Redaktörens anmärkning: Den här berättelsen uppdaterades måndag 10 juni klockan 04.45. E.D.T.
I den nya HBO-miniserien "Tjernobyl" avslöjar ryska forskare orsaken till en explosion i reaktor 4 vid kärnkraftverket i Tjernobyl, som spydde radioaktivt material över norra Europa.
Den reaktorn, en design som kallas RBMK-1000, upptäcktes vara fundamentalt felaktig efter Tjernobyl-olyckan. Och ändå finns det fortfarande tio av samma typ av reaktor i drift i Ryssland. Hur vet vi om de är säkra?
Det korta svaret är att vi inte gör det. Dessa reaktorer har modifierats för att minska risken för en annan katastrof i Tjernobyl-stil, säger experter, men de är fortfarande inte lika säkra som de flesta reaktorer i västerländsk stil. Och det finns inga internationella skyddsåtgärder som skulle förhindra byggandet av nya anläggningar med liknande brister.
"Det finns ett helt antal olika typer av reaktorer som övervägs nu i olika länder som skiljer sig väsentligt från standardvattenreaktorn, och många av dem har säkerhetsbrister som konstruktörerna bagatelliserar," sade Edwin Lyman, en seniorforskare och tillförordnad chef för kärnsäkerhetsprojektet vid Union of Concerned Scientists.
"Ju fler saker förändras," sade Lyman till Live Science, "desto mer förblir de samma."
Reaktor 4
I centrum för Tjernobyl-katastrofen låg RBMK-1000-reaktorn, en design som endast användes i Sovjetunionen. Reaktorn skilde sig från de flesta kärnreaktorer med lätt vatten, standardkonstruktionen som användes i de flesta västerländska länder. (Vissa tidiga amerikanska reaktorer på Hanford Site i delstaten Washington var en liknande design med liknande brister, men fixades i mitten av 1960-talet.)
Lättvattenreaktorer består av ett stort tryckkärl som innehåller kärnmaterial (kärnan), som kyls av en cirkulerande tillförsel av vatten. I kärnklyvning splittras en atom (uran, i detta fall), vilket skapar värme och fria neutroner, som zing i andra atomer, vilket får dem att dela upp och frigöra värme och fler neutroner. Värmen förvandlar det cirkulerande vattnet till ånga, som sedan vänder en turbin och genererar elektricitet.
I lättvattenreaktorer fungerar vattnet också som moderator för att kontrollera den pågående kärnklyvningen i kärnan. En moderator bromsar fria neuroner så att de är mer benägna att fortsätta klyvningsreaktionen, vilket gör reaktionen effektivare. När reaktorn värms upp vänder mer vatten till ånga, och mindre är tillgängligt för att spela denna moderatorroll. Som ett resultat bromsar klyvningsreaktionen. Den negativa återkopplingsslingan är en viktig säkerhetsfunktion som hjälper till att förhindra att reaktorerna överhettas.
RBMK-1000 är annorlunda. Den använde också vatten som kylvätska, men med grafitblock som moderator. Variationerna i reaktorkonstruktionen gjorde det möjligt att använda mindre anrikat bränsle än vanligt och att tankas under körning. Men med kylvätskan och moderatorrollerna separerade, bröts den negativa återkopplingsslingan "mer ånga, mindre reaktivitet". Istället har RBMK-reaktorer det som kallas en "positiv tom koefficient."
När en reaktor har en positiv tomrumskoefficient, påskyndas fissionreaktionen när kylvätskan vänder till ånga, snarare än att sakta ner. Det beror på att kokning öppnar upp bubblor eller tomrum i vattnet, vilket gör det lättare för neutroner att resa rätt till den fissionförbättrande grafitmoderatoren, sa Lars-Erik De Geer, en kärnfysiker som är pensionerad från Försvarsforskningsverket.
Därifrån, berättade han för Live Science, bygger problemet: Spaltningen blir effektivare, reaktorn blir varmare, vattnet blir ångare, klyvningen blir effektivare och processen fortsätter.
Upp till katastrof
När Tjernobyl-anläggningen körde på full kraft var detta inte ett stort problem, sa Lyman. Vid höga temperaturer tenderar det uranbränsle som driver klyvningsreaktionen att absorbera fler neutroner, vilket gör det mindre reaktivt.
Vid låg effekt blir dock RBMK-1000-reaktorer mycket instabila. I början av Tjernobyl-olyckan den 26 april 1986 gjorde operatörerna ett test för att se om anläggningens turbin kunde köra nödutrustning under ett strömavbrott. Detta test krävde att anläggningen körs med reducerad effekt. Medan makt sänktes, beordrades operatörerna av Kievs kraftmyndigheter att pausa processen. En konventionell anläggning hade gått offline och Tjernobyls kraftproduktion behövdes.
"Det var väldigt huvudorsaken till att allt hände i slutändan," sade De Geer.
Anläggningen körde med delkraft under 9 timmar. När operatörerna fick klarsignalen till det mesta av resten av vägen ner, hade det skett en uppbyggnad av neutronabsorberande xenon i reaktorn, och de kunde inte upprätthålla lämplig klyvningsnivå. Kraften föll till nästan ingenting. Försöker man öka det, tog operatörerna bort de flesta styrstavar, som är gjorda av neutronabsorberande borkarbid och används för att bromsa klyvningsreaktionen. Operatörerna minskade också flödet av vatten genom reaktorn. Detta förvärrade det positiva tomrumskoefficientproblemet, enligt Kärnenergiorganet. Plötsligt blev reaktionen verkligen intensiv. Inom några sekunder ökade kraften till 100 gånger vad reaktorn var designad för att motstå.
