แปดเดือนหลังจากอุบัติเหตุนิวเคลียร์ในเดือนเมษายน 2529ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชอร์โนปิลในยูเครน คนงานที่เข้าไปในทางเดินใต้เครื่องปฏิกรณ์หมายเลข 4 ที่เสียหายได้ค้นพบปรากฏการณ์ที่น่าตกใจ: ลาวาสีดำที่ไหลออกมาจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ราวกับว่ามันเป็นบางส่วน ภูเขาไฟที่มนุษย์สร้างขึ้น หนึ่งในฝูงที่แข็งกระด้างนั้นน่าตกใจเป็นพิเศษ และลูกเรือเรียกมันว่าตีนช้างเพราะมันคล้ายกับตีนของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดใหญ่
เซ็นเซอร์บอกกับคนงานว่าการก่อตัวของลาวานั้นมีกัมมันตภาพรังสีสูงมากจนต้องใช้เวลาห้านาทีกว่าที่บุคคลจะได้รับแสงในปริมาณที่ถึงตายดังที่ Kyle Hill ให้รายละเอียดไว้ในบทความ 2013สำหรับนิตยสารวิทยาศาสตร์ Nautilus
ทศวรรษต่อมาโครงการความปลอดภัยนิวเคลียร์ระหว่างประเทศของกระทรวงพลังงานสหรัฐซึ่งรวบรวมภาพถ่ายเชอร์โนบิลหลายร้อยภาพได้ภาพเท้าช้างหลายภาพ ซึ่งคาดว่าจะหนัก2.2 ตัน (2 เมตริกตัน )
ตั้งแต่นั้นมา เท้าช้าง ซึ่งเป็นที่รู้จักในฐานะวัสดุที่ประกอบด้วยเชื้อเพลิงคล้ายลาวา (LFCM) ยังคงเป็นวัตถุที่น่าสยดสยองที่น่าดึงดูดใจ แต่จริงๆ แล้วมันคืออะไร?
เท้าช้างเชอร์โนบิลคืออะไร?
เนื่องจากตีนช้างมีกัมมันตภาพรังสีมาก นักวิทยาศาสตร์ในขณะนั้นจึงใช้กล้องบนพวงมาลัยเพื่อถ่ายภาพ นักวิจัยบางคนเข้าใกล้พอที่จะเก็บตัวอย่างเพื่อการวิเคราะห์ สิ่งที่พวกเขาพบคือตีนช้างไม่ใช่เศษเชื้อเพลิงนิวเคลียร์
ผู้เชี่ยวชาญด้านนิวเคลียร์อธิบายว่าตีนช้างประกอบด้วยสารหายากที่เรียกว่าคอเรียม ซึ่งผลิตขึ้นจากอุบัติเหตุนิวเคลียร์เมื่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และชิ้นส่วนของโครงสร้างแกนเครื่องปฏิกรณ์ร้อนจัดและละลายจนเกิดเป็นส่วนผสม Corium ก่อตัวตามธรรมชาติเพียงห้าครั้งในประวัติศาสตร์ - หนึ่งครั้งระหว่างอุบัติเหตุเกาะทรีไมล์ในเพนซิลเวเนียในปี 2522 ครั้งหนึ่งที่เชอร์โนบิลและสามครั้งที่ภัยพิบัติโรงงานฟุกุชิมะไดอิจิในญี่ปุ่นในปี 2554
"ถ้าแกนหลอมละลายไม่สามารถยุติได้ ในที่สุดมวลหลอมเหลวจะไหลลงสู่ก้นถังปฏิกรณ์และหลอมผ่าน (ด้วยการสนับสนุนของวัสดุหลอมเหลวเพิ่มเติม) ตกลงสู่พื้นห้องกักกัน" เอ็ดวิน ไลแมนผู้อำนวยการ ความปลอดภัยด้านพลังงานนิวเคลียร์ของสหภาพนักวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องอธิบายไว้ในอีเมล
"มวลหลอมเหลวที่ร้อนจะทำปฏิกิริยากับพื้นคอนกรีตของห้องกักกัน (ถ้ามี) อีกครั้งหนึ่งจะเปลี่ยนองค์ประกอบของการหลอมเหลว" Lyman กล่าวต่อ “ขึ้นอยู่กับชนิดของเครื่องปฏิกรณ์ สารที่หลอมละลายสามารถแพร่กระจายและละลายผ่านผนังกักเก็บหรือยังคงละลายผ่านพื้นจนในที่สุดจะแทรกซึมเข้าไปในน้ำใต้ดิน (นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นที่ฟุกุชิมะ) เมื่อละลายเย็นลงเพียงพอก็จะแข็งตัวเป็นของแข็ง แร่คล้ายหิน”
Mitchell T. Farmerวิศวกรนิวเคลียร์ผู้มากประสบการณ์และผู้จัดการโครงการที่Argonne National Laboratoryกล่าวผ่านอีเมลว่าคอเรียมดูเหมือน "ลาวามาก ซึ่งเป็นวัสดุที่มีสีดำด้าน-ออกไซด์ซึ่งมีความหนืดสูงเมื่อเย็นตัวลง และไหลเหมือนแก้วหลอมเหลวที่เหนียวหนึบ" คือสิ่งที่เกิดขึ้นที่เชอร์โนบิลด้วยตีนช้าง”
คอเรียมคืออะไร?
