W 20-tą rocznicę awarii Czarnobylskiej elektrowni jądrowej.doc

W 20-tą rocznicę awarii Czarnobylskiej elektrowni jądrowej

Opracowanie Działu Szkolenia i Doradztwa
Instytutu Problemów Jądrowych (W. Trojanowski, L.Dobrzyński, E.Droste) 
oraz A.Strupczewskiego z Instytutu Energii Atomowej 
marzec 2006; ostatnie zmiany 4 maja 2006

Spis treści

1. Zamiast wstępu 
2. Energetyka jądrowa 
3. Reaktory typu RBMK 
4. Przebieg wydarzeń w EJ Czarnobyl 
5. Przesiedlenia 
6. Sytuacja zdrowotna na Ukrainie i Białorusi 
7. Działania podjęte w Polsce 
8. Skutki zdrowotne w Polsce 
9. Rozpowszechnianie informacji w Polsce 
10. Koszty sprzątania 
11. Porównanie skutków awarii czarnobylskiej ze skutkami innych awarii i katastrof 
12. Odróbmy wreszcie tę lekcję! 
13. System reagowania Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej na kryzysy 
Podziękowania 
Bibliografia

1. Zamiast wstępu

28 kwietnia 1986 r. detektory w Ośrodku Atomistyki w Świerku pod Warszawą zarejestrowały podwyższoną radioaktywność, uruchomiły się systemy alarmowe, a na ekranach spektrometrów, służących do identyfikacji radioizotopów, pojawiły się intensywne linie promieniotwórczych izotopów jodu i cezu, co jednoznacznie świadczyło o zaistnieniu dużej awarii reaktorowej. Natychmiast sprawdzono urządzenia w Świerku i okazało się, że skażenie pochodzi z zewnątrz. Telefony były odcięte. Podobno na polecenie sekretarza POP PZPR.

W tym czasie Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej (CLOR) w Warszawie, opierając się na wskazaniach stacji monitoringu rozrzuconych po kraju, zawiadomiło władze PRL i rozpoczęło przygotowania do wdrożenia procedur przewidzianych na taką okoliczność, w tym akcji podawania ludności płynu Lugola, blokującego swym niepromieniotwórczym jodem tarczycę. Akcja była przeprowadzona wyjątkowo sprawnie, czym polskie służby zyskały międzynarodowe uznanie. W kraju słyszało się głosy, że tu i ówdzie płynu Lugola nie podano przed wystąpieniem opadu promieniotwórczego. Należy jednak pamiętać, że narażenie na jod-131 trwało wiele dni, głównie wskutek skażenia żywności, a blokowanie tarczycy zaczęto już 29 kwietnia i w ciągu pierwszej doby akcji objęto nią 75% ludności skażonych wówczas rejonów północno-wschodniej Polski. Nigdzie na świecie nie ochroniono tak szybko tak dużej części narażonej ludności.

W prasie i telewizji zaroiło się od wywiadów z prawdziwymi i domniemanymi specjalistami od postępowania w przypadku skażeń promieniotwórczych (przy czym, jak to zwykle bywa, najwięcej do powiedzenia miały osoby nie mające o sprawie pojęcia). Grozą powiało po Polsce i świecie. Ekowojownicy zatarli radośnie (oficjalnie – z troską) ręce i gromko zaprotestowali przeciwko wszystkiemu, co ma przymiotnik „jądrowy” w nazwie. Niemiecki „Ośrodek Badań Jądrowych” w Karlsruhe z obawy przed cofnięciem finansowania przez rząd (notabene „zielonych”) zmienił swoją nazwę na „Ośrodek Badawczy”, a ceniona metoda obrazowania ludzkiego ciała, bazująca na „magnetycznym rezonansie jądrowym” przyjęła nazwę „obrazowania magnetycznym rezonansem”, czyli MRI. Niestety bardzo wiele przerażonych kobiet w Europie i ZSRR poddało się aborcji dla uniknięcia urodzenia popromiennego mutanta. Dziennikarze zaś nabrali wiatru żagle i zaczęli dostrzegać w okolicach Czarnobyla potworne kurczaki-mutanty wielkości strusia, a nawet sugerowano możliwość powrotu na Ziemię dinozaurów. Nakręcono też kilka filmów, m. in. „Czarnobyl, autopsja chmury” oraz nieco później „Igor – dziecko Czarnobyla”, które przedstawiały wierutne bzdury na temat skutków awarii (co wytknęły autorom środowiska naukowe). Bzdury te, niestety, trafiały na podatny grunt społeczny. Świat żył wówczas w strachu przed wojną jądrową, a obie strony potencjalnego konfliktu pilnie dbały o to, by przeciwnik bał się ich broni.

