What happened at the Chernobyl nucleair power plant

Ongekend. Vorige week liep ik door Chernobyl, stond tientallen meters naast reactor 4 en heb gezworven door Prypjat. Vandaag heb ik de laatste aflevering gezien van de gelijknamige miniserie van HBO. Wat een prachtige serie en wat indrukwekkend als je daarvoor een bezoek hebt gebracht aan deze rampplek. Ik had niet gedacht dat ik me zo erg zou interesseren voor zo’n plek en gebeurtenis. Het heeft me best wel gegrepen moet ik zeggen. Het heeft er ook voor gezorgd dat ik wil begrijpen hoe een kernreactor werkt. En hoe die RBMK-1000 werkt die men in de Sovjet-Unie gebruikte. En hoe een ogenschijnlijke daling van het vermogen tot een kritisch laagtepunt, het indrukken van de ‘noodknop’ uiteindelijk heeft gezorgd voor een ongekende spuw in het vermogen. Tot zeker 10x het normale vermogen van de RBMK totdat deze uiteindelijk is geëxplodeerd.

Kernsplitsing

Een kerncentrale. Hoe werkt dat eigenlijk. Eigenlijk heel simpel. Iets produceert warmte, daarmee wordt stoom gemaakt. Die stoom drijft een turbine aan die elektriciteit opwerkt. Deze wordt getransporteerd via hoogspanningskabels en -masten naar gebruikers in steden en dorpen. Het verbranden van kolen, hout of wat dan ook zorgt voor warmte, maar een kerncentrale produceert warmte door uraniumatomen te splitsen. U-235 genaamd, omdat het atoom in de kern 235 neutronen en protonen heeft. Het splitsen van uraniumatomen gebeurt door middel van neutronen. Elk atoom heeft een kern, die bestaat uit protonen met een positieve lading en neutronen met een negatieve lading. Een atoom heeft ook elektronen. Het aantal protonen en elektronen is altijd gelijk, maar kan wel een verschillend aantal neutronen hebben. Dit zorgt voor een soort van instabiliteit, wat ervoor zorgt dat de kern uit elkaar valt. De kern van U-235 is een beetje instabiel en die kun je dus goed laten splijten door er iets tegenaan te schieten. In een kernreactor gebeurt dit door er losse neutronen tegenaan te knallen. De kern valt dan uit elkaar in twee atomen en twee of drie losse neutronen. Die neutronen schieten dan weer tegen een volgende uraniumkern aan die weer splijt. Dat zorgt voor een kettingreactie. Dit proces gebeurt van nature ongecontroleerd, maar wordt in een kernreactor gecontroleerd. De meeste reactors die operationeel zijn, zijn zogenaamde thermal reactors. Dit betekent dat neutronen die geproduceerd worden gedurende het fission process (het splitsen van uraniumatomen) afgeremd (ofwel moderated) worden, voordat ze in staat zijn om opnieuw splitsingen te veroorzaken in de kettingreactie.

De RBMK-1000

De RBMK-1000 is een ontwerp van de Sovjet-Unie. Specifiek aan dit type reactor is dat het een met ‘heavy’ water gekoelde installatie en met grafiet gemodereerde reactor is. Koeling dus van water en het afremmen van de kettingsreactie gebeurt door middel van grafiet. Dit absorbeert namelijk neutronen. Het getal 1000 staat voor het hoogst haalbare elektrische vermogen van de reactor in megawatt (MW). Een RBMK-1000 bestaat uit een vijftal belangrijkste compontenten, te weten:

1. De brandstof: vingerhoed gevormde pallets van verrijkt uraniumdioxide.
2. De moderator (de afremmers):  water, ‘heavy’ water en grafiet.
3. Bedieningsstangen: dit zijn stangen die gemaakt zijn van neutronen-absorberende materialen, zoals cadmium of boor. Ze worden in en uit de reactorkern bewogen om de reactor te besturen. Het absorberen van neutronen stopt of vertraagt de kettingreactie.
4. Koelmiddel: dit is veelal water of ‘heavy’ water of gas. Het wordt in de reactorkern gepompt om te koelen.
5. Behuizing: waarin de pallets zich bevinden en wat fungeert als stralingsscherm. Ontworpen om het vrijkomen van radioactiviteit te voorkomen.

Wellicht is het totaal niet interessant om te lezen, maar ik vind het leuk om er iets van te begrijpen en op te tikken. Haha. Al was dat misschien twee weken geleden qua interesse nog anders.

Het ontwerp van de reactor bestaat uit twee koelmiddelkringlopen. Dit zijn de kringlopen die voor koeling van de reactorkern (en daarbinnen de pallets) zorgen. Iedere kringloop verbruikt enorm veel water en dat betekent dat ze ook veel water nodig hebben. Dit type reactors worden dan ook alleen maar gebouwd bij grote waterreservoirs, zoals meren, zeeën en rivieren. In Chernobyl was dat de Prypjat rivier. De reactorkern bevat ongeveer 1600 brandstofstaven met uraniumdioxine. Elke bevindt zich in een eigen drukpijp, waarin water in waterdamp wordt omgezet. In een directe kringloop worden daarmee de turbines aangedreven, die vervolgens een generator aandrijven en er stroom wordt opgewekt. Elk drukkanaal wordt met een meetpunt bewaakt, wat voor een soort van futuristisch plaatje zorgt. De controlekamer kijkt naar een groot paneel met daarop de status van alle brandstofstaven.

