Przebieg awarii
Przyczyny awarii IV bloku Czarnobylskiej Elektrowni Jądrowej leżą u samych
początków jego powstania.
31 grudnia 1983 roku naczelny dyrektor Elektrowni
Wiktor Briuchanow podpisał dokument o przyjęciu tego bloku do eksploatacji,
mimo że nie zostały przeprowadzone na nim próby działania zapasowego systemu
zasilania. Był on niezbędny, gdyż energia wytwarzana w siłowni, wykorzystywana
była również do zasilania podzespołów i urządzeń własnych elektrowni. Na
wypadek przerwy w dopływie pary do turbin na każdym bloku znajdował się
dieslowski generator zapasowy. Powinien on włączyć się automatycznie, gdy tylko
zaczną zmniejszać się obroty turbiny i zapewnić ciągłość zasilania układów
bloku w energię.
IV blok Elektrowni oddano do użytku bez praktycznego sprawdzenia czy czas wirowania turbiny siłą inercji jest rzeczywiście równy czasowi rozbiegu generatora zapasowego. Z eksperymentów przeprowadzonych na innych blokach, wynikało że tak nie jest. Ażeby przeciwdziałać zanikowi zasilania bloku, postanowiono zastosować w turbogeneratorze wzbudnicę w postaci dodatkowego uzwojenia.
Eksperyment sprawdzający skuteczność tego rozwiązania zaplanowano na 25
kwietnia 1986 roku, bowiem tego właśnie dnia miał rozpocząć się
czterdziestodniowy remont konserwacyjny IV bloku.
Założono, że w pewnym
momencie przerwie się dopływ pary do turbiny nr 8 i wówczas zmierzy się czas
spadku napięcia wytwarzanego przez turbogenerator i czas zadziałania zapasowego
generatora. Instrukcja pracy reaktora wymagała, aby w tym momencie wyłączyć
również reaktor, jednak program eksperymentu zakładał możliwość jego
powtórzenia. Konsekwencją takiego założenia było wyłączenie na okres trwania
eksperymentu awaryjnego układu chłodzenia, który mógłby automatycznie przerwać
eksperyment.
O godzinie 1:00 w nocy przystąpiono do zmniejszania mocy cieplnej reaktora z
3200 MW do 1600 MW. Zadanie to wykonała ta sama zmiana, która za 24 godziny
miała doprowadzić do zniszczenia reaktora.
O godzinie 13:05 odłączono jedną z dwóch 500-megawatowych turbin - turbinę nr
7. O godzinie 14:00, zgodnie z programem eksperymentu, odłączono system
chłodzenia awaryjnego. Elektrotechnicy uruchomili rejestratory przyrządów
pomiarowych... i wtedy z kijowskiej dyspozytorni przyszło polecenie, aby
wstrzymać wyłączanie turbiny nr 8. Blok "Czarnobyl IV" miał jeszcze
kilka godzin popracować.
Ze względu na remont, piątkowe popołudnie było ostatnim terminem, kiedy można było przeprowadzić zaplanowane pół roku wcześniej badania. Próbowano więc jak najszybciej wyjaśnić, kiedy reaktor będzie można wyłączyć. O tym, że pracuje on z wyłączonym systemem awaryjnego chłodzenia, zapomniano...
Gdy o godzinie 16:00
w sterowni IV bloku zameldowała się kolejna zmiana, sytuacja nadal nie była
wyjaśniona. Zgoda z Kijowa nadeszła dopiero w nocy.
O godzinie 23:10 rozpoczęto
zmniejszanie mocy cieplnej reaktora z 1600 MW do zaplanowanego w eksperymencie
poziomu 700 ÷ 1000 MW. Ponieważ jest to moc niższa od nominalnej, układy
awaryjne przeciwdziałałyby temu. Aby temu zapobiec, odłączono system
automatycznej regulacji mocy. Dalsze jej zmniejszanie będzie zależało wyłącznie
od umiejętności operatorów. Ale ponieważ nadchodzi północ, więc będą to już
operatorzy z następnej zmiany...
W sterowni pozostała część poprzedniej zmiany, aby zobaczyć efekt rozpoczętych
przez siebie badań. Nowa zmiana nie była przygotowana do przeprowadzenia
eksperymentu.
O godzinie 0:28 starszy inżynier popełnił błąd, w wyniku którego
reaktor znalazł się w stanie niestabilnym, a jego moc cieplna spadła do poziomu
0 ÷ 30 MW. Rozpoczęło się intensywne zatruwanie rdzenia izotopami
krótkożyciowymi (głównie 135Xe o T1/2=9,2h silnie pochłaniającym neutrony
i powodującym tym spadek reaktywności reaktora). W takim wypadku należy
bezzwłocznie zatrzymać reaktor. Ponownie można go włączyć po upływie
doby, gdy rozpadną się izotopy krótkożyciowe. Jednak zastępca głównego
inżyniera, aby kontynuować przygotowania do eksperymentu, polecił zwiększyć moc
poprzez wyciągnięcie z rdzenia prawie wszystkich prętów sterujących (przepisy
zabraniały zmniejszenia ich liczby poniżej 30).
O godzinie 0:43 odłączono
system awaryjny automatycznego opuszczania prętów do rdzenia. O godzinie 1:00
udało się ustabilizować moc na poziomie 200 MW. O godzinie 1:03 i 1:07 włączone
zostały, obok sześciu działających, dwie dodatkowe pompy cyrkulacyjne,
normalnie będące w rezerwie. Miało to na celu skuteczne schłodzenie reaktora po
zakończeniu eksperymentu (wszak system chłodzenia awaryjnego był wyłączony).
