Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuus

Jaakko Leppänen – 22.4.2018

Historian pahin ydinvoimalaonnettomuus tapahtui lauantaina 26. huhtikuuta vuonna 1986, silloiseen Neuvostoliittoon kuuluneessa Ukrainassa, noin 100 kilometriä Kiovasta pohjoiseen. Lähellä Valko-Venäjän rajaa sijainneen Tšernobylin ydinvoimalaitoksen nelosyksikön reaktori räjähti rutiininomaisena pidetyn turvallisuuskokeen yhteydessä, ja räjähdystä seurannut tulipalo levitti kymmenen päivän ajan radioaktiivisuutta ympäri Eurooppaa. Onnettomuudessa kuoli akuuttiin säteilysairauteen 28 ihmistä, ja laitospaikalla toteutettuun massiiviseen puhdistusoperaatioon osallistuneet sotilaat ja pelastustyöntekijät saivat suuria säteilyannoksia. Radioaktiivinen laskeuma saavutti myös Suomen, ja onnettomuuden jäljet näkyvät edelleen metsäsienissä ja -marjoissa kohonneina aktiivisuuspitoisuuksina.

Vaikka Tšernobylistä tulee kuluneeksi jo 32 vuotta, onnettomuus nousee edelleen säännöllisesti otsikoihin tapahtuman vuosipäivän aikoihin. Aiheeseen liittyy paljon kysymyksiä, ja sen ympärille on kolmen vuosikymmenen aikana kertynyt joukko uutisissa ja keskusteluissa toistuvia myyttejä, joista huomattavan suuri osa ei todellisuudessa pidä paikkansa. Tämän blogikirjoituksen tarkoitus on käydä läpi reaktorin räjähdykseen johtanut tapahtumaketju siten, kuin se onnettomuutta käsittelevissä asiantuntijaraporteissa on esitetty, korjaten samalla tiettyjä väärinkäsityksiä jotka liittyvät esimerkiksi reaktorin ohjaajien toimintaan. Olen käyttänyt lähteenä pääasiassa IAEA:n kansainvälisen asiantuntijaryhmän INSAG-7 -raporttia, joka on yksi ensimmäisistä ja kattavimmista aihetta käsittelevistä selvityksistä. Muita lähteitä ovat YK:n säteilyvaikutusten asiantuntijakomitean (UNSCEAR) materiaali, sekä David Moseyn kirja ”Reactor Accidents – Institutional Failure in the Nuclear Industry”. Kirjoitus venyi sen verran pitkäksi, että onnettomuuden seurausten käsittely jää toiseen kertaan.

Aihe on teknisesti haastava, sillä onnettomuuteen vaikuttaneita tekijöitä oli useita. Tässä kirjoituksessa esitetty kuvaus lähtee liikkeelle RBMK-reaktorityypin rakennetta ja fysiikkaa käsittelevistä perusteista, minkä jälkeen pyrin kuvaamaan onnettomuuden aiheuttaneen turvallisuuskokeen vaiheet mahdollisimman yksityiskohtaisesti. Tekstissä viitataan toistuvasti sellaisiin käsitteisiin kuten reaktiivisuus (fissiotehon muutosnopeutta mittaava suure), positiivinen takaisinkytkentä (reaktorin vaste toimintatilan muutokseen) ja kerkeä kriittisyys (ketjureaktion tila jossa teho nousee erittäin nopeasti). Näitä käsitteitä on avattu aikaisemmissa blogikirjoituksissa, jotka käsittelevät reaktoriturvallisuuden perusteita, reaktorin takaisinkytkentöjä, sekä ketjureaktion etenemisen fysiikkaa.

Tšernobylin onnettomuusreaktori oli tyypiltään RBMK-1000 -sarjan grafiittimoderoitu kevytvesijäähdytteinen kanavatyyppinen kiehutusvesireaktori. Kanavatyyppisissä reaktoreissa ei ole lainkaan paineastiaa, vaan ydinpolttoaine ladataan paksuseinämäisiin putkiin, jotka kantavat primääripiirin paineen. RBMK-reaktoreissa putket kulkevat pystysuunnassa paksujen grafiittiharkkojen läpi. Jokainen putki muodostaa oman kanavansa jäähdytteen virtaukselle. Kanavat voidaan eristää yksitellen ylä- ja alapuolisilla sulkuventtiileillä, mikä mahdollistaa polttoainelatauksen muutokset reaktorin käydessä. Jäähdytevirtaus kootaan neljään sydämen yläpuolelle sijoitettuun höyryrumpuun, joista höyry johdetaan edelleen kahdelle turbiinille. Höyrystymätön vesi palautetaan reaktoriin pääkiertopumppujen avulla. Kierron täydentää turbiinin lauhduttimelta palaava vesi, jonka syöttövesipumput syöttävät takaisin höyryrumpuun. Jäähdytyskierron osalta RBMK muistuttaa siis tavanomaista kiehutusvesireaktoria.

RBMK-laitos

Kuva 1: RBMK-1000 -ydinvoimalaitoksen kaaviokuva. Ydinpolttoaine ladataan reaktorin (15) pystysuuntaisiin jäähdytyskanaviin, joiden läpi kulkiessaan vesi kiehuu höyryksi. Kanavia on yhteensä 1660, ja ne kulkevat neutronimoderaattorina toimivien grafiittiharkkojen läpi. Moderaattori muodostaa huomattavan osan sydämen tilavuudesta. Jäähdytyskanavat yhdistyvät reaktorin yläpuolella olevissa höyryrummuissa (12), mistä höyry johdetaan edelleen turbiineille (4). Reaktori tuottaa fissiotehoa 3200 ja sähkötehoa 1000 megawattia, eli suurehkon kevytvesireaktorin verran.

Kevytvesireaktoreiden tapaan RBMK kuuluu ydintekniikan tyyppiluokituksessa termisiin reaktoreihin, joille on yhteistä se, että ketjureaktion ylläpitämiseksi neutronit on hidastettava fissioreaktion kannalta edulliselle termiselle energia-alueelle. Reaktori voi tällöin toimia matalasti väkevöidyllä polttoaineella. RBMK:ssa moderaattorina käytetään jäähdytyskanavien välissä olevaa grafiittia. Tšernobylin reaktorissa polttoaineen uraanin väkevöintiaste oli n. 2%.

Reaktorifysiikan kannalta kanavatyyppisten reaktorien suurin ero paineastiatyyppisiin paine- ja kiehutusvesireaktoreihin on se, että jäähdyte on fyysisesti erotettu neutroneita hidastavasta moderaattorista. Kun kevytvesireaktorin jäähdyte virtaa polttoaineen läpi, vesimolekyylien vety-ytimet toimivat samalla neutronien hidasteena. Muutokset reaktorin fissiotehossa välittyvät nopeasti jäähdytteeseen, jonka lämpölaajeneminen pienentää sen tiheyttä. Muutos on erityisen suuri veden kiehuessa, jolloin jäähdytyskanava täyttyy höyrykuplista. Mitä vähemmän polttoainesauvojen väliin mahtuu kevyitä vety-ytimiä, sitä pienempi osuus neutroneista pääsee hidastumaan termiselle energia-alueelle saakka, jolloin myös uusia fissioita tapahtuu harvemmin. Kevytvesireaktorissa jäähdytteen lämpeneminen ja erityisesti kiehuminen siis vähentävät fissionopeutta ja vastustavat tehon kasvua. Kyse on negatiivisesta takaisinkytkennästä. Tällainen reaktori toimii stabiilissa tilassa, jolloin sen fissiotehon hallintaan ei tarvita lainkaan aktiivista säätöä.

