Das vierte Triebwerk des vor mehr als 35 Jahren explodierten Kernkraftwerks Tschernobyl wird heute von zwei Sarkophagen bedeckt: dem von den ersten Liquidatoren gebauten Shelter-Objekt und dem vor drei Jahren fertiggestellten New Safe Confinement (NSC). Was mit den Resten von Kernbrennstoff in den Trümmern des Reaktors passiert, können wir nur anhand der Daten der Strahlungssensoren beurteilen. Anfang Mai veröffentlichte das Magazin Science einen Hinweis, dass in der vierten Reaktorhalle des Kernkraftwerks Tschernobyl wieder Zerfallsreaktionen aktiviert wurden. Eine Woche später bestätigte das Institut für Sicherheitsprobleme von Kernkraftwerken der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Ukraine, dass in einem der Unterreaktorräume des vierten Reaktors des Kernkraftwerks Tschernobyl "der Neutronenfluss zunimmt" Dichte", die aber "die festgelegten Sicherheitsgrenzen nicht überschreitet". Was ist los?
Die Wissenschaft zitiert die Worte der Mitarbeiter des ukrainischen Instituts für Sicherheitsprobleme von Kernkraftwerken, Anatoly Doroshenko und Maxim Savelyev, dass der Neutronenfluss in den Reaktorresten langsam wächst und "das Risiko von Zwischenfällen" nicht ausgeschlossen werden kann. Mit diesen Worten wiederholen sie teilweise die Schlussfolgerungen der Veröffentlichung in der Zeitschrift "Problems of Atomic Science and Technology" im Jahr 2020, deren Autorin Doroshenko ist.
Tatsächlich zeigen mehrere Messgeräte des im Shelter (wie der Sarkophag offiziell heißt) installierten nuklearen Sicherheitsüberwachungssystems, dass die Neutronenflussdichte von 2016 auf 2019 zugenommen hat – im bedeutendsten Fall um 60 Prozent.
Woher kamen die Neutronen am längst "abgekühlten" Ort der Katastrophe und warum sind sie so wichtig?
Neutronen bewirken die Spaltung von Uran-235- oder Plutonium-239-Kernen (die daher als spaltbares Material bezeichnet werden), während der Zerfall von Kernen mit der Freisetzung neuer Neutronen und bei richtiger Geometrie der Materialien ein selbsterhaltendes Reaktionskette aufgebaut. Dies kann bei einer nuklearen Explosion oder dem Betrieb eines Kernreaktors beobachtet werden, und ein spontaner Unfall mit Ausbildung einer Kettenreaktion ist sehr gefährlich.
Im Verlauf des Unfallgeschehens im Block 4 des Kernkraftwerks Tschernobyl blieb etwas weniger als die Hälfte des in den Reaktor geladenen Brennstoffs (80-90 von 200 Tonnen) in Form von Lava im Gebäude zurück brennstoffhaltige Materialien (LFCM, mehr dazu im Material "Chinese Chernobyl Syndrome"). Uran, Plutonium, Americium und Neptunium in dieser gefrorenen Lava zerfallen weiter, wobei bei einigen Zerfallsvarianten Neutronen entstehen.
In den späten 90er Jahren wurde die Gesamtzahl der Neutronen im Shelter auf etwa 109 pro Sekunde geschätzt, was etwa eine Billion Mal weniger ist als der Neutronenfluss in einem in Betrieb befindlichen Gigawatt-Reaktor. Aufgrund des Zerfalls radioaktiver Stoffe hätten wir eine allmähliche Abnahme des Neutronenflusses beobachten müssen, aber Messungen an einigen Stellen zeigen, dass dies nicht genau der Fall ist.
Der beobachtete Anstieg ist bei Detektoren zu beobachten, die in Trümmerbohrungen und Betonfluten rund um Raum 305/2 installiert sind, der sich vor dem Unfall direkt unter dem Reaktor befand.
Nach dem Unfall stellte sich heraus, dass dieser Raum unzugänglich war. Sowohl strahlungsbedingte (mit Strahlenrisiko verbundene) als auch nukleare (mit dem Risiko einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion verbundene) Messungen sind indirekt. Doroshenko und Co-Autoren betonen in ihrem Artikel, dass die Detektoren, die sich in der Nähe von Raum 305/2 befinden, wo die größte Ansammlung von Brennstoffmassen verblieb, durch Beton und Schutt zu stark davor abgeschirmt sind. Als Ergebnis stellt sich heraus, dass das Neutronen-"Rauschen" von anderen LFCM die wichtigste Quelle ist, so dass die Genauigkeit der Wachstumsdaten nicht sehr hoch ist, um den beobachteten Flussanstieg mit einer bestimmten Materialanhäufung in Verbindung zu bringen.
Standort von LFCM (rot) in den Resten der Räume 305/2 und 3 Brunnen, in denen Neutronendetektoren installiert sind, zeigt eine Zunahme des Flusses
Was passiert da
Ein Kernreaktor ist in erster Linie eine Vorrichtung zur Vervielfachung von Neutronen, mit deren Hilfe Kernspaltungsenergie gewonnen wird. Die Reproduktion wird durch die Organisation einer solchen Geometrie des spaltbaren Materials und eines Moderators erreicht, bei dem die Anzahl der Neutronen nach jedem Spaltungsvorgang zunimmt und eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion bildet. Wird ein Teil der Neutronen der neuen Generation so absorbiert oder aus dem Kern entweichen können, dass ihre Anzahl konstant bleibt, wird die Leistung auf dem gleichen Niveau gehalten.
