Noot van de redactie: dit verhaal is bijgewerkt op maandag 10 juni om 16:45 uur. E.D.T.
In de nieuwe HBO-miniserie 'Tsjernobyl' onthullen Russische wetenschappers de reden voor een explosie in Reactor 4 in de kerncentrale van Tsjernobyl, die radioactief materiaal in Noord-Europa uitspuwde.
Die reactor, een ontwerp genaamd de RBMK-1000, bleek na het ongeluk in Tsjernobyl fundamenteel gebrekkig te zijn. En toch zijn er nog steeds 10 van hetzelfde type reactor in gebruik in Rusland. Hoe weten we of ze veilig zijn?
Het korte antwoord is: dat doen we niet. Deze reactoren zijn aangepast om het risico op een nieuwe ramp in Tsjernobyl-stijl te verminderen, zeggen experts, maar ze zijn nog steeds niet zo veilig als de meeste westerse reactoren. En er zijn geen internationale waarborgen die de bouw van nieuwe fabrieken met vergelijkbare gebreken zouden voorkomen.
"Er zijn een groot aantal verschillende soorten reactoren die nu worden overwogen in verschillende landen die aanzienlijk verschillen van de standaard lichtwaterreactor, en veel daarvan hebben veiligheidsgebreken die de ontwerpers bagatelliseren", zegt Edwin Lyman, een senior wetenschapper en de waarnemend directeur van het Nuclear Safety Project bij de Union of Concerned Scientists.
'Hoe meer dingen veranderen', vertelde Lyman aan WordsSideKick.com, 'hoe meer ze hetzelfde blijven.'
Reactor 4
In het centrum van de ramp in Tsjernobyl stond de RBMK-1000-reactor, een ontwerp dat alleen in de Sovjet-Unie werd gebruikt. De reactor was anders dan de meeste lichtwater-kernreactoren, het standaardontwerp dat in de meeste westerse landen wordt gebruikt. (Sommige vroege Amerikaanse reactoren op de Hanford-site in de staat Washington hadden een soortgelijk ontwerp met vergelijkbare gebreken, maar werden halverwege de jaren zestig verholpen.)
Lichtwaterreactoren bestaan uit een groot drukvat met nucleair materiaal (de kern), dat wordt gekoeld door een circulerende watertoevoer. Bij kernsplijting splitst een atoom (uranium, in dit geval), waardoor warmte en vrije neutronen ontstaan, die in andere atomen zinken, waardoor ze splitsen en warmte en meer neutronen afgeven. De warmte verandert het circulerende water in stoom, die vervolgens een turbine verandert en elektriciteit opwekt.
In lichtwaterreactoren fungeert het water ook als moderator om de voortdurende kernsplijting in de kern te helpen beheersen. Een moderator vertraagt vrije neuronen zodat ze de splijtingsreactie vaker voortzetten, waardoor de reactie efficiënter wordt. Wanneer de reactor opwarmt, verandert meer water in stoom en is er minder beschikbaar om deze moderatorrol te spelen. Als gevolg hiervan vertraagt de splijtingsreactie. Die negatieve feedbacklus is een belangrijke veiligheidsfunctie die ervoor zorgt dat de reactoren niet oververhit raken.
De RBMK-1000 is anders. Het gebruikte ook water als koelmiddel, maar met grafietblokken als moderator. Door de variaties in het reactorontwerp kon het minder verrijkte brandstof gebruiken dan normaal en tijdens het rijden worden bijgetankt. Maar met de rollen van koelmiddel en moderator gescheiden, werd de negatieve feedbacklus van 'meer stoom, minder reactiviteit' verbroken. In plaats daarvan hebben RBMK-reactoren een zogenaamde "positieve leegte-coëfficiënt".
Wanneer een reactor een positieve leegte-coëfficiënt heeft, versnelt de splijtingsreactie naarmate het koelwater in stoom verandert, in plaats van te vertragen. Dat komt omdat koken bubbels of holtes in het water opent, waardoor neutronen gemakkelijker rechtstreeks naar de splijtingsverbeterende grafietmoderator kunnen reizen, zei Lars-Erik De Geer, een kernfysicus die met pensioen is bij het Zweedse ministerie voor defensieonderzoek.
