Strupczewski_Reaktory po tsunami

Reaktory po tsunami
Autor: prof. dr inż. Andrzej Strupczewski - Instytut Energii Atomowej POLATOM w
Warszawie
(„Energia Elektryczna” – nr 5/2011)
Reaktory w Fukushimie były zaprojektowane bardzo dawno temu. Pierwszy z nich w 1965 r.
Przy ich projektowaniu brano pod uwagę trzęsienie ziemi i tsunami, ale nie przewidziano tak
ogromnego tsunami.
Reaktory w Fukushimie to reaktory z wodą wrzącą BWR, w których para jest wytwarzana w
rdzeniu reaktora i z rdzenia płynie do turbiny znajdującej się poza obudową. Zawarta w niej
radioaktywność jest niewielka, ale ogranicza możliwości upuszczania pary do atmosfery.
Dlatego w sytuacjach awaryjnych gorąca para upuszczana jest do potężnego pierścienia
wodnego, otaczającego zbiornik reaktora i stanowiącego część obudowy bezpieczeństwa
reaktora BWR. Zewnętrzne układy chłodzenia odbierają ciepło od tego pierścienia wodnego i
konstruktorzy reaktorów starają się, by te układy zewnętrzne działały niezawodnie.
Scenariusz awarii
Reaktory w Fukushimie przetrwały trzęsienie ziemi bez uszkodzeń, chociaż było ono
najsilniejszym zanotowanym w historii Japonii, a wyzwolona energia tak olbrzymia, że
spowodowała przesunięcie głównej wyspy tego kraju o 2,4 m. Podczas trzęsienia ziemi
reaktory w Fukushimie wyłączyły się – tak jak powinny – i generacja ciepła wskutek reakcji
rozszczepienia ustała. W paliwie wydzielało się jeszcze tylko ciepło, zwane ciepłem
powyłączeniowym, generowane wskutek emisji promieniowania powodowanego przez
rozpad produktów rozszczepienia, takiego jak promienie gamma lub beta, emitowane przy
rozpadzie jodu czy kryptonu. Natężenie tego grzania po 2 godz. od wyłączenia reaktora
wynosi ok. 1proc. pełnej mocy reaktora przed wyłączeniem. To mało, ale dla reaktora o mocy
3 tys. MW cieplnych to jeszcze wciąż jest 30 MW. Do odbioru grzania powyłączeniowego
służą specjalne układy chłodzenia. W Fukushimie włączyły się one prawidłowo i przez
niemal godzinę po trzęsieniu ziemi odbierały z powodzeniem ciepło z reaktora. Paliwo
studziło się, a ciepło odebrane od reaktora przejmowała wodą chłodząca, która płynęła w
układach rur i pomp na zewnątrz elektrowni. A chociaż wskutek trzęsienia ziemi sieć
energetyczna Japonii padła i elektrownia nie mogła dostać zasilania z zewnątrz, jej układy
chłodzenia pracowały skutecznie nadal, bo elektrownia dysponowała własnymi awaryjnymi
źródłami energii elektrycznej.
Po godzinie uderzyło tsunami. Konstruktorzy elektrowni podczas jej budowy dostali od
specjalistów hydrologów i sejsmologów dokładne wytyczne, przed jakimi zjawiskami mają
chronić elektrownię. Niestety, tsunami przeszło wszelkie oczekiwania. Ściana chroniąca
elektrownię przed tsunami miała 6,5 m, a tsunami ok. 12-14 m. Spiętrzony wał wody przelał
się ponad ścianą ochronną i zniszczył wszystko, co nie było chronione przez obudowy
bezpieczeństwa reaktorów. Niestety, pompy i rurociągi, łączące układy chłodzenia w
reaktorach z basenami chłodzenia poza reaktorami, nie były chronione potężnymi osłonami,
tak jak są chronione same reaktory. Również i silniki Diesla nie były wystarczająco
zabezpieczone. Uderzenie tsunami spowodowało ich zalanie i uszkodzenie. Elektrownia
znalazła się bez zasilania w wodę i energię. Uderzenie tsunami w budynki, gdzie pracowały
generatory zasilania awaryjnego, spowodowało także zalanie zbiorników paliwa. Zasilania
elektrycznego nie udało się przywrócić.
