Anty-Czarnobyl. Co awaria w Three Mile Island mówi o bezpieczeństwie atomowym?

Porównanie katastrofy czarnobylskiej i wcześniejszej o siedem lat awarii w amerykańskiej elektrowni jądrowej pozwala wykazać główne grzechy, których skutki objawiły się w Czarnobylu. Rozwiązania konstrukcyjne, decyzje polityczne i zachowania osób odpowiedzialnych za działanie reaktorów mogą stanowić naukę dla rodzącej się polskiej komercyjnej energetyki jądrowej. 45 lat temu miała miejsce awaria w elektrowni Three Mile Island.

Limuzyna prezydenta Jimmy'ego Cartera odjeżdża spod elektrowni Three Mile Island.

Foto: National Archives and Records Administration/Unrestricted

Czy awarię w Three Mile Island można nazwać Czarnobylem à rebours? Dlaczego w wyniku awarii amerykańskiej elektrowni doszło do minimalnego skażenia, a Czarnobyl pochłonął życie 31 ofiar? I co mają z tym wspólnego gen. Wojciech Jaruzelski i Biblioteka Kongresu? Te zagadnienia wyjaśniają prof. dr inż. Andrzej Strupczewski z Narodowego Centrum Badań Jądrowych oraz dr hab. Marek Rabiński z Polskiego Towarzystwa Nukleonicznego.

Chyba można bez większej przesady powiedzieć, że o Czarnobylu w Polsce słyszał prawie każdy. Tymczasem awaria Three Mile Island jest w Polsce prawie nieznana. Co wydarzyło się w dniu awarii?

Prof. dr inż. Andrzej Strupczewski: Wczesnym rankiem 28 marca 1979 r. blok nr 2 elektrowni Three Mile Island (TMI-2) pracował na znamionowej mocy cieplnej 2772 MW, gdy okazało się, że niektóre rurociągi kondensatu na wyjściu ze skraplacza turbiny były zatkane mieszaniną jonitów i wody. Próba oczyszczenia spowodowała zawodnienie układu sprężonego powietrza i zamknięcie zaworów odcinających na linii podawania kondensatu do pomp wody zasilającej wytwornice pary. Pompy wyłączyły się, ciśnienie w obiegu pierwotnym wzrosło i otworzył się zawór nadmiarowy na stabilizatorze ciśnienia, by upuścić nadmiar pary ze stabilizatora. Gdy reaktor został wyłączony, ciśnienie w obiegu pierwotnym zaczęło spadać. Gdy obniżyło się do 15,2 MPa, tj. wartości progowej, przy której zawór nadmiarowy powinien się zamknąć, w sterowni zapaliła się zielona lampka sygnalizująca, że do solenoidu popłynął prąd mający spowodować zamknięcie zaworu. Operator uznał, że zawór został zamknięty. W rzeczywistości zawór nie zamknął się, ale w układzie sygnalizacji brak było wskaźnika pokazującego rzeczywisty stan zaworu. Był to błąd w koncepcji układu, który wpłynął decydująco na dalszy przebieg wydarzeń.

Po upływie 2 min 40 s ciśnienie w obiegu pierwotnym spadło do 11 MPa, czynny wysokociśnieniowy układ chłodzenia  awaryjnego CWUACR został uruchomiony i zaczął wtryskiwać wodę do rdzenia. Poziom wody w stabilizatorze podnosił się. Operatorzy obawiali się, że dalszy wtrysk wody doprowadzi do likwidacji poduszki parowej. Rzeczywiście, w przypadku wypełnienia obiegu wodą bez poduszki parowej wszelkie zmiany objętości wody - np. wskutek wzrostu temperatury - powodowałyby gwałtowne zmiany ciśnienia, mogące doprowadzić do rozerwania obiegu. Operatorzy nie wiedzieli, że w tym czasie w obiegu występowało już wrzenie i znaczna część zbiornika reaktora była wypełniona parą. Właśnie to zjawisko powodowało podnoszenie poziomu wody w stabilizatorze.