Należy przypomnieć, że to co określano „wybuchem reaktora jądrowego” nie miało nic wspólnego z wybuchem jądrowym, mieliśmy bowiem do czynienia z dwoma wybuchami: wpierw pary, a następnie wodoru. Stało się to na skutek wydzielenia dużej ilości ciepła z paliwa jądrowego i zapalenia się grafitowego moderatora w reaktorze, czemu towarzyszyło intensywne wydzielania się wodoru, który w zetknięciu z tlenem spowodował wybuch. W jego wyniku do atmosfery wydzieliła się ogromna ilość materiału promieniotwórczego (8 x 1018 Bq, czyli zaledwie 200 razy mniej niż ze wszystkich wybuchów jądrowych). Pomimo ewidentnych różnic, w powszechnej świadomości wybuch reaktora i wybuch bomby atomowej niczym się nie różnią, a konsekwencjami obu „muszą być” mutacje u potomstwa osób napromieniowanych, nie mówiąc o rozwinięciu się chorób nowotworowych u tych osób. W wyniku strachu przed potencjalnymi mutacjami potomstwa, gwałtownie wzrosła liczba aborcji – na Białorusi i Ukrainie w latach 1986-1987 liczba aborcji sięgnęła ok.1/3 wszystkich urodzeń w Europie Wschodniej!. Ten strach nie był wynikiem niewiedzy – był wynikiem wiedzy, tyle że nabytej z zupełnie nieodpowiedzialnych w tym względzie mediów, które wbrew oczywistym faktom, jednoznacznie wskazującym, że wśród potomstwa ofiar bombardowań Hiroszimy i Nagasaki, które otrzymały dziesiątki i setki razy wyższe dawki w ok. 1015 razy (!) krótszym czasie, nie stwierdzono zmian genetycznych. Również rzetelna wiedza na temat rozwoju nowotworów w wyniku napromienienia bardzo rozmija się z powszechną opinią, u której podłoża leży radiofobia czyli strach przed jakąkolwiek dawką promieniowania.

W roku 1986, poza nielicznymi wyjątkami, niemal wszyscy wierzyli, że nawet najmniejsza dawka promieniowania, bliska zerowej, powoduje powstawanie nowotworów. Paradygmat ten był administracyjnym założeniem, przyjętym w roku 1959 dla ochrony radiologicznej stosunkowo małej grupy ludzi zawodowo narażonych na promieniowanie jonizujące. Założenie to, nie udowodnione naukowo, wg określenia jednego ze specjalistów od ochrony radiologicznej upraszczające „buchalterię” ochrony radiologicznej, uzyskało rangę dogmatu i stało się najważniejszym źródłem czarnobylskich obaw. Obecnie jest ono poddawane krytyce, nagromadzono bowiem wiele danych epidemiologicznych i eksperymentalnych wskazujących na jego fałszywość. Oparte na nim procedury ochrony radiologicznej prowadzą do niebotycznie wysokich wydatków stojących w rażącej dysproporcji do kosztów ochrony przed innymi, znacznie ważniejszymi zagrożeniami. Hipotetyczne uratowanie jednego życia ludzkiego przez wprowadzenie do amerykańskiej energetyki jądrowej przepisów opartych na tym paradygmacie kosztuje, jak oceniono, 2,5 mld USD. Natomiast koszt szczepień ochronnych przeciw dyfterytowi, krztuścowi i odrze naprawdę ratujących życie, wynosi w Trzecim Świecie 50-100 USD na osobę. Na takie szczepienia jednak chronicznie brakuje pieniędzy. Również koszty wspomnianego paradygmatu, leżącego u podstaw decyzji działań podjętych w wyniku awarii w Czarnobylu, to miliardy niepotrzebnie traconych dolarów.

