Korium

Przekrój zniszczonego reaktora czarnobylskiego odtworzony na podstawie ostatnich badań. Obraz przestrzennie rozłożonej zastygłej lawy zaznaczono intensywnym czerwonym kolorem, a czerwonawym - beton, który się dostał do zrujnowanego budynku reaktora podczas budowy sarkofagu.

Zastygła lawa w klapie na rurociągu parowym w korytarzu pod reaktorem. Fotografia wykonana przez Aleksandra Borowoja za pomocą peryskopu .

Zastygła lawa na fundamencie (tzw. „stopa słonia”). Fotografa wykonana przez Aleksandra Borowoja za pomocą peryskopu.

Korium - przypominająca wyglądem lawę zastygła mieszanina materiałów wchodzących w skład rdzenia reaktora jądrowego w wyniku jego stopienia. Zawiera paliwo jądrowe i produkty jego rozpadu oraz produkty reakcji z powietrzem, wodą i parą wodną, a także materiały z których zbudowana była konstrukcja rdzenia, pręty regulacyjne, pręty bezpieczeństwa, a w przypadku przepalenia obudowy rdzenia – również beton.

Powstawanie

W wyniku ciężkich pozaprojektowych awarii elektrowni jądrowych, zainicjowanych zdarzeniami, których – z powodu bardzo małego prawdopodobieństwa w projekcie się nie analizuje i nie przewiduje środków do ich opanowania. Dochodzi do topienia się paliwa które zazwyczaj jest skutkiem ustania chłodzenia reaktora. W następstwie takiego zdarzenia roztopione materiały rdzenia o temperaturze ponad 2000 °C i masie dochodzącej do setek ton spływają na dno zbiornika reaktora. W przypadku, gdy jest on przystosowany do zewnętrznego chłodzenia, utrzymują się w nim aż do całkowitego zestalenia się. W sytuacji, gdy takiego układu chłodzenia reaktor nie posiada – jego zbiornik zazwyczaj ulega przetopieniu. Jeśli reaktor jest wyposażony w specjalny zbiornik retencyjny do magazynowania i schładzania roztopionej masy, następuje przemieszczanie się korium do takiego urządzenia, zbudowanego na zewnątrz reaktora i wyposażonego w autonomiczny bierny układ chłodzenia. W ten sposób zapobiega się wylewaniu stopu na betonową płytę fundamentową

Przy chłodzeniu korium wodą występuje niebezpieczeństwo wybuchu pary wodnej i wodoru, mogące naruszyć obudowę bezpieczeństwa. Nie jest wykluczone również powstanie stanu krytycznego, któremu to przypadkowi może sprzyjać:

• Brak w korium substancji pochłaniającej neutrony.

• Niewłaściwy kształt geometryczny urządzenia do magazynowania, umożliwiający utworzenie się w odpowiedniej proporcji uranowo-wodnej kompozycji.

Korium z reaktora Czarnobylskiej Elektrowni Jądrowej

Podczas awarii czarnobylskiej elektrowni, pozbawione chłodzenia paliwo jądrowe, na skutek ciągle trwającej reakcji łańcuchowej, rozgrzało się tak bardzo, że uległo stopieniu. W ciągu kolejnych dni, zalegająca w zniszczonym reaktorze, wciąż aktywna i gorąca masa (ważąca ponad 250 ton, z czego 190 ton to stopiony uran z prętów paliwowych), będąca mieszaniną głównie uranu, cyrkonu z koszulek paliwowych, betonu konstrukcji, a także boru, piasku i dolomitu/serpentynitu którymi zasypywano płonący reaktor, przetopiła żelbetową podstawę reaktora i spłynęła w dół, niszcząc po drodze stropy trzech kolejnych poziomów pospiesznie opróżnionych kolektorów wody, gdzie stygnąc (taka zastygła masa nazywa się „korium”) tężała, zalegając tam do dzisiaj – co ważne, grunt pod dnem najniższego kolektora został wzmocniony i zabezpieczony, bowiem obawiano się, że masa przetopi się aż do gruntu, który zostałby poważnie skażony.

