Przebieg i skutki awarii reaktywnościowej

Celem eksperymentu, w czasie którego doszło do awarii, było wykazanie możliwości czasowego (do momentu dostarczenia mocy z awaryjnych generatorów dieslowskich) zasilania potrzeb własnych bloku z wykorzystaniem energii kinetycznej wirnika turbozespołu w czasie jego wybiegu, po wyłączeniu turbiny i odłączeniu generatora od sieci – a konkretnie chodziło o przetestowanie działania regulatora napięcia generatora w takim trybie pracy.

W trakcie tego eksperymentu m.in. 4 z 8 głównych pomp cyrkulacyjnych reaktora miało być zasilanych z generatora wyłączonego turbozespołu.

Przygotowując blok energetyczny do tego eksperymentu operatorzy obniżyli moc reaktora najpierw do 1600 MWt i wyłączyli jeden z turbozespołów, przełączając 4 główne pompy cyrkulacyjne zasilane z wyłączonego generatora na zasilanie rezerwowe, pozostałe 4 zasilane były z generatora drugiego turbozespołu. Następnie operatorom udało się z trudem ustabilizować moc cieplną reaktora na poziomie ok. 200 MWt (co było znacznie poniżej dopuszczalnego minimum 700 MWt¹³²). Aby skompensować ujemne efekty reaktywnościowe (zwłaszcza zatrucia ksenonem) i utrzymać reaktor na mocy operatorzy sukcesywnie wyprowadzali z rdzenia pręty bezpieczeństwa schodząc poniżej wymaganego minimum (30) - do 8 tuż przed awarią. Popełniając jeszcze szereg innych, kardynalnych błędów (m.in.

wyłączając kolejne zabezpieczenia), doprowadzili oni reaktor do niestabilnego stanu, przy którym niewielki impuls reaktywnościowy mógł spowodować gwałtowne wrzenie nasycone wody i lawinowy wzrost jego mocy.

Przebieg zmian parametrów reaktora w czasie ostatnich 18 sekund awarii przedstawiono na wykresie – Rys. 4.43. Realizując cel eksperymentu operator odciął dopływ pary do pracującej turbiny, co spowodowało automatyczne odłączenie generatora od sieci i wybieg turbozespołu. Przepływ wody przez rdzeń zaczął maleć, ponieważ 4 z 8 pomp napędzane były silnikami zasilanymi z wyłączonego generatora, którego obroty spadały. Doprowadziło to do coraz silniejszego wrzenia wody w rdzeniu reaktora i stopniowego wzrostu mocy reaktora.

Operator – zaniepokojony tym wzrostem mocy – wciska przycisk awaryjnego wyłączenia reaktora (AZ-5) powodujący zrzut prętów bezpieczeństwa do rdzenia. Ale wskutek poprzednich błędów układ wyłączania awaryjnego jest nieskuteczny. Co więcej, w czasie pierwszych sekund przedłużacze prętów wypychają wodę z kanałów rdzenia co powoduje dodatni impuls reaktywnościowy. W połączeniu z dużym dodatnim i rosnącym efektem reaktywności przestrzeni parowych, skutkuje to dalszym wzrostem mocy i coraz silniejszym wrzeniem wody. Nadmiar reaktywności rośnie i po 3 sekundach moc reaktora osiąga 530 MWt. Operator widząc, że pręty bezpieczeństwa nie osiągnęły dolnego położenia w rdzeniu i odcina zasilanie elektryczne elektromagnesów, by spadek pod wpływem siły ciężkości.

Jest już jednak za późno. Przepływ chłodziwa maleje, frakcja pary rośnie, następuje kryzys wymiany ciepła przy wrzeniu, temperatura paliwa rośnie. Gdy ciepło zakumulowane w paliwie przekroczyło 1300 kJ/kg koszulki pękają, a ciekłe paliwo wytryskuje do chłodziwa.

Następuje gwałtowne odparowanie wody, skok ciśnienia jest tak silny, że zawory zwrotne na liniach tłocznych za pompami zamykają się. Kanały paliwowe pękają, para i woda napływa do grafitu, wówczas zawory zwrotne za pompami otwierają się i woda znów płynie do reaktora – reagując ze stopionym paliwem i rozgrzanymi grafitem.