Przejdźmy wreszcie do opisu elektrowni w Czarnobylu, przebiegu awarii oraz pierwszych dni po katastrofie. Zastanówmy się, czego nas nauczyła ta awaria i jakich jej konsekwencji możemy się spodziewać w przyszłości. Tę „lekcję Czarnobyla” powinniśmy wszyscy odrobić, choćby po to aby zracjonalizować nasz strach przed promieniowaniem i energetyką jądrową.

2. Energetyka jądrowa

Elektrownia to zakład przemysłowy przetwarzający na energię elektryczną inne rodzaje energii. Elektrownie klasyfikuje się wg rodzaju przetwarzanej energii bądź rodzaju jej nośnika. Najczęściej są to elektrownie cieplne w tym elektrownie paliwowe (energia chemiczna spalanego paliwa), elektrownie geotermalne (energia cieplna wnętrza Ziemi), elektrownie maretermiczne (energia cieplna wód morskich), elektrownie jądrowe (energia wiązań jąder atomów) oraz elektrownie słoneczne czyli helioelektrownie (energia promieni słonecznych).

Podstawowym urządzeniem elektrowni jest generator prądu napędzany turbiną parową, tłokowym silnikiem spalinowym, lub turbiną gazową. W elektrowniach jądrowych (EJ) generator prądu jest napędzany turbiną parową (turbogenerator). Ciepło pary wodnej po przejściu przez turbinę jest jeszcze stosunkowo duże, stąd często wykorzystuje się je do celów grzewczych (elektrociepłownie).

„Sercem” każdej EJ jest reaktor, w którym ciepło uzyskuje się z kontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder atomów paliwa (np. uranu-235) przy udziale wodnego, grafitowego lub berylowego moderatora spowalniającego powstałe neutrony, dzięki czemu zwiększa się prawdopodobieństwo zainicjowania przez nie kolejnej reakcji rozszczepienia. Przebieg reakcji reguluje się przez wsuwanie lub wyciąganie z rdzenia (zawierającego paliwo jądrowe) tzw. prętów sterujących wykonanych z materiałów pochłaniających neutrony (izotopy boru lub kadmu). Przez rdzeń przepływa chłodziwo, które chłodząc rdzeń samo silnie nagrzewa się. Woda jest bardzo dobrym chłodziwem z uwagi na jej duże ciepło właściwe, ale musi być utrzymana pod dużym ciśnieniem dla uniknięcia wrzenia w temperaturze rzędu kilkuset stopni Celsjusza. Ciepło pobrane w reaktorze zostaje oddane w wymienniku ciepła wodzie obiegu wtórnego lub wodzie w wytwornicy pary, która zasila turbogenerator. Temperatura tej pary i jej ciśnienie muszą być odpowiednio wysokie, aby zapewnić wysoką sprawność turbiny. Po przejściu przez turbinę para jest chłodzona i skroplona wraca do wytwornicy pary.

Pierwszą większą elektrownię zbudował w 1882 T.A. Edison w Nowym Jorku. Wytwarzała ona prąd stały zasilający 1284 żarówki. W 1891 w Laufen (Niemcy) M. Doliwo-Dobrowolski zbudował pierwszą elektrownię wodną z trójfazową prądnicą prądu zmiennego. Pierwszą EJ wybudowali Rosjanie 1954 w Obnińsku (90 km od Moskwy).