Det fanns andra designfel som gjorde det svårt att få tillbaka situationen när den startade. Till exempel tippades kontrollstavarna med grafit, säger De Geer. När operatörerna såg att reaktorn började gå i höjdled och försökte sänka styrstavarna fastnade de. Den omedelbara effekten var inte att bromsa klyvningen, utan att förbättra den lokalt, eftersom den ytterligare grafiten vid spetsarna först ökade klyvningsreaktionens effektivitet i närheten. Två explosioner följde snabbt. Forskare debatterar fortfarande exakt vad som orsakade varje explosion. De båda kan ha varit ångexplosioner från den snabba ökningen av trycket i cirkulationssystemet, eller en kan ha varit ånga och den andra en väteexplosion orsakad av kemiska reaktioner i den felaktiga reaktorn. Baserat på upptäckten av xenonisotoper vid Cherepovets, 370 kilometer norr om Moskva efter explosionen, tror De Geer att den första explosionen faktiskt var en strålkärngas som sköt flera kilometer ut i atmosfären.
Förändringar gjorda
Den omedelbara efterdrivningen av olyckan var "en mycket nervös tid" i Sovjetunionen, säger Jonathan Coopersmith, teknikhistoriker vid Texas A&M University som var i Moskva 1986. Först höll sovjetiska myndigheter information nära; den statliga pressen begravde historien, och ryktet kvarn tog över. Men långt borta i Sverige upptäckte De Geer och hans medforskare redan ovanliga radioaktiva isotoper. Det internationella samfundet skulle snart veta sanningen.
Den 14 maj höll sovjetledaren Mikhail Gorbatsjov ett tv-tal där han öppnade om vad som hade hänt. Det var en vändpunkt i den sovjetiska historien, berättade Coopersmith för Live Science.
"Det gjorde glasnost verkligt", sa Coopersmith och hänvisade till den framväxande politiken för öppenhet i Sovjetunionen.
Det öppnade också en ny era i samarbete för kärnsäkerhet. I augusti 1986 höll International Atomic Energy Agency ett toppmöte efter Wien i Wien, och sovjetiska forskare närmade sig det med en enastående känsla av öppenhet, säger De Geer, som deltog.
"Det var fantastiskt hur mycket de berättade för oss," sade han.
Bland förändringarna som svar på Tjernobyl var modifieringar av de andra RBMK-1000-reaktorerna i drift, 17 vid den tiden. Enligt World Nuclear Association, som främjar kärnkraft, inkluderade dessa förändringar tillägg av hämmare till kärnan för att förhindra språngreaktioner vid låg effekt, en ökning av antalet kontrollstavar som används i drift och en ökning av bränsleberikning. Kontrollstavarna monterades också på nytt så att grafiten inte skulle flytta till en position som skulle öka reaktiviteten.
Tjernobyls andra tre reaktorer arbetade fram till 2000 men har sedan dess stängts, liksom ytterligare två RBMK: er i Litauen, som stängdes som ett krav för att landet skulle gå in i Europeiska unionen. Det finns fyra RBMK-reaktorer som arbetar i Kursk, tre i Smolensk och tre i St. Petersburg (en fjärde gick i pension i december 2018).
Dessa reaktorer "är inte lika bra som våra", sade De Geer, "men de är bättre än de brukade vara."
"Det fanns grundläggande aspekter av designen som inte kunde fixas oavsett vad de gjorde," sa Lyman. "Jag skulle inte säga att de kunde öka säkerheten för RBMK totalt sett till den standard som du kan förvänta dig av en västerländsk lättvattenreaktor."
De Geer påpekade dessutom att reaktorerna inte byggdes med fullständig inneslutningssystem som det ses i västerländska reaktorer. Inneslutningssystem är sköldar tillverkade av bly eller stål som är avsedda att innehålla radioaktiv gas eller ånga från att komma ut i atmosfären i händelse av en olycka.
Övergripande förbises?
Trots de potentiella internationella effekterna av en kärnkraftsanläggningsolycka finns det inget bindande internationellt avtal om vad som utgör en "säker" anläggning, sa Lyman.
Konventionen om kärnsäkerhet kräver att länderna är öppna om sina säkerhetsåtgärder och möjliggör peer-review av växter, sade han, men det finns inga verkställighetsmekanismer eller sanktioner. Enskilda länder har sina egna regleringsorgan, som bara är lika oberoende som lokala myndigheter gör det möjligt för dem, sa Lyman.
"I länder där det finns intensiv korruption och brist på goda styrelseformer, hur kan du förvänta dig att något oberoende tillsynsmyndighet kommer att kunna fungera?" Lyman sa.
Även om ingen förutom Sovjetunionen gjorde RBMK-1000-reaktorer, innebär vissa föreslagna nya reaktorkonstruktioner en positiv tomrumskoefficient, sa Lyman. Till exempel har snabbförädlingsreaktorer, som är reaktorer som genererar mer klyvbart material när de genererar kraft, en positiv tomrumskoefficient. Ryssland, Kina, Indien och Japan har alla byggt sådana reaktorer, även om Japans inte är i drift och planeras för avveckling och Indiens är tio år efter planen för öppnande. (Det finns också reaktorer med små positiva tomrumskoefficienter som verkar i Kanada.)
"Formgivarna hävdar att om du tar hänsyn till allt är de säkra, så det spelar ingen roll så mycket," sa Lyman. Men designers borde inte vara övertygade i sina system, sade han.
"Den typen av tänkande är det som fick sovjeterna i problem," sade han. "Och det är vad som kan få oss till problem, genom att inte respektera det vi inte vet."
Redaktörens anmärkning: Den här historien uppdaterades för att notera att de flesta, men inte alla, av styrstavarna togs bort från reaktorn, och för att notera att vissa tidiga reaktorer i USA också hade en positiv tomrumskoefficient, även om deras designfel var fixade .