Chociaż natężenie grzania powyłączeniowego malało z każdą godziną, było wciąż jeszcze
znaczące. Po upływie doby od wyłączenia, moc reaktora nr 2 wynosiła ok. 0,5 proc. pełnej
mocy, czyli ok. 12 MW cieplnych. Tymczasem nie było możliwości, by ciepło, przenoszone z
rdzenia do zbiorników wodnych, odebrać poza reaktor. Woda w zbiornikach nagrzewała się,
aż doszła do stanu nasycenia i zaczęła odparowywać. Wtedy odparowała także woda nad
rdzeniem reaktora. Lustro wody opadło i górne partie paliwa odsłoniły się i przegrzały.
Temperatura powierzchni paliwa doszła do 1000 oC i rosła nadal.
Zagrożenie wodorowe
W tej temperaturze zaczęła się reakcja przegrzanego metalu z parą wodną i wydzielanie
wodoru. Wodór, wydzielony w rdzeniu, wypłynął do wnętrza obudowy bezpieczeństwa. Tam
powinien był zostać połączony z tlenem, ale w starych reaktorach w Fukushimie, służące do
tego układy potrzebowały zasilania w energię elektryczną. A tej energii w elektrowni – i w
całym sąsiednim rejonie kraju – nie było.
W końcu XX w. francusko-niemiecka komisja bezpieczeństwa jądrowego uchwaliła
dodatkowe wymagania, mające zabezpieczać reaktory PWR na wypadek ciężkiej awarii.
Jednym z nich było zapewnienie niezawodnego zasilania elektrycznego, stanowiącego jeszcze
jeden środek bezpieczeństwa, gdyby nie tylko zanikło zasilanie elektrowni z sieci, ale i
uległyby awarii wszystkie generatory awaryjne z napędem Diesla. W wielu elektrowniach
jądrowych wymaganie to spełniono, budując specjalne podziemne połączenie z najbliższą
elektrownią wodną. W innych zainstalowano dodatkowe generatory z napędem turbinkami
gazowymi. Kolejnym wymaganiem było zainstalowanie we wszystkich elektrowniach z
reaktorami PWR specjalnych pasywnych układów autokatalitycznej rekombinacji wodoru.
Pasywnych, czyli działających bez dopływu energii z zewnątrz. Zalecenia francuskoniemieckie zostały wprowadzone do reaktorów w Europie, ale w Japonii już nie.
Tak więc w reaktorach w Fukushimie nie było możliwości przeprowadzenia rekombinacji
wodoru. Ciśnienie w reaktorach było wysokie. Rosło również ciśnienie w obudowie
bezpieczeństwa. Gdy doszło ono do wielkości dwukrotnie przewyższającej ciśnienie
projektowe, postanowiono upuścić parę z reaktora i z obudowy bezpieczeństwa, by nie doszło
do rozerwania obudowy.
Operatorzy liczyli się z możliwością, że wodór w kontakcie z powietrzem wybuchnie i
zniszczy budynki reaktorów. Świadomie jednak podjęli to ryzyko, uważając, że zniszczenie
budynków jest mniejszym złem niż utrata szczelności obudowy bezpieczeństwa. Obecnie
budowane reaktory III generacji we wszystkich krajach mają układy zapewniające możliwość
rekombinacji wodoru w każdej sytuacji.
Obawy operatorów ziściły się. Przy uwalnianiu pary wodnej z obudowy bezpieczeństwa,
wodór wydzielił się także, połączył z tlenem i wybuchł, niszcząc dach budynku reaktora nr 1,
a w następnej dobie - budynku reaktora nr 3. Mimo to obudowy bezpieczeństwa w obu tych
reaktorach pozostały szczelne. Jeszcze w poniedziałek wieczorem nie było zagrożenia
radiacyjnego poza reaktorami 1 i 3. Ale we wtorek rano wybuchł także wodór uwolniony z
reaktora nr 2. Tym razem zniszczenie nie ograniczyło się do dachu. Uszkodzona została także
obudowa bezpieczeństwa tego reaktora. Poza reaktor zaczęły wydostawać się produkty
rozszczepienia.
