Elephant's foot (Τσερνόμπιλ, 1986)

Εικόνα 1. Το πόδι του ελέφαντα όταν φωτογραφήθηκε το 1989. (photo: Росатом

του Δημήτρη Δημόπουλου
από το επιστημονικό περιοδικό των μεταπτυχιακών και υποψήφιων διδακτόρων του Τμήματος Φυσικής Πανεπιστημίου Αθηνών Physics Time

Το πόδι Ελέφαντα (Elephant Foot) είναι ένα στερεοποιημένο πλέον μίγμα κυρίως δομικών μετάλλων, πυριτίου και ραδιενεργών υλικών που σχηματίστηκε κατά την τήξη του πυρηνικού αντιδραστήρα 4 στο Τσερνόμπιλ της Ουκρανίας, στις 26 Απριλίου 1986. Η δημιουργία του οφείλεται στη διαδοχική μηχανική αστοχία και τήξη των δομικών υλικών του εργοστασίου που χρησιμοποιήθηκαν στο εσωτερικό του αντιδραστήρα αλλά και στα κατάντη τμήματα του κτηρίου. Το μίγμα αυτό, τη στιγμή του σχηματισμού του, ήταν τόσο ραδιενεργό που μπορούσε να προκαλέσει θάνατο σε οποιονδήποτε παρέμενε κοντά του περισσότερο από λίγα λεπτά. Σήμερα παραμένει ακόμα εξαιρετικά ραδιενεργό.


Γεωμετρική διάταξη του πυρηνικού αντιδραστήρα 4

Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες τύπου RBMK (РБМК) σχεδιάστηκαν και δοκιμάστηκαν στη Σοβιετική Ένωση τη δεκαετία του ‘60 και κατασκευάστηκαν μαζικά για την παραγωγή πυρηνικής ενέργειας μέχρι το 1986. Μετά το πυρηνικό ατύχημα του Τσερνόμπιλ, τον Απρίλιο του 1986, ο αρχικός σχεδιασμός άλλαξε και πολλοί αντιδραστήρες που ήταν ήδη στη διαδικασία παραγωγής ακυρώθηκαν. Από το 1986 έως σήμερα έχουν αποσυρθεί 16 αντιδραστήρες αυτού του τύπου στην Ουκρανία και Ρωσία ενώ 10 λειτουργούν ακόμη στις επαρχίες Κουρσκ, Λένινγκραντ και Σμόλενσκ.
Η βασική διάταξη του РБМК αντιδραστήρα 4 στο Τσερνόμπιλ της Ουκρανίας καταλάμβανε έναν κυλινδρικό χώρο διαμέτρου 14m και ύψους 8m που περιείχε μπλοκ καθαρού γραφίτη (C, σημείο τήξης 3600ο C) τετραγωνικής διατομής 0,25 x 0,25m τα οποία ήταν συνδεμένα σε μία συμπαγή γεωμετρία που δημιουργούσε 2000 στήλες ύψους 8 μέτρων . Κάθε στήλη από μπλοκ γραφίτη είχε μία κεντρική κυκλική οπή από την οποία διερχόταν το υδραυλικό σύστημα κυκλοφορίας νερού από ανοξείδωτο χάλυβα (κράμα Fe και C, σημείο τήξης 1371ο C) που έψυχε το πυρηνικό καύσιμο ( UO2, σημείο τήξης 2800ο C) και τα προϊόντα σχάσης. Το πυρηνικό καύσιμο και τα παραγώμενα ραδιενεργά ισότοπα βρίσκονταν σφραγισμένα σε δοχεία κράματος ζιρκονίου (Zr, σημείο τήξης 1855ο C) μέσα στους σωλήνες ψύξης. Άρα σχηματικά μπορούμε να πούμε ότι το καύσιμο και τα προϊόντα σχάσης καλύπτονταν διαδοχικά από κράμα ζιρκονίου, νερό και ατμό, ανοξείδωτο χάλυβα και γραφίτη. Για την μείωση της ισχύος του αντιδραστήρα υπήρχαν συνολικά 211 ράβδοι βορίου (2076o C) οι οποίοι τη στιγμή του ατυχήματος είχαν πλήρως αποσυρθεί από τον αντιδραστήρα και η απότομη κάθοδος τους υπήρξε καθοριστική για την εξέλιξη του φαινομένου. Όλος ο αντιδραστήρας περιβαλλόταν περιμετρικά από μία χαλύβδινη θωράκιση συνολικού πάχους 6cm η οποία είχε διπλό τοίχωμα με διάκενο 2,4m ώστε να δημιουργείται μία δεξαμενή που περιείχε νερό για έκτακτη χρήση ως ψυκτικό. Γύρω από τη δεξαμενή αυτή υπήρχε μία δεύτερη περιμετρική δεξαμενή με τοιχώματα σκυροδέματος η οποία ήταν γεμάτη με χαλαζιακή άμμο (SiO2, σημείο τήξης 1723ο C).