Vanaf daar vertelde hij aan WordsSideKick.com dat het probleem toeneemt: de splijting wordt efficiënter, de reactor wordt heter, het water wordt stomende, de splijting wordt nog efficiënter en het proces gaat door.
Aanloop naar een ramp
Toen de fabriek in Tsjernobyl op volle kracht draaide, was dit geen groot probleem, zei Lyman. Bij hoge temperaturen heeft de uraniumbrandstof die de splijtingsreactie aandrijft, de neiging meer neutronen te absorberen, waardoor deze minder reactief wordt.
Bij laag vermogen worden RBMK-1000-reactoren echter erg onstabiel. In de aanloop naar het ongeluk in Tsjernobyl op 26 april 1986 deden de operators een test om te zien of de turbine van de fabriek tijdens een stroomstoring noodapparatuur kon laten draaien. Voor deze test moest de installatie met verminderd vermogen draaien. Terwijl de stroom werd verlaagd, kregen de exploitanten van Kiev de operators opdracht het proces te onderbreken. Een conventionele fabriek was offline gegaan en de energieopwekking van Tsjernobyl was nodig.
'Dat was eigenlijk de belangrijkste reden waarom het uiteindelijk allemaal gebeurde', zei De Geer.
De centrale draaide 9 uur op gedeeltelijk vermogen. Toen de operatoren groen licht kregen voor het grootste deel van de weg, was er een opeenhoping van neutronenabsorberend xenon in de reactor opgetreden en konden ze het juiste splijtingsniveau niet handhaven. De kracht viel bijna op niets. Om het een boost te geven, verwijderden de operators de meeste controlestaven, die zijn gemaakt van neutronenabsorberend boorcarbide en worden gebruikt om de splijtingsreactie te vertragen. Exploitanten verminderden ook de waterstroom door de reactor. Dit verergerde het probleem van de positieve leegte-coëfficiënt, aldus de Kernenergieagentschap. Plots werd de reactie inderdaad heel heftig. Binnen enkele seconden steeg het vermogen tot 100 keer de weerstand van de reactor.
Er waren andere ontwerpfouten die het moeilijk maakten om de situatie weer onder controle te krijgen zodra deze was begonnen. Zo zijn de stuurstangen voorzien van grafiet, zegt De Geer. Toen de operators zagen dat de reactor in de war raakte en probeerden de stuurstangen te laten zakken, kwamen ze vast te zitten. Het directe effect was niet om de splijting te vertragen, maar om het lokaal te verbeteren, omdat het extra grafiet aan de uiteinden aanvankelijk de efficiëntie van de splijtingsreactie in de buurt verhoogde. Twee explosies volgden snel. Wetenschappers debatteren nog steeds precies wat de oorzaak was van elke explosie. Het kunnen beide stoomexplosies zijn geweest door de snelle drukverhoging in het circulatiesysteem, of het kan stoom zijn geweest en de tweede een waterstofexplosie veroorzaakt door chemische reacties in de falende reactor. Gebaseerd op de detectie van xenonisotopen in Cherepovets, 230 mijl (370 kilometer) ten noorden van Moskou na de explosie, gelooft De Geer dat de eerste explosie eigenlijk een straal nucleair gas was die enkele kilometers de atmosfeer in schoot.
Veranderingen gemaakt
De onmiddellijke nasleep van het ongeval was "een zeer zenuwslopende tijd" in de Sovjet-Unie, zei Jonathan Coopersmith, een technologiehistoricus aan de Texas A&M University die in 1986 in Moskou was. Aanvankelijk hielden de Sovjetautoriteiten de informatie dicht; de door de staat gerunde pers begroef het verhaal en de geruchtenmolen nam het over. Maar ver weg in Zweden ontdekten De Geer en zijn collega-wetenschappers al ongebruikelijke radioactieve isotopen. De internationale gemeenschap zou spoedig de waarheid kennen.
Op 14 mei hield de Sovjetleider Michail Gorbatsjov een toespraak op televisie waarin hij opende over wat er was gebeurd. Het was een keerpunt in de Sovjetgeschiedenis, vertelde Coopersmith aan WordsSideKick.com.
'Het maakte glasnost echt', zei Coopersmith, verwijzend naar het ontluikende beleid van transparantie in de Sovjet-Unie.
Het betekende ook een nieuw tijdperk in samenwerking voor nucleaire veiligheid. In augustus 1986 hield de Internationale Organisatie voor Atoomenergie een top na een ongeval in Wenen, en Sovjetwetenschappers benaderden deze met een ongekend open gevoel, zei De Geer, die aanwezig was.