องค์ประกอบที่แน่นอนของการไหลของคอเรียมโดยเฉพาะเช่นเดียวกับสิ่งที่ประกอบเป็นตีนช้างของเชอร์โนบิลอาจแตกต่างกันไป เกษตรกรซึ่งทีมงานได้จำลองอุบัติเหตุแกนกลางหลอมเหลวในการวิจัยกล่าวว่าสีน้ำตาลของตีนช้างคล้ายกับคอเรียม "ซึ่งหลอมได้กัดเซาะเป็นคอนกรีตที่มีซิลิการะดับสูง (SiO2) ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นแก้ว คอนกรีตที่ มีซิลิกาอยู่เป็นจำนวนมาก เรียกว่า ซิลิเซียส ซึ่งเป็นคอนกรีตชนิดที่ใช้สร้างโรงงานเชอร์โนบิล"
นั่นสมเหตุสมผลเพราะในตอนแรกหลังจากที่แกนหลอมละลายแล้ว คอเรียมจะประกอบด้วยวัสดุที่ใช้ทำแกนหลัก ส่วนหนึ่งยังเป็นเชื้อเพลิงยูเรเนียมออกไซด์ ส่วนผสมอื่นๆ ได้แก่ การเคลือบเชื้อเพลิง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นโลหะผสมของเซอร์โคเนียมที่เรียกว่าเซอร์คาลอย และวัสดุโครงสร้างซึ่งส่วนใหญ่เป็นสแตนเลสประกอบด้วยเหล็ก ชาวนาอธิบาย
องค์ประกอบของคอเรียมสามารถพัฒนาได้ทันเวลา ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าเมื่อใดที่น้ำจะถูกจ่ายใหม่เพื่อทำให้คอเรียมเย็นลง "ในขณะที่ไอน้ำเดือด ไอน้ำสามารถทำปฏิกิริยากับโลหะในคอเรียม (เซอร์โคเนียมและเหล็กกล้า) เพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจน ซึ่งเป็นผลกระทบที่คุณเห็นระหว่างอุบัติเหตุเครื่องปฏิกรณ์ที่ฟุกุชิมะ ไดอิจิ โลหะที่ออกซิไดซ์ในคอเรียมจะถูกแปลงเป็นออกไซด์ ทำให้องค์ประกอบเปลี่ยนไป”
ถ้าคอเรียมไม่เย็นลง มันจะเคลื่อนลงมาผ่านถังปฏิกรณ์ หลอมเหล็กโครงสร้างมากขึ้นไปตลอดทาง ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบของมันมากยิ่งขึ้น Farmer กล่าว "ถ้ายังเย็นเกินไป คอเรียมสามารถละลายได้ในที่สุดผ่านถังปฏิกรณ์เหล็ก และตกลงสู่พื้นคอนกรีตของห้องกักกัน" เขาอธิบาย "สิ่งนี้เกิดขึ้นที่เครื่องปฏิกรณ์ทั้งสามที่ Fukushima Daiichi" คอนกรีตที่สัมผัสกับคอเรียมจะร้อนขึ้นและเริ่มละลายในที่สุด
เมื่อคอนกรีตละลาย คอนกรีตออกไซด์ (โดยทั่วไปเรียกว่า 'ตะกรัน') จะถูกนำเข้าสู่การหลอม ซึ่งทำให้องค์ประกอบมีวิวัฒนาการมากยิ่งขึ้นไปอีก ชาวนาอธิบาย คอนกรีตหลอมเหลวยังปล่อยไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งทำปฏิกิริยากับโลหะในการหลอมเหลวต่อไปเพื่อผลิตไฮโดรเจน (และคาร์บอนมอนอกไซด์) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบของคอเรียมมากขึ้น
เท้าช้างอันตรายแค่ไหน?