De kettingreactie van de kernsplitsing (en daarmee warmtewinning) wordt met een massief grafietblok afgeremd. Met andere woorden: de neutronen die bij de splitsing vrijkomen, worden afgeremd door het grafiet, waarna ze weer nieuwe kernen splijten. Ook zijn er regelstaven, gemaakt van boor, die in de reactor worden gezakt, waarmee de kettingreactie wordt gestopt omdat deze de neutronen absorberen. Bijzonder is dat de RBMK-reactors een zogenaamd positief dampbelcoefficient hebben. Dit betekent dat als er verlies is van koelwater, de kernreactie wordt versneld. Het risico bestaat dat hierdoor een ongecontroleerde kernreactie plaatsvindt die lastig regelbaar is met bijbehorende risico’s. In de (huidige) westerse wereld hebben kerncentrale een negatief coëfficiënt. Reacties stoppen als er koelwater weglekt. De RBMK-reactors worden beschouwd als de meest onveilige en daarmee gevaarlijke reactorsoorten ter wereld. In 1986 is dit bewezen. Helder tot nu toe?

El desastre de Chernobyl

Ok. Het was dus 26 april 1986. In kernreactor nummer 4 van Chernobyl werd een test uitgevoerd. Wat werd er getest? Simpel, het uitvallen van de reguliere stroomtoevoer van de waterpompen die voor koeling van het systeem zorgen. En koelwater zorgt voor het gecontroleerd kunnen uitvoeren van de kernreactie. En de RBMK-1000 ging alleen maar meer energie krijgen bij verlies van koelwater, weet je nog? Het positieve dampbelcoefficient dat zo gevaarlijk is. Het idee was als volgt. De waterpompen vallen uit, de noodaggregaten schakelen in, en om de tijd te overbruggen totdat de noodaggregaten op kracht zijn, wordt de energie gebruikt die de turbines nog produceren. Klinkt best logisch.

Het begint al bij het begin. De test was drie keer niet geslaagd. De dagploeg zou deze op 25 april uitvoeren, maar de test werd uitgesteld omdat een andere elektriciteitscentrale was uitgevallen en de steden anders te weinig elektriciteit zouden hebben. Naja, logisch. De leidinggevende van de centrale wilde echter koste-wat-kost de test uitvoeren en daarom ging de avondploeg deze uitvoeren. Zonder voorbereiding, noodzakelijke kennis ‘wat te doen’ en testen of de generator bij het uitschakelen van de reactor nog wel genoemd vermogen zou geven om de koeling te laten werken gedurende de 40-60 seconden dat de noodaggregaten nodig hadden om op te starten. De reactor had de hele dag al op 1600 MW gedraaid en dat zorgde voor aanwezig Xenon-gas in de reactor. Dat gas zorgt voor een afremmende kernreactie, omdat het neutronen absorbeert. Met andere woorden: minder energie. De reactor werd teruggedraaid naar 700 MG (noodzakelijk voor de test), maar het vermogen viel terug naar ongeveer 30 MW. Veel minder dan vereist. Door de snelle daling ontstond in de reactor een grote hoeveelheid Jodium-135 en daaruit Xenon-135. Dat laatste staat ook bekend als neutronengif. Dus werden de regelstaven omhoog gehaald, waardoor het vermogen steeg tot 200 MW. Het aanwezige Xenon-gas zorgde ervoor dat het vermogen niet verder steeg. De test werd toch doorgezet en om 01:23 uur sloten de operatoren de stroom naar de turbines af. Doordat alleen draaiende turbunes de pompen konden aandrijven, verminderde het waterniveau en zo ook de absorptie van neutronen door het water. Meer neutronen is meer energieopwekking.

De reactor werd heter en heter en dit zorgde ervoor dat stoom nog minder neutronen werden opgeslurpt. Het vermogen steeg verder. Er zaten nog maar zes van de voorgeschreven 26 veiligheidsstaven in de reactor en daardoor nam het vermogen alsmaar toe. Om 01:23:45 uur drukte een operator op de noodknop AZ-5 voor een snelle stop, om alle regelstaven in de kernreactor te laten zakken. Dit proces had zo’n 20 seconden nodig. De staven waren gemaakt van boor, maar hadden een punt van grafiet. Het boor vertraagde de reacties, maar de grafietpunten verhoogden aanvankelijk de splijtingssnelheid. Dit was een ontwerpfout, was een van de belangrijkste factoren die de explosie veroorzaakten. En die vond dus plaats, waarbij de staven op een derde van hun normale diepte vast kwamen te zitten. De kernreacties werden hierdoor onvoldoende afgeremd, waarna de reactor om 01:23 een vermogen bereikte van 30 GW. Je leest het goed: gigawatt. Tien keer zijn normale vrmogen. De brandstofstaven smolten, en de druk steeg en veroorzaakte een stoomontploffing, die het 2000 ton zware dak van de reactor wegblies. Door de binnenstromende lucht vlogen de hete moderatorelementen, die van grafiet waren gemaakt, in brand. De grafietbrand voerde een radioactieve rookwolk in de atmosfeer.