Najszerzej rozpowszechnionym typem reaktora energetycznego jest wodny reaktor ciśnieniowy (PWR). Jego schemat pokazano na rys.1. Dla lepszego poznania reakcji rozszczepienia i zasady działania reaktora PWR namawiamy Czytelnika do odwiedzenia przyjaznej czytelnikowi dydaktycznej strony internetowej http://www.ipj.gov.pl/pl/szkolenia/nupex/. Polecamy też strony w języku angielskim http://science.howstuffworks.com/nuclear-power.htm i www.world-nuclear.org.

Wliczając koszt unieszkodliwiania odpadów promieniotwórczych powstałych podczas pracy EJ koszt 1 kWh energii elektrycznej wytwarzanej w takich elektrowniach jest jest porównywalny z kosztem energii uzyskanej w hydroelektrowniach i znacznie mniejszy niż koszt energii uzyskanej w konwencjonalnych elektrowniach cieplnych. Zasoby kopalne, na których opiera się dzisiejsza energetyka konwencjonalna szybko się wyczerpują. Jak się ocenia, opłacalne do wydobycia zapasy ropy naftowej starczą na około 30 lat, gazu na 60 lat, węgla na ok. 200 lat. Przy obecnej technologii uranowych reaktorów energetycznych zapas paliwa starczyłby także na niezbyt długi okres ok. 50 lat, jednak przy rozwoju reaktorów powielających – już na 3000 lat, a reaktorów powielających opartych na torze – aż na 6300 lat. Hipotetyczne wykorzystanie wszystkich zasobów uranu i toru w skorupie ziemskiej pozwoliłoby zapewnić bezpieczeństwo energetyczne przez ponad 200 miliardów lat, podczas gdy przewidywany czas życia naszej planety wynosi ok. 5 miliardów lat. Tak się dzieje się dzięki nadzwyczaj wysokoenergetycznej reakcji rozszczepienia jąder niektórych izotopów, na której bazują reaktory jądrowe. Z 1kg obecnie najczęściej używanego paliwa jądrowego (235U), można uzyskać tyle energii elektrycznej, co z 3000 ton węgla lub 1600 ton benzyny. Jednocześnie zagrożenia środowiska naturalnego i życia ludzi w przypadku EJ są mniejsze niż w przypadku elektrowni zasilanych węglem. Wynika to z bardzo rozbudowanych systemów zabezpieczeń współczesnych EJ, porównywalnych do zabezpieczeń stosowanych w przemyśle kosmicznym. Jeśli w końcu XXI wieku nastąpiłby rozwój energetyki opartej na syntezie jądrowej, a nie na reakcji rozszczepienia jąder, to biorąc pod uwagę zasoby deuteru w oceanach i litu w skorupie ziemskiej, obecnie rozwijana technologia pozwoliłaby zaspokoić potrzeby energetyczne ludzkości przez ok. 60 mln lat.

 
Rys. 1 Schemat konstrukcji reaktora wodnego wysokociśnieniowego (PWR)

Obecnie trwają usilne poszukiwania tzw. energii alternatywnych, co jest podyktowane chęcią zapewnienia ludzkości większych zasobów energetycznych bez narażania ich na ewentualne skutki promieniowania jonizującego. Choć skutki awarii w Czarnobylu jednoznacznie wskazują, że to narażenie jest bezzasadnie wyolbrzymione (będziemy na ten temat mówili w dalszych częściach niniejszego opracowania), jest rzeczą potrzebną poszukiwanie wszelkich skutecznych i ekonomicznie opłacalnych źródeł energii. Warto jednak uświadomić sobie, że przy obecnych możliwościach technologicznych, zaspokojenie potrzeb energetycznych Europy Zachodniej przy wykorzystaniu jedynie tzw. odnawialnych źródeł energii wymagałoby:

Jeśli spojrzeć na energetykę jądrową jedynie przez pryzmat zagrożeń, to należy zwrócić uwagę, że każdy przemysł powoduje pewną liczbę ofiar śmiertelnych. W wypadku elektrowni chyba najlepszym wskaźnikiem jest liczba zgonów na 1 gigawato-rok (tj. milion kilowatogodzin) wyprodukowanej energii elektrycznej. Wskaźnik ten, według danych z okresu 1969 – 2000 zebranych przez szwajcarski Instytut Paula Scherrera, dla całego świata (w nawiasie wskaźnik dla UE-15) kształtuje się następująco:

Dane te należy bardzo uważnie wziąć pod uwagę, jeśli się chce włączyć do dyskusji na temat opłacalności i ryzyka związanego z utratą zdrowia w wypadku korzystania z różnych rodzajów energetyki.