Kuten edellä todettiin, RBMK-reaktoreissa neutronien hidastamiseen käytetään jäähdytyskanavissa virtaavan veden sijaan kanavien välissä olevaa grafiittia. Kiinteän grafiittimoderaattorin lämpölaajeneminen voi muuttaa hieman reaktorin mittasuhteita, mutta moderaattoriytimien määrä sydämessä ei pienene. Moderaattorin lämpenemiseen ei myöskään vastaavasti liity kevytvesireaktoreille ominaista voimakasta negatiivista takaisinkytkentää. Törmäyksiä tosin tapahtuu myös jäähdytteessä, mutta grafiittimoderaattorin tilavuus on niin suuri, ettei vedellä ole käytännössä merkitystä neutronien hidastumisen kannalta. Valtaosa moderaattorista jäähdytteeseen palaavista neutroneista on jo hidastunut fission kannalta edulliselle termiselle energia-alueelle, eivätkä ylimääräiset törmäykset vedessä enää muuta tilannetta millään tavalla.i

Polttoaineen läpi virtaava vesi ei kuitenkaan ole täysin passiivinen elementti, sillä vesimolekyylien vety-ytimet myös absorboivat termisiä neutroneita.ii Tämä tarkoittaa sitä, että neutronien hidastumisen kannalta ylimääräinen vesi voi tietyissä tilanteissa näyttäytyä niille pikemminkin heikkona absorbaattorina. Tällaisessa tilassa toimivan reaktorin sanotaan olevan ylimoderoitu. RBMK-reaktoreissa hallitseva veden kiehumista seuraava reaktiivisuusefekti onkin neutroniabsorption väheneminen, mikä puolestaan kasvattaa fissionopeutta. Kyse on positiivisesta takaisinkytkennästä, eli reaktorin fissiotehon kasvu pyrkii ruokkimaan itse itseään. Positiivinen takaisinkytkentä tekee reaktorista epävakaan, eli pienet muutokset paikallisessa tehotasossa lähtevät itsestään kasvamaan ja leviämään muualle sydämeen. Juuri tämä RBMK-reaktorityypin luontainen epästabiilisuus oli yksi onnettomuuden taustalla vaikuttaneista tekijöistä.

Takaisinkytkennät

Kuva 2: Jäähdytteen kiehumisesta seuraavan takaisinkytkennän vaikutus reaktorin toimintatilaan. Kevytvesijäähdytteisessä kiehutusvesireaktorissa (BWR) veden kiehuminen vähentää fission kannalta edulliselle termiselle energia-alueelle hidastuvien neutronien määrää, jolloin seurauksena on reaktiivisuuden ja fissiotehon pieneneminen, eli negatiivinen takaisinkytkentä. Ylimoderoidussa RBMK-reaktorissa hallitseva kiehumisesta seuraava efekti on veden absorptiovaikutuksen pienenemien, joka päinvastoin kasvattaa reaktiivisuutta. Kyse on tällöin positiivisesta takaisinkytkennästä.

Jäähdytteen tiheysvaikutuksen osalta RBMK-reaktori käyttäytyy kevytvesireaktoreihin verrattuna juuri päinvastaisella tavalla. Reaktorin jäähtyminen laskee reaktiivisuutta, jolloin tehotason ylläpitäminen edellyttää säätösauvojen vetämistä ulos sydämestä. Jäähdytteen kiehuminen puolestaan kiihdyttää fissiotehon kasvua, jonka rajoittamiseksi säätösauvoja on työnnettävä vastaavasti syvemmälle polttoainekanavien väliin. Kevytvesireaktoreissa reaktiivisuus on suurimmillaan silloin kun jäähdyte on matalassa lämpötilassa, ja veden kiehuessa voimakkaasti reaktori ei kykene lainkaan ylläpitämään ketjureaktion kulkua.iii

RBMK-1000 -reaktorin sydän on korkeudeltaan 7 ja halkaisijaltaan 12 metriä, eli kevytvesireaktoreihin verrattuna huomattavan suuri.iv Positiivisen takaisinkytkennän vuoksi tehojakauma pyrkii jatkuvasti vaeltamaan ja muuttamaan muotoaan, ja reaktorin hallinta vaatii paljon aktiivista paikallista hienosäätöä. Reaktorin hätäpysäytykseen, tehonsäätöön ja tehoprofiilin muotoiluun käytetään säätösauvoja, joita työntyy polttoainekanavien väliin sydämen ylä- ja alapuolelta. Käyttöjakson alussa polttoaineen ylijäämäreaktiivisuutta kompensoidaan korvaamalla osa polttoaineesta kiinteillä neutroniabsorbaattoreilla. Jakson edetessä reaktiivisuusreservi pienenee, ja absorbaattoreita vaihdetaan polttoainenippuihin.

Absorbaattoreiden määrä sydämessä vaikuttaa RBMK:ssa myös positiivisen takaisinkytkennän voimakkuuteen. Mitä suurempi osuus neutroneista päätyy liikuteltaviin säätösauvoihin ja kiinteisiin absorbaattoreihin, sitä pienemmäksi jää jäähdytteen osuus kokonaisabsorptiosta. Tuoreessa sydämessä absorptio veteen on suhteellisen vähäistä, ja jäähdytteen takaisinkytkentäkerroin voi olla lievästi negatiivinen. Kun absorbaattoreita poistetaan sydämestä, veden merkitys korostuu, ja positiivinen reaktiivisuusefekti voimistuu. Reaktorin toiminta muuttuu siis epävakaammaksi käyttöjakson loppua kohden. Tšernobylin onnettomuus tapahtui juuri ennen reaktorin alasajoa, jolloin lähes kaikki kiinteät absorbaattorit oli korvattu polttoaineella.

Suuren kokonsa vuoksi RBMK-reaktorin sydämen ääriosien tehoalueet ovat heikosti kytköksissä toisiinsa. Polttoaineen kriittinen korkeus voi sopivissa olosuhteissa olla jopa alle kaksi metriä, eli reaktori pystyisi teoriassa ylläpitämään useampaa toistaan riippumatonta ketjureaktiota seitsemän metriä korkean sydämen eri tasoissa. Onnettomuuden alkuhetkellä tehojakauma oli voimakkaasti vääristynyt, mikä vaikutti olennaisesti reaktorin säätösauvojen toimintaan.

Tšernobylin ydinvoimalaitos oli vuonna 1986 yksi Neuvostoliiton uusimmista, ja maan suurin. Laitoksella oli neljä sähköteholtaan 1000 MW:n yksikköä (fissioteho 3200 MW), minkä lisäksi kahden uuden laitosyksikön rakentaminen oli kesken. Onnettomuudessa tuhoutunut nelosyksikkö oli ollut käytössä hieman yli kaksi vuotta, ja sen käyttöjakso oli lähestymässä loppuaan. Ennen reaktorin alasajoa sillä oli tarkoitus suorittaa vielä rutiininomainen turvallisuuskoe, jolla varmistettaisiin reaktorin jäähdytysjärjestelmien keskeytymätön toiminta ulkoisen sähköverkon menetyksessä.

Kun ydinvoimalaitos irtoaa sähköverkosta, reaktorin tuottama fissioteho ei enää vastaa kulutusta. Generaattorin pyörimisvastus pienenee ulkoisen kuorman pudotessa nollaan, ja samalle akselille kytketyn turbiinin kierrosluku alkaa nousta. Sanotaan että turbiini alkaa ryntäämään. Tilannetta seuraa tavallisesti turbiinin automaattinen pysäytys, joka toteutetaan avaamalla höyrylinjojen ohitusventtiilit, jolloin reaktorin tuottama höyry ohjautuu turbiinin ohi suoraan lauhduttimelle. Tämän jälkeen reaktorin säätösauvat työntyvät automaattisesti sydämeen, ja fissioteho sammuu.

