stalą rurek wodnych, a nade wszystko uranem i produktami rozszczepienia uranu 235, no i plutonem powstałym z uranu 238, jest zdarzeniem, które przejdzie do historii pożarnictwa. Temperatura sięgnęła około 5000°C, czyli bardzo jasnego żaru, przekroczyła więc temperaturę topnienia wielu składników mieszaniny, w tym dwutlenku uranu. Grafit nie topi się, lecz sublimuje w temperaturze około 3600°C, w próżni oczywiście. Przy dostępie powietrza wcześniej się zapali niż zdąży sublimować. Cząstki paliwa od początku były prawdopodobnie już częściowo stopione, a mikronowe kuleczki znajdywano w dużych odległościach od Czarnobyla. Stopienie się całego paliwa w kulę, którego tak obawiają się dziennikarze i filmowcy (Jane Fonda w „Chińskim Syndromie”) tu nie mogło nastąpić wobec znacznego rozproszenia paliwa w masie grafitu i innych materiałów. Zjawisko stopienia paliwa jest bardziej realne w reaktorach o zwartym rdzeniu, ale i tu jego znaczenie jest przesadzone – jak wykazało zniszczenie reaktora w siłowni na Three Mile Island (USA w 1978 r.). W każdym razie hasło „MELTDOWN!” stało się popularnym symbolem najgorszego scenariusza, czyli utraty chłodziwa (Loss of Coolant Accident). Incydent w TMI nie spowodował praktycznie żadnych skutków zewnętrznych.

Wracając do pożaru reaktora nr 4 – od chwili otwarcia rdzenia na dostęp powietrza do łatwopalnej i już zainicjowanej masy rozpoczęły się zjawiska opisywane przez chemię i chemię fizyczną. Zaczęła się destylacja poszczególnych składników rządzona lotnością poszczególnych pierwiastków i ich związków. Uleciały oczywiście najpierw gazy, jak radioaktywny ksenon i lotny w tej temperaturze jod. Z metali oczywiście cez 137, który tak zaważył przy długotrwałym skażeniu. Jednakże to nie łatwość przechodzenia w stan gazowy decydowała o skażeniach nuklidami, które możemy uważać za nielotne. Masie palącego się grafitu należy przypisać wytworzenie ciągu gorących gazów, które porywały nie tylko cząstki aerozolowe, ale całkiem pokaźne paskudnej mieszanki. Ciąg gorących gazów był zadziwiająco duży jak na geometrię „paleniska” i warunki meteorologiczne. Cząstki osiągały przecież prędko wysokość dziesięciu kilometrów, jak to wykazały polskie pomiary cytowane przez źródła zachodnie. Podróżowały w ten sposób cząstki paliwa, które później lądowały i były wykrywane jako tzw. gorące punkty. Stosując odpowiednią technikę taśm samoklejących można było zbierać do słoiczków kawałki rdzenia reaktora, np. z wycieraczek przed drzwiami, psich ogonów, itp.

Rozważania o lotności, w sensie ścisłym stanu gazowego, nie mają oczywiście sensu. Wehikułem transportu cząstek stałych były też płatki sadzy, które tworzyły się wtórnie z grafitu i służyły jako żagiel. Zresztą sam grafit, rozluźniony działaniem promieniowania i temperatury, jest też lekki i może być nośnikiem cząstek radioaktywnych. Tak czy inaczej był to transport mechaniczny, najbardziej podobny do fluidalnego. Na podobnej zasadzie wędruje setki kilometrów materiał radioaktywny ze spalanego polskiego węgla, nie wychwycony przez odpylacze elektrostatyczne.

Analiza chemii zrzutu z reaktora czarnobylskiego jest komplikowana ogromnymi ilościami materiału obcego wrzucanego z helikoptera do rdzenia. Na przykład zrzucono tysiące ton ołowiu starając się wykorzystać ciepło topnienia i wrzenia tego metalu. Stwierdzono wówczas znaczne obniżenie temperatury, co wskazuje istotnie na wygotowanie się całego ołowiu. Ale oznacza to jednocześnie ulatywanie tego groźnego dla środowiska metalu, utleniającego się po drodze na łatwiej przyswajalne – ze skutkami toksycznymi – tlenki.