Εικόνα 2. Το κέλυφος του αντιδραστήρα και το σταυροειδές υποστύλωμα. (3D layout: Mike Bell)

Στο άνω μέρος του αντιδραστήρα είχε τοποθετηθεί ένας χαλύβδινος δίσκος μικτού πάχους 3m και διαμέτρου 15m ο οποίος ήταν διάτρητος ώστε να διέρχονται τα 2000 κανάλια του υδραυλικού συστήματος ψύξης και πυρηνικού καυσίμου. Ο δίσκος αυτός χρησίμευε ως άνω βιολογική ασπίδα ενώ η απόληξη των καναλιών σχημάτιζε το δάπεδο από 2000 κύβους του ορόφου ελέγχου και αλλαγής πυρηνικού καυσίμου. Στο κάτω μέρος του αντιδραστήρα ήταν επίσης τοποθετημένη μία χαλύβδινη πλάκα μικτού πάχους 2m και διαμέτρου 14,5m η οποία ήταν διάτρητη ώστε να διέρχεται το υδραυλικό σύστημα ψύξης του αντιδραστήρα. Η πλάκα αυτή χρησίμευε ως κάτω βιολογική ασπίδα και έφερε τα φορτία όλης της υπερκείμενης κατασκευής. Εδραζόταν σε ένα χαλύβδινο υποστύλωμα σε σταυροειδή διατομή, το οποίο με τη σειρά του μετέφερε τα φορτία στην υποκείμενη πλάκα οπλισμένου σκυροδέματος της αίθουσας του αντιδραστήρα η οποία ήταν εξ ολοκλήρου κατασκευασμένη από οπλισμένο σκυρόδεμα υψηλής αντοχής. Κάτω από τον αντιδραστήρα υπήρχαν 3 όροφοι ελέγχου του υδραυλικού συστήματος, κατασκευασμένοι από οπλισμένο σκυρόδεμα υψηλής αντοχής και δεξαμενές νερού. Η θεμελίωση του εργοστασίου ήταν μία γενική κοιτόστρωση (ενιαία πλάκα οπλισμένου σκυροδέματος) πάχους 1,5m. Εκτός από την κάτω βιολογική ασπίδα που ήταν ούτως ή άλλως απαραίτητη ως φέρουσα κατασκευή, ο αντιδραστήρας δεν είχε κάποιο άλλο εξειδικευμένο περιοριστικό όριο για τη συγκράτηση του ραδιενεργού υλικού σε περίπτωση κατάρρευσης του(1). Από τον πυθμένα του αντιδραστήρα ως το έδαφος θεμελίωσης παρεμβάλλονταν συνολικά 3m οπλισμένου σκυροδέματος (εικόνα 4).
Αστοχία κράματος Ζιρκονίου και έκρηξη
H έκρηξη ήταν επακόλουθο (μεταξύ άλλων) της μηχανικής αστοχίας του κράματος ζιρκονίου (2) στις ράβδους πυρηνικού καυσίμου εξαιτίας της σταδιακής υπερθέρμανσης και οξείδωσης του. Σε συνθήκες λειτουργίας του αντιδραστήρα (Τ<350 1="" 1mpa="" 20mpa.="" 850="" br="" c="" p="7ΜPa">
Zr + 2 H2O → ZrO2 + 2 H2

Για να ξεκινήσει η διαδικασία της ταχείας οξείδωσης, η θερμοκρασία στον αντιδραστήρα είχε ήδη φτάσει τους 1230ο C (3). Η μηχανική αστοχία των δοχείων καυσίμου έφερε τα υπέρθερμα ραδιενεργά ισότοπα απευθείας σε επαφή με το νερό και τον ατμό στο υδραυλικό σύστημα ψύξης.