3. Reaktory typu RBMK

Aby lepiej zrozumieć, co było przyczyną katastrofy w Czarnobylu trzeba omówić konstrukcję pracującego tam reaktora typu RBMK. To skrót od Kanałowy Reaktor Dużej Mocy (Реактор Большой Мощчности Канальный). W Związku Radzieckim wybudowano 17 reaktorów opartych na tej konstrukcji, 4 z nich pracowały w Czarnobylu, miejscu największej awarii w historii energetyki jądrowej. Czternaście reaktorów tego typu działa do dziś: 11 w Rosji, 2 na Ukrainie i 1 na Litwie. Reaktory tego typu budowano wyłącznie na terenie byłego ZSRR. Od czasu uruchomienia pierwszych reaktorów dokonano w nich wiele ulepszeń zwiększających bezpieczeństwo działania i kolejne generacje różnią się istotnie od swoich poprzedników.

Konstrukcja RBMK wywodzi się od uranowo-grafitowych reaktorów przeznaczonych do produkcji plutonu na potrzeby wojskowe, które uruchamiano w ZSRR poczynając od 1948 roku. Pierwszy reaktor energetyczny o mocy 5 MWe uruchomiono w Obnińsku w 1954 r. Najnowsze konstrukcje (Ignalina na Litwie) osiągają moc 1300 MWe.

Główną cechą reaktorów typu RBMK jest modułowość. Rdzeń reaktora nie jest zamknięty we wspólnym dla wszystkich jednostek paliwowych zbiorniku wysokociśnieniowym, lecz składa się z dostawionych do siebie bloków grafitowych z kanałami, do których wprowadza się pręty paliwowe i do których doprowadzona jest woda zamieniająca się tam w parę. Każdy z tych kanałów ma swoje własne mechanizmy sterujące, podlegające oczywiście mechanizmom regulującym pracę reaktora jako całości. Takie rozwiązanie ułatwia wymianę prętów paliwowych i umożliwia wprowadzanie do kanałów prętów sterujących.

 
Rys. 2 Schemat reaktorów typu RBMK

Cechą odróżniającą reaktory energetyczne RBMK od innych konstrukcji stosowanych w świecie jest brak wytrzymałej zewnętrznej osłony zwanej obudową bezpieczeństwa, zabezpieczającej przed uwolnieniem skażeń w przypadku awarii. Przykładem odpowiedzialnego rozwiązania sprawy obudowy były zabezpieczenia, które skutecznie chroniły środowisko w czasie awarii w Three Miles Island w USA w 1979 roku. Jakkolwiek energia wyzwolona w czarnobylskim wybuchu (termicznym, nie jądrowym!) była zapewne większa niż przyjmowana w obliczeniach wytrzymałości obudowy bezpieczeństwa, to istnienie osłony najprawdopodobniej zapobiegłoby uwolnieniu takiej ilości materiału promieniotwórczego, jak miało to miejsce w Czarnobylu.