Dies zu organisieren ist nicht einfach, und für LFCM im Shelter zeigen Berechnungen, dass es zum Starten einer beschleunigten Kettenreaktion notwendig wäre, die Absorption von Neutronen durch "neutrale" Materialien und deren Austritt über die gefrorene Schmelze hinaus um mindestens. zu reduzieren 2,5 mal. Solche Veränderungen in der Keramik selbst können nicht von selbst auftreten, aber es sind Poren und Risse darin, so dass sich etwas ändern kann.
Die Hauptrolle bei den Veränderungen spielt Wasser, das sich seit dem Unfallzeitpunkt in den Trümmern des vierten Triebwerks angesammelt hat. Nach dem Bau des Shelters stellte sich heraus, dass weiterhin Regen- und Schmelzwasser in das Innere floss, aber Anfang 1990 hatte sich ein gewisses Gleichgewicht des Wasserhaushalts eingestellt. Veränderungen der Neutronenaktivität in den Räumen unter dem Sarkophag waren, wie die Wissenschaftler im selben Artikel schreiben, saisonabhängig: Trockene Perioden gingen mit einer Zunahme der Neutronenflussdichte einher, feuchte Perioden dagegen.
Dynamik der Neutronenflussdichte in der Schmelzzone des OP im südöstlichen Teil von Raum 305/2 für identische Zeiträume von 2014-2015 und 2016-2017
Diese Situation änderte sich, als Mitte der 2010er Jahre die New Safe Confinement auf dem Shelter errichtet wurde - der Wasserfluss in die Reste des Aggregats wurde stark reduziert.
Aus der oben erwähnten LFCM-Neutronenphysik-Publikation geht auch hervor, dass es einen Punkt der „optimalen Befeuchtung“gibt, an dem die Zunahme der Neutronenzahl in jeder Generation ein Maximum erreicht. Wenn also mit Wasser überflutetes LFCM austrocknet, nimmt der Neutronenfluss zunächst zu und erst nach Durchlaufen der "optimalen Befeuchtung" wieder ab - das sehen wir wahrscheinlich jetzt.
Dies liegt daran, dass Wasser sowohl ein starker Moderator als auch ein starker Absorber von Neutronen ist. Die Abbremsung von Neutronen ist eine Abnahme ihrer Energie von Millionen von Elektronenvolt bei der Geburt in einer Kernreaktion auf Hundertstel eines Elektronenvolts - die durchschnittliche Wärmeenergie von Atomen bei Raumtemperatur. Es ist wichtig, weil der Kern von Uran-235 oder Plutonium-239 mit einer etwa 1000-fach höheren Wahrscheinlichkeit ein verlangsamtes Neutron absorbiert als ein schnelles Neutron, das gerade in der Reaktion aufgetreten ist. Daher erhöhen wir durch die Zugabe von Wasser zu Uran die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung und erhöhen sozusagen die Urankonzentration praktisch um ein Vielfaches. Wenn jedoch genügend Wasser vorhanden ist, haben alle Neutronen Zeit, darin zu verlangsamen, und seine weitere Zugabe führt nur zu einer Erhöhung der Absorption wertvoller Neutronen.
Aber was kann sein, wenn die Berechnungen und Modelle falsch sind und tatsächlich irgendwo Bedingungen für das Auftreten einer spontanen Kettenreaktion bestehen? In der Geschichte der Arbeit der Menschheit mit spaltbarem Material sind solche Unfälle mehr als einmal aufgetreten (z.
So sieht das schlimmste Szenario aus
Was passiert, wenn dennoch irgendwo im Volumen der brennstoffhaltigen Lava eine sich beschleunigende Kettenreaktion einsetzt?
Irgendwann beginnt der Neutronenfluss exponentiell zu wachsen, und in wenigen Millisekunden erreicht die Leistung der Kettenreaktion ein Kilowatt oder Megawatt - im Allgemeinen ein Niveau, das ausreicht, um das Brennmaterial und die Umgebung schnell aufzuwärmen. Negative physikalische Zusammenhänge werden funktionieren: der nukleare Doppler-Effekt in Uran und das Abkochen von Wasser, das Verhältnis der Erzeugung neuer Neutronen bei der Uranspaltung und deren Absorption wird kleiner als eins - und die Reaktion wird gestoppt. Dieser gesamte Zyklus dauert nicht länger als eine Sekunde, wird aber nur von Beobachtungsinstrumenten für einen scharfen Ausbruch von Neutronen- und Gammastrahlung wahrgenommen.
Dann kühlt das „erwachte“Material ab und kann wieder mit Wasser gefüllt werden. Dementsprechend kann der Zyklus mit Erhöhung der Reaktionsleistung und Erwärmung wiederholt werden – und zwar solange, bis der Wassergehalt in diesem Bereich zu gering wird, um die Neutronen effektiv zu verlangsamen.
Wenn dies in den Jahren 2016-2019 geschah, hätte bei der Verdunstung von Wasser aus LFCM im Volumen des neuen sicheren Einschlusses die Konzentration radioaktiver Aerosole zunehmen müssen, die wahrscheinlich durch das NSC-Filtersystem verzögert und bemerkt worden wären von den Sensoren des Nuklear- und Strahlenschutzüberwachungssystems, aber keine direkten Daten, die wir darüber nicht haben.
In diesem Fall ist das obige Szenario eine Kette von extrem kühnen Annahmen. Und auch der Kommentar "GSP ChNPP" widerlegt die Variante mit der Entwicklung einer Kettenreaktion bei LFCM. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die Forscher in den 35 Jahren seit dem Unfall offenbar der Bedrohungen in den Überresten des vierten Triebwerks und der Barrieren ihrer Ausbreitung bewusst sind. Das Wachstum des Neutronenflusses wurde vorab rechnerisch vorhergesagt und ist kein Indikator für eine Zunahme der Gefahr, sondern bestätigt vielmehr die Richtigkeit der aufgestellten Modelle.