Wlewana do rdzenia woda też nie była bez znaczenia. Mimo że było jej prawie tyle, co w Windscale, tutaj pogarszała tylko sytuację wzmagając jeszcze pożar przez dostarczanie tlenu w ilości 5 tysięcy razy większej niż w powietrzu na jednostkę objętości.

Cokolwiek można by powiedzieć o szkodliwości dodatków gaszących, to chyba opcja gaszenia była lepszą od opcji pozostawienia reaktora aż całkowicie zgaśnie. Jeżeli wierzyć „Sztandarowi Młodych”, który przedstawiał w ubiegłym roku, do czasu rozprawy sądowej w Czarnobylu, wiele interesujących wywiadów z naukowcami radzieckimi, to ci, z akademikiem Jewgienijem Welichowem na czele, rozważali możliwość pozostawienia reaktora do naturalnego wypalenia się! Teoretycy i praktycy pożarnictwa wiedzą, że lekarstwo, czyli środek gaśniczy, może być gorsze od choroby. Od najdawniejszych czasów stosowana była doktryna pozostawienia beznadziejnego pożaru swojemu losowi przy zabezpieczeniu obiektów sąsiadujących. Przypomina mi to książkę (strona tytułowa na ryc. 8) mojego dziadka, który prawie sto lat temu pisał o tym, w pierwszym, zdaje się w języku polskim podręczniku gaszenia pożarów:

„Jeżeli pożar jest tak wielki, że do gaszenia go nie można przystąpić, to się pożar ogranicza na jak najciaśniejszą przestrzeń – a przystępuje się zwykle do zabezpieczenia sąsiednich budynków”.

Dziadek – jak widać – zmagał się nie tylko z ogniem, ale i z polszczyzną; trudno, może tak mówiono w Galicji?

 

Skutki i co dalej?

W Czarnobylu błąd ludzki skatalizował wyrzucenie na zewnątrz 50 000 000 curie (50 Mcurie) już w pierwszej dobie – niektórzy twierdzą, że więcej – materii radioaktywnej. Skażenie to rozmazane zostało później po połowie Europy, a w amerykańskim Three Mile Island podobnego kalibru błąd spowodował uwolnienie zaledwie 15 curie. (Używam starych jednostek, ale nie o to tu chodzi). W przypadku TMI lokalizację szkody zawdzięczano dobrej kapsule bezpieczeństwa, która sprostała najgorszemu scenariuszowi. Kapsuły takiej nie sposób zbudować wokół olbrzymiego grafitowca. Ale co najważniejsze, w wodnym reaktorze nie ma co się palić. Jedynym materiałem palnym, charakteru wtórnego, był w TMI wodór wytworzony z radiolizy wody. Tu trzeba wyjaśnić, że chemia reaktorowa zajmuje się tym zjawiskiem i od dziesiątków lat wiadomo, że wydajność radiacyjna rozkładu czystej wody jest bardzo mała. Incydent w TMI potwierdził to i wykazał, że spalenie tej minimalnej ilości wodoru nie naruszyło osłony bezpieczeństwa. Tak więc rozkład wody pod wpływem promieniowania jest do zaniedbania i dopiero obecność dużych ilości palnego grafitu jako moderatora stwarza zagrożenie.

Z troską trzeba powiedzieć, ze nie tylko bezpośredni błąd ludzki może wyzwolić pożar reaktora „palnego”, ale i pośredni błąd, bardzo odległy, np. wada materiałowa jednej z setek krytycznych rurek z parą wodną, może spowodować to samo i próżno będzie szukać winnego. Natomiast w przypadku elektrowni z reaktorem wodnym (,,niepalnym”), z kapsułą bezpieczeństwa, podobna wada ukryta może co najwyżej spowodować zniszczenie lub uszkodzenie reaktora, ale bez tak tragicznego uwolnienia zawartości rdzenia na zewnątrz. Sądzę, że najwięksi sceptycy są już przekonani, że to poczciwy i skądinąd pożyteczny grafit zrobił gębę energetyce jądrowej. To, że grafitowe reaktory dużej mocy są winne, było jasne i podkreślane na początku ery poczarnobylskiej, gdy głos zabierali wyłącznie fachowcy a politycy jeszcze się nie pozbierali i nie ustalili, co z tym zdarzeniem można zrobić.

