Redaktørens merknad: Denne historien ble oppdatert mandag 10. juni kl. 04.45. E.D.T.
I den nye HBO-miniserien "Tsjernobyl" avdekker russiske forskere årsaken til en eksplosjon i reaktor 4 ved Chernobyl kjernekraftverk, som spydde radioaktivt materiale over Nord-Europa.
Den reaktoren, et design kalt RBMK-1000, ble oppdaget å være grunnleggende feil etter Tsjernobyl-ulykken. Og likevel er det fortsatt 10 av samme type reaktor i drift i Russland. Hvordan vet vi om de er trygge?
Det korte svaret er at vi ikke gjør det. Disse reaktorene er modifisert for å redusere risikoen for en annen katastrofe i Tsjernobyl-stil, sier eksperter, men de er fremdeles ikke like trygge som de fleste reaktorer i vestlig stil. Og det er ingen internasjonale sikkerhetstiltak som vil forhindre bygging av nye anlegg med lignende feil.
"Det er et helt antall forskjellige typer reaktorer som vurderes nå i forskjellige land som er vesentlig forskjellig fra den vanlige lysvannsreaktoren, og mange av dem har sikkerhetsfeil som designerne bagatelliserer," sier Edwin Lyman, en seniorforsker og fungerende direktør for Nuclear Safety Project ved Union of Concerned Scientists.
"Jo flere ting forandrer seg," sa Lyman til Live Science, "jo mer forblir de de samme."
Reaktor 4
I sentrum av Tsjernobyl-katastrofen lå RBMK-1000-reaktoren, et design som bare ble brukt i Sovjetunionen. Reaktoren var forskjellig fra de fleste atomvannsreaktorer med lett vann, standardutformingen som ble brukt i de fleste vestlige land. (Noen tidlige amerikanske reaktorer på Hanford Site i delstaten Washington var en lignende utforming med lignende feil, men ble løst på midten av 1960-tallet.)
Lettvannsreaktorer består av et stort trykkbeholder som inneholder kjernemateriale (kjernen), som avkjøles av en sirkulerende tilførsel av vann. I kjernefysjon splitter et atom (uran, i dette tilfellet), og skaper varme og frie nøytroner, som zing i andre atomer, og får dem til å splitte og frigjøre varme og flere nøytroner. Varmen forvandler det sirkulerende vannet til damp, som deretter vender en turbin og genererer strøm.
I lettvannsreaktorer fungerer vannet også som moderator for å kontrollere den pågående kjernefysjonen i kjernen. En moderator bremser ned frie nevroner slik at det er mer sannsynlig at de fortsetter fisjonreaksjonen, noe som gjør reaksjonen mer effektiv. Når reaktoren varmes opp, blir mer vann til damp, og mindre er tilgjengelig for å spille denne moderatorrollen. Som et resultat bremser fisjonreaksjonen. Den negative tilbakekoblingssløyfen er en viktig sikkerhetsfunksjon som hjelper deg med å forhindre at reaktorene overopphetes.
RBMK-1000 er annerledes. Den brukte også vann som kjølevæske, men med grafittblokker som moderator. Variasjonene i reaktordesignet tillot den å bruke mindre anriket drivstoff enn vanlig og å bli fylt på drivstoff under kjøring. Men med kjølevæsken og moderatorrollene atskilt, ble den negative tilbakemeldingssløyfen til "mer damp, mindre reaktivitet" ødelagt. I stedet har RBMK-reaktorer det som kalles en "positiv tomromkoeffisient."
Når en reaktor har en positiv tomromkoeffisient, blir fisjonreaksjonen raskere når kjølevæsken blir til damp, i stedet for å bremse. Det er fordi koking åpner for bobler eller tomrom i vannet, noe som gjør det lettere for nøytroner å reise rett til den fisjon-forbedrende grafittmoderatoren, sa Lars-Erik De Geer, en atomfysiker som er pensjonist fra det svenske forsvarsforskningsbyrået.
