Havárie v jaderné elektrárně Černobyl

Autor: Petr Valenta <(at)>, Téma: Černobyl, Vydáno dne: 03. 02. 2006

Havárie v jaderné elektrárně Černobyl se stala smutným mezníkem jaderné energetiky. Jelikož jsme často svědky toho, jak je tato nešťastná skutečnost překrucovaná a dle potřeby zneužívána, domnívám se, že neuškodí zamyslet se opětovně nad touto nehodou a stručně popsat její průběh a příčiny i na těchto stránkách. Již za pár dní uběhne totiž dvacet let od doby, kdy se jméno Černobyl stalo celosvětově známým a jisté organizace neopomenou využít tohoto výročí k důraznému odmítnutí jaderné energetiky.


Všeobecný popis reaktoru RBMK

Abychom mohli popsat nehodu na sovětské elektrárně v Černobylu, je nutné se alespoň minimálně seznámit s reaktory RBMK používanými v této elektrárně. RBMK (Reaktor bolšoj moščnosti kanálnyj - reaktor velkých výkonů - kanálový) vyvinuli sovětští vědci ve výzkumném ústavu akademika V. I. Kurčatova v 60. letech 20. století na základě zkušeností s provozem první atomové elektrárny na světě v Obninsku. Zároveň je nutné připomenout, že tento typ reaktoru nikdy nebyl postaven mimo území Sovětského svazu!!! Palivem reaktoru je uran obohacený izotopem 235 na úroveň 1,8% (po havárii v Černobylu na 2,4%). Každý palivový článek je umístěn v palivovém chladícím kanálku (tlakové trubce), které kolmo procházejí velkými cylindrickými grafitovými bloky (v 1000 MW bloku 1. generace je celkem 1693 takovýchto kanálků). Do kanálků se zespoda čerpá „studená“ voda, která se cestou kanálkem nahoru ohřívá až vaří a tím odvádí z reaktoru teplo. Nahoře odchází směs páry do separačního bubnu. Odtud putuje pára do turbíny a voda se vrací zpět do reaktoru (přichází sem i směs vody a páry z turbín). Elektrárna je tedy jednookruhová a kvůli únikům radiace bylo nutné odstínit i turbínu. Každý palivový kanálek přitom musí být izolován od okolního prostředí. To s sebou přináší množství svarů a větší riziko havárie v primárním okruhu. Rozteče mezi kanálky jsou vyplněny moderátorem, kterým je v tomto případě zmíněný grafit. Celý grafitový blok je uzavřen 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 značné rozměry. Blok o výkonu 1000 MWe měl aktivní zónu o průměru 11,8 metrů a výšce 7 metrů. Na druhou stranu ovšem kanálovým řešením odpadla technologicky náročná konstrukce tlakové nádoby reaktoru. K regulování chodu reaktoru se využívá celkem 211 regulačních tyčí, z nichž 30 (po havárii v Černobylu se toto číslo zvýšilo) je havarijních a 147 lze ovládat ručně. Tento reaktor zároveň dovoluje konstruovat bloky neobyčejně velkých výkonů. V Kurčatově ústavu se připravoval reaktor o výkonu až 2400 MW. Dodnes je největším provozovaným reaktorem typu RBMK - reaktor RBMK-1500 v jaderné elektrárně Ignalina. Již konstruktéři reaktoru si uvědomovali, že reaktor má jeden zásadní nedostatek, kterým je kladný teplotní koeficient reaktivity. Pracovníci Kurčatovova ústavu tuto situaci popsali v popisu reaktoru následovně: „V reaktoru RBMK se při zvýšení množství páry v reaktoru snižuje množství vodou pohlcovaných neutronů a počet pomalých neutronů schopných štěpit dále uran se tím pádem zvyšuje, protože hlavním moderátorem je grafit, jehož množství v aktivní zóně je fixní. Tak vzniká situace nazývaná kladný parní (dutinový) efekt. Zde je patrný markantní rozdíl od reaktorů VVER, kde takováto vlastnost není!


Charakteristika reaktoru RBMK před rokem 1986

Záporné vlastnosti:

