Åtta månader efter kärnkraftsolyckan i april 1986 vid kärnkraftverket i Tjernobyl i Ukraina upptäckte arbetare som gick in i en korridor under den skadade reaktorn nr 4 ett häpnadsväckande fenomen:svart lava som hade strömmat från reaktorhärden, som om det hade varit något typ av mänskligt skapad vulkan. En av de härdade massorna var särskilt uppseendeväckande, och besättningen gav den smeknamnet Elefantfoten eftersom den liknade foten på det massiva däggdjuret.
Sensorer berättade för arbetarna att lavaformationen var så mycket radioaktiv att det skulle ta fem minuter för en person att få en dödlig mängd exponering, som Kyle Hill beskrev i denna artikel från 2013 för vetenskapstidningen Nautilus.
Ett decennium senare fick det amerikanska energidepartementets internationella kärnsäkerhetsprojekt, som samlade in hundratals bilder av Tjernobyl, flera bilder av Elephant's Foot, som beräknades väga 2,2 ton (2 ton).
Sedan dess har Elephant's Foot, som är känt som ett lavaliknande bränsleinnehållande material (LFCM), förblivit ett makabert fascinationsobjekt. Men vad är det egentligen?
Innehåll
Eftersom Elephant's Foot var så radioaktivt använde forskare vid den tiden en kamera på ett hjul för att fotografera den. Några forskare kom tillräckligt nära för att ta prover för analys. Vad de fann var att Elephant's Foot inte var resterna av kärnbränslet.
Istället förklarar kärnkraftsexperter att elefantfoten är sammansatt av ett sällsynt ämne som kallas korium, som produceras vid en kärnkraftsolycka när kärnbränsle och delar av reaktorns kärnstrukturer överhettas och smälter och bildar en blandning. Corium har bara bildats naturligt fem gånger i historien – en gång under Three Mile Island-olyckan i Pennsylvania 1979, en gång i Tjernobyl och tre gånger vid Fukushima Daiichi-fabrikskatastrofen i Japan 2011.
"Om en härdsmälta inte kan avslutas, så kommer den smälta massan så småningom att strömma nedåt till botten av reaktorkärlet och smälta igenom (med ett bidrag av ytterligare smält material) och falla till golvet i inneslutningen," Edwin Lyman, direktör av kärnkraftssäkerhet för Union of Concerned Scientists, förklarar i ett mejl.
"Den heta smälta massan kommer då att reagera med betonggolvet i inneslutningen (om det finns ett), vilket återigen ändrar smältans sammansättning", fortsätter Lyman. "Beroende på typ av reaktor kan smältan spridas och smälta genom inneslutningsväggarna eller fortsätta att smälta genom golvet och så småningom infiltrera grundvatten (detta är vad som hände vid Fukushima). När smältan svalnar tillräckligt kommer den att härda till en hård , stenliknande mineral."
Mitchell T. Farmer, en veteran kärnkraftsingenjör och programledare vid Argonne National Laboratory säger via e-post att corium ser "mycket ut som lava, ett svartaktigt oxidmaterial som blir väldigt trögflytande när det svalnar, flyter som klibbigt smält glas. Det är vad som hände i Tjernobyl med elefantfoten."
Den exakta sammansättningen av ett visst coriumflöde som det som utgör Tjernobyls elefantfot kan variera. Farmer, vars team har simulerat kärnsmältolyckor i forskning, säger att den brunaktiga nyansen på elefantfoten liknar corium "där smältan har eroderats till betong som innehåller en hög grad av kiseldioxid (SiO2), som i grunden är glas. Betong som innehåller mycket kiseldioxid kallas kiselhaltiga, och det är den typ av betong som används för att bygga Tjernobyl-anläggningarna."
Det är vettigt eftersom corium först efter att kärnan smält kommer att bestå av de material som kärnan vanligtvis är gjord av. En del av det är också uranoxidbränsle. Andra ingredienser inkluderar bränslets beläggning - vanligtvis en legering av zirkonium som kallas Zircaloy - och strukturella material, som mestadels är rostfritt stål som består av järn, förklarar Farmer.