Najważniejszą jednak cechą reaktorów typu RBMK jest to, że woda służy w nich wyłącznie jako chłodziwo, a do spowalniania neutronów wystarcza grafit. W reaktorach PWR, w których rdzeń zanurzony jest w wysokociśnieniowym zbiorniku z wodą częściowe odparowanie wody powoduje niedostateczne spowalnianie neutronów i moc reaktora PWR samoczynnie maleje. Natomiast reaktor RBMK w przypadku utraty wody chłodzącej zaczyna pracować niestabilnie i zwiększa swoją moc, ponieważ mniej jest wtedy wody pochłaniającej pewną część neutronów podtrzymujących reakcję rozszczepienia, a spowolnienie neutronów i tak zachodzi skutecznie na graficie. W języku techniki nazywa się to zjawisko dodatnim współczynnikiem reaktywności. Znając cechy swojego reaktora konstruktorzy wprowadzili w nim odpowiednie zabezpieczenia, które jednak w dniu awarii w Czarnobylu zostały przez załogę świadomie wyłączone. Ponadto, jak okazało się po fakcie, układ awaryjnego wyłączania reaktora był wadliwie skonstruowany i w pierwszym momencie powodował przejściowy wzrost mocy. Grafit obudowujący kanały po nagrzaniu odkształcił się uniemożliwiając jakiekolwiek manipulacje, a wreszcie w kontakcie z powietrzem zapalił się. Dopiero najnowsze reaktory typu RBMK (np. Kursk 5) zaopatrzono w bezpieczne rozwiązania zapewniające ujemny współczynnik reaktywności.

Można zapytać czemu reaktor RBMK pracujący w Czarnobylu był w ogóle dopuszczony do pracy. Otóż oprócz wad (m.in. dodatni współczynnik reaktywności) miał on także zalety. Jedne i drugie zestawiono w poniższej tabeli.

Zestawienie cech reaktorów RBMK starszego typu

Całkowicie inaczej wygląda sprawa w lekkowodnych reaktorach typu PWR. Tu ubytek wody będącej jednocześnie chłodziwem i moderatorem zmniejsza efektywność reakcji rozszczepienia i tym samym zmniejsza moc reaktora, co zabezpiecza przed najcięższą awarią. Taki reaktor (cały rdzeń zamknięty w zbiorniku) można też wyłączyć awaryjnie zalewając rdzeń wodą z domieszką boru pochłaniającego neutrony.

Zainteresowanym problematyką bezpieczeństwa EJ polecamy prezentację na stronie http://www.ptbr.org.pl/Bezpieczenstwo%20elektrowni.pdf

4. Przebieg wydarzeń w EJ Czarnobyl

Przygotowania do nieudanego eksperymentu 
Na 6 lat przed opisywaną awarią także w Kurskiej EJ doszło do niebezpiecznej sytuacji – wyłączono zewnętrzne zasilanie pomp i układów sterujących reaktorem. Ta nienormalna dla reaktora sytuacja daje się opanować ponieważ pręty regulacyjne można opuścić do rdzenia także przy odłączonych silnikach. Jednak do osiągnięcia pełnej mocy generatorów awaryjnego zasilania pomp potrzeba około 1 minuty i taki czas wystarcza do przegrzania prętów paliwowych. Postawiono więc tak zmodyfikować konstrukcję turbogeneratorów aby podczas ich bezwładnościowego biegu (po nagłym zaniku zasilania) generowały niezbędną ilość energii do czasu osiągnięcia pełnej mocy przez generatory awaryjne.

Okazją do wykonania modernizacji i testów zmodernizowanych turbogeneratorów było wyłączenie w kwietniu 1986 r. reaktora Czarnobylskiej EJ w celu remontu czwartego bloku elektrowni. Stworzono program doświadczenia, który jednak nie został właściwie przygotowany. Wymagania bezpieczeństwa zostały potraktowane czysto formalnie. Nie przewidziano żadnych specjalnych środków zabezpieczających, a nawet przewidziano odstępstwa od obowiązujących normalnych zasad bezpieczeństwa po uzyskaniu zgody kierownika zmiany elektrowni. Eksperyment zakładał między innymi wyłączenie awaryjnego systemu chłodzenia reaktora, wobec czego reaktor przez ponad 4 godziny miał pracować ze znacznie obniżonym poziomem bezpieczeństwa.

Chronologia zdarzeń 
(dane m.in. z Mould R.F.: Chernobyl Record. The Definitive History of the Chernobyl Catastrophe, IOP Publishing 2000)