W obawie, aby obieg pierwotny nie został przepełniony wodą, operatorzy wyłączyli dwie pompy Czynnego Wysokociśnieniowego i Układu Awaryjnego Chłodzenia Rdzenia CWUACR, a wydatek trzeciej znacznie zmniejszyli. Od tej pory wypływ wody przez zawór nadmiarowy był większy od wydatku wody podawanej do obiegu przez CWUACR.

Rdzeń reaktora utracił wodę, paliwo przegrzało się i częściowo stopiło. Produkty rozszczepienia wydostały się ze zbiornika reaktora do wnętrza obudowy bezpieczeństwa. Przy otwieraniu zaworu nadmiarowego znaczna część wodoru wydostała sią z obiegu pierwotnego do obudowy bezpieczeństwa. Po upływie 9 h 50 min od początku awarii zaobserwowano nagły wzrost ciśnienia w obudowie bezpieczeństwa. Był on spowodowany przez spalenie wodoru.

Ciśnienie w obudowie wzrosło nagle o 193 kPa, ale obudowa pozostała szczelna.

Po 13,5 h zaczęto podnosić ciśnienie w obiegu pierwotnym, by spowodować skroplenie pary. Ostatecznie po dalszych 2 h udało się uruchomić pompy cyrkulacyjne i zapewnić przepływ chłodziwa przez wytwornicę pary WP.

Dr hab. Marek Rabiński: Przyczyną awarii w TMI było błędne założenie konstruktorów układu sterowania, że jeśli wysłał on polecenie wykonania jakiejś czynności, to ta czynność na pewno została wykonana. Doświadczenie TMI pokazało, że trzeba wprowadzić niezależny system informujący o wykonaniu zadania. Można zastosować tu analogię do systemu zarządzania, którym posługiwał się gen. Wojciech Jaruzelski: wydawał polecenia jako pierwszy sekretarz partii, ale informację o wykonywaniu tych poleceń uzyskiwał od kontrwywiadu wojskowego – czyli zupełnie niezależnego źródła.

A.S.: Dodam, że kiedy kierowałem rozruchem polskiego reaktora MARIA, nie boję się powiedzieć, że jednego z najlepszych reaktorów na świecie (śmiech), który był wybudowany całkowicie według polskiego projektu, zauważyliśmy, że zawory, które decydują o zamknięciu bądź otwarciu przepływu wody, działają na zasadzie właśnie takiej: że operator wiedział tylko, czy było podane polecenie do zaworu, żeby się otwierał, bądź też jest częściowo otwarty albo częściowo zamknięty. Zmieniliśmy automatykę, tak, żeby było wiadomo, czy zawór jest zamknięty, czy jest otwarty. Innymi słowy w tym samym czasie zauważyliśmy niebezpieczeństwo systemu tam, gdzie nie widzieli go Amerykanie w TMI.

Czy rodzaj awarii, który miał miejsce w TMI, można porównać do tego, do którego doszło w Czarnobylu?

M.R.: Awaria czarnobylska miała zupełnie inny charakter, bo inna była budowa reaktora. Przede wszystkim jego protoplastą było urządzenie pierwotnie przygotowywane z myślą o efektywnej produkcji izotopu plutonu wykorzystywanego w głowicach atomowych. W początkach zimnej wojny Nikita Chruszczow zauważył, że Zachód wprowadza coraz więcej elektrowni jądrowych i zaczął wywierać presję na atomistów, by ZSRR mógł też się pochwalić sukcesami na tym polu. Te naciski spowodowały, że konstruktorów pracujących już instalacji wojskowych zdopingowano do dostosowania urządzeń o przeznaczeniu militarnym do potrzeb energetyki cywilnej. Czarnobylski reaktor RBMK był właśnie przypadkiem takiej konstrukcji. W związku z tym zachowywał się inaczej niż reaktory o przeznaczeniu cywilnym.