"Beroende på när vatten återförs för att kyla coriumet, kan coriumkompositionen utvecklas med tiden", säger Farmer. "När ångan kokar av kan ångan reagera med metaller i koriumet (zirkonium och stål) för att producera vätgas, vars effekter man såg under reaktorolyckorna vid Fukushima Daiichi. De oxiderade metallerna i koriumet omvandlas till oxider, vilket gör att kompositionen ändras."
Om koriumet inte kyls, kommer det att röra sig ner genom reaktorkärlet och smälta mer konstruktionsstål längs vägen, vilket orsakar ännu fler förändringar i dess sammansättning, säger Farmer. "Om den fortfarande är underkyld kan koriumet så småningom smälta genom stålreaktorkärlet och falla ner på betonggolvet i inneslutningen", förklarar han. "Detta hände vid alla tre reaktorerna i Fukushima Daiichi." Betongen som kommer i kontakt med corium kommer så småningom att värmas upp och börja smälta.
När betongen smälter införs betongoxider (vanligtvis känd som "slagg") i smältan, vilket gör att sammansättningen utvecklas ytterligare, förklarar Farmer. Den smältande betongen frigör även ånga och koldioxid, som fortsätter att reagera med metaller i smältan för att producera väte (och kolmonoxid), vilket orsakar ännu fler förändringar i koriumets sammansättning.
Den resulterande röran som skapade Elephant's Foot är extremt farlig. I allmänhet, säger Lyman, är corium mycket farligare än oskadat använt bränsle eftersom det är i ett potentiellt instabilt tillstånd som är svårare att hantera, förpacka och lagra.
"I den mån korium håller kvar högradioaktiva klyvningsprodukter, plutonium och kärnmaterial som har blivit radioaktiva, kommer korium att ha en hög doshastighet och förbli extremt farligt många decennier eller till och med århundraden framöver", förklarar Lyman.
Mycket hårt stelnat korium, som det från elefantfoten, skulle behöva brytas upp för att avlägsna det från skadade reaktorer. "[Detta] kommer att generera radioaktivt damm och öka riskerna för arbetare och möjligen miljön", säger Lyman.
Men vad som är ännu mer oroande är att forskare inte vet hur corium kan bete sig på lång sikt, som när det förvaras i ett kärnavfallsförvar. Vad de vet är att elefantfotens corium sannolikt inte är lika aktiv som den var, och att den kyls ner av sig själv - och kommer att fortsätta att svalna. Men det smälter fortfarande ner och förblir mycket radioaktivt.
2016 fördes New Safe Confinement (NSC) över Tjernobyl för att förhindra fler strålningsläckor från kärnkraftverket. En annan stålkonstruktion byggdes inom inneslutningsskölden för att stödja den ruttnande betongsarkofagen i Tjernobyls reaktor nr 4. NSC skulle – idealiskt – hjälpa till att förhindra ett massivt moln av uraniumdamm från att spridas i luften i händelse av en explosion i rum 305/ 2. Rum 305/2 låg direkt under reaktorns kärna nr 4 och har visat tecken på ökade neutronutsläpp sedan 2016. Det är totalt otillgängligt för människor på grund av de dödliga strålningsnivåerna.
Ingen vill se en annan elefantfot. Farmer har tillbringat större delen av sin karriär med att studera kärnkraftsolyckor och arbeta med corium i ett försök att utveckla sätt för anläggningsoperatörer att avsluta en olycka - hur mycket vatten som ska injiceras och var det ska injiceras, och hur snabbt vatten kan kyla corium och stabilisera det .
"Vi gör stora experiment där vi producerar 'corium' med de riktiga materialen, men vi använder elektrisk uppvärmning för att simulera sönderfallsvärme istället för sönderfallsvärme själv", säger Farmer och förklarar att simuleringen gör experimenten lättare att göra.
"Vi har fokuserat det mesta av vårt arbete på att studera effektiviteten av vattentillsats vid härdning och kylning av korium för olika koriumsammansättningar. Därför forskar vi om olycksbegränsning. Den andra änden av det är förebyggande av olyckor, och detta är ett huvudfokus område för kärnkraftsindustrin."
Nu är det skrämmandeForskare vid Argonne National Laboratory skapade den här videon, som visar en smält pool av uranoxid vid 3 600 grader Fahrenheit (2 000 grader Celsius). Deras experiment har simulerat hur ett sådant lavaflöde skulle erodera betonggolvet i en inneslutningsbyggnad för kärnreaktorer.