Rdzeń czwartego bloku Elektrowni Czarnobylskiej zawierający 190,2 tony uranu zaczął się topić w ciągu kilku sekund w wyniku gwałtownie rozwijającej się reakcji łańcuchowej, wywołanej awarią reaktywnościową. Akcja opróżniania zbiorników z wody była nie mniej ważna i dramatyczna od ugaszenia i zabezpieczenia szczątków reaktora, gdyż istniało realne niebezpieczeństwo kolejnej eksplozji – gorąca „lawa” w kontakcie z wodą mogłaby doprowadzić do termolizy pary i eksplozji mieszaniny wodoru i tlenu. Co ciekawe, w silnie radioaktywnym korium, na skutek gwałtownych reakcji, powstało kilka nietypowych, różnokolorowych, przypominających minerały form –  czarne i brązowe szkliwo, szaro-purpurowo-brązowe formy przypominające żużel, a także szarobrązowy, porowaty materiał przywodzący na myśl pumeks. Jednym z występujących w korium materiałów, jest „Czarnobylit” – opisany jako nowy „sztuczny minerał”, tworzący czarne struktury krystaliczne podobne do wykwitów kwarcu. Ów „minerał”, składa się z krzemianu cyrkonu i uranu – jest więc bardzo podobny do naturalnie występującego Cyrkonu. Najbardziej znany fragment korium, ze względu na charakterystyczny kształt i ciemną, pomarszczoną powierzchnię, nazwano „Stopą słonia”. Zdjęcia formacji zostały wykonane za pomocą luster, gdyż emitowane przez nią promieniowanie zniszczyłoby nieosłoniętą kliszę.

W procesie formowania się korium można wyróżnić trzy fazy:

1. Podczas pierwszej fazy, trwającej kilka sekund, w niektórych obszarach rdzenia temperatura przekraczała 2600 °C. Stopieniu uległo ok. 30% materiałów rdzenia, tworząc mieszaninę cyrkonu z dwutlenkiem uranu. Początkowa wartość ciepła po wyłączeniowego wynosiła 200 [kW/t].
2. Druga faza trwała sześć dni. W tym okresie zachodziła reakcja roztopionej masy rdzenia z silikatowymi materiałami: piaskiem (zrzucanym na rozżarzony rdzeń z helikoptera), betonem i serpentynem. Istniało niebezpieczeństwo, że w części nieuszkodzonych kaset paliwowych tkwiących w grafitowych blokach może powstać stan krytyczny. Z obliczeń wykonanych pod koniec maja 1986 r. wynikało, że w stopionym materiale pozbawianym wody i prętów sterowania, współczynnik powielania neutronów przy temperaturze 1000 °C mógł osiągnąć wartość k = 1,16.
3. Trzecia faza charakteryzowała się laminacją korium i roztapianiem przezeń trzech żelazobetonowych stropów.

Lawa spływała do dolnych kondygnacji i tam się zestalała. Zawierała ok. 95% pierwotnej masy paliwa, a nadto ok. 412 kg Pu - 239 i 185 kg Pu – 240. W tym okresie liczono się z niebezpieczeństwem powstania „chińskiego syndromu” tzn. z możliwością przeniknięcia lawy do wód gruntowych. Obliczenia wykonane w Instytucie im. I. Kurczatowa potwierdzały, iż taka sytuacja jest realna. W związku z tym 1 maja postanowiono napełnić szyb reaktora ciekłym azotem, który miałby spełnić dwie funkcje: obniżyć temperaturę w dolnych pomieszczeniach budynku reaktora i ograniczyć dopływ tlenu do palącego się grafitu. Jednakże te zabiegi. spodziewanego skutku nie dały. Wobec tego celem niedopuszczenia za wszelką cenę do skażenia wód gruntowych analizowano trzy metody obniżenia temperatury:

• ułożenie pod fundamentem reaktora chłodzących ciekłem azotem rur,
• wtłoczenie pod reaktor betonu o mniejszej przewodności cieplnej - z dodatkiem magnezytu
• zbudowanie pod fundamentem chłodzoną wodą płyty.

Do realizacji wybrano trzecią metodę. Wymiary płyty wynosiły: 30 x 30 m, grubość – 2,5 m. Chłodzenie odbywało się za pomocą ułożonych w środkowej części płyty rur o średnicy 100 mm. Pokryte zostały ochronną warstwą grafitu. Wewnątrz płyty umieszczono czujniki temperatury. Budowanie płyty przez wyspecjalizowane ekipy górników odbywało się całodobowo od 6 maja do 28 czerwca, a po paru tygodniach stwierdzono, że proces przetapiania betonowej struktury pod reaktorem rozwijał się albo zbyt wolno, albo się w ogóle zatrzymał, i płyta stała się zbędna. Ogromny wysiłek włożony w jej stworzenie dowodzi, jak wielkim niepokojem o powstanie „chińskiego syndromu” ogarnięte było wówczas kierownictwo awaryjnej akcji.

Zestalone korium w postaci tzw. „stopy słonia” wykryto w 1989 r. podczas penetrowania dolnych pomieszczeń budynku reaktora. Próbki do badań uzyskano za pomocą odstrzeliwania fragmentów stopionej lawy z karabinu. Badania wykazały, że składała się z dwutlenku krzemu (70%), resztek paliwa (10%) i metalicznych wtrąceń. Osobliwością była obecność uranowo-cyrkonowych kryształów sylikatu. Ten sztuczny materiał otrzymał nazwę „czarnobylit”.