Kun yhteys ulkoiseen sähköverkkoon katkeaa ja generaattori pysähtyy, myös reaktorin jäähdytysjärjestelmien sähkönsyöttö menetetään. Fissiotehon sammuttamisen hetkellä reaktori tuottaa kuitenkin vielä satoja megawatteja jälkilämpötehoa, mikä riittää sulattamaan polttoaineen jos veden kierto sydämeen katkeaa. Jäähdytysjärjestelmien sähkönsyöttö varmistetaan tällaisessa tilanteessa erillisillä varavoimadieseleillä. Varajärjestelmien käynnistymiseen liittyy kuitenkin tietty viive, jonka ajan reaktorisydämen vesikierto on vielä generaattoriin kytkettyjen pääkiertopumppujen varassa. Turbiinin ja generaattorin suuren massan vuoksi sähköntuotto ei katkea välittömästi höyrylinjojen ohitusventtiilien avautumiseen, vaan generaattori tuottaa sähköä pääkiertopumpuille vielä pyörimisnopeuden hidastuessa.

Tšernobylin onnettomuuteen johtaneen turvallisuuskokeen oli tarkoitus varmistaa, että turbiiniin ja generaattoriin varastoitunut pyörimisenergia riittää tuottamaan sähköä pääkiertopumpuille siihen saakka, että reaktorin jäähdytyksessä vaihdetaan järjestelmää.v Ohjelman mukaan koe oli määrä suorittaa toisella laitoksen kahdesta turbiinista, noin 30% fissioteholla (960 MW). Yhteyttä ulkoiseen sähköverkkoon ei todellisuudessa katkaistu, vaan tilannetta simuloitiin turbiinin sammutuksella. Neljä reaktorin kahdeksasta pääkiertopumpusta oli kytketty alas ajettavaan generaattoriin, ja toiset neljä saivat sähkönsä ulkoisesta verkosta. Kokeen suorittaminen edellytti myös erinäisten suojausjärjestelmien pois kytkemistä, sillä esimerkiksi automaattisesti lauennut pikasulku olisi keskeyttänyt kokeen ennenaikaisesti. Automatiikan sijaan reaktorin suojaustoiminnot olivat siis käsiohjauksen varassa, mitä pidettiin aluksi myös virheellisesti onnettomuuden pääasiallisena syynä.

Reaktorin alasajo koeohjelman mukaiselle 30% fissioteholle aloitettiin perjantaina 25.4.1986 aamuyöllä kello 1:00. Tehon lasku eteni vaiheittain kestäen useita tunteja, ja koe oli määrä suorittaa reaktorin sammuttamisen yhteydessä seuraavana iltana. Teho laskettiin ensin 50% tasolle, ja kello 13:05 toinen laitoksen turbiineista ajettiin alas. Myös puolet reaktorin pääkiertopumpuista oli tässä vaiheessa sammutettu. Ennen reaktorin alasajon jatkamista Kiovan sähköverkon päävalvomosta tuli kuitenkin käsky jatkaa tuotantoa 50% teholla iltaan saakka, sillä kapasiteetista oli pulaa toisen samaan verkkoon kytketyn voimalaitoksen käyttöönottoon liittyneiden viivästysten vuoksi.

Alasajon keskeytymistä usean tunnin ajaksi voidaan pitää ensimmäisenä askeleena kohti reaktorin räjähtämiseen johtanutta tapahtumaketjua. Ydinpolttoaineeseen syntyy käytön aikana satoja isotooppeja, jotka vaikuttavat reaktorin neutronitalouteen. Fissiotuotteiden joukossa merkittävin neutroniabsorbaattori on xenonin lyhytikäinen isotooppi Xe135, jonka vaikutus on niin suuri, että se täytyy ottaa huomioon reaktorin säädössä. Isotoopin määrä polttoaineessa seuraa fissiotehon muutoksia usean tunnin viiveellä. Kun reaktorin tehoa lasketaan, polttoaineen Xe135-pitoisuus lähtee aluksi nousuun.vi Absorption kasvua joudutaan tällöin kompensoimaan ottamalla lisää reaktiivisuusreserviä käyttöön esimerkiksi vetämällä säätösauvoja ulos sydämestä. Ilmiötä kutsutaan reaktorifysiikassa xenon-myrkytykseksi. Xe135-isotoopin pitoisuus saavuttaa huippunsa puolen vuorokauden kuluessa tehomuutoksesta, minkä jälkeen sen määrä kääntyy laskuun.

Pahimmassa tapauksessa xenon-myrkytyksen absorptiovaikutus on niin suuri, että reaktori sammuu, eikä ketjureaktiota saada käynnistettyä uudestaan ennen kuin myrkyn määrä sydämessä on laskenut riittävän alas. Tšernobylissä alasajon keskeytyminen johti siihen, että reaktori alkoi myrkyttyä, ja tehotason ylläpitämiseksi säätösauvoja jouduttiin seuraavan päivän ja illan aikana vetämään ulos sydämestä. Xenon-myrkytys voi vaikuttaa myös reaktorin tehojakauman muotoon, sillä Xe135-isotooppia syntyy eniten sinne, missä fissioteho on aikaisemmin ollut korkein. Tšernobylissä tehojakauma alkoi painua keskeltä alas, erottaen sydämen ylä- ja alapuolikkaat toisistaan.

Lupa reaktorin alasajon jatkamiseen saatiin vasta kello 23:10, ja hieman puolenyön jälkeen fissioteho saavutti 720 megawatin tason. Tätä pidettiin turvallisen toiminta-alueen alarajana. Matalan tehon toimintaan liittyvät riskit palautuvat jälleen RBMK-rektorityypille ominaiseen epävakauteen. Jäähdyte kuumenee kulkiessaan virtauskanavaa pitkin alhaalta ylös, mutta reaktorin tuottaessa lämpöä matalalla teholla veden lämpötila voi jäädä pitkältä matkalta kiehumispisteen alapuolelle, erityisesti silloin kun virtausnopeus sydämeen on suuri. Pieni muutos reaktorin fissiotehossa voi tällöin käynnistää kiehumisen, mikä johtaa positiivisen takaisinkytkennän kautta suureen reaktiivisuuslisäykseen ja nopeaan tehon kasvuun.

Turvallisuuskokeen valmistelua jatkettiin kello 00:28 vaihtamalla reaktorin tehonsäädössä käytettyä automatiikkajärjestelmää. Vaihto ei kuitenkaan sujunut ongelmitta, sillä fissioteho sammui. Tämä liittyi todennäköisesti ainakin osittain reaktorin jäähtymiseen. Reaktoria alettiin nostamaan uudestaan teholle vetämällä lisää säätösauvoja ulos sydämestä, ja kello 01:03 teho saatiin lopulta vakiintumaan 200 MW:n tasolle, eli selvästi turvallisen käyttöalueen alapuolelle. Koska reaktori toimi aikaisempaa matalammalla teholla, xenon-myrkytyksen vaikutus kääntyi jälleen nousuun.

Sammutetut neljä pääkiertopumppua kytkettiin koeohjelman mukaisesti yksi kerrallaan päälle. Virtausnopeuden kasvu pienensi veden kiehumista ja laski reaktiivisuutta, minkä kompensoimiseksi vielä lisää säätösauvoja jouduttiin vetämään ulos. Neutroniikan osalta reaktori oli tässä vaiheessa mahdollisimman epävakaassa tilassa, jossa yhdistyivät kaikki positiivista takaisinkytkentää vahvistavat tekijät. Käyttöjakso oli edennyt päätepisteeseensä, ja kiinteät absorbaattorit poistettu sydämestä. Reaktorin lämpötila oli matala ja polttoaine myrkyttynyt, minkä kompensoimiseksi myös suuri osa liikuteltavista säätösauvoista oli jouduttu vetämään kokonaan ulos. Polttoainenippujen läpi virtaavan veden osuus neutroniabsorptiosta oli suuri, ja jäähdytteen takaisinkytkentäkerroin siksi voimakkaasti positiivinen.