'Het was verbazingwekkend hoeveel ze ons vertelden', zei hij.
Onder de veranderingen in reactie op Tsjernobyl waren aanpassingen aan de andere RBMK-1000-reactoren die in bedrijf waren, 17 destijds. Volgens de World Nuclear Association, die kernenergie bevordert, omvatten deze veranderingen de toevoeging van remmers aan de kern om weglopende reacties bij laag vermogen te voorkomen, een toename van het aantal bedieningsstaven dat tijdens bedrijf wordt gebruikt en een toename van brandstofverrijking. De controlestaven werden ook achteraf gemonteerd zodat het grafiet niet zou bewegen in een positie die de reactiviteit zou verhogen.
De drie andere reactoren van Tsjernobyl werkten tot 2000, maar zijn sindsdien gesloten, evenals twee andere RBMK's in Litouwen, die werden gesloten omdat het land de Europese Unie moest binnenkomen. Er zijn vier RBMK-reactoren in Kursk, drie in Smolensk en drie in St. Petersburg (een vierde werd in december 2018 buiten gebruik gesteld).
Deze reactoren 'zijn niet zo goed als de onze', zei De Geer, 'maar ze zijn beter dan vroeger.'
"Er waren fundamentele aspecten van het ontwerp die niet konden worden opgelost, wat ze ook deden", zei Lyman. 'Ik zou niet zeggen dat ze de veiligheid van de RBMK in het algemeen hebben kunnen verhogen tot de standaard die je zou verwachten van een westerse lichtwaterreactor.'
Bovendien merkte De Geer op dat de reactoren niet waren gebouwd met volledige insluitingssystemen zoals te zien is in reactoren in westerse stijl. Containment-systemen zijn schilden van lood of staal, bedoeld om te voorkomen dat radioactief gas of stoom in de atmosfeer ontsnapt bij een ongeval.
Oversight over het hoofd gezien?
Ondanks de potentieel internationale gevolgen van een ongeluk met een kerncentrale, is er geen bindende internationale overeenkomst over wat een "veilige" centrale is, zei Lyman.
Het Verdrag inzake nucleaire veiligheid vereist dat landen transparant zijn over hun veiligheidsmaatregelen en staat peer review van fabrieken toe, zei hij, maar er zijn geen handhavingsmechanismen of sancties. Individuele landen hebben hun eigen regelgevende instanties, die alleen zo onafhankelijk zijn als lokale overheden hen in staat stellen, zei Lyman.
'Hoe kun je in landen waar corruptie en gebrek aan goed bestuur heerst, verwachten dat een onafhankelijke regelgevende instantie zal kunnen functioneren?' Zei Lyman.
Hoewel niemand anders dan de Sovjet-Unie RBMK-1000-reactoren heeft gemaakt, hebben sommige voorgestelde nieuwe reactorontwerpen een positieve leegte-coëfficiënt, zei Lyman. Zo hebben bijvoorbeeld snelle kweekreactoren, dat zijn reactoren die meer splijtbaar materiaal genereren naarmate ze stroom opwekken, een positieve holtecoëfficiënt hebben. Rusland, China, India en Japan hebben dergelijke reactoren allemaal gebouwd, hoewel Japan niet operationeel is en gepland is voor ontmanteling en dat India tien jaar achterloopt op het openingsschema. (Er zijn ook reactoren met kleine positieve leegte-coëfficiënten die in Canada werken.)
'De ontwerpers beweren dat als je met alles rekening houdt, ze over het algemeen veilig zijn, dus dat maakt niet zoveel uit', zei Lyman. Maar ontwerpers moeten niet overmoedig zijn in hun systemen, zei hij.
'Dat soort gedachten hebben de Sovjets in moeilijkheden gebracht', zei hij. 'En dat is wat ons in de problemen kan brengen, door niet te respecteren wat we niet weten.'
Noot van de redacteur: dit verhaal is bijgewerkt om op te merken dat de meeste, maar niet alle, regelstaven uit de reactor zijn verwijderd en om op te merken dat sommige vroege reactoren in de Verenigde Staten ook een positieve leegte-coëfficiënt hadden, hoewel hun ontwerpfouten waren verholpen .