Czarnobyl. Serial a rzeczywistość. Czy tak przebiegała katastrofa? Pytamy fizyka jądrowego

A.S.: Reaktor RBMK potrzebował tylko grafitu do spowalniania  neutronów, a woda w tym reaktorze służyła do odbioru ciepła, natomiast nie była potrzebna do spowolnienia neutronów. W związku z tym, kiedy operatorzy w czasie swojego nieudanego testu doprowadzili do podgrzania wody i jej wrzenia, neutrony w dalszym ciągu były spowalniane w graficie, a nie były pochłaniane w wodzie. Woda zaczęła zamieniać się w parę. Coraz więcej neutronów – już niewychwytywanych przez wodę – wracało do paliwa. Ilość rozszczepnień rosła i temperatura zaczęła samoczynnie rosnąć w miarę, jak rosła moc reaktora. W ciągu kilkunastu sekund moc reaktora wzrosła stukrotnie, przekraczając chwilowo moc wszystkich elektrowni w ZSRR. To doprowadziło do przegrzania paliwa, wytryśnięcia pary uranu do wody i odparowania reszty wody i rozerwania rdzenia reaktora.

W wyniku katastrofy czarnobylskiej do atmosfery przedostały się materiały radioaktywne. Czy w przypadku TMI było podobnie?

A.S.: W czasie awarii reaktora TMI wydzieliło się około 40 proc. gazowych produktów rozszczepienia, takich jak ksenon czy krypton, i około 15 proc. jodu – to wydostało się z wnętrza reaktora pod obudowę bezpieczeństwa. Poza obudowę wydostało się 0,000003 części jodu. To tak mało, że przez pewien czas zastanawiano się, czy w ogóle doszło do zniszczenia rdzenia reaktora. Średnie dawki jodu, które otrzymali ludzie w okolicy, to 0,015 milisiwerta – dla porównania: przeciętny człowiek w ciągu roku przyjmuje około 3,5 milisiwerta. Maksymalna dawka, jaką w wyniku TMI przyjął człowiek, to 0,37 milisiwerta – nota bene jest to różnica między średnią dawką, którą przyjmuje obywatel USA, a pracownikiem Biblioteki Kongresu USA. Gmach ten jest zbudowany z granitu, w związku z czym promieniowanie jest w nim podwyższone – z biblioteki korzystają amerykańscy senatorowie, studiują dokumentację, sięgają do akt i wcale nie wydaje się, żeby to promieniowanie im przeszkadzało.

Warto dodać, że ludność zamieszkująca nieopodal elektrowni TMI wystąpiła do sądu o odszkodowania za napromieniowanie. Prawomocny wyrok sądu (a pamiętajmy, że w Stanach Zjednoczonych sądy cieszą się dużą niezależnością) był taki, że dawki przyjęte przez mieszkańców nie stanowiły zagrożenia dla zdrowia.

Elektrownia Three Mile Island z lotu ptaka. Fot.: National Archives and Records Administration/Unrestricted

Mimo to awaria TMI wywarła bardzo silny wpływ na opinię publiczną w USA. Od 1979 roku na amerykańskiej ziemi nie zbudowano nowej elektrowni atomowej. Dlaczego?

A.S.: W latach 60. i 70. wytworzył się silny ruch społeczny, protestujący przeciwko wojnie w Wietnamie i w ogóle działaniom rządu USA. Po zakończeniu wojny ten potężny ruch protestujących stracił powód do protestowania. Energetyka atomowa okazała się znakomitym celem, bo dla ogółu społeczeństwa zupełnie niezrozumiałym pod względem działania, a przy tym kojarzonym niezbyt słusznie z tragedią Hiroszimy i Nagasaki. Zwłaszcza że o ile inżynierowie jądrowi znają się świetnie na swojej pracy, to muszę przyznać z ubolewaniem, nijak nie znają się na public relations.

Na szkodę sprawy energetyki jądrowej zadziałała też popkultura. Traf chciał, że 12 dni przed awarią w TMI swoją premierę miał film "Chiński syndrom". Przedstawiał on zupełnie bzdurną wizję awarii w elektrowni jądrowej, która doprowadza do stopienia się rdzenia. Reaktor wtapia się coraz głębiej w powierzchnię ziemi, co grozi tym, że w końcu… przewierci się do Chin. W filmie zagrała Jane Fonda, znana ze swojego aktywizmu skierowanego przeciw działaniu rządu USA (zasłynęła m.in. tym, że w czasie wojny w Wietnamie pozowała do zdjęcia w towarzystwie żołnierzy komunistycznej północy przy działku, z którego strzelano do amerykańskich helikopterów). Ten splot okoliczności wywołał panikę w USA.