Kohtalokkain toimenpide lienee silti sammutettujen pääkiertopumppujen uudelleen käynnistäminen. Reaktorin normaalissa toimintatilassa vesi kiehuu voimakkaasti kulkiessaan polttoaineen läpi. Reaktori tuotti lämpöä kuitenkin niin matalalla teholla, että kahdeksan pääkiertopumpun ylläpitämä voimakas virtaus pakotti veden lämpötilan kiehumispisteen alapuolelle. Se, että reaktiivisuuden pienenemistä jouduttiin kompensoimaan vetämällä säätösauvoja ulos, oli kuin reaktoriin olisi ladattu vielä lisää ylimääräistä reaktiivisuusreserviä, joka vain odotti vapautumistaan kiehumisen käynnistyessä uudestaan. Ylijäämäreaktiivisuuden on arvioitu ylittäneen moninkertaisesti kerkeän kriittisyyden rajan.

Ilmeisen vaarallinen toimintatila ei kuitenkaan ollut reaktorin ohjaajien tiedossa, sillä koe päätettiin aloittaa avaamalla turbiinin höyrylinjojen ohitusventtiilit kello 01:23:04. Päätös oli peruuttamaton, sillä mikään myöhemmin suoritettu toimenpide olisi tuskin enää pelastanut tilannetta. Kun höyryn syöttö turbiinille katkesi, generaattoriin kytketyt pääkiertopumput alkoivat hidastua. Jäähdytevirtaus sydämeen pieneni, ja vesi alkoi lopulta kiehua.

Sydämen reaktiivisuus kasvoi, mutta reaktorin säätöautomatiikka pystyi aluksi pitämään fissiotehon muuttumattomana. Myöskään reaktorin instrumentointi ei vielä tässä vaiheessa antanut minkäänlaisia viitteitä siitä, että tilanne oli vain sekuntien päässä katastrofista. Laitosyksikön pääinsinöörinä toiminut Anatoly Dyatlov on jälkeenpäin kuvannut tilannetta valvomossa rauhalliseksi, kun reaktorin käyttövuoron esimies totesi että koe oli suoritettu onnistuneesti loppuun, ja määräsi reaktorin pysäytettäväksi kello 01:23:40.vii

Vastoin odotuksia säätösauvojen työntyminen sydämeen ei kuitenkaan katkaissut ketjureaktion kulkua, vaan päinvastoin käänsi fissiotehon nousuun. Reaktorin teho saavutti kolmessa sekunnissa 530 megawatin tason. Myös reaktiivisuus kasvoi jatkuvasti, ylittäen lopulta kerkeän kriittisyyden rajan noin kello 01:24. Tämän jälkeen tehon kasvu eteni räjähdysmäisesti, ja katkesi vasta reaktorisydämen tuhoutumiseen. Viimeinen mitattu lukema näytti 33 gigawattia, mutta tehon on arvioitu nousseen jopa 1.3 terawattiin. Ennen tuhoutumistaan reaktori tuotti siis hetkellisesti enemmän fissiotehoa kuin kaikki muut maailman ydinvoimalat yhteensä.

Onnettomuuden viimeisten vaiheiden tapahtumista ei olemassa varmaa tietoa, osittain siksi, että reaktorilla suoritetun turvallisuuskokeen aikana tehdyissä mittauksissa keskityttiin tarkkailemaan sähköjärjestelmien toimintaa. Tapahtumaketju myös eteni fissiotehon karkaamisen jälkeen hyvin nopeasti. Kaikki reaktorin räjähdystä selittävät skenaariot perustuvatkin lähinnä fysikaalisiin malleihin ja tietokonesimulaatioihin. Vallitseva käsitys on se, että polttoaine pirstaloitui lämpötilan noustessa nopeasti kasvavan fissiotehon mukana, ja lämpöenergia siirtyi jäähdytteeseen. Seurauksena oli räjähdysmäinen paineen nousu jäähdytyskanavien sisällä.

Länsimaisista laitoksista poiketen RBMK-1000 -reaktoreilla ei ole lainkaan kaasutiivistä paineenkestävää suojarakennusta. Reaktorin suojarakennustoiminto perustuu sen sijaan jäähdytyspiiristä purkautuvan höyryn lauhduttamiseen reaktorin alapuolelle sijoitetussa vesialtaassa. Paineenalennusjärjestelmän kapasiteetti oli kuitenkin mitoitettu kestämään samanaikainen vuoto ainoastaan kahdessa jäähdytyskanavassa, ja useamman kanavan repeytyminen nosti paineen niin korkeaksi, että koko järjestelmä antoi periksi. Paineen nousu vaurioitti reaktorin ala- ja yläpuolella olevia rakenteita, mikä jumitti säätösauvat paikoilleen ja katkaisi veden virtauksen myös ehjiksi jääneisiin kanaviin. Seurauksena oli pian toinen räjähdys. Vapautunutta energiamäärää kuvaa hyvin se, että reaktorin yläpuolella ollut tuhat tonnia painava betonisuoja kääntyi reaktorikuilun päälle poikittain.viii

Reaktori räjähdyksen jälkeen

Reaktori räjähdyksen jälkeen

Kuva 3: Yllä – Ilmakuva reaktorirakennuksesta räjähdyksen jälkeen. Alla – Poikkileikkauskuva räjähdyksen aiheuttamista tuhoista rakennuksen sisällä. Rakennuksen kattoon puhkesi reikä, ja reaktoriin jäänyt polttoaine suli alempien kerrosten lattian läpi. Reaktorikuilun päällä ollut betonisuoja näkyy kuvassa vihreällä. Kuvaan on piirretty myös tuhoutuneen reaktorin päälle suojaksi rakenetun sarkofagin rakenteita.

Reaktorirakennuksen kattoon puhkesi ammottava reikä, joka muodosti suoran vapautumisreitin radioaktiiviselle päästölle. Tulikuumaa grafiittia ja reaktorin sisäosia levisi rakennuksen katolle ja lähiympäristöön, missä ne sytyttivät useita tulipaloja. Ensimmäinen laitospalokuntayksikkö oli paikalla alle viidessä minuutissa räjähdyksestä, ja kello 4:00 paloa oli sammuttamassa jo 250 palomiestä. Säteilytaso laitosalueella nousi hengenvaaralliselle tasolle, erityisesti reaktorirakennuksen katolla, missä palomiehet joutuivat työskentelemään sammuttaessaan bitumisia kattorakenteita. Palomiesten lisäksi korkeita annoksia saivat laitoksen työntekijät yrittäessään turhaan käynnistää reaktorin jäähdytysjärjestelmiä uudestaan, sekä estäessään tulipalon leviämistä viereiselle laitosyksikölle. Kolmos- ja nelosyksikkö jakoivat yhteisen turbiinihallin, mihin oli katon läpi pudonnut reaktorista peräisin olevia erittäin radioaktiivisia polttoaineen kappaleita.

Pienemmät palopesäkkeet saatiin sammutettua seuraavaan aamuun mennessä, mutta noin 20 tuntia räjähdyksen jälkeen reaktorikuilussa syttyi uusi tulipalo, joka nosti liekit kymmenien metrien korkeuteen.ix Koska kuumien palokaasujen mukana kulkeva radioaktiivisuus muodosti suuren päästölähteen, reaktoripalo piti saada mahdollisimman nopeasti hallintaan. Maanantaina 28.4. aloitettiin massiivinen sammutusoperaatio, jonka aikana reaktorikuiluun pudotettiin helikopterista käsin tuhansia tonneja booriyhdisteitä, lyijyä, hiekkaa, savea ja dolomiittia. Operaatio vaati 1800 lentoa, joiden aikana helikopterien miehistöt saivat suuria säteilyannoksia. Viikkoa myöhemmin reaktoriin alettiin syöttämään typpeä, jolla palo saatiin lopulta tukahdutettua perjantaina 9.5.

