AZ-5

Przełącznik uruchomienia procedury awaryjnego wygaszenia reaktora AZ-5.

AZ-5 (ros. АЗ-5, Aварийной Защиты 5-й категории, pol. Awaryjna Ochrona 5-tej kategorii) – procedura awaryjnego wygaszenia reaktora jądrowego. Polega ona na wsunięciu do rdzenia reaktora wszystkich prętów kontrolnych i awaryjnych (także tych wyjętych wcześniej ręcznie). Pręty awaryjne opuszczone do rdzenia mają ujemną reaktywność i powodują natychmiastowe przerwanie reakcji łańcuchowej, co prowadzi do jego całkowitego wygaszenia. Wykonane są z materiałów silnie pochłaniających neutrony (kadm, bor, hafn). Procedura AZ-5 aktywuje awaryjne wyłączanie reaktora.

AZ-5 a wypadek w Czarnobylskiej Elektrowni Jądrowej

W reaktorach typu czarnobylskiego (RBMK-1000) od momentu zwolnienia prętów, do wygaszenia reakcji łańcuchowej i osiągnięcia przez reaktor mocy generowanej wyłącznie przez ciepło po wyłączeniowe mija od 18 do 20 sekund przy maksymalnej prędkości opuszczania 0.4 m/s (dla porównania w reaktorach PWR/WWER czas ten jest o wiele krótszy i wynosi 1,5-2 sekundy).

Po naciśnięciu AZ-5 (1:23:40) nastąpiło wprowadzanie prętów sterujących do rdzenia reaktora. Mechanizm wprowadzania prętów sterujących działał z szybkością 0,4 m/s, tak że pręty potrzebowały od 18 do 20 sekund na umieszczenie całego rdzenia którego długość to około 7 metrów. Większość (179) prętów kontrolnych wyposażona była w charakterystyczne głowice – tzw. jeźdźców. Między jeźdźcem, a trzonem pręta występowała niewielka przestrzeń. Jeździec, wykonany z grafitu, gdy wsuwa się do rdzenia, jest praktycznie przezroczysty dla neutronów, podczas gdy woda, którą wypycha z kanału, jest ich pochłaniaczem. Oznacza to, że podczas wprowadzania pręta, jego jeździec zwiększa moc rdzenia, nim trzon pręta ją obniży. Stąd wsuwanie prętów w początkowej fazie procedury nie tylko nie zmniejszało mocy, ale powodowało jej uderzeniowy przyrost.

Po kilku sekundach od naciśnięcia AZ-5 nastąpił skok mocy, a rdzeń przegrzał się, powodując pęknięcie niektórych kanałów paliwowych, blokując pręty kontrolne i pręty sterujące które były wsunięte zaledwie w jednej trzeciej. W ciągu trzech sekund moc reaktora wzrosła do 530 MW.

Kolejny przebieg wydarzeń nie został zarejestrowany przez instrumenty pomiarowe; jest znany tylko jako wynik symulacji matematycznej. Wydaje się, że skok mocy spowodował wzrost temperatury paliwa i ilości pary, prowadząc do szybkiego wzrostu jej ciśnienia. Spowodowało to awarię okładziny paliwowej, uwalniając elementy paliwowe do chłodziwa i rozrywając kanały, w których znajdowały się te elementy. 

Uruchomienie procedury mogło być odpowiedzią na nagły wzrost mocy, jednakże były zastępca naczelnego inżyniera ds. eksploatacji bloków energetycznych III i IV Anatolij Diatłow na łamach swojej książki Czarnobyl. Jak to było tak tłumaczy jej przeprowadzenie:

Przed godziną 01:23:40 centralny system kontrolny (...) nie zarejestrował żadnych zmian parametrów, które usprawiedliwiałyby AZ-5. Komisja (...) zebrała i przeanalizowała dużą ilość materiału i jak oświadczyła w raporcie, nie ustaliła przyczyny rozpoczęcia AZ-5. Nie ma też powodu by jej szukać. Reaktor po prostu miał zostać wyłączony po zakończeniu eksperymentu.

Powód, dla którego aktywowano AZ-5, do dnia dzisiejszego nie jest znany niezależnie od tego, czy został wykonany jako środek awaryjny w odpowiedzi na gwałtowny wzrost mocy, czy po prostu jako rutynowa metoda wyłączania reaktora po zakończeniu eksperymentu. Niektóre źródła sugerują, że procedura nie została aktywowana ręcznie przez operatora, a automatycznie przez system ochrony awaryjnej, mimo że SKALA zarejestrowała jedynie jej ręczne włączenie.

Po wypadku procedura ta została dopracowana poprzez wymianę przycisku na przełącznik oraz wprowadzenie zapamiętywania sygnału, co wraz z modernizacją prętów kontrolnych miało zapobiec podobnym przypadkom w przyszłości.

Konstrukcja prętów kontrolnych w wykonaniu przed katastrofą (a) i po katastrofie (b). Rozmiary podane w centymetrach.

Chronologia włączenia AZ-5

• 1:22:30 – Leonid Toptunow zauważa na wydruku komputerowym systemu SKALA, że tzw. poziom reaktywności spadł tak dalece, że reaktor powinien zostać natychmiast wyłączony. Mimo wszystko test nie został wstrzymany.
• 1:23:04 – rozpoczyna się główny test. Starszy inżynier sterowania turbinami Igor Kirszenbaum na polecenia Anatolija Diatłowa zamyka SRK (zawory regulujące zatrzymanie) TG (turbogenerator) nr 8. Oznacza to, iż od tej pory para wytwarzana w reaktorze przestanie dochodzić do turbiny, która kręcić się będzie już tylko siłą inercji. Istniejące zabezpieczenia chroniące przed wyłączeniem SKR zostały wyłączone. aby móc powtórzyć test jeśli pierwsza próba się nie powiedzie. Po chwili rozpoczął się wzrost mocy.
• 1:23:39 – naczelnik zmiany bloku Aleksandr Akimow wydaje polecenie o natychmiastowym włączeniu AZ-5 i tym samym wygaszeniu reaktora.

• 1:23:47 – moc cieplna osiągnęła 30 GW, niemal dziesięciokrotnie przekraczając normalny poziom. Gwałtowny wzrost ciśnienia zniszczył kanały paliwowe i rozerwał rury z wodą chłodzącą. Paliwo zaczęło się topić i wpadać do zalegającej na dnie wody
• 1:24:00 – wzrost ciśnienia znajdującej się w reaktorze pary wodnej doprowadził do pierwszej eksplozji pary, która wysadziła ważącą 1000 ton osłonę biologiczną (antyradiacyjną) pokrywającą reaktor. Kompletnie zniszczony rdzeń reaktora wszedł w kontakt z chłodziwem, co spowodowało reakcję cyrkonowych wyściółek kanałów paliwowych z wodą, która zaczęła rozkładać się z wydzielaniem wodoru, a po zniszczeniu cyrkonowych osłon bezpośrednio zetknęła się z rozżarzonym grafitem o temperaturze 3000 °C i doszło do jej termolizy z wydzielaniem mieszaniny piorunującej (wodór i tlen w stosunku 2:1).