Derfra, sa han til Live Science, bygger problemet seg: Fisjonen blir mer effektiv, reaktoren blir varmere, vannet blir dampende, fisjonen blir mer effektiv, og prosessen fortsetter.
Oppkjøring til katastrofe
Da Tsjernobyl-anlegget kjørte på full kraft, var dette ikke et stort problem, sa Lyman. Ved høye temperaturer har uranbrenselet som driver fisjonreaksjonen en tendens til å absorbere flere nøytroner, noe som gjør det mindre reaktivt.
Ved lav effekt blir imidlertid RBMK-1000-reaktorer veldig ustabile. I oppkjøringen til Tsjernobyl-ulykken 26. april 1986 foretok operatører en test for å se om anleggets turbin kunne kjøre nødutstyr under et strømbrudd. Denne testen krevde å kjøre anlegget med redusert effekt. Mens strømmen ble senket, ble operatørene beordret av Kiews kraftmyndigheter å ta en pause i prosessen. Et konvensjonelt anlegg hadde gått offline, og Tsjernobyls kraftproduksjon var nødvendig.
"Det var veldig hovedgrunnen til at det hele skjedde til slutt," sa De Geer.
Anlegget kjørte med delvis kraft i 9 timer. Da operatørene fikk klarsignal mesteparten av resten av veien ned, hadde det vært en oppbygging av nøytronabsorberende xenon i reaktoren, og de kunne ikke opprettholde det riktige spaltningsnivået. Kraften falt til nesten ingenting. Ved å prøve å øke den, fjernet operatørene de fleste kontrollstavene, som er laget av nøytronabsorberende borkarbid og brukes til å bremse fisjonreaksjonen. Operatører reduserte også strømmen av vann gjennom reaktoren. Dette forverret det positive tomrommet-koeffisientproblemet, ifølge Nuclear Energy Agency. Plutselig ble reaksjonen veldig intens. I løpet av sekunder økte kraften til 100 ganger det reaktoren var designet for å motstå.
Det var andre designfeil som gjorde det vanskelig å få situasjonen under kontroll når den startet. For eksempel ble kontrollstavene tippet med grafitt, sier De Geer. Da operatørene så at reaktoren begynte å gå i høysnor og prøvde å senke kontrollstavene, satt de fast. Den umiddelbare effekten var ikke å bremse fisjonen, men å forbedre den lokalt, fordi den ekstra grafitten på spissene opprinnelig styrket fisjonreaksjonens effektivitet i nærheten. To eksplosjoner fulgte raskt. Forskere debatterer fortsatt nøyaktig hva som forårsaket hver eksplosjon. De kan begge ha vært dampeksplosjoner fra den raske økningen i trykket i sirkulasjonssystemet, eller den ene kan ha vært damp og den andre en hydrogeneksplosjon forårsaket av kjemiske reaksjoner i den sviktende reaktoren. Basert på påvisning av xenonisotoper ved Cherepovets, 370 kilometer nord for Moskva etter eksplosjonen, mener De Geer at den første eksplosjonen faktisk var en jetkjernestrøm som skjøt flere kilometer ut i atmosfæren.
Endringer gjort
Den umiddelbare kjølvannet av ulykken var "en veldig nervøs tid" i Sovjetunionen, sa Jonathan Coopersmith, teknologihistoriker ved Texas A&M University som var i Moskva i 1986. Til å begynne med holdt sovjetiske myndigheter informasjonen tett; den statlige pressen begravde historien, og ryktemøllen tok over. Men langt borte i Sverige oppdaget De Geer og hans medforskere allerede uvanlige radioaktive isotoper. Det internasjonale samfunnet ville snart vite sannheten.
14. mai holdt sovjetleder Mikhail Gorbatsjov en TV-tale der han åpnet for hva som hadde skjedd. Det var et vendepunkt i sovjetisk historie, fortalte Coopersmith til Live Science.
"Det gjorde glasnost ekte," sa Coopersmith, og refererte til den begynnende politikken for åpenhet i Sovjetunionen.