Mezi přednosti reaktoru se připisovalo


Historie jaderné elektrárny Černobyl

Plán na výstavbu jaderné elektrárny v Černobylu byl v Sovětském svazu schválen počátkem 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 otevřeny v letech 1978, respektive 1979. Po dokončení prvních dvou bloků začala stavba dalších dvou bloků RBMK-1000 (2. generace). Rozdíl mezi reaktory RBMK-1000 první a druhé generace spočíval především ve změně uspořádání aktivní zóny, do které bylo na základě předchozích provozních zkušeností přidáno několik regulačních tyčí (bloky první generace měly 179 regulačních tyčí oproti 211 regulačním tyčím bloků druhé generace). Dále se snížil počet palivových kanálků ze 1693 na 1661. Celkově se rovněž změnil design budov elektrárny. Třetí blok elektrárny byl dokončen a spuštěn v roce 1982 a čtvrtý blok v březnu 1984. Po jejich spuštění se začalo se stavbou 5. a 6. bloku (rovněž RBMK-1000 2. generace). Stavba těchto bloků byla zastavena po havárii v roce 1986 a již nebyla obnovena. Celá stavba a provoz elektrárny byl poměrně dosti uspěchaný - například 4. blok byl spuštěn bez provedení řady požadovaných fyzikálních a technických testů. Po havárii 26. dubna 1986 byl zničen 4. blok. První blok byl vážně poškozen havárií v roce 1991 a kvůli předpokládané ceně jeho opravy nebyl již opravován. Druhý blok Ukrajina odstavila v rámci dohody s Evropskou unií v roce 1996 a poslední 3. blok byl rovněž v rámci dohod odstaven 21. prosince 2000.


Xenonová otrava - další důležitý činitel černobylské nehody

Ještě než se pustím do popisu samotné nehody, je nutné přiblížit pojem xenonové otravy (anglicky xenon poisoning), protože tento fyzikální jev sehrál při černobylské havárii rovněž důležitou úlohu. Co to tedy vlastně je? Xenonová otrava je redukce reaktivity reaktoru v důsledku velmi vysokého pohlcování neutronů v štěpném produktu Xe-135. Jedním z vedlejších produktů vznikajících ze štěpení jader uranu U-235 nebo Plutonia-239 je tvorba jodu I-135. Reaktorová fyzika vychází z toho, že jód-135 je běžný štěpný produkt, který činí zhruba 6% z v reaktoru vzniklých štěpných produktů. Jelikož je malá šance, že by jód absorboval neutron, není jeho výskyt z hlediska řízení štěpné reakce významný. Ovšem Jód-135 má poločas rozpadu 6,7 hodin a přeměňuje se postupně v xenon Xe-135 s poločasem rozpadu 9,2 hodin. Tento izotop má neobvykle velký průřez pro absorbci neutronů. Jeho hodnota činí 3 500 000 barnů; oproti tomu Bor má pouhých 750 barnů a Uran-235 549 barnů (1 barn = 10-28 cm2). Xenon-135 se tak stává téměř dokonalým absorbátorem neutronů (dokonce se tvrdí, že je to látka s nejvyššími absorbčními schopnostmi) a je velmi důležitým činitelem ovlivňujícím reaktivnost v aktivní zóně! Při normálním provozu reaktoru je přítomnost xenonu-135 a jódu-135 v rovnováze. Tato situace je daná tím, že probíhající štěpná reakce neustále produkuje nový jód-135, který se mění v xenon-135 a ten se buď přirozeně rozkládá na stabilní cesium-135, a nebo (častěji) pohlcuje neutrony a přeměňuje se na stabilní xenon-136. Zde platí, že ani cesium-135 ani xenon-136 již neutrony neabsorbují a šíření štěpné reakce tedy neovlivňují. Pakliže ovšem drasticky snížíme výkon reaktoru a nebo reaktor odstavíme, je rovnováha narušena a v reaktoru se začíná hromadit xenon-135, protože již vytvořený jód-135 se stále přeměňuje na xenon-135, ale ten vlivem výrazně menšího počtu neutronů v aktivní zóně zůstává v reaktoru a „nevyhoří“. Vrchol koncentrace xenonu-135 nastává zhruba po 12 hodinách od odstavení reaktoru. To je dáno především poločasem rozpadu xenonu-135 (9,2 hodin). Z tohoto důvodu není ani možné spustit krátce po odstavení opět reaktor - xenon tomu prostě zabrání.


