Černobyl – co by...kdyby…?

Seriál Černobyl se mi líbíl natolik, že jsem se na něj kouknul hned dvakrát. Ani on ani rozhovory třeba s Danou Drábovou však nepřinesly odpovědi na některé otázky. Alespoň o nich nevím...

Okolnosti katastrofy z 26. dubna 1986 jsou asi všem notoricky známé. Pro úplnost ale shrnu podstatu testu, jehož realizace stála za následnou katastrofou. Jaderný reaktor potřebuje ke svému provozu trvalý přísun vody zajišťující jeho chlazení. Toto chlazení musí fungovat o po zastavení štěpné reakce. Čerpadla, která chlazení za provozu zajišťují, jsou napájena přímo z energie, kterou reaktor vyrobí. Cílem testu bylo ověřit, zda po odstavení reaktoru bude zbytková energie stačit k tomu, aby mohla napájet vodní čerpadla po dobu, než naběhnou záložní dieselové generátory a dosáhnou požadovaného výkonu. Jak vše nakonec dopadlo, všichni víme. Následující otázka se tedy nabízí sama:

Pokud by byl test proveden správně dle instrukcí a reaktor by netrpěl konstrukční vadou, stačila by zbytková energie na uchlazení odstaveného reaktoru?

Jelikož jsem nikde nenašel odpověď na tuto otázku ani neslyšel, že by nějaký moderátor položil tuto otázku svému odbornému hostu, nezbývá, než se pokusit situaci zrekonstruovat.

K zastavení štěpné reakce mělo podle plánu dojít při 700 MW tepelného výkonu. Po zmáčknutí tlačítka AZ-5 a úplném zasunutí bórových tyčí dojde k zastavení štěpné reakce během několik sekund. Po jedné sekundě po zastavení štěpné reakce klesne tepelný výkon na 46 MW, po jedné minutě je to 20 MW, po jedné hodině 9.4 MW, po jednom dni 3.9 MW. Co se týče energie, za 24 hodin odstavený reaktor RBMK-1000 vygeneruje více než 500 GJ tepla. Časové okno mezi odstávkou reaktoru a nahrazením vodního oběhu dieselovými agregáty je asi 40 až 50 sekund.

Jak jsme na tom s čerpadly?

- reaktor RBMK-1000 má standardně 8 hlavních cirkulačních čerpadel (MCP), z nichž 6 je v běžném provozu a 2 jsou záložní

- příkon jednoho čerpadla za provozu je přibližně 3,5 až 5 MW

- Pro nouzové chlazení při doběhu se plánovalo napájet 4 čerpadla (dvě na každé polovině reaktoru)

Celkový potřebný elektrický příkon pro tato 4 čerpadla byl tedy cca 15 až 20 MW (zde se bavíme o elektrickém výkonu, resp. příkonu, nezaměňovat s tepelným výkonem, který je zmíněn v jiných častech článku).

Turbína – gigantický setrvačník

V Černobylské elektrárně byly pro každý reaktor dva generátory, v osudnou noc se test týkal stroje TG-8 (typ K-500-65/3000).

- rotor samotné turbíny (vysokotlaká a pět nízkotlakých částí) vážil přibližně 140 až 150 tun

- rotor elektrického generátoru vážil dalších zhruba 50 tun

Celkově tak hovoříme o jedné souvislé hřídeli o hmotnosti kolem 200 tun, která je uložena v masivních ložiskách a točí se rychlostí 3 000 otáček za minutu (50 Hz).

Kolik energie je v turbíně?

Úhlová rychlost při 3 000 otáček za minutu je asi 314.16 rad/s. Moment setrvačnosti se pohybuje asi kolem 45 000 kg * m^2. Kinetická energie pak asi 2 220 MJ.

Mechanické ztráty

Co se týče mechanických ztrát, ty činí u takto obrovského stroje asi 4 až 5 MW. Připočteme-li k této hodnotě užitečné elektrické zatížení v podobě čerpadel, dostaneme se na hodnotu 20 až 25 MW. Za 30 sekund by došlo k poklesu otáček na 2440 otáček za minutu. Z výše uvedeného je vidět, že mechanické energie má turbína víc než dost. Problém nastává jinde. Asynchronní motory hlavních cirkulačních čerpadel jsou závislé na frekvenci, která je lineárně spjatá s otáčkami generátoru. Při 2440 ot/min (v čase 30 s) klesne frekvence na 40,6 Hz. Pro asynchronní motor je pokles frekvence na 40 Hz kritický. Jeho elektromagnetický moment klesá s druhou mocninou frekvence. Motory čerpadel by se tedy začaly dusit ještě dříve, než dojde k zastavení otáček turbíny.