Reaktorin räjähdyksessä vapautunut ensimmäinen päästöpilvi laskeutui metsään muutaman kilometrin päähän voimalaitoksesta. Säteily oli niin voimakasta, että puiden neulaset muuttuivat punaruskeiksi ja kuolivat. Paikkaa alettiin myöhemmin kutsumaan punaiseksi metsäksi. Päästö saavutti nopeasti myös kolmen kilometrin päässä olevan 50,000 asukkaan Pripjatin kaupungin, jonka siviiliväestö evakuoitiin seuraavien päivien kuluessa. Kaupunki on ollut siitä lähtien tyhjillään. Evakuointi ulotettiin lopulta 30 kilometrin säteelle, ja yli 100,000 ihmistä joutui jättämään lopullisesti kotinsa.

Reaktorissa yli kymmenen päivän ajan riehunut tulipalo tuotti runsaasti kuumia palokaasuja, jotka nostivat fissiotuotteita ja radioaktiivisia hiukkasia korkealle ilmakehään. Radioaktiivinen laskeuma kulkeutui tuulen mukana kauas. Pääosa laskeumasta päätyi muutaman sadan kilometrin säteelle Venäjälle, Valko-Venäjälle ja Ukrainaan, mutta laskeuma-alue kattoi lopulta myös Pohjoismaat ja koko läntisen Euroopan. Neuvostoliiton ulkopuolella ensimmäinen havainto radioaktiivisesta laskeumasta tehtiin Ruotsissa, Forsmarkin ydinvoimalaitoksella sunnuntaina 27.4., eli hieman yli vuorokausi räjähdyksen jälkeen. Suomessa ensimmäiset kohonneet säteilymittaukset tehtiin puolustusvoimien valvonta-asemalla Kajaanissa saman päivän iltana. Säteilyturvakeskus oli seuraavana päivänä yhteydessä Ruotsiin, mistä vahvistettiin kohonnut säteilytaso. Virallinen tiedotus luettiin radiossa maanantai-iltapäivänä, ja illalla Neuvostoliitosta vahvistettiin että Ukrainassa oli tapahtunut vakava ydinvoimalaonnettomuus.

Onnettomuutta seuranneen puolen vuoden aikana reaktorin ympärille rakennettiin sarkofagiksi kutsuttu improvisoitu betonisuoja, ja laitospaikkaa ja sen lähiympäristöä puhdistettiin radioaktiivisesta kontaminaatiosta. Operaatioon on arvioitu osallistuneen 600,000 – 800,000 sotilasta ja pelastustyöntekijää. Joissain lähteissä säteilylle altistuneiden työntekijöiden lukumääräksi on ehdotettu jopa miljoonaa. Erityisen suuria säteilyannoksia saivat ensimmäisen yön pelastustoimiin osallistuneet palomiehet ja laitoksen työntekijät, joita oli yhteensä noin 600. Akuutti säteilysairaus diagnosoitiin 134 ihmisellä. Hengenvaaralliseksi luokiteltavan annoksen sai 93 ihmistä, joista 28 kuoli.

Sarkofagi

Kuva 4: Räjähdyksessä tuhoutuneen reaktorirakennuksen ympärille rakennettiin vuoden 1986 loppuun mennessä betonilaatoista muodostuva suoja, joka nimettiin ”sarkofagiksi”. Rakennelman oli tarkoitus estää radioaktiivisuuden leviämistä ja suojata rakennuksen sisäosia uusilta vaurioilta. Väliaikaiseksi tarkoitettu sarkofagi jätettiin paikoilleen kun sen ympärille alettiin rakentamaan pysyvämpää suojaa vuonna 2010. Rakennustöiden on määrä valmistua tämän vuoden aikana.

Tšernobylin onnettomuutta käsittelevissä kirjoituksissa korostetaan usein RBMK-reaktorityypin luontaista epästabiilisuutta ongelmien alkusyynä. Vaikka positiivinen takaisinkytkentä näytteli merkittävää roolia, jäähdytteen kiehumisesta seurannut suhteellisen hidas reaktiivisuuslisäys ei yksin riitä selittämään räjähdysmäistä tehon kasvua. Syytä onkin etsittävä myös säätösauvojen rakenteesta, sekä reaktorin myrkyttymisestä turvallisuuskoetta edeltäneen vuorokauden aikana.

RBMK-reaktoreissa sydämen yläpuoliset säätösauvat koostuvat kahdesta osasta: neutroniabsorbaattorista, ja tämän alapuolelle ripustetusta grafiittiseuraajasta, joka täyttää säätösauvakanavan kun absorbaattoriosa on vedetty ylös. Onnettomuusreaktorissa grafiittiosa ei kuitenkaan vastannut pituudeltaan sydämen korkeutta, vaan seuraajan alapuolelle jäi yli metrin mittainen vesialue kun säätösauva oli vedetty ylimpään asentoonsa. Xenon-myrkytyksen vaikutus puolestaan liittyy tehojakauman vääristymiseen. Voimakkaasti absorboivan Xe135-isotoopin kertyminen sydämen keskelle oli erottanut reaktorin ylä- ja alapuolikkaat toisistaan. Reaktorissa oli tavallaan käynnissä kaksi toisistaan riippumatonta ketjureaktiota.

Fissiotehon sammumisen jälkeen reaktorin ohjaajilla oli suuria vaikeuksia saada ketjureaktio uudelleen käyntiin, ja teho saatiin nousemaan vasta kun suuri osa säätösauvoista oli vedetty ääriasentoon. Kun reaktori yritettiin turvallisuuskokeen jälkeen sammuttaa, säätösauvat alkoivat liikkumaan alaspäin, jolloin neutroniabsorbaattorin työntyminen polttoainekanavien väliin katkaisi ketjureaktion etenemisen reaktorin yläosassa. Toimenpiteellä ei kuitenkaan ollut vastaavaa vaikutusta seitsemän metriä korkean sydämen alempaan tehohuippuun. Sen sijaan että absorption kasvu olisi pienentänyt reaktiivisuutta, vaikutus olikin täysin päinvastainen. Vajaamittaisten grafiittiseuraajien liikkuminen alaspäin syrjäytti säätösauvakanavassa olevaa vettä, mikä kiehumisen tapaan kasvatti reaktiivisuutta. Tilanteeseen viitataan usein positiivisena pikasulkuna. Reaktiivisuus nousi nopeasti kerkeästi kriittiselle alueelle, mikä yhdessä jäähdytteen kiehumisen kanssa sai aikaan fissiotehon räjähdysmäisen kasvun.

Positiivinen pikasulku

Kuva 5: Havainnekuva ”positiivisesta pikasulusta”. Neutroniabsorbaattoria sisältävät säätösauvat oli reaktorin jäähtymisen ja xenon-myrkytyksen kompensoimiseksi vedetty ääriasentoon (a), ja voimakkaasti absorboivan Xe135-isotoopin kertyminen sydämen keskelle piikitti fissiotehon sydämen ylä- ja alaosaan. Kun reaktori sammutettiin turvallisuuskokeen jälkeen, absorbaattoriosan (kuvassa punainen osa) työntyminen sydämeen katkaisi ketjureaktion etenemisen reaktorin yläosassa. Alempaan tehohuippuun vaikutus oli kuitenkin päinvastainen, sillä vajaamittaisen grafiittiseuraajan (harmaa osa) työntyminen alaspäin syrjäytti neutroneita absorboivaa vettä, mikä johti reaktiivisuuden ja fissiotehon paikalliseen kasvuun.

