«Це як вугілля в шахті для барбекю.» Ядерні реакції знову тліють у Чорнобилі
«Це як вугілля в шахті для барбекю.» Ядерні реакції знову тліють у Чорнобилі
Річард СтоунМей. 5, 2021, 11:20
Через тридцять п’ять років після того, як Чорнобильська атомна електростанція в Україні вибухнула внаслідок найстрашнішої ядерної аварії в світі, реакції ділення знову тліють в уранових паливних масах, закопаних глибоко в зіпсованому реакторному залі. "Це як вугілля в шахті для барбекю", - говорить Ніл Хаят, хімік з ядерних матеріалів з Університету Шеффілда. Зараз українські вчені намагаються визначити, чи реакції не згаснуть самі по собі, чи вимагатимуть надзвичайних втручань для запобігання черговій аварії.
Датчики відстежують зростання кількості нейтронів, сигнал ділення, що випливає з однієї важкодоступної кімнати, Анатолій Дорошенко з Інституту проблем безпеки атомних електростанцій (ISPNPP) у Києві, Україна, повідомив минулого тижня під час дискусій про демонтаж реактора. "Існує багато невизначеностей", - каже Максим Савельєв з ІСПНПП. "Але ми не можемо виключити ймовірність [аварії]". Кількість нейтронів зростає повільно, говорить Савельєв, припускаючи, що менеджери мають ще кілька років, щоб зрозуміти, як придушити загрозу. Будь-який засіб, який він та його колеги придумають, буде представляти великий інтерес для Японії, яка справляється з наслідками власної ядерної катастрофи 10 років тому у Фукусімі, зазначає Хаятт. "Це схожа величина небезпеки".
Привид самодостатнього поділу або критичності ядерних руїн давно переслідує Чорнобиль. Коли 26 серпня 1986 р. Частина активної зони реактора четвертого блоку розплавилася, уранові паливні стрижні, їх цирконієва обшивка, графітові стрижні контролю та пісок скидалися на активну зону, намагаючись загасити вогонь, танучи в лаві. Він впав у приміщення підвалу реакторного залу і затвердів у формаціях, що називаються паливовмісними матеріалами (ФММ), в яких завантажено близько 170 тонн опроміненого урану - 95% від початкового палива.
Бетоно-сталевий саркофаг під назвою "Укриття", споруджений через рік після аварії для розміщення останків блоку Четвертий, дозволяв просочуватися дощовій воді. Оскільки вода уповільнює або пом'якшує нейтрони і, таким чином, посилює їх шанси на ураження та розщеплення ядер урану, важких дощі іноді призводять до зростання кількості нейтронів. Після зливи в червні 1990 р. "Сталкер" - науковець у Чорнобилі, який ризикує потрапити під випромінювання в пошкоджений реакторний зал - кинувся і розпорошив розчин нітрату гадолінію, який поглинає нейтрони, на ФКМ, що, як він і його колеги побоювалися, може йти критично. Кілька років потому завод встановив на даху Притулку спринклери з нітрату гадолінію. Але спрей не може ефективно проникнути в деякі підвальні приміщення.
Чорнобильські чиновники припускали, що будь-який ризик критичності зникне, коли масивний Новий безпечний конфайнмент (НБК) буде ковзати над Укриттям в листопаді 2016 року. Структура в 1,5 млрд. Євро мала на меті закрити Укриття, щоб його можна було стабілізувати і врешті-решт демонтувати. NSC також утримує дощ, і з моменту його встановлення кількість нейтронів у більшості районів укриття була стабільною або зменшується.
Але вони почали руйнуватися в декількох місцях, майже збільшившись вдвічі протягом 4 років у приміщенні 305/2, де містяться тонни FCM, похованих під уламками. Моделювання ISPNPP припускає, що сушіння палива так чи інакше робить нейтрони рикошетом через нього більшим, ніж меншим, ефективним при розщепленні ядер урану. "Це правдоподібні та правдоподібні дані", - говорить Хаятт. "Просто незрозуміло, яким може бути механізм".
Не можна ігнорувати загрозу. Поки вода продовжує віддалятися, побоюються, що "реакція ділення прискорюється в геометричній прогресії", - говорить Хаятт, що призводить до "неконтрольованого викиду ядерної енергії". Немає шансів на повторення 1986 року, коли вибух та пожежа спрямували радіоактивну хмару над Європою. Втікаюча реакція ділення у ФКМ може розпорошитися після того, як тепло від ділення википить залишок води. Проте, зазначає Савельєв, хоча будь-яка вибухова реакція буде стримуватися, вона може загрожувати збиттям нестійких частин хиткого укриття, заповнюючи НБК радіоактивним пилом.
Вирішення проблеми, що не маскується, є страшним викликом. Рівні радіації в 305/2 перешкоджають наближенню, достатньому для встановлення датчиків. А розпорошення нітрату гадолінію на ядерне сміття не існує, оскільки його захоронено під бетоном. Одна ідея полягає в тому, щоб розробити робота, здатного витримувати інтенсивне випромінювання досить довго, щоб просвердлити отвори в ФКМ і вставити циліндри з бором, які б функціонували як контрольні стрижні та накопичували нейтрони. Тим часом ISPNPP має намір активізувати моніторинг у двох інших сферах, де FCM мають потенціал стати критичними.