Nastąpił wzrost całkowitego wydatku chłodziwa do 57 000 m³/h. Spowodowało
to zmniejszenie zawartości pary w rdzeniu oraz obniżenie ciśnienia pary w
separatorach. Operatorzy starali się ustabilizować ciśnienie pary w
separatorach (którego zmiany dochodziły do 0,6 MPa) i poziom wody w
separatorach, który spadł poniżej progu automatycznego wyłączenia reaktora. Aby
tego uniknąć, obsługa blokuje sygnał dochodzący z niewygodnych czujników. 1:22
operator zmniejsza znacznie wydatek wody chłodzącej, co powoduje wzrost
temperatury w rdzeniu. 1:22:30 drastyczny spadek współczynnika reaktywności.
1:23:04 starszy inżynier sterowania turbinami zamyka dopływ pary do
turbogeneratora nr 8. Turbina kręci się już tylko siłą bezwładności. Obsługa
wyłącza kolejny system usiłujący wygasić reaktor po zamknięciu zaworów obu
turbin. Spada zasilanie pomp cyrkulacyjnych, gdyż generator zapasowy nie nabrał
jeszcze odpowiednich obrotów. Zmniejsza się więc przepływ wody przez rdzeń,
gwałtownie rośnie temperatura, następuje kryzys wrzenia, gwałtownie rośnie moc
cieplna. O 1:23:30 naczelnik zmiany Aleksander Akimow nie zważając na głównego
inżyniera nakazuje uruchomienie systemu awaryjnego opuszczenia do rdzenia
wszystkich prętów regulacyjnych. Wypełnione borem i kadmem pręty przesuwają się
w dół z prędkością 40 cm/s. To zbyt wolno. Całkowita dodatnia reaktywność
rdzenia zaczęła wzrastać. W ciągu 3 sekund moc cieplna wzrosła do 530 MW.
Temperatura w reaktorze gwałtownie rośnie, zwiększa się ciśnienie pary, zaczyna
odkształcać się grafit i cyrkonowe koszulki paliwowe. Odkształcone kanały
blokują pręty bezpieczeństwa. Operator odłącza napięcie od elektromagnesów, aby
pręty spadły do strefy aktywnej pod wpływem siły ciężkości. Jednak nie spadły;
konstrukcja była już tak zniekształcona, że pręty zaklinowały się. Stały spadek
wydatku wody przez rdzeń przy jednoczesnym wzroście mocy (brak prętów
regulacyjnych - reaktor staje się nadkrytyczny na neutronach natychmiastowych)
powoduje wzrost zawartości pary, kryzys wrzenia, wzrost temperatury paliwa,
rozerwanie koszulek paliwowych, gwałtowne odparowanie wody.
Wykres zmian mocy reaktora podczas eksperymentu [8]
Wzrost
ciśnienia i temperatury wywołuje reakcję grafitu z parą wodną oraz silnie egzotermiczną
reakcję cyrkonu z parą wodną, w wyniku których powstają ogromne ilości wodoru.
O 1:23:48 26 kwietnia 1986 r. potężne ciśnienie panujące w hali reaktora
rozsadza budynek umożliwiając dostęp powietrza.
Wodór z powietrzem w
obecności rozgrzanych do czerwoności bloków grafitu eksploduje.
Zniszczone budynki elektrownii [8]
Wyrzucone
rozgrzane fragmenty rdzenia spowodowały pożary między innymi na budynku
reaktora i maszynowni. Były one gaszone do godziny 5.00 przez 80 jednostek
straży pożarnej.
O tej samej godzinie wyłączono blok III; bloki I i II
pracowały jeszcze do 1:13 i 2:13 27 kwietnia.
Z bloku IV uwolniło się 5 ton, czyli 3% znajdujących się tam materiałów rozszczepialnych. W odsłoniętych szczątkach reaktora przestała istnieć masa krytyczna, a więc zachodzić reakcja jądrowa. Nadal płonęły jednak rozgrzane do 1000°C bloki grafitu i wyrzucane były do atmosfery radioaktywne produkty rozszczepienia. Należało ochłodzić szczątki reaktora, niedopuszczając jednocześnie do przetopienia dna reaktora i skażenia wód podziemnych. Postanowiono więc przy użyciu śmigłowców zasypać reaktor materiałami zapewniającymi stabilizację temperatury i tworzącymi barierę dla promieniowania. Zastosowano ołów, bor, wapień, dolomit, glinę i piasek.
Dogaszenie szczątków reaktora przy użyciu śmigłowców [8]
Ażeby zażegnać niebezpieczeństwo przetopienia się rdzenia przez podstawę reaktora do wypełnionych wodą pomieszczeń, zaczęto odpompowywać wodę, budować pod reaktorem betonową poduszkę dwumetrowej grubości oraz ochładzać jego podstawę ciekłym azotem. Podjęte działania przynosiły rezultaty do 1 maja, jednak zrzucane ze śmigłowców materiały pogorszyły odprowadzanie ciepła i szczątki reaktora częściowo przetopiły się do niższych pomieszczeń zalanych wodą. Spowodowało to zwiększoną emisję radioizotopów (diagram poniżej).
Emisja radioizotopów z reaktora [8]
Aby zapobiec przedostawaniu się radioaktywnych substancji z terenu elektrowni do Prypeci (i dalej do Dniepru, nad którym leży między innymi Kijów), wzdłuż rzeki zbudowano podziemną zaporę betonową o długości ok. 1000 m, szerokości 1,5 m, głębokości 30 m. Skonstruowano również system, dzięki któremu wody podziemne omijały skażony teren.[5]
Całkowitemu odizolowaniu szczątków reaktora miał służyć zbudowany nad nim sarkofag.
Sarkofag zbudowany nad zniszczonym IV blokiem EJ Czarnobyl [9]