Tšernobylin onnettomuuteen liittyy useita myyttejä ja vääriä tulkintoja, joihin törmää varsin usein aiheeseen liittyvissä keskusteluissa. Yleisin näistä lienee se, että laitoksen käyttöhenkilökunta olisi toiminut täysin omavaltaisesti ja sääntöjen vastaisesti räjähdykseen johtaneessa kokeessa, tai että itse koe olisi ollut uhkarohkea yritys venyttää reaktorin toimintaa turvallisen alueen äärirajoille. Tällaisten käsitysten taustalla lienee neuvostoviranomaisten IAEA:lle vuonna 1986 toimittama selvitys, joka vieritti vastuun onnettomuudesta käytännössä kokonaan valvomohenkilökunnan niskoille. Selvitystä käsittelevässä INSAG-1 -raportissa todetaan, että onnettomuus aiheutui lukuisista turvallisuuden kannalta merkittävistä laiminlyönneistä reaktorin käyttötavoissa, viitaten erityisesti hätäjäähdytysjärjestelmien ja pikasulkusignaalien pois kytkemiseen ennen kokeen aloittamista.

Tämä näkemys kuitenkin kumottiin jo kuusi vuotta myöhemmin valmistuneessa kansainvälisen asiantuntijaryhmän laatimassa INSAG-7 -selvityksessä. Raportista käy ilmi, että ohjaajien suorittamat toimenpiteet liittyivät pääsääntöisesti viralliseen koeohjelmaan, tai noudattivat muuten vallitsevia toimintatapoja. Reaktorin automaattisten suojaustoimintojen estäminen oli käytännössä välttämätön osa koejärjestelyä. Lopputuloksen kannalta vieläkin olennaisempaa oli kuitenkin se, että näillä toimenpiteillä ei todellisuudessa edes ollut suurta merkitystä onnettomuuteen johtaneessa tapahtumaketjussa. Vaikka räjähdys lopulta aiheutui reaktorin ohjaajien toimenpiteistä, ratkaisevat virheet ulottuvat paljon syvemmälle organisaation rakenteisiin. Luontaisesti epästabiili reaktori ajettiin useiden epäonnisten valintojen kautta tilaan, jossa onnettomuus oli käytännössä väistämätön. Valvomohenkilökunnalla ei yksinkertaisesti ollut riittäviä valmiuksia tunnistaa tilanteen vaarallisuutta, tai estää sen kehittymistä onnettomuudeksi.

Yksi merkittävimmistä reaktorin epävakaaseen toimintatilaan vaikuttaneista tekijöistä oli se, että huomattava osa säätösauvoista jouduttiin vetämään kokonaan ulos sydämestä fissiotehon sammumisen jälkeen, mikä kasvatti positiivisen takaisinkytkennän voimakkuutta. Epävakaa toimintatila olisi periaatteessa ollut pääteltävissä nk. operatiivisesta reaktiivisuusmarginaalista, joka mittaa sydämen sisällä olevien säätösauvojen yhteenlaskettua voimakkuutta. Onnettomuuden alkuhetkellä marginaalin on arvioitu olleen 8, kun absoluuttiseksi alarajaksi oli reaktorin käyttöohjeissa asetettu 15. Kyseisen parametrin määrittämiseen tarvittiin kuitenkin paljon aikaa vieviä automaattisia mittauksia ja laskutoimituksia, joita suorittava tietokone sijaitsi 50 metrin päässä reaktorin päävalvomosta. Turvallisuuden kannalta ratkaiseva tieto ei siis ollut helposti ohjaajien saatavilla, minkä lisäksi siihen liittyi yli 10 minuutin viive.

Myöskään xenon-myrkytyksen aiheuttama tehojakauman vääristyminen ei ilmeisesti ollut käyttöhenkilökunnan tiedossa. Reaktorin fissiotehon mittaamiseen käytettiin neutroniantureita, joita oli sijoitettu sydämen sisä- ja ulkopuolelle. Tehojakaumaa mittaavien sisäpuolisten antureiden toiminta-alue oli kuitenkin mitoitettu normaalikäytölle korkealla teholla, eivätkä ne antaneet lainkaan lukemia kun koe aloitettiin tehotasolta joka oli alle 10% reaktorin nimellistehosta. Ulkopuolelle sydämen keskitasoon sijoitetut anturit puolestaan kertoivat hyvin vähän tehon jakautumisesta reaktorin sisällä, joten tieto tehon piikittymisestä sydämen alaosaan jäi kokonaan saamatta. Tila olisi voinut olla ennakoitavissa edeltäneen vuorokauden käyttöhistorian perusteella, mutta tiedon kulkua vaikeutti valvomohenkilökunnan vaihtuminen kahdesti ennen kokeen aloittamista. Kokeen suorittamisesta oli lopulta vastuussa työvuoro, jonka oli alkuperäisen suunnitelman mukaan määrä ainoastaan valvoa reaktorin jäähtymistä alasajon jälkeen.

Käyttöhenkilökunnan tekemäksi virheeksi jää silti kiistatta se, että koe aloitettiin tehotasolta joka oli selvästi koeohjelmassa määritetyn rajan alapuolella, eli keskeyttämisen sijaan menettelytapoja muokattiin vastaamaan vallitsevia olosuhteita. Kokeen ohjeistus oli kuitenkin turvallisuusnäkökulmien osalta vähintäänkin puutteellinen, eikä matalalla tehotasolla ilmeneviä stabiilisuusongelmia oltu käsitelty myöskään henkilökunnan koulutuksessa. Esimerkiksi edellä mainittuun operatiiviseen reaktiivisuusmarginaaliin liittyvässä ohjeistuksessa painotettiin lähinnä riittävää säädettävyyttä normaalissa tehoajossa.

RBMK-reaktorityypin turvallisuusongelmat olivat laitoksen suunnittelijoiden tiedossa, ja esimerkiksi täysin ulos vedetyillä säätösauvoilla suoritetun pikasulun aiheuttama reaktiivisuuslisäys oli havaittu Ignalinan laitoksella Liettuassa yli kaksi vuotta aikaisemmin. Tieto ongelmista ei kuitenkaan missään vaiheessa päätynyt reaktorityypin käyttöön liittyvään ohjeistukseen. Pohjimmiltaan kyse oli ilmeisesti siitä, että ydinenergia-alalla toimivien organisaatioiden välillä ei hankalan byrokratian vuoksi ollut suoraa keskusteluyhteyttä. Onnettomuuden aiheuttaneeseen turvallisuuskokeeseen ei yksinkertaisesti ymmärretty liittyvän monimutkaisia reaktorifysikaalisia ilmiöitä, vaan koetta pidettiin käyttöorganisaatiossa rutiininomaisena sähköjärjestelmien testauksena. Valvomossa ei ollut onnettomuuden tapahtuessa paikalla ainuttakaan reaktorifysiikan asiantuntijaa.

Toinen yleinen Tšernobyliin liittyvä myytti on se, että RBMK-reaktoreiden todellinen käyttötarkoitus olisi ollut ydinaseissa käytettävän plutoniumin valmistaminen, mikä olisi jollain tavalla vaikuttanut reaktorityypin onnettomuusalttiuteen. On totta, että RBMK-reaktorit muistuttavat rakenteeltaan plutoniumintuotantoreaktoreita, joissa oikean isotooppikoostumuksen saavuttaminen edellyttää lyhyttä säteilytysaikaa, eli käytännössä kanavatyyppistä rakennetta joka mahdollistaa polttoaineen vaihtamisen reaktorin käydessä. Kyse lienee kuitenkin enemmän reaktorien kehityslinjan historiallisista yhteneväisyyksistä.x Kanavatyyppistä RBMK:ta suosittiin Neuvostoliitossa todennäköisesti siksi, että se soveltui hyvin sarjatuotantoon. Reaktoriin ei kuulunut massiivista paineastiaa tai höyrystymiä, vaan se rakentui suhteellisen pienistä komponenteista, jotka voitiin valmistaa tavallisissa konepajoissa.