Havárie 4. bloku RBMK-1000 v Černobylu

25. dubna 1986 krátce po půlnoci začala směna operátorů 4. bloku černobylské jaderné elektrárny provádět pokus, jehož cílem bylo ověření dodávek elektřiny pro čerpadla primárního okruhu reaktoru po odstavení turbín bloku. Podle teorie inženýrů a vědců se potřebná energie pro čerpadla (cca 6 MW) měla získat ze setrvačného doběhu turbíny. Podle výpočtů to mělo být dostatečné množství k udržení chodu čerpadel po dobu 50 sekund. Reaktor je sice také vybaven dieselovými agregáty, ty však potřebují 45 - 50 sekund k rozběhu na plný výkon. Proto měl být výkon získaný ze setrvačnosti dostatečný na překlenutí mezery mezi vypnutím proudu a náběhem agregátů. Předchozí testy ukázaly, že ačkoliv byla turbína schopná potřebnou energii dodat, napájecí napětí čerpadel kolísalo a jejich chod tak nebyl uspokojivý. Inženýři proto provedli změny v magnetickém poli regulátoru napětí. K otestování změn měl posloužit právě připravovaný experiment. Plánovaný průběh experimentu měl vypadat následovně: Nejprve se měl snížit výkon reaktoru na 1/2 a mělo dojít k odpojení první ze dvou turbín bloku. Poté mělo následovat další snižování výkonu až na 1/3, což byla takřka minimální bezpečná hranice provozu reaktoru RBMK. Dále mělo následovat uzavření druhé turbíny. Tento krok měl být zároveň signálem pro systém havarijní ochrany, který měl současně automaticky odstavit reaktor. Poté měly být vyhodnoceny výsledky testu.
Obsluha tedy podle plánu započala 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 dispečinku na 9 hodin přerušen a dále v něm proto pokračovala jiná směna. Jak vyplynulo z vyšetřování černobylské havárie, nová obsluha bloku v Černobylu nedostatečně chápala fyzikální principy činnosti svěřeného reaktoru a například o principu xenonové otravy (která se i vlivem odkladu testu stala aktuální) neměla dostatečné znalosti. Tento nový tým tedy pokračoval v pokusu, při kterém bylo nutno snížit tepelný výkon reaktoru zhruba na hranici 1000 MWt. Přitom obsluha postupovala chybně a výkon klesl až pod hranici oblasti bezpečného provozu (tato hranice se pohybovala kolem 700 MWt - po jejím dosažení začala bezpečnostní automatika okamžitě odstavovat reaktor; operátoři ji ale odpojili, přešli na ruční ovládání a pokusili se reaktor oživit a dokončit pokus). Ani po přechodu na manuální ovládání reaktoru se nedařilo operátorům udržet reaktor při životě a výkon dále klesal až na 30 MWt (pod 1% nominálního výkonu), což znamenalo v podstatě úplné zastavení štěpné reakce. Obsluha se pokoušela během této obrovské ztráty reaktivity zvýšit výkon tím, že postupně vytahovala z aktivní zóny reaktoru regulační tyče (aby to bylo možné, bylo nutno vypnout další automatické ochrany reaktoru). Chod reaktoru v oblasti malého výkonu trval však již příliš dlouho, a tak se v aktivní zóně začalo hromadit velké množství xenonu-135 a samaria-149, a proto na úbytek tyčí v aktivní zóně reaktor nereagoval. Pracovníci velína si tuto situaci nedokázali vysvětlit (nikdo z nich neznal přesné chování těchto vzácných plynů a zkušení pracovníci na bloku chyběli). Obsluha proto riskantně vytáhla z aktivní zóny postupně takřka všechny regulační a havarijní tyče až nad přípustné limity (to bylo přísně zakázané a aby to bylo možné, musela obsluha vypnout havarijní ochranu reaktoru. Po tomto zásahu zůstalo v aktivní zóně částečně pouze 8 z 211 regulačních a havarijních tyčí). Takřka úplná absence 200 tyčí znamenala přece jenom značný úbytek absorbčních látek v aktivní zóně a reakce se začala pozvolna opět rozbíhat. Operátorům se postupně podařilo zvýšit výkon reaktoru až na 500 MWt a dokonce považovali jeho chod za stabilní!