ความยุ่งเหยิงที่เกิดจากเท้าช้างนั้นอันตรายอย่างยิ่ง โดยทั่วไป Lyman กล่าวว่า corium เป็นอันตรายมากกว่าเชื้อเพลิงใช้แล้วที่ไม่เสียหายเพราะอยู่ในสถานะที่ไม่เสถียรซึ่งยากต่อการจัดการ บรรจุ และจัดเก็บ
"เท่าที่คอเรียมยังคงรักษาผลิตภัณฑ์จากฟิชชันที่มีกัมมันตภาพรังสีสูง พลูโทเนียม และวัสดุหลักที่กลายเป็นกัมมันตภาพรังสี คอเรียมจะมีอัตราปริมาณรังสีสูงและยังคงเป็นอันตรายอย่างยิ่งในอีกหลายทศวรรษหรือหลายศตวรรษ" Lyman อธิบาย
คอเรียมที่แข็งตัวอย่างแข็งมาก เช่นเดียวกับตีนช้าง จะต้องถูกแยกออกเพื่อเอาออกจากเครื่องปฏิกรณ์ที่เสียหาย "[นั่น] จะสร้างฝุ่นกัมมันตภาพรังสีและเพิ่มอันตรายต่อคนงานและสิ่งแวดล้อม" Lyman กล่าว
แต่สิ่งที่น่าเป็นห่วงมากยิ่งขึ้นเป็นนักวิทยาศาสตร์ไม่ทราบว่าหนังอาจทำงานในระยะยาวเช่นเมื่อมันถูกเก็บไว้ในกากนิวเคลียร์ที่เก็บ สิ่งที่พวกเขารู้คือคอเรียมของตีนช้างมีแนวโน้มจะไม่เคลื่อนไหวเหมือนที่เคยเป็น และมันจะเย็นลงเอง — และจะยังคงเย็นลงต่อไป แต่มันยังคงละลายและยังคงมีกัมมันตภาพรังสีสูง
ในปี 2559 การกักขังความปลอดภัยใหม่ (NSC) ถูกเลื่อนเหนือเชอร์โนบิลเพื่อป้องกันการรั่วไหลของรังสีจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์อีกต่อไป โครงสร้างเหล็กอีกโครงสร้างหนึ่งถูกสร้างขึ้นภายในเกราะกักกันเพื่อรองรับโลงศพคอนกรีตที่ผุพังในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หมายเลข 4 ของเชอร์โนบิล ทาง NSC จะช่วยป้องกันฝุ่นยูเรเนียมจำนวนมหาศาลไม่ให้กระจายไปในอากาศในกรณีที่เกิดการระเบิดในห้อง 305/ 2. ห้อง 305/2 อยู่ใต้แกนเครื่องปฏิกรณ์หมายเลข 4 โดยตรงและได้แสดงสัญญาณของการปล่อยนิวตรอนที่เพิ่มขึ้นตั้งแต่ปี 2559 ซึ่งมนุษย์ไม่สามารถเข้าถึงได้โดยสิ้นเชิงเนื่องจากระดับรังสีที่อันตรายถึงชีวิต
เรียนคอเรียม
ไม่มีใครอยากเห็นตีนช้างอีก ชาวนาใช้เวลาส่วนใหญ่ในอาชีพการศึกษาเกี่ยวกับอุบัติเหตุนิวเคลียร์และทำงานร่วมกับคอเรียมเพื่อพยายามพัฒนาวิธีการสำหรับผู้ปฏิบัติงานในโรงงานเพื่อยุติอุบัติเหตุ — ปริมาณน้ำที่ต้องฉีดและที่ที่จะฉีด และความเร็วของน้ำที่สามารถทำให้คอเรียมเย็นลงและทำให้เสถียรได้ .
"เราทำการทดลองขนาดใหญ่ที่เราผลิต 'คอเรียม' ด้วยวัสดุจริง แต่เราใช้เครื่องทำความร้อนไฟฟ้าเพื่อจำลองความร้อนที่สลายตัวแทนที่จะให้ความร้อนแบบสลายตัว" ชาวนากล่าว โดยอธิบายว่าการจำลองทำให้การทดลองทำได้ง่ายขึ้น
"เราได้เน้นงานส่วนใหญ่ของเราในการศึกษาประสิทธิภาพของการเติมน้ำในการดับและหล่อเย็นคอเรียมสำหรับองค์ประกอบคอเรียมต่างๆ ดังนั้นเราจึงกำลังทำวิจัยเกี่ยวกับการบรรเทาอุบัติเหตุ อีกด้านหนึ่งคือการป้องกันอุบัติเหตุ และนี่คือจุดสนใจหลัก พื้นที่สำหรับอุตสาหกรรมนิวเคลียร์”
ตอนนี้น่ากลัว
นักวิจัยจาก Argonne National Laboratory ได้สร้างวิดีโอนี้ซึ่งแสดงยูเรเนียมออกไซด์ที่หลอมละลายที่อุณหภูมิ 3,600 องศาฟาเรนไฮต์ (2,000 องศาเซลเซียส) การทดลองของพวกเขาได้จำลองว่าการไหลของลาวาจะกัดเซาะพื้นคอนกรีตของอาคารกักกันเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้อย่างไร