Det åpnet også en ny epoke i samarbeid for atomsikkerhet. I august 1986 holdt International Atomic Energy Agency et toppmøte etter ulykken i Wien, og sovjetiske forskere nærmet det med en enestående følelse av åpenhet, sa De Geer, som deltok.
"Det var utrolig hvor mye de fortalte oss," sa han.
Blant endringene i respons på Tsjernobyl var modifikasjoner av de andre RBMK-1000-reaktorene i drift, 17 den gangen. I følge World Nuclear Association, som fremmer kjernekraft, inkluderte disse endringene tillegg av hemmere til kjernen for å forhindre løpsk reaksjoner med lav effekt, en økning i antall kontrollstenger som ble brukt i drift og en økning i drivstoffanriking. Kontrollstavene ble også montert på nytt slik at grafitten ikke ville bevege seg i en stilling som ville øke reaktiviteten.
Tsjernobyls tre andre reaktorer opererte til 2000, men har siden stengt, og det har også to andre RBMK-er i Litauen, som ble lagt ned som et krav for at landet skulle inn i EU. Det er fire RBMK-reaktorer som opererer i Kursk, tre i Smolensk og tre i St. Petersburg (en fjerde ble pensjonist i desember 2018).
Disse reaktorene "er ikke så gode som våre," sa De Geer, "men de er bedre enn de pleide å være."
"Det var grunnleggende aspekter ved designet som ikke kunne løses uansett hva de gjorde," sa Lyman. "Jeg vil ikke si at de var i stand til å øke sikkerheten til RBMK samlet til den standarden du forventer av en vestlig stil lettvannsreaktor."
I tillegg, påpekte De Geer, var ikke reaktorene bygd med full inneslutningssystemer som sett i reaktorer i vestlig stil. Inneslutningssystemer er skjold av bly eller stål som er ment å inneholde radioaktiv gass eller damp fra å rømme ut i atmosfæren i tilfelle en ulykke.
Oversett oversett?
Til tross for de potensielt internasjonale effektene av en atomulykkeulykke, er det ingen bindende internasjonal avtale om hva som utgjør et "trygt" anlegg, sa Lyman.
Konvensjonen om nuklear sikkerhet krever at landene er transparente om sikkerhetstiltakene deres og åpner for fagfellevurdering av anlegg, sa han, men det er ingen håndhevingsmekanismer eller sanksjoner. Enkeltland har egne reguleringsbyråer, som bare er så uavhengige som lokale myndigheter gjør dem i stand til å være, sa Lyman.
"I land hvor det er voldsom korrupsjon og mangel på god styring, hvordan kan du forvente at et hvilket som helst uavhengig reguleringsorgan vil kunne fungere?" Lyman sa.
Selv om ingen utenom Sovjetunionen laget RBMK-1000 reaktorer, innebærer noen foreslåtte nye reaktorkonstruksjoner en positiv tomromkoeffisient, sa Lyman. For eksempel har hurtigoppdretterreaktorer, som er reaktorer som genererer mer spaltbart materiale når de genererer kraft, en positiv tomromkoeffisient. Russland, Kina, India og Japan har alle bygget slike reaktorer, selv om Japans ikke er operativt og er planlagt for nedbygging og India er 10 år etter planen for åpning. (Det er også reaktorer med små positive tomromskoeffisienter som opererer i Canada.)
"Designerne hevder at hvis du tar hensyn til alt, er de i sikkerhet, så det betyr ikke så mye," sa Lyman. Men designere skal ikke være overbevisste i systemene sine, sa han.
"Den slags tanker er det som fikk sovjeterne problemer," sa han. "Og det er det som kan få oss til å komme i trøbbel ved å ikke respektere det vi ikke vet."
Editor's Note: Denne historien ble oppdatert for å merke seg at de fleste, men ikke alle, av kontrollstavene ble fjernet fra reaktoren, og for å merke at noen tidlige reaktorer i USA også hadde en positiv tomromkoeffisient, selv om deres designfeil var løst .