Neuvostoliitto oli ollut ydinasevaltio vuodesta 1949 saakka. Maan ydinaseohjelmaa oli kehitetty yli kolme vuosikymmentä, ja sen olemassaolo oli kansainvälisten sopimusten oikeuttama hyväksytty tosiasia. Neuvostoliitolla oli jo 1980-luvulle tultaessa maailman suurin ydinasearsenaali, ja ydinmateriaalia varastossa selvästi yli tarpeen. Nämä seikat huomioon ottaen tuntuukin varsin epätodennäköiseltä, että maalla olisi ollut tarvetta virallisen ydinaseohjelman rinnalla toimivalle salaiselle ohjelmalle, jonka tarkoituksena oli tuottaa ydinasemateriaalia sähköntuotantokäyttöön rakennetuissa reaktoreissa.

Tšernobylin onnettomuus herättää varsin luonnollisesti kysymyksen siitä, voisiko vastaava reaktorin räjähdysmäinen tuhoutuminen tapahtua myös länsimaisissa ydinvoimalaitoksissa? Suurin osa maailman reaktorikannasta muodostuu kevytvesityyppisistä paine- ja kiehutusvesireaktoreista, jotka poikkeavat sekä rakenteeltaan että fysiikaltaan kanavatyyppisestä RBMK:sta. Turvallisuuden kannalta ilmeisin ero on se, että kevytvesireaktorit voidaan rakentaa luontaisesti stabiileiksi siten, että jäähdytteen kiehuminen hillitsee fissiotehon kasvua. Jo se, että reaktori pyrkii luonnostaan vastustamaan toimintatilan muutosta ja ongelmatilanteessa sammuttaa itse itsensä, poistaa yhden merkittävimmistä Tšernobylin onnettomuuden taustalla vaikuttaneista tekijöistä.

Suuren reaktiivisuuslisäyksen aiheuttanut positiivinen pikasulku puolestaan liittyy RBMK-reaktorin säätösauvojen suunnitteluun, erityisesti vajaamittaisiin grafiittiseuraajiin, eikä vastaavaa rakennetta käytetä muissa reaktorityypeissä.xi Kevytvesireaktoreiden pitkä käyttöjakso edellyttää kuitenkin niin suurta säätöreserviä, ettei suuren reaktiivisuuslisäyksen aiheuttamaa kerkeästi kriittistä tehotransienttia voida sulkea pois ainakaan fysikaalisena mahdottomuutena. Tällainen tilanne voisi teoriassa syntyä esimerkiksi sydämessä sisällä olevan säätösauvan ulossinkoutumisesta, tai painevesireaktorissa jäähdytteeseen liuotetun boorihapon nopeasta laimenemisesta. Käytännössä reaktiivisuustransientteihin varaudutaan reaktorin turvallisuussuunnittelussa, rajoittamalla säätösauvojen ja boorisäädön voimakkuus sellaiselle tasolle että polttoaineen nopea Doppler-takaisinkytkentä kykenee katkaisemaan tehon kasvun ennen kuin vakavia polttoainevaurioita pääsee syntymään. Reaktoriturvallisuuteen olennaisesti vaikuttavia takaisinkytkentöjä on käsitelty tarkemmin toisessa blogikirjoituksessa.

Vaikka Tšernobylin onnettomuus aiheutui hyvin pitkälti RBMK-reaktorityypille ominaisista tekijöistä, onnettomuus vaikutti maailmanlaajuisesti ydinturvallisuustutkimukseen ja ydinenergia-alan toimintatapoihin. Yksi kauaskantoisimmista muutoksista oli se, että turvallisuutta alettiin käsittelemään teknologian lisäksi myös organisaation toiminnan ja inhimillisten tekijöiden näkökulmasta. Tästä kokonaisvaltaisesta turvallisuusajattelusta syntyi nk. turvallisuuskulttuurin käsite, jota sovelletaan nykyisin ydinenergia-alan lisäksi myös teollisuudessa, ilmailussa, meriliikenteessä ja monilla muilla sellaisilla aloilla, joilla monimutkaisten riskitekijöiden hallinta on osa jokapäiväistä toimintaa. Tšernobyl lisäsi myös vakavien reaktorionnettomuuksien ja niiden ympäristövaikutusten tutkimusta. Suomeen perustettiin koko maan kattava automaattinen säteilymittausverkko, ja lähialueyhteistyötä tiivistettiin tehostamalla tiedonvaihtoa valtiorajojen yli.

Uusien RBMK-reaktorien suunnittelu laitettiin onnettomuuden jälkeen jäihin. Viimeinen Tšernobylin ydinvoimalaitoksen neljästä reaktoriyksiköstä poistettiin käytöstä vuonna 2000. Liettuan Ignalinan laitoksella oli vuoteen 2009 saakka käytössä kaksi suurempaa RBMK-1500 -mallin reaktoria. Vuoden 2017 lopulla reaktorityyppi oli käytössä enää Venäjällä, yhteensä 11 laitosyksiköllä. Suomea lähimmät RBMK:t löytyvät Leningradin ydinvoimalaitokselta Sosnovyi Borista, joka sijaitsee Suomenlahden rannalla lähellä Pietaria. Laitoksen neljä RBMK-1000 -sarjan reaktoria on määrä korvata kevytvesireaktoreilla 2020-luvun aikana. Ensimmäinen korvaava AES-2006 -laitosyksikkö kytkettiin sähköverkkoon maaliskuussa 2018. Reaktori on samaa tyyppiä kuin Fennovoiman tilaama laitos, ja se kuuluu pitkään VVER-kehityslinjaan jota edustavat myös Loviisan ydinvoimalaitoksen kaksi painevesireaktoria.

Tšernobylin onnettomuuden seurauksia on käsitelty vielä erikseen toisessa blogikirjoituksessa, yhdessä vuonna 2011 tapahtuneen Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden kanssa.


i) Neutronit pyrkivät hidastuessaan termiseen tasapainoon moderaattoriytimien lämpöliikkeen kanssa. Kun tasapainotila on saavutettu, ylimääräiset törmäykset eivät enää muuta keskimääräistä energiaa. Fissiossa syntyneellä neutronilla voi olla nopeutta kymmenesosa valonnopeudesta (n. 300,000 km/s), ja termalisoituneet neutronit liikkuvat enää joitakin kilometrejä sekunnissa.

ii) Termisen neutronin törmätessä vety-ytimeen sillä on noin prosentin todennäköisyys absorboitua pysyvästi osaksi ydintä. Elinkaaren yli laskettu kokonaistodennäköisyys on kuitenkin suurempi, sillä törmäyksiä tapahtuu tyypillisesti useampia ennen kuin neutroni pääsee kulkeutumaan takaisin polttoaineeseen. Vastaava absorptiotodennäköisyys grafiitille on prosentin sadasosan luokkaa. Grafiitti muodostuu hiiliytimistä, jotka ovat paljon vetyä raskaampia. Neutronien hidastaminen grafiitissa vaatii vastaavasti paljon suuremman määrän törmäyksiä.