Niestety, chemia katastrofy czarnobylskiej nie dotarła do szerszej świadomości. Świat zachodni wolał dezawuować całą radziecką technikę nuklearną, działacze radzieccy woleli skupić uwagę na błędach ludzkich, Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej nie doprowadziła do uzgodnienia stanowisk i lansuje tłumaczenie katastrofy, kompromisowym stwierdzeniem kłopotów na styku człowieka i maszyny (Man-Machine-Interface).

Chemia i inne okoliczności katastrofy czarnobylskiej wykazały dobitnie, że reaktory typu RBMK stanowią szczególne ryzyko polegające na tym, że gdy raz się zapalą, to możliwości uratowania i zapobieżenia najgorszemu scenariuszowi są praktycznie żadne. Toteż z ulgą przyjęto wiadomość o rezygnacji z budowy bloków nr 5 i 6 w Czarnobylu. To na pewno był ruch we właściwym kierunku. Ale pozostałe siłownie z RBMK w ZSRR mają moc tzw. osiągalną nieco większą niż wszystkie elektrownie, wszelkich rodzajów, w Austrii lub prawie taką jak w Czechosłowacji. Dotyczy to wszystkich elektrowni w danym kraju, według danych z r. 1985. Nie ‚tylko nie można siłowni grafitowych z dnia na dzień wyłączyć, ale należy je raczej eksploatować do przewidzianego terminu moralnego zużycia. Jeżeli nie można ominąć praw chemii, to należy zmodyfikować te elementy, które mogą wywołać wybuch i pożar. Taką drogą poszli specjaliści radzieccy, a wnioski i projekty opublikowali w wiarygodnym czasopiśmie naukowym „Atomnaja Energia”.

Tu mała dygresja na temat roli naszych pism codziennych w popularyzacji ważnych dla społeczeństwa informacji technicznych. Wspomniany artykuł ukazał się w kwietniowym (1987) numerze tego czasopisma i prawie natychmiast można go było przeczytać po angielsku w wydawanych przez Amerykanów, tłumaczonych czasopismach radzieckich. Dzięki temu już w numerze czerwcowym (1987) miesięcznika zachodniego „Nuclear Engineering International” ukazało się obszerne omówienie tej publikacji, niezwykle istotnej, bo przecież przyznającej się do błędów konstrukcyjnych i podającej zastosowane środki zaradcze. Natomiast dopiero w lutym 1988 znajdujemy w „Życiu Warszawy” notatkę firmowaną przez Polską Agencję Prasową z Moskwy, która streszcza tę pracę! Podane liczby w notatce wykazują, że chodzi właśnie o tę pozycję a nie żadną inną.

 

Ryc. 8Strona tytułowa polskiego podręcznika gaszenia pożarów z roku 1901.

 

W omawianej pracy Adamowa i współpracowników znajdujemy przyznanie się, że podstawową wadą RBMK był dodatni współczynnik reaktywności i zbyt wolne działanie układów zabezpieczających reaktora. Jak pamiętamy z ryc. 7, ingerencja w hamowanie ucieczki reaktora musi nastąpić w czasach sekundowych. Adamow opisuje zredukowanie czasu wsuwania prętów regulujących z 18-20 sekund do 10-12 sekund. Obiecuje również opracowanie do końca roku 1987 systemu działającego w czasie 2-2,5 sekundy, dla określonej reaktywności. Wszystko to zmierza do stworzenia systemu, który działać będzie automatycznie – jako to co Niemcy nazywają Idiotensicher, a Anglosasi foolproof (nie ma dobrego terminu polskiego – system odporny na idiotów?!). Oczywiście raz jeszcze trzeba podkreślić, że z wyjątkiem reaktora ciężkowodnego CANDU, też o dodatnim współczynniku reaktywności, reaktory wodne normalnie stosowane w siłowniach jądrowych takich zabezpieczeń nie potrzebują. Reaktor CANDU może być zatrzymany w pojedynczych sekundach, a nawet gdyby doszło do katastrofalnego wzrostu mocy, to nie ma co się w nim palić jak w RBMK. Zaznaczają się też w ZSRR tendencje do wycofywania się z dodatniego współczynnika reaktywności, a to m.in. przez zwiększenie stopnia wzbogacenia paliwa. Ale to już nie dotyczy mojej chemicznej działki i pozostawiam ją wraz z neutronami opóźnionymi innemu popularyzatorowi.