Реакції, що відроджуються, не є єдиною проблемою, яка стоїть перед утримувачами Чорнобиля. Оточені інтенсивним випромінюванням та високою вологістю, ФКМ розпадаються - нерести ще більше радіоактивного пилу, що ускладнює плани демонтажу Укриття. На початку уряд FCM під назвою «Слонова лапа» був настільки жорстким вченим
Оригинал:
‘It’s like the embers in a barbecue pit.’ Nuclear reactions are smoldering again at Chernobyl
By Richard StoneMay. 5, 2021 , 11:20 AM
Thirty-five years after the Chernobyl Nuclear Power Plant in Ukraine exploded in the world’s worst nuclear accident, fission reactions are smoldering again in uranium fuel masses buried deep inside a mangled reactor hall. “It’s like the embers in a barbecue pit,” says Neil Hyatt, a nuclear materials chemist at the University of Sheffield. Now, Ukrainian scientists are scrambling to determine whether the reactions will wink out on their own—or require extraordinary interventions to avert another accident.
Sensors are tracking a rising number of neutrons, a signal of fission, streaming from one inaccessible room, Anatolii Doroshenko of the Institute for Safety Problems of Nuclear Power Plants (ISPNPP) in Kyiv, Ukraine, reported last week during discussions about dismantling the reactor. “There are many uncertainties,” says ISPNPP’s Maxim Saveliev. “But we can’t rule out the possibility of [an] accident.” The neutron counts are rising slowly, Saveliev says, suggesting managers still have a few years to figure out how to stifle the threat. Any remedy he and his colleagues come up with will be of keen interest to Japan, which is coping with the aftermath of its own nuclear disaster 10 years ago at Fukushima, Hyatt notes. “It’s a similar magnitude of hazard.”
The specter of self-sustaining fission, or criticality, in the nuclear ruins has long haunted Chernobyl. When part of the Unit Four reactor’s core melted down on 26 April 1986, uranium fuel rods, their zirconium cladding, graphite control rods, and sand dumped on the core to try to extinguish the fire melted together into a lava. It flowed into the reactor hall’s basement rooms and hardened into formations called fuel-containing materials (FCMs), which are laden with about 170 tons of irradiated uranium—95% of the original fuel.
The concrete-and-steel sarcophagus called the Shelter, erected 1 year after the accident to house Unit Four’s remains, allowed rainwater to seep in. Because water slows, or moderates, neutrons and thus enhances their odds of striking and splitting uranium nuclei, heavy rains would sometimes send neutron counts soaring. After a downpour in June 1990, a “stalker”—a scientist at Chernobyl who risks radiation exposure to venture into the damaged reactor hall—dashed in and sprayed gadolinium nitrate solution, which absorbs neutrons, on an FCM that he and his colleagues feared might go critical. Several years later, the plant installed gadolinium nitrate sprinklers in the Shelter’s roof. But the spray can’t effectively penetrate some basement rooms.
Chernobyl officials presumed any criticality risk would fade when the massive New Safe Confinement (NSC) was slid over the Shelter in November 2016. The €1.5 billion structure was meant to seal off the Shelter so it could be stabilized and eventually dismantled. The NSC also keeps out the rain, and ever since its emplacement, neutron counts in most areas in the Shelter have been stable or are declining.
But they began to edge up in a few spots, nearly doubling over 4 years in room 305/2, which contains tons of FCMs buried under debris. ISPNPP modeling suggests the drying of the fuel is somehow making neutrons ricocheting through it more, rather than less, effective at splitting uranium nuclei. “It’s believable and plausible data,” Hyatt says. “It’s just not clear what the mechanism might be.”
The threat can’t be ignored. As water continues to recede, the fear is that “the fission reaction accelerates exponentially,” Hyatt says, leading to “an uncontrolled release of nuclear energy.” There’s no chance of a repeat of 1986, when the explosion and fire sent a radioactive cloud over Europe. A runaway fission reaction in an FCM could sputter out after heat from fission boils off the remaining water. Still, Saveliev notes, although any explosive reaction would be contained, it could threaten to bring down unstable parts of the rickety Shelter, filling the NSC with radioactive dust.
Addressing the newly unmasked threat is a daunting challenge. Radiation levels in 305/2 preclude getting close enough to install sensors. And spraying gadolinium nitrate on the nuclear debris there is not an option, as it’s entombed under concrete. One idea is to develop a robot that can withstand the intense radiation for long enough to drill holes in the FCMs and insert boron cylinders, which would function like control rods and sop up neutrons. In the meantime, ISPNPP intends to step up monitoring of two other areas where FCMs have the potential to go critical.
The resurgent fission reactions are not the only challenge facing Chernobyl’s keepers. Besieged by intense radiation and high humidity, the FCMs are disintegrating—spawning even more radioactive dust that complicates plans to dismantle the Shelter. Early on, an FCM formation called the Elephant’s Foot was so hard scientists had to use a Kalashnikov rifle to shear off a chunk for analysis. “Now it more or less has the consistency of sand,” Saveliev says.
Ukraine has long intended to remove the FCMs and store them in a geological repository. By September, with help from European Bank for Reconstruction and Development, it aims to have a comprehensive plan for doing so. But with life still flickering within the Shelter, it may be harder than ever to bury the reactor’s restless remains.
Posted in: EuropePhysics
doi:10.1126/science.abj3243
Додати відгук