Jak to ale bude vypadat v reálu?

Pozorný čtenář si jistě všiml, že v předchozím příkladu něco významného chybí. Počítá se v něm s pouhou setrvačností turbíny bez započtení jakéhokoliv zbytkového tepla. Po 30 sekundách od vypnutí reaktoru při tepelném výkonu 700 MW klesne výkon na asi 23 MW, což po převodu na elektrický výkon při účinnosti 0.22 dává asi 5 MW elektrického výkonu. Výpočet otáček po započtení zbytkového výkonu se upraví na 2 563 otáček za minutu. Což znamená po 30 sekundách frekvenci 42.7 Hz. V čase po 50 sekundách, kdy by již plně měly běžet záložní diesely, bychom měli být na 2410 otáčkách a 40.1 Hz.

Jak bylo zmíněno v seriálu Černobyl, osudný test byl již celkově čtvrtým. Mechanicky byla situace identická, problém u předchozích testů byl v regulátorech napětí (v prvních dvou případech byl pokles příliš velký, ve třetím zase příliš kolísavý, takže došlo k bezpečnostnímu odpojení), který se postupně inženýrům z podniku Dontechgeneracija podařilo odstranit. Zpětnou analýzou pak bylo zjištěno, že nový regulátor v dubnu 1986 zafungoval lépe a test by tedy s největší pravděpodobností poprvé skončil úspěšně.

Spoustu lidí pak logicky napadne otázka druhá:

Co by se stalo, kdyby byl test proveden stejně špatně, ale reaktor by neměl konstrukční vadu?

V době, kdy obsluha zmáčkla tlačítko AZ-5, byl reaktor v již značně nestabilním stavu. Do kanálů by začal zajíždět čistý bor. Doba zasouvání tyčí činí 18 sekund z jedné krajní polohy do druhé (u moderních reaktorů jsou to cca 3 sekundy). Během tohoto zasouvání by nedošlo k žádnému navýšení výkonu. Štěpná reakce by byla zastavena, čerpadla by byla napájena z externího zdroje a postupně by dochlazovala reaktor. Reaktor by se však kvůli předchozí xenonové otravě nacházel ve stádiu xenonové smrti a nebylo by ho možné po několik dní uvést znovu do provozu. Ke katastrofě by to s největší pravděpodobností nevedlo.

Proč si při dřívějších testech obsluha nevšimla prudkého nárůstu reaktivty po zasunutí regulačních tyčí?

Nejspíše proto, že k žádnému nárůstu nedošlo. Problém osudného testu byl v tom, že výkon reaktoru klesl na úplné minimum. V tomto stavu už se obsluha neměla pokoušet o jeho nahození, ale měl být vypnut. S tím bohužel Anatoly Dyatlov ani náznakem nesouhlasil a trval na opětovném zprovoznění „otráveného“ reaktoru. Jediný způsob, jak toho dosáhnout, bylo vytáhnout všechny bórové tyče. To je zásadní rozdíl oproti předchozím testům, kdy výkon reaktoru postupně pouze klesal. Bórové tyče nebyly nikdy v pozici úplného vytažení. Při posledním pokusu se tak najednou všechen grafit regulačních tyčí ocitl v aktivní zóně a katastrofě už nešlo nijak zabránit. Tím spíše, že došlo k jejich zablokovnání v této poloze.

V seriálu hráli výraznou roli kopáči z Donbasu. Ti měli zabránit tomu, aby se rozžhavené jaderné palivo smíchané s okolním materiálem propálilo skrze dno reaktorové haly a kontaminovalo podzemní vody. Plán byl vytvořit pod reaktorem prostor o rozměru 30x30x2 m a tento vyplnit tekutým dusíkem. Kopáči svou práci zvládli skvěle a hlavně velmi rychle. Otázka zní:

Opravdu nakonec došlo k propálení tzv. koria skrze betonovou podlahu a oni tak těsně odvrátili katastrofu?

Zde je odpověď jasná – ne. Roztavené korium se ve skutečnosti samo zastavilo a vychladlo. To ale dopředu nemohl nikdo vědět a hrozba, že se palivo propálí základní deskou a kontaminuje vodu, byla reálná. Sám Legasov ji tehdy odhadnul na 50%.

Vědci se dále shodují, že výbuch o síle 2-4 Mt uvedených v seriálu, který mohl nastat, pokud by se nepodařilo odčerpat vodu z nádrží pod reaktorem, byl silně nadsazený. Zde nicméně nejsem schopen to nijak spočítat, třeba o tom někdo jiný někdy napíše článek.

Pouze setrvačnost

Včetně páry

Zpráva o havárii 1

Zpráva o havárii 2