Διάγραμμα 1. Μηχανική Αντοχή του δοχείου Ζιρκονίου ως συνάρτηση της θερμοκρασίας (ΙΑΕΑ)

Η έκρηξη του αντιδραστήρα 4 στις 26 Απριλίου 1986 προκάλεσε την εκτίναξη της άνω βιολογικής ασπίδας (η οποία είχε μάζα 2000 τόνων) και μέρους του πυρήνα, στον περιβάλλοντα χώρο του εργοστασίου και στις όμορες οροφές, οι οποίες έχοντας στεγανωτική ασφαλτική επίστρωση για πήραν φωτιά. Το τμήμα του αντιδραστήρα που παρέμεινε εντός του εργοστασίου είχε υποστεί ολοκληρωτικές αστοχίες και ήταν πλέον σε επαφή με την ατμόσφαιρα. Από την έκρηξη διατρήθηκε επίσης η κάτω βιολογική ασπίδα και μέρος του αντιδραστήρα κατέρρευσε στον πόδα του σταυροειδούς υποστηλώματος. Μετά την έκρηξη το υδραυλικό σύστημα ψύξης του αντιδραστήρα είχε καταστραφεί ολοσχερώς και το νερό σε υγρή μορφή που μετακινήθηκε λόγω διαρροών από τα ανάντη, εξατμίστηκε σε λεπτά. Ο καταστραμένος αντιδραστήρας χωρίς ψύξη συνέχισε να αποδίδει θερμότητα στο περιβάλλον εξαιτίας της σχάσης ουρανίου -όπου τα συντρίματα γραφίτη το επέτρεπαν- και εξαιτίας της διαδοχικής ραδιενεργούς διάσπασης των υπολοίπων ραδιενεργών ισοτόπων που είχαν δημιουργηθεί από τη σχάση.

Καύση Γραφίτη 
<350 1="" 1mpa="" 20mpa.="" 850="" br="" c="" p="7ΜPa">
Ο γραφίτης (καθαρός C) είναι ένα υλικό με πολύ μεγάλη θερμική αγωγιμότητα που το κάνει εξαιρετικά ανίκανο να συντηρρήσει, χωρίς εξωτερική πηγή θερμότητας, μία αυτόνομη διαδικασία καύσης. Μέσα στον πυρηνικό αντιδραστήρα ο γραφίτης υποβάλλεται σε θερμοκρασίες χαμηλότερες του κατώτατου σημείου οξείδωσης του που είναι η θερμοκρασία των 650ο C. Για να μπορέσει ο γραφίτης να αναφλεγεί πρέπει να θερμανθεί σε θερμοκρασίες άνω των 650ο C, να διατηρηθεί αυτή η θερμοκρασία από κάποια εξωτερική πηγή, να υπάρχει μία ικανή παροχή αέρα που θα απομακρύνει τα αέρια καύσης και θα παρέχει οξυγόνο χωρίς όμως να ψύχει υπερβολικά την επιφάνεια του γραφίτη (4). Η έκρηξη του αντιδραστήρα 4 κατεδάφισε το βόρειο τμήμα της οροφής του εργοστασίου πάνω από τον αντιδραστήρα, φέρνοντας σε επαφή τον γραφίτη με την ατμόσφαιρα και τον βόρειο άνεμο, διατάραξε τη γεωμετρία δημιουργώντας ασυνέχειες και αεροδιαδρόμους ενώ η θερμότητα από τη ραδιενεργό διάσπαση συντηρρούσε τις πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Η πυρκαγιά που προκλήθηκε δευτερόλεπτα μετά την έκρηξη ήταν λοιπόν ο γραφίτης του ίδιου του αντιδραστήρα που υπό ιδανικές συνθήκες καιγόταν σε διοξείδιο και μονοξείδιο του άνθρακα. Η πυρκαγιά αυτή συντηρρήθηκε για 9 ημέρες και κατασβέστηκε με τη ρίψη 40 τόνων βορίου, 800 τόνων δολομίτη, 1800 τόνων άμμου και μαλακής αργίλου και 2400 τόνων μόλυβδου. Υπολογίζεται ότι κάηκε το 10-50% του γραφίτη του αντιδραστήρα χωρίς όμως η θερμότητα από την καύση να έχει κάποια ουσιαστική σημασία στην τήξη του πυρήνα που από τις πρώτες ώρες μετά την έκρηξη είχε ξεκινήσει τη δημιουργία του corium(4).