Doprowadziło to do wprowadzenia znacznie mocniejszych obostrzeń dotyczących budowy elektrowni jądrowych, a przede wszystkim do sprzeciwów ludności wobec budowania nowych elektrowni. Żaden polityk oczywiście nie może narazić się na utratę głosów swoich wyborców, więc ta spirala strachu faktycznie spowodowała zastój w budowie nowych elektrowni. Skrajnym przykładem jest elektrownia w Shoreham nieopodal Nowego Jorku. Elektrownia była gotowa do użycia, pozostawała tylko kwestia wyznaczenia drugiej drogi ewakuacyjnej (standardem jest wyznaczenie dwóch dróg tak, żeby ewentualna ewakuacja odbywała się pod wiatr, który mógłby nieść opad radioaktywny). Budowa drogi miała zacząć się w południe, ale nad ranem gubernator stanu Nowy Jork zablokował tę decyzję, blokując tym samym całe przedsięwzięcie.

Katastrofa czarnobylska pochłonęła życie 31 ofiar, w Three Mile Island ofiar nie było. Jakie wnioski płyną dla nas z wydarzeń z 1979 i 1986 roku? Co obie awarie mówią o bezpieczeństwie jądrowym?

A.S.: Przygotowałem kiedyś dokładne zestawienie błędów operatorów, które Rosjanie podawali jako przyczyny katastrofy. Wykazałem w nim, że gdyby do tych błędów doszło w elektrowni wykorzystującej wodę pod ciśnieniem, takich jak w Three Mile Island, czy w reaktorach AP 1000, nie spowodowałyby one żadnych skutków, poza wyłączeniem reaktora. W przypadku Czarnobyla istotne było to, że nawet operatorzy nie znali do końca wad konstrukcyjnych reaktora, na którym pracowali. Były one obwarowane tajemnicą wojskową, znaną tylko konstruktorom. Kolejną kwestią jest stosowanie obudowy bezpieczeństwa. Ona zdała świetnie egzamin w elektrowni TMI, a w Czarnobylu… po prostu jej nie było.

M.R.: Nie bez znaczenia była też różnica w kulturze organizacyjnej w Stanach i ZSRR. W chwili awarii w elektrowni TMI znajdowało się dwóch operatorów i dwóch strażników. To tych dwóch operatorów podejmowało wszystkie decyzje. W Czarnobylu co prawda operatorzy w trybie awaryjnym włączyli przycisk AZ-5 rozpoczynający sekwencję wyłączenia reaktora, ale dla wyłączenia bloku elektrowni (reaktora i sprzężonych z nim turbin parowych) musieli mieć pozwolenie z dyspozytora sieci energetycznej. Decyzje na dalszym etapie były podejmowane przez cały zespół ludzi, w skład którego wchodzili nie tylko ludzie z elektrowni, ale też "zaplecze polityczno-partyjne". Awaria wydarzyła się o 1:23 w nocy, natomiast przylegający do reaktora IV (tego, w którym doszło do awarii) reaktor III został wyłączony dopiero koło godz. 6 rano – operator oznajmił przełożonym, że wyłącza reaktor bez względu na ich sprzeciw. Ale uniknął odpowiedzialności i rozprawy sądowej tylko dlatego, że historia przyznała mu rację. Dwa kolejne reaktory zostały wyłączone po kilkunastu godzinach, dopiero po uzyskaniu zgody władz rządowych. To wyraźna różnica kompetencji: na Zachodzie – i jest to powszechny standard w energetyce jądrowej – to operator, jako najlepiej zorientowany w sytuacji i mogący podejmować decyzję najszybciej – jest osobą decydującą. Dlatego tak ważny w obu przypadkach był czynnik ludzki.

Polityka Energetyczna Polski do 2040 roku zakłada, że w 2033 roku zostanie uruchomiony pierwszy blok elektrowni jądrowej. Technologię mają dostarczyć właśnie Amerykanie. Jak panowie oceniają rozwiązania amerykańskie?