iii) Moderaattorin takaisinkytkentöjen lisäksi ydinreaktoreissa vaikuttaa myös muita takaisinkytkentämekanismeja. Merkittävin näistä on polttoaineen lämpenemistä seuraava Doppler-takaisinkytkentä, joka kasvattaa neutronien todennäköisyyttä absorboitua ei-fiissilin U238-isotoopin ytimiin. Reaktorit suunnitellaan yleensä siten, että Doppler-takaisinkytkentä kykenee katkaisemaan fissiotehon kasvun nopeissa reaktiivisuustransienteissa ennen kuin merkittäviä polttoainevaurioita pääsee syntymään.

iv) Vertailun vuoksi Olkiluotoon rakennettavan 1600 megawatin EPR-reaktorin sydän on halkaisijaltaan 3.7 ja korkeudeltaan 4.2 metriä. RBMK-reaktorin suuri koko selittyy sillä, että neutronien hidastuminen grafiitissa vaatii keskimäärin yli 150 törmäystä hiiliytimiin, kun vastaava luku kevytvesireaktoreissa moderaattoriytimenä toimivalle vedylle on noin 25. Suurin osa RBMK:n sydäntilavuudesta onkin grafiittia.

v) Tämän tyyppiset kuormanpudotuskokeet ovat tärkeä osa ydinvoimalaitoksen turvallisen käytön varmistamista, ja vastaavia kokeita on tehty myös Suomen laitoksilla. Ulkoisen sähköverkon menetys ei ole erityisen harvinainen tapahtuma, sillä ilmassa pylväiden varassa kulkevat korkeajännitejohdot ovat alttiita vaurioille. Esimerkiksi Japanissa vuonna 2011 tapahtunut Tohokun maanjäristys aiheutti suurta tuhoa sähköverkolle, jättäen useamman ydinvoimalaitoksen ilman ulkoista verkkoyhteyttä. Kaikki laitokset selvisivät tilanteesta ongelmitta, mutta itärannikolle tuntia myöhemmin iskenyt korkea tsunamiaalto tuhosi varavoimajärjestelmät Fukushima Daiichin ydinvoimalaitoksella, minkä seurauksena kolmella laitosyksiköllä tapahtui lopulta sydämensulamisonnettomuus.

vi) Xenonia syntyy pääasiassa toisen fissiotuotteen, jodi-135:n, radioaktiivisessa hajoamisessa. Kun fissiotehoa lasketaan, Xe135:n absorptionopeus pienenee. Isotoopin tuottonopeus ei kuitenkaan laske välittömästi, sillä reaktoriin kertyneen I135:n määrä putoaa hitaasti radioaktiivisen hajoamisen myötä. Reaktorissa on tehomuutoksen jälkeen tavallaan ylimääräistä I135:ä, jonka hajoaminen ylläpitää Xe135:n tuottoa polttoaineessa.

vii) Suurimman vastuun kantanut Dyatlov esitetään esimerkiksi monissa Tšernobylin onnettomuutta käsittelevissä TV-dokumenteissa autoritäärisenä johtajana, joka käyttöhenkilökunnan varoituksista huolimatta aiheutti omalla toiminnallaan reaktorin räjähtämisen. Dyatlov on itse syyttänyt onnettomuudesta laitoksen suunnittelijoita ja olematonta turvallisuuskulttuuria. Sama näkemys toistuu myös onnettomuuden syitä käsittelevissä selvityksissä.

viii) Monissa Tšernobylin onnettomuutta käsittelevissä keskusteluissa kiistellään siitä, tapahtuiko reaktorissa ydin- vai höyryräjähdys? Sekaannusta aiheuttaa esimerkiksi se, että tiettyjä termejä saatetaan käyttää aihetta käsittelevissä uutisissa laveammin kuin varsinaisissa asiantuntijalähteissä. Vaikka vapautunut energia oli peräisin nopeasta fissiotehon noususta, kyse ei ollut varsinaisesta ydinräjähdyksestä, jossa ketjureaktio etenee yli miljoona kertaa nopeammin (kts. edellinen blogikirjoitus). Höyryräjähdys puolestaan liityy siihen, miten polttoaineen lämpöenergia muuttui höyrystyneen veden mekaaniseksi energiaksi. Vaikka termiä käytetään usein kuvaamaan yleisesti korkeapaineisen höyryn aiheuttamia räjähdyksiä, sillä tarkoitetaan ammattikielessä aivan erityistä ilmiötä, joka tapahtuu kun sula metalli (tai tässä tapauksessa sulanut ydinpolttoaine) hajoaa pieniksi pisaroiksi, muodostaen suuren lämmönsiirtopinta-alan ympäröivän veden kanssa. Lämpöenergia siirtyy tällöin hyvin nopeasti veteen, joka muuttuu korkeapaineiseksi höyryksi.

Reaktorin jälkimmäinen räjähdys saattoi aiheutua fissiotehon noususta sellaisissa kanavissa jotka jäivät ensimmäisen räjähdyksen jäljiltä ehjiksi. Reaktiivisuus nousi nopeasti kun jäähdytysjärjestelmän paine romahti, ja kanavissa oleva vesi kiehahti höyryksi. Räjähdyksen syyksi on arveltu myös zirkoniumin hapettumisreaktiossa muodostuneen vedyn syttymistä, kun reaktoriin pääsi ensimmäisen räjähdyksen jälkeen ilmaa.

ix) Reaktorin tulipaloon viitataan monissa yhteyksissä grafiittipalona. Todellisuudessa neutronimoderaattorina käytettävä erittäin puhdas grafiitti ei kuitenkaan itsessään pala, mutta se voi ylikuumentuessaan reagoida veden kanssa muodostaen kahta herkästi syttyvää kaasua, vetyä ja hiilimonoksidia. Tämän lisäksi vetyä syntyi myös polttoainenippujen ja virtauskanavien paineputkien zirkoniumosien reagoidessa kuuman höyryn kanssa. Grafiitin sijaan tulipaloa ylläpitivätkin todennäköisesti korkean lämpötilan kemiallisissa reaktioissa muodostuneet palavat kaasut.

x) RBMK-reaktoreiden esiasteena voidaan pitää Hanford B -reaktoria, joka tuotti plutoniumia toisen maailmansodan aikana rakennettuihin ensimmäisiin ydinaseisiin. Reaktori toimi grafiittimoderaattorilla ja vesijäähdytyksellä. Manhattan-projektissa toimineet vakoojat toimittivat reaktorin piirustukset Neuvostoliittoon, missä teknologian pohjalta alettiin kehittää myös sähköntuotantokäyttöön suunniteltuja ydinvoimalaitoksia. USA:ssa grafiittimoderoiduista kevytvesijäähdytteisistä reaktoreista luovuttiin pian sodan jälkeen, ilmeisesti juuri niiden stabiilisuusongelmien vuoksi, eikä teknologiaa otettu siviilipuolella lainkaan käyttöön.

xi) RBMK-reaktoreihin tehtiin Tšernobylin onnettomuuden jälkeen useita muutoksia. Säätösauvojen grafiittiseuraajat vaihdettiin täysmittaisiksi, mikä poisti positiivisen pikasulun mahdollisuuden. Myös säätösauvakoneistot korvattiin nopeammilla, ja niiden automatiikkaa parannettiin. Positiivisen takaisinkytkennän voimakkuus saatiin pienemmäksi lisäämällä neutroniabsorptiota polttoaineeseen ja kiinteisiin absorbaattoreihin. Lisääntyneen absorption vaikutusta kompensoitiin nostamalla polttoaineen väkevöintiä. Näillä muutoksilla varmistettiin käytännössä se, että fissioteho on kaikissa tilanteissa sammutettavissa, eikä jäähdytteen kiehuminen riitä yksin saattamaan reaktoria kerkeästi kriittiseen tilaan.

 

Mainokset

2 vastausta artikkeliin “Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuus”

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google photo

Olet kommentoimassa Google -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s