Εικόνα 3. Οι στήλες γραφίτη στο εσωτερικό του αντιδραστήρα (photo: E. Narkunas et al, 2018)

Δημιουργία Corium 
<350 1="" 1mpa="" 20mpa.="" 850="" br="" c="" p="7ΜPa">
Η έκλυση θερμότητας από τη ραδιενεργή διάσπαση (decay heat) κρατά έναν αντιδραστήρα ενεργό ακόμα και αν η προκαλούμενη διαδικασία σχάσης έχει τερματιστεί. Στον αντιδραστήρα του Τσερνόμπιλ μετά την καταστροφή του, υπήρχαν ακόμα τμήματα γραφίτη και πυρηνικού καυσίμου που συνέχισαν τοπικά τη διαδικασία σχάσης ενώ το τμήμα του που είχε καταρρεύσει στον πόδα του υποστηλώματος του ήταν πλέον ένας σωρός από γραφίτη, ουράνιο και ραδιενεργά ισότοπα, χάλυβα και λιωμένο κράμα ζιρκονίου. Η συνεχής έκλυση θερμότητας δημιούργησε σύντομα ένα υγρό διάπυρο μίγμα υλικών, σαν λάβα, το οποίο κύλισε πάνω στην πλάκα σκυροδέματος που συγκρατούσε τα φορτία του αντιδραστήρα και ξεκίνησε τη διαδικασία διάτρησης της. Τα επόμενα λεπτά, ο υπόλοιπος πυρήνας του αντιδραστήρα που δεν είχε καταρρεύσει από την έκρηξη άρχισε να κατέρχεται σε υγρή διάπυρη μορφή πάλι καταλήγοντας στο πρώτο φράγμα σκυροδέματος. Η υγρή αυτή λάβα πήρε την ονόμασία της από το μέρος προέλευσης της (core) και ονομάστηκε corium.

Προσομοίωση 1. Καταβύθιση Corium σε σκυρόδεμα. (Eung Soo Kim, 2017)
Διάτρηση σκυροδέματος

Από στοιχειακή άποψη τα βασικά συστατικά του σκυροδέματος είναι το Ca, Si, Al και Fe με επικρατές το πυρίτιο (Si) το οποίο κυριαρχεί στην χαλαζιακή άμμο. To σκυρόδεμα δεν τήκεται ως υλικό, δηλαδή δεν ρευστοποιείται διατηρώντας την ίδια χημική σύσταση. Κατά τη θέρμανση του το σκυρόδεμα αρχικά διαστέλλεται και μετά του 300 βαθμούς Κελσίου το νερό που περιέχεται δεσμευμένο στις υδραυλικές ενώσεις του εξατμίζεται άρα το σκυρόδεμα μετατρέπεται σε πορώδες υλικό το οποίο καθώς η θερμοκρασία του αυξάνεται διασπάται σε βασικότερες μοριακές ενώσεις. Στους 825ο C το ανθρακικό ασβέστιο διασπάται σε:

CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)