Začali proto s pokračováním experimentu. Uzavřeli druhou turbínu a odpojili 4 z 8 cirkulačních čerpadel primárního okruhu (reaktor ovšem pracoval dál, protože havarijní ochrana, která ho měla odstavit byla odpojena). Potom, když byl uzavřen přívod k turbínám, začal výběh rotoru. Kvůli zmenšení průtoku páry ze separačního bubnu rostl tlak páry v aktivní zóně rychlostí 0,5 atm/s a celkový průtok chladiva skrz reaktor se začal snižovat kvůli tomu, že pohony cirkulačních čerpadel byly napájeny z brzdícího generátoru. Ve spojení s výrazným omezením cirkulace chladící kapaliny došlo k opětovnému nárůstu teploty v reaktoru. Poměrně rychle stouplo hromadění a tvorba páry v reaktoru. Situace se podstatně zhoršila tím, že se pára dostala až do čerpadel, jejichž účinnost se tím pádem výrazně snížila. To znamenalo další zhoršení oběhu chladící kapaliny v reaktoru a vedlo k nadměrné tvorbě a hromadění páry v aktivní zóně. Nyní se projevil kladný teplotní koeficient reaktoru RBMK. Nárůst páry tak vedl k značnému zvýšení reaktivnosti. S tím jak se začala rozšiřovat štěpná reakce zvyšoval se i počet moderovaných neutronů, které mohly štěpit xenon-135. Vlivem zvyšování reaktivnosti tak xenon-135 ubýval a během několika málo vteřin došlo k jeho „vyhoření“, čímž reaktor přišel o prakticky jediný absorbátor neutronů, který se v aktivní zóně nalézal. To zapříčinilo gigantické rozšíření řetězové reakce a s tím spojený prudký nárůst teploty aktivní zóny zhruba na desetinásobek konstrukční projektované hodnoty (postupný nárůst až na 35 000 MWt). V této fázi si „vedoucí směny“ uvědomil svoji chybu, stiskl tlačítko nejvyššího poplachu (5. stupeň) a vydal pokyn k havarijnímu zasunutí regulačních tyčí a nouzovému odstavení reaktoru. Bylo však již příliš pozdě. Vysoká teplota v jádře reaktoru vedla ke ztrátě chladícího média, když se veškerá voda přeměnila kompletně v páru. Nyní se ještě více projevoval kladný teplotní koeficient, který řetězovou reakci dále mohutně posiloval. Navíc poté, co obsluha vydala povel k havarijnímu odstavení reaktoru okamžitým zasunutím havarijních tyčí do aktivní zóny vyvstaly další dva problémy. Jednak vlivem obrovské teploty se již některé kanálky reaktoru zdeformovaly natolik, že do nich nešlo zasunout havarijní tyče a potom řídící tyče byly vysunuty nad maximální povolenou mez a jelikož tyto tyče byly vybaveny na svých koncích grafitovým dílem, svým zasouváním do aktivní zóny minimálně v první části reakci rovněž netlumily, ale podpořily (Grafitová část regulačních tyčí sloužila pro lepší ovládání reaktoru za normálního stavu, kdy se absorbční bórová část tyče nahrazovala moderační grafitovou a pak teprve vodou. To umožňovalo při běžném provozu zvýšení účinku zasunutí/vysunutí tyče. Se stavem do kterého operátoři reaktor dostali se nepočítalo). Výkon reaktoru tak dále stoupal a během chvíle se dostal až na 350 000 MWt (zhruba stonásobek konstrukční projektované hodnoty). Ohromné množství páry (tlak stoupal rychlostí 15 atm./s.) vytvořilo 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 článků vznikla výbušná směs vodíku a kyslíku jejíž následná exploze rozervala budovu reaktorovny a částečně i strojovny bloků. Výbuch zabil 2 pracovníky elektrárny, kteří se nacházeli v blízkosti reaktoru a dalších 26 zaměstnanců a hasičů zahynulo během likvidace havárie v průběhu 26. dubna (většinou na následky radiačního ozáření). Další tři podlehli zranění o několik dní později - jednalo se o pracovníky, kteří se vydali zasouvat regulační tyče do reaktoru ručně. Prokázaný počet obětí činí tedy 31 osob. Celkem na 750 tisíc lidí se účastnilo záchranných operací. Úmrtnost mezi nimi je menší, než je ukrajinský průměr v dané věkové kategorii.


Situace bezprostředně po havárii

Okamžitě po havárii 4. bloku nastala v elektrárně zajímavá situace, kdy odpovědní zaměstnanci odmítali uvěřit tomu, že reaktor je zničen a mnozí pokračovali v práci jakoby se nic nedělo. Tak došlo například k další trestuhodné nedbalosti, kdy sousední 3. blok, který byl ve stejném komplexu a byl výbuchem lehce poškozen byl odstaven až po pěti hodinách od neštěstí. V té době již několik hodin bojovali hasiči s požárem na střeše a ve strojovně 3. bloku, nádrže havarijního chlazení tohoto bloku byly přitom poškozeny. Zbývající bloky, které měly se 4. blokem rovněž společnou strojovnu a mohly být poškozeny byly odstaveny a zabezpečeny až po 24 hodinách od neštěstí. S ohledem na pokračující únik radioaktivních látek do ovzduší byl reaktor zasypán z vrtulníků olovem, bórem, jílem a pískem a pode dnem reaktoru byl narychlo vybudován tunel, zalitý dodatečnou vrstvou betonu, aby se rozžhavené palivo nepropadlo do země. Jelikož v blízkém atomovém městečku Pripjati stoupla radioaktivita proti přirozenému pozadí o tři řády, bylo v neděli 27. 4. během tří hodin pomocí 1 200 autobusů evakuováno 45 tisíc obyvatel Pripjati do bezpečí. Evakuace proběhla bez paniky a byla posléze rozšířena na všechny obyvatele do vzdálenosti 30 km od místa neštěstí. Kromě obyvatel se evakuoval i dobytek.


Změny provedené v konstrukci reaktorů RBMK po černobylské havárii


Celkově všechny změny přispěly ke snížení kladného parního koeficientu reaktoru RBMK z původních +4,5 beta na současných +0,7 beta.

Další odkazy
Schéma a popis RBMK1000
Seznam jaderných elektráren - Černobyl