Osiem miesięcy po awarii jądrowej w kwietniu 1986 r. w elektrowni jądrowej w Czarnobylu na Ukrainie pracownicy, którzy weszli do korytarza pod uszkodzonym reaktorem nr 4, odkryli zaskakujące zjawisko: czarna lawa, która wypłynęła z rdzenia reaktora, jakby była rodzaj wulkanu stworzonego przez człowieka. Jedna z stwardniałych mas była szczególnie zaskakująca, a załoga nazwała ją Słonią Stopą, ponieważ przypominała stopę masywnego ssaka.
Czujniki powiedziały pracownikom, że formacja lawy była tak wysoce radioaktywna , że uzyskanie śmiertelnej ekspozycji zajęłoby człowiekowi pięć minut, jak opisał Kyle Hill w artykule z 2013 roku dla magazynu naukowego Nautilus.
Dziesięć lat później Międzynarodowy Projekt Bezpieczeństwa Jądrowego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych , który zebrał setki zdjęć Czarnobyla, uzyskał kilka zdjęć Słoniowej Stopy, oszacowanej na wagę 2,2 tony (2 tony metryczne ).
Od tego czasu Słoniowa Stopa, znana jako materiał zawierający paliwo przypominające lawę (LFCM), pozostaje makabrycznym obiektem fascynacji. Ale co to właściwie jest?
Co to jest stopa słonia z Czarnobyla?
Ponieważ Stopa Słonia była tak radioaktywna, naukowcy w tamtym czasie używali aparatu fotograficznego na kole, aby go sfotografować. Kilku badaczy podeszło wystarczająco blisko, aby pobrać próbki do analizy. Odkryli, że Stopa Słonia nie była pozostałością po paliwie jądrowym.
Zamiast tego eksperci jądrowi wyjaśniają, że Stopa Słonia składa się z rzadkiej substancji zwanej corium, która jest wytwarzana w wypadku jądrowym, gdy paliwo jądrowe i części struktur rdzenia reaktora przegrzewają się i topią, tworząc mieszaninę. Corium powstało naturalnie tylko pięć razy w historii – raz podczas wypadku Three Mile Island w Pensylwanii w 1979 roku, raz w Czarnobylu i trzy razy w katastrofie fabryki Fukushima Daiichi w Japonii w 2011 roku.
„Jeśli stopienie rdzenia nie może zostać zakończone, to ostatecznie stopiona masa spłynie w dół do dna zbiornika reaktora i przetopi się (z udziałem dodatkowych stopionych materiałów), spadając na dno obudowy” – Edwin Lyman , dyrektor bezpieczeństwa energetyki jądrowej dla Union of Concerned Scientists , wyjaśnia w e-mailu.
„Gorąca stopiona masa będzie następnie reagować z betonową podłogą obudowy (jeśli taka istnieje), ponownie zmieniając skład stopu” – kontynuuje Lyman. „W zależności od typu reaktora, stop może rozprzestrzeniać się i topić przez ściany obudowy lub dalej topić się przez podłogę, ostatecznie infiltrując wodę gruntową (tak stało się w Fukushimie). Gdy stop ostygnie wystarczająco, stwardnieje w twardy , skałopodobny minerał."
Mitchell T. Farmer , doświadczony inżynier nuklearny i kierownik programu w Argonne National Laboratory, powiedział w e-mailu, że corium wygląda „bardzo jak lawa, czarniawy materiał, który staje się bardzo lepki, gdy się ochładza, płynąc jak lepkie roztopione szkło. tak właśnie stało się w Czarnobylu ze Słonią Stopą”.
Co to jest Corium?
Dokładny skład konkretnego przepływu corium, takiego jak stopa słonia w Czarnobylu, może się różnić. Farmer, którego zespół w badaniach symulował wypadki stopienia jądra jądrowego , mówi, że brązowawy odcień Słoniowej Stopy przypomina korium, „w którym stopiony materiał uległ erozji w beton zawierający wysoki poziom krzemionki (SiO2), która jest zasadniczo szkłem. zawierają dużo krzemionki, zwane są krzemionkowymi i jest to rodzaj betonu używanego do budowy elektrowni w Czarnobylu.
Ma to sens, ponieważ początkowo po stopieniu się rdzenia , Corium będzie składać się z materiałów, z których zwykle wykonany jest rdzeń. Częścią tego jest również paliwo z tlenku uranu. Inne składniki obejmują powłokę paliwa – zwykle stop cyrkonu zwany Zircaloy – oraz materiały konstrukcyjne, które w większości są wykonane ze stali nierdzewnej złożonej z żelaza, wyjaśnia Farmer.
„W zależności od tego, kiedy woda jest ponownie dostarczana w celu schłodzenia korium, skład korium może ewoluować z czasem” – mówi Farmer. „Gdy paruje, para może reagować z metalami w korium (cyrkonem i stalą), wytwarzając gazowy wodór, którego skutki widzieliście podczas awarii reaktora w Fukushima Daiichi. powodując zmianę składu."