Η θέρμανση του σκυροδέματος απελευθέρωσε Η2Ο και CO2 στον πυθμένα των συντριμμάτων με αποτέλεσμα να παραχθεί ακόμη μεγαλύτερη θερμότητα από την οξείδωση των μετάλλων μέσα στο διάπυρο μίγμα, αυξάνοντας τοπικά την πίεση. Το πυρίτιο που υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες στο σκυρόδεμα υπό τη μορφή χαλαζία (SiO2) τήκεται στους 1723ο C. Τις πρώτες ώρες μετά την έκρηξη, υπολογίζεται ότι οι χημικές αντιδράσεις των μετάλλων και η ραδιενεργή διάσπαση (decay heat) δημιούργησαν θερμοκρασία μέχρι 2400ο C στο εσωτερικό του corium. Η επαφή του corium με το σκυρόδεμα λοιπόν δημιούργησε αμέσως τις συνθήκες διάτρησης του, διασπώντας τη δομή του και "ρευστοποιώντας" τα επιμέρους συστατικά του. Επειδή το σκυρόδεμα είναι ένα υλικό με μεγάλη θερμοχωρητικότητα και η διαδικασία αποδόμησης του είναι ενδόθερμη, η διάτρηση του δεν έγινε τόσο γρήγορα όσο η τήξη των μετάλλων που ήρθαν σε επαφή με τα ραδιενεργά ισότοπα και τον ατμό. Αυτό έδωσε χρόνο στους σοβιετικούς μηχανικούς να αντλήσουν το νερό που βρισκόταν στις δεξαμενές κάτω από τον αντιδραστήρα πριν την κάθοδο του corium σε αυτές. Η διαδοχική διάτρηση των πλακών κατάντη του αντιδραστήρα υπολογίζεται ότι συντελέστηκε μέσα σε 6 ημέρες από την έκρηξη. Το corium σε αυτή τη χρονική περίοδο εμπλουτίστηκε από μεγάλες ποσότητες Si από την αλληλεπίδραση με το σκυρόδεμα. Σταδιακά το μίγμα βρήκε διεξόδους μέσα από το υδραυλικό σύστημα και μεταφέρθηκε σε ακόμα περισσότερα σημεία κατάντη του αντιδραστήρα. Η σοβιετική επιστημονική ομάδα που επισκέφτηκε το 1986, τον πόδα του σταυροειδούς υποστηλώματος, κάτω ακριβώς από τον αντιδραστήρα, περίμενε να βρει σε αυτόν τον θάλαμο τη μεγαλύτερη μάζα πυρηνικού καυσίμου. Το καύσιμο όμως υπό την μορφή corium είχε διαπεράσει αυτόν τον θάλαμο και βρισκόταν -στερεοποιημένο πλέον- στα κατώτερα επίπεδα. Η ανακάλυψη λοιπόν την πορείας της ραδιενεργούς λάβας ήρθε 3 χρόνια μετά τη δημιουργία της κι ενώ ακόμα εξέπεμπε θερμότητα, με αυτοψία στα θεμέλια του εργοστασίου. Σε ένα από τα πρώτα σημεία που ανακαλύφθηκε το corium, λήφθηκε και η ιστορική φωτογραφία. Ο τρόπος που είχε στερεοποιηθεί και η πτυχωμένη επιφάνεια του θύμιζε πόδι ελέφαντα και αυτό το όνομα χρησιμοποιήθηκε για να επισημανθεί ως ραδιενεργό σημείο. Από αυτό το σημείο προσπάθησαν μελλοντικές αποστολές να πάρουν δείγμα με τρυπάνι αλλά αυτό κατέστη αδύνατο λόγω της μεγάλης σκληρότητας του υλικού. Τελικά με χρήση πιο ανορθόδοξων μεθόδων δείγματα από το πόδι ελέφαντα ερευνήθηκαν στο εργαστήριο όπου παρατηρήθηκε ότι το υλικό είναι ομογενές, αποτελείται από μεγάλη ποσότητα πυριτίου μαζί με μικρότερες ποσότητες ζιρκονίου, μαγνησίου, σιδήρου και ουρανίου. Από το 1998 το εξωτερικό του στρώμα έχει ξεκινήσει να ρηγματώνεται και να κονιορτοποιείται (6). Θα παραμείνει εξαιρετικά ραδιενεργό για χιλιάδες χρόνια.

Εικόνα 4. Τομή του εργοστασίου και οι περιοχές που στερεοποιήθηκε το corium. (source: chnpp.gov.ua)

Πηγή: https://www.physicstime.org/alpharhothetarhoalpha/elephants-foot-1986?fbclid=IwAR0O-FhC_odAP-PCH-TTBs6Dx0Z_TMBtkoQlY1ZPxA5pGkR3-qqlsEqhlIE

1. British Nuclear Energy Society, 1986. Chernobyl, a Technical Appraisal.
2. INSAG-7, 1992. The Chernobyl Accident
3. IAEA, 2005. Safety Report Series No 43.
4. Schweitzer, D G, Gurinsky, D H, Kaplan, E, and Sastre, C. A safety assessment of the use of graphite in nuclear reactors licensed by the US NRC.
5. USA Dpt of Energy, Herbert Kouts, 1986. The Chernobyl Accident
6. I. Vlasova et al., 2015. Radioactivity distribution in fuel containing materials.

Το περιοδικό Physics Time είναι το εξαιρετικό επιστημονικό περιοδικό του συλλόγου μεταπτυχιακών και υποψηφίων διδακτόρων του Τμήματος Φυσικής Πανεπιστημίου Αθηνών
https://www.physicstime.org/
Αξίζει να διαβάσετε αυτό το περιοδικό. Η εκλαΐκευση της φυσικής πρέπει να γίνεται μόνο από φυσικούς. Ας στηρίξουμε αυτή την υπέροχη προσπάθεια