Lutowa (1988) notatka PAP referująca wyjątki – publikacji z „Atomnoj Energii” donosi też o sugestii profesora Andrieja Sacharowa budowy elektrowni jądrowej pod ziemią. Pomimo autorytetu znakomitego fizyka, twórcy jednego z typów bomby wodorowej, ośmielam się stwierdzić, że z punktu widzenia chemii reaktorowej, propozycja ta nie tylko nie obiecuje poprawy bezpieczeństwa, a może nawet wywołać nowe komplikacje, nie licząc ogromnych dodatkowych kosztów. Na liście reaktorów, którym przytrafiły się incydenty znajduje się ciężkowodny reaktor szwajcarski w Lucens, umieszczony pod ziemią, w wydrążonej jaskini. W reaktorze tym, niewielkiej mocy 30 MW, nastąpiło w 1969 r. zablokowanie kanału chłodzącego i jeden element paliwowy został zniszczony bez żadnych skutków zewnętrznych. Fakt umieszczenia reaktora pod ziemią nie miał żadnego znaczenia. Natomiast ogarnia przerażenie, gdy się pomyśli o tym – jakie byłyby skutki lokalizacji grafitowca RBMK pod ziemią. Pożar może i byłby w końcu zduszony zamknięciem dopływu powietrza po ewakuacji personelu, ale jeszcze przedtem, w razie wybuchu, mogłoby nastąpić z dużym prawdopodobieństwem zniszczenie wind, śluz i wszelkich przewodów.

Można by temat chemii katastrofy czarnobylskiej rozciągnąć dalej – na losy nuklidów promieniotwórczych w morzach, glebie i w organizmach żywych. Chemia tych zjawisk jest niezmiernie ciekawa, ale warto jeszcze poczekać na więcej rezultatów.

Również i działka radiobiologiczna nie należy do mnie, jednak strona radiochemiczna i radiacyjna stanowi podstawę rozważań i prognozowania szkód. Istnieje też bezpośredni związek strat ludzkich w Czarnobylu z chemią grafitu, czyli jego palnością. Doktor Robert Gale, lekarz amerykański, specjalista od przeszczepów szpiku kostnego u ofiar napromieniowania, stwierdził raczej mizerne efekty swoich wysiłków w Moskwie. Położył on to na karb synergetycznego wpływu oparzeń pożarowych i promieniowania jonizującego. Jako chemik dodałbym jeszcze, że w obecnym stadium rozwoju udziału konstrukcyjnego tworzyw sztucznych, do działania promieniowania w razie pożaru dojść może jeszcze zatrucie chemiczne z całą gamą efektów synergetycznych. Jakkolwiek kontrowersyjne są metody dr. Gale’e to jedno jest pewne: takie uszkodzenia jak połączenie napromieniowania z oparzeniami i zatruciami chemicznymi spotykanymi w pożarach nie mogą zdarzyć się w elektrowniach z reaktorami wodnymi.

Straty wynikające z katastrofy czarnobylskiej oceniono w ZSRR na 8 miliardów rubli, według doniesień prasowych. Większość tej sumy można przypisać połączeniu niedostatecznych zabezpieczeń, lekkomyślności obsługi i moderatorowi grafitowemu. Gdyby tylko dwa pierwsze czynniki wchodziły w grę, to straty skończyłyby się na 0,5 mld rubli, bo na tyle ocenić można reaktor typu wodnego, jak Three Mile Island. Nawet jeżeli uwzględnić uprzednie zyski płynące z niewątpliwie korzystnej ekonomiki reaktora grafitowego, cena 7,5 mld rubli wydaje się zbyt wysoką. Dochodzą niewymierne koszty istnień ludzkich: w poprzednich awariach elektrowni jądrowych na świecie nie było ich w ogóle, a w Czarnobylu około 30. Przypuszczalne straty ludzkie w okresie późniejszym są też nieporównywalne. Po pożarze w Windscale ocenia je się na 13 śmiertelnych przypadków dodatkowych chorób nowotworowych i podobnych schorzeń, po zniszczeniu reaktora TMI na 1 (jeden) przypadek, a co do konsekwencji Czarnobyla szacunki te wahają się od 3000 do 25 000. Rozbieżności ocen wynikają z nieznajomości nawet uśrednionej reakcji organizmu ludzkiego na małe dawki.