Jeśli korium nie zostanie schłodzone, przesunie się w dół przez zbiornik reaktora, topiąc po drodze więcej stali konstrukcyjnej, co powoduje jeszcze więcej zmian w jego składzie, mówi Farmer. „Jeśli nadal jest przechłodzony, corium może w końcu przetopić się przez stalowy zbiornik reaktora i spaść na betonową podłogę obudowy”, wyjaśnia. „Stało się to we wszystkich trzech reaktorach w Fukushima Daiichi”. Beton, który wejdzie w kontakt z korium, w końcu się nagrzeje i zacznie się topić.
Farmer wyjaśnia, że po stopieniu się betonu do stopionego betonu wprowadzane są tlenki betonu (zwykle znane jako „żużel”), co powoduje dalszą ewolucję składu. Topiący się beton uwalnia również parę wodną i dwutlenek węgla, które w dalszym ciągu reagują z metalami w stopie, wytwarzając wodór (i tlenek węgla), powodując jeszcze większe zmiany w składzie korium.
Jak niebezpieczna jest stopa słonia?
Powstały bałagan, który stworzył Słonią Stopę, jest niezwykle niebezpieczny. Ogólnie rzecz biorąc, mówi Lyman, Corium jest znacznie bardziej niebezpieczne niż nieuszkodzone wypalone paliwo, ponieważ znajduje się w potencjalnie niestabilnym stanie, który jest trudniejszy w obsłudze, pakowaniu i przechowywaniu.
„W zakresie, w jakim kor zawiera wysoce radioaktywne produkty rozszczepienia, pluton i materiały rdzenia, które stały się radioaktywne, kor będzie miał wysoką dawkę i pozostanie niezwykle niebezpieczny przez wiele dziesięcioleci, a nawet stuleci” – wyjaśnia Lyman.
Bardzo twardy zestalony korium, taki jak w Słoniowej Stopie, musiałby zostać rozbity, aby usunąć go z uszkodzonych reaktorów. „[To] będzie generować radioaktywny pył i zwiększać zagrożenie dla pracowników i prawdopodobnie środowiska” – mówi Lyman.
Ale jeszcze bardziej niepokojące jest to, że naukowcy nie wiedzą, jak Corium może zachowywać się w dłuższej perspektywie, na przykład gdy jest składowane w składowisku odpadów radioaktywnych . To, co wiedzą, to to, że corium stopy słonia prawdopodobnie nie jest tak aktywne, jak było, i że samoczynnie się ochładza – i nadal będzie się ochładzać. Ale nadal topi się i pozostaje wysoce radioaktywny.
W 2016 roku nad Czarnobylem przesunięto New Safe Confinement (NSC), aby zapobiec dalszym wyciekom promieniowania z elektrowni jądrowej. Kolejna stalowa konstrukcja została zbudowana w osłonie zabezpieczającej, aby podtrzymywać rozpadający się betonowy sarkofag w reaktorze nr 4 w Czarnobylu. NSC – najlepiej – pomogłoby zapobiec rozproszeniu się masywnej chmury pyłu uranu w powietrze w przypadku wybuchu w pomieszczeniu 305/ 2. Pokój 305/2 znajdował się bezpośrednio pod rdzeniem reaktora nr 4 i od 2016 roku wykazuje oznaki zwiększonej emisji neutronów . Jest całkowicie niedostępny dla ludzi ze względu na śmiertelne poziomy promieniowania.
Studiowanie Corium
Nikt nie chce oglądać kolejnej Słoniowej Stopy. Farmer spędził większość swojej kariery na badaniu wypadków jądrowych i pracy z Corium, aby opracować sposoby dla operatorów elektrowni, aby przerwać awarię – ile wody należy wstrzyknąć i gdzie ją wstrzyknąć oraz jak szybko woda może schłodzić i ustabilizować Corium .
„Prowadzimy duże eksperymenty, w których produkujemy „korium” z prawdziwych materiałów, ale używamy ogrzewania elektrycznego do symulacji rozpadu ciepła zamiast samego ogrzewania” – mówi Farmer, wyjaśniając, że symulacja ułatwia eksperymenty.
„Większość naszej pracy skoncentrowaliśmy na badaniu skuteczności dodawania wody w hartowaniu i chłodzeniu Corium dla różnych kompozycji Corium. Dlatego prowadzimy badania nad łagodzeniem wypadków. Drugim końcem jest zapobieganie wypadkom i to jest główny cel obszar dla przemysłu jądrowego."
Teraz to jest przerażające
Naukowcy z Argonne National Laboratory stworzyli ten film , który pokazuje roztopiony tlenek uranu o temperaturze 3600 stopni Fahrenheita (2 000 stopni Celsjusza). Ich eksperymenty symulowały, w jaki sposób taki przepływ lawy mógłby erodować betonową podłogę budynku zabezpieczającego reaktor jądrowy.