A.S.: Technologa amerykańska bloków AP (Advanced Pressurized Water Reactor - najpewniej ta konstrukcja zostanie zbudowana w Polsce - przyp. red.) jest dobrze nam znana. Polacy mają swój udział w jego projektowaniu: dwadzieścia lat temu wysłaliśmy ponad 20 naszych inżynierów do Stanów Zjednoczonych do siedziby Westinghouse, gdzie prowadzili prace przy projektowaniu reaktora AP 600, a więc tego samego, który w tej chwili jest budowany na świecie, ale o mniejszej mocy - tę moc podniesiono do 1000, stąd nazwa AP 1000.

Reaktor AP 1000 jest rektorem bardzo eleganckim, świetnie zaprojektowanym. Układy bezpieczeństwa są w nim pasywne, to znaczy działają bez dostarczenia energii z zewnątrz - jest to reaktor, który może spokojnie przetrwać 72 godziny bez żadnej interwencji kogokolwiek z zewnątrz: w tym czasie nie potrzebuje prądu elektrycznego ani żadnych usług specjalnych z zewnątrz. Jest to reaktor bardzo dobry, bardzo nowoczesny. Niestety jego budowa stawia szereg wymagań. Jednym z tych wymagań jest duża precyzja przy łączeniu elementów reaktora. To zadanie było trudne do zrealizowania nawet przez firmy amerykańskie w pierwszych latach rozbudowy tego reaktora i w związku z tym pierwsze AP 1000 miały kłopoty - to spowodowało opóźnienia w budowie reaktorów w USA i Chinach. Te problemy w końcu pokonano, dwa reaktory, które zostały zbudowane w Chinach, pracują bardzo dobrze od tej chwili już 1,5 roku. Chińczycy są zadowoleni, reaktory są bezpieczne, mają wysoki współczynnik wykorzystania mocy. W warunkach polskich kwestia zbudowania reaktora z tych elementów może być trudna do zrealizowania. Polski przemysł oczywiście nie może zbudować elementów najbardziej wymagających. Natomiast Polacy mogą  i zbudują na pewno całą resztę elektrowni jądrowej, która kosztowo rzecz biorąc, stanowi ponad 75 proc. wartości elektrowni.

Poważnym problemem może być to, że niewiele firm buduje reaktory AP 1000, a firma Westinghouse, która może je budować w Polsce, miała ostatnimi laty poważne kłopoty organizacyjne i finansowe. Jej własność przechodziła rąk do rąk. Obecnie jest w fazie kolejnego przetargu. Nie jest to firma, która prowadziła w sposób ciągły budowę kolejnych bloków reaktorów.

Czy zdążymy do roku 2033?

A.S.: W zasadzie jest to możliwe, ale musimy zdać sobie sprawę, że do tego celu potrzeba mieć kadry i zawsze mieć przygotowane przedsiębiorstwa przemysłowe gotowe do pracy dla elektrowni jądrowej. Polacy potrafią pracować w elektrowni jądrowych, np. przy budowie elektrowni jądrowej Olkiluoto 3 w Finlandii największą grupę roboczą, poza Finami, stanowili Polacy, przy czym nie byli to tylko spawacze i monterzy (chociaż spawaczy i monterów mamy bardzo dobrych), ale i kierownik budowy całości elektrowni to był też Polak, nasz inżynier Zbigniew Wiegner, który pracuje obecnie w Polsce. W Olkiluoto płacono tym ludziom oczywiście stawki zachodnie... Na pewno musimy szkolić kadry, musimy szkolić kompetentnych inżynierów, którzy potrzebni są do tego, żeby prowadzić budowę, rozruch, a potem eksploatację elektrowni jądrowej. Taką kadrę mieliśmy wykształconą w czasie, kiedy budowaliśmy Żarnowiec. Zarówno Czarnobyl, jak i Three Mile Island pokazały, jak istotny jest czynnik ludzki w energetyce jądrowej, szkolenie kompetentnych kadr jest zatem niezwykle istotne.

Rozmawiał Bartłomiej Makowski