Artykuł ten, mimo iż popularyzujący wiedzę ogólną, jest pisany dla Polaków. W naszej sytuacji implikacje zacierania różnic pomiędzy reaktorami wodnymi a grafitowymi są poważne i grożą totalnym potępieniem energetyki jądrowej ze szkodą dla społeczeństwa na dziesiątki lat. Zacieranie różnic rzutuje na wyrażane w Polsce opinie o energetyce jądrowej.

W statystycznym ujęciu bezpieczeństwa energetyka jądrowa ma dobre wskaźniki aż do katastrofy czarnobylskiej. Dla tych co nie odróżniają grafitu od wody, nastąpiło po 26 kwietnia 1986 generalne obniżenie bezpieczeństwa energetyki jądrowej. A to nie jest prawdą, bo reaktory grafitowe nie należą do zbioru wodnych siłowni jądrowych. Katastrofa RBMK skompromitowała tylko i wyłącznie populację reaktorów grafitowych. Pozostałe, wodne są nietknięte w swej reputacji. Błędne traktowanie wszystkich reaktorów jednakowo nie jest przywarą wyłącznie polskich przeciwników energetyki jądrowej. Szermują tym światowi przeciwnicy, co jest tym bardziej naganne i nieuczciwe, że są na ogół lepiej poinformowani niż antyjądrowcy polscy.

Tak to zaniedbanie podstaw merytorycznych i – nie chcę się już powtarzać – chemii, sprowadza na manowce ekologów i społeczeństwo, które nie może przecież wgryzać się w szczegóły techniczne.

 

Dopisek po korekcie:

Omawiane zagadnienie reaktorów jądrowych dużej mocy z grafitem jako moderatorem, nie będzie, być może dziedziną odłożoną ad acta do historii nukleoniki. System RBMK jest na tyle atrakcyjny, że radzieckie biura konstrukcyjne pracują nad koncepcjami ulepszonych wersji. Niestety, podawane do wiadomości publicznej informacje nie odpowiadają rygorom publikacji naukowej. Oczekując na więcej szczegółów można tylko zasygnalizować wiadomość przekazaną też przez brytyjski tygodnik „New Scientist”, że jedną z koncepcji radzieckich inżynierów uratowania RBMK jest zbudowanie nad jego stropem gigantycznego zbiornika z wodą, który mógłby w razie katastrofy zalać przestrzeń rdzenia. Czytelnik artykułu w „Problemach” zrozumie oczywiście tę koncepcję przeciwpożarową.

Środowisko chemików jądrowych oczekuje też na publikację spuścizny naukowej Akademika W. Legasowa. Jego pożegnalny przed samobójstwem obszerny list opublikowany w „Prawdzie” nie wnosi wiele. A przecież I.egasow jako chemik był świadom zagrożeń pożarowych w reaktorze RBMK dużej mocy i jakkolwiek nie był on odpowiedzialny w sensie prawnym za katastrofę czarnobylską, to jednak tragiczna decyzja odebrania sobie życia stoi w pewnym związku z całym zagadnieniem.

Z uwagi na ciągły a nieuzasadniony niepokój w Polsce związany z budową elektrowni jądrowych czuję się w obowiązku przypomnieć znany fakt, że reaktory grafitowe RBMK nigdy nie były, nie są i nie będą eksportowane przez ZSRR. Elektrownie w Żarnowcu, Klempiczu i następne w Polsce są typami wodnymi, które sprawdziły się w świecie i w których, w najgorszym nawet scenariuszu, nie może dojść do Czarnobylskiej katastrofy, bo nie ma się w nich co palić. Stopień skomplikowania konstrukcji jest mniejszy niż zakładów przemysłu chemicznego, które jakoś nikogo nie niepokoją.

(Z.P.Z.)

Advertisements
Ten wpis został opublikowany w kategorii Czarnobyl, Historia. Dodaj zakładkę do bezpośredniego odnośnika.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s