132 Ponieważ w reaktorze RBMK przy mocy <20% wypadkowy efekt mocowy reaktywności staje się dodatni.

Rys. 4.43. Przebieg zmian parametrów reaktora podczas awarii w EJ Czarnobyl.

Zmiany zawartości pary, reaktywności i mocy reaktora RBMK w ostatniej fazie awarii:

1 – wzg. moc neutronowa P/P0: 0÷120%, następnie 0÷48 000%;

2 – reaktywność Δk/k = -1% ÷ +5%; 3 – zawartość obj. pary α = 0÷1,2 Połączenie dodatniego sprzężenia mocy z rosnącą

temperaturą chłodziwa i przejściowym wzrostem mocy wskutek błędu konstrukcyjnego w układzie prętów bezpieczeństwa doprowadziło do nagłego i gwałtownego wzrostu mocy, która spowodowała stopienie paliwa, wyrzucenie go do wody, gwałtowną eksplozję parową i niemal całkowite zniszczenie reaktora. Skutki tej awarii były tym gorsze, że moderator grafitowy i inne materiały w budynku reaktora zapaliły się, co przyczyniło się do długotrwałych i dużych uwolnień substancji promieniotwórczych do otoczenia.

W wysokich temperaturach występuje gwałtowna reakcja Zr-para wodna:

Zr + 2 H₂O = ZrO₂ + 2H₂ + ciepło.

To wydzielanie ciepła podczas reakcji egzotermicznej cyrkonu z parą wodną przyczynia się do samoczynnego grzania koszulki i wzrostu tempa reakcji. Procesy decydujące o przebiegu awarii przebiegają w reaktorze samorzutnie, z dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Temperatura gwałtownie rośnie. Uwolniony wodór wydziela się z rdzenia.

O 1.23.48 usłyszano dwa wybuchy. To wodór wydzielony w reakcji Zr-H2O przepłynął do reflektora grafitowego i tam połączył się z powietrzem, które napłynęło po rozerwaniu zbiornika zawierającego

1:23:40 AZ-5

Rys. 4.44. Zniszczony reaktor IV bloku EJ Czarnobyl.

Wybuchy niszczą reaktor i część budynku (Rys. 4.44). Zaczyna się pożar. Eksplozje wyrzuciły paliwo, elementy rdzenia i elementy konstrukcyjne wraz z silnie radioaktywnymi produktami rozszczepienia wysoko w powietrze i odsłoniły rdzeń. Obłok dymu, produktów radioaktywnych i pyłu z rdzenia i z budynku uniósł się na wysokość kilometra nad EJ.

Cięższe odłamki opadły w pobliżu EJ, ale lżejsze, łącznie z produktami rozszczepienia i wszystkimi gazami szlachetnymi zostały uniesione przez wiatry na północny-zachód.

W zniszczonym bloku nr 4 trwa pożar, powodujący unoszenie obłoków dymu, pary i kurzu, a mniejsze ogniska pożaru występują także w sąsiedniej hali turbin i w różnych składach paliwa. Z pożarem walczy ponad 100 strażaków z elektrowni i wezwanych z sąsiedniej Prypeci i ci ludzie otrzymali największe dawki promieniowania. Pierwsi strażacy byli na miejscu pożaru o 1.28, do 2.20 ugaszono największe ogniska pożaru w hali turbin, a do 2.30 na dachu budynku reaktora. Pożar na zewnątrz ugaszono ostatecznie o 5.00, ale grafit palił się nadal. Intensywne spalanie grafitu powodowało wyrzucanie produktów rozszczepienia wysoko do atmosfery. Wobec braku obudowy zakrycie reaktora i przerwanie emisji było bardzo trudne. Dokonano tego zrzucając materiały osłonowe na płonący blok reaktora z helikopterów, z czym wiązało się znaczne narażenie radiacyjne lotników.

4.9 Przyczyny, przebieg i skutki awarii EJ Fukushima Dai-ichi