Pierwsze wydzielenia radioaktywności po 3 dniach
I tak, po trzech dobach od trzęsienia ziemi i tsunami, wobec zupełnego braku wspomagania
reaktorów z zewnątrz, doszło do przełamania systemu obrony w głąb, jaki w reaktorach
jądrowych chroni przed uwalnianiem radioaktywności do otoczenia. Aby uchronić reaktory
przed dalszym przegrzaniem, uruchomiono pompy wody pożarowej, które zapewniły wtrysk
wody morskiej do budynków reaktorów. Oznaczało to zabrudzenie powierzchni reaktorów i
praktycznie oznaczało, że reaktorów już nie da się przywrócić do eksploatacji. Kierownictwo
elektrowni podjęło jednak tę decyzję, uważając słusznie, że ważniejsze jest uchronienie
zdrowia ludności wokoło elektrowni niż zachowanie nadającej się do remontu elektrowni.
Gdy poza trzema reaktorami wystąpiło dodatkowo niebezpieczeństwo odsłonięcia paliwa w
basenie przechowywania paliw w bloku nr 4, pompowaniem wody morskiej objęto także blok
nr 4. Wobec tego, że układ awaryjnego wtrysku chłodziwa wysokociśnieniowego nie działał,
uruchomiono pompy wody pożarowej. Aby wykluczyć możliwość spontanicznego osiągnięcia
stanu krytycznego w rdzeniach reaktorów, do wody dodawano kwas borowy.
Po tygodniu od trzęsienia ziemi inżynierowie i technicy Fukushimy podłączyli zewnętrzne
zasilanie elektryczne. Następnie sukcesywnie podłączano układy chłodzenia awaryjnego
uszkodzonych bloków. Po 2 tygodniach wprowadzono polewanie reaktorów wodą słodką.
Stopniowo sytuacja została opanowana.
Zagrożenie i skutki promieniowania
Profilaktyczna ewakuacja objęła ludność w promieniu 20 km. W elektrowni moce dawki
promieniowania były silnie zmienne, ale nikt nie zginął wskutek promieniowania, ani z
personelu elektrowni, ani okolicznej ludności. Natomiast wskutek trzęsienia ziemi i tsunami
zginęło 3 pracowników. Nie był to jednak wcale skutek promieniowania. Zginęli w wyniku
obrażeń spowodowanych wstrząsami. Wypada o tym pamiętać, by w ferworze trwającej w
różnych krajach walki politycznej o władzę i wpływy, uszkodzenia elektrowni nie przesłoniły
prawdziwego nieszczęścia tysięcy ofiar trzęsienia ziemi i tsunami.
Wnioski z awarii w Fukushimie
Po awarii europejskie władze zapowiedziały przeprowadzenie kontroli stanu wszystkich
reaktorów energetycznych. Można oczekiwać, że powiększone zostaną marginesy
bezpieczeństwa w stosunku do zagrożeń powodowanych przez zjawiska naturalne, jak
trzęsienie ziemi czy powódź. Podniesione też będą wymagania odporności elektrowni
jądrowych na ciężkie awarie, w szczególności związane z wybuchem wodoru i zapewnienia
dodatkowych źródeł zasilania elektrycznego poza siecią zewnętrzną i zespołami awaryjnych
generatorów Diesla. Można spodziewać się, że najstarsze reaktory będą musiały wprowadzić
znaczne ulepszenia lub zostaną wyłączone, a na ich miejsce zostaną zbudowane nowe.
Natomiast w stosunku do reaktorów III generacji nie należy oczekiwać istotnych zmian.
Są one odporne na zagrożenia, nawet takie jak w Japonii. Np. reaktor EPR zapewnia
następujące cechy bezpieczeństwa:
- odporność na trzęsienie ziemi: standard 0.3 g, może być większa
- odporność nie tylko na tsunami, ale na atak terrorystów również
- kontrola stężenia wodoru przy pomocy pasywnych autokatalitycznych układów
rekombinacji wodoru z tlenem
− potężna obudowa bezpieczeństwa, obejmująca cały reaktor, a także umieszczenie
układów bezpieczeństwa i zasilania awaryjnego w potężnych bunkrach,
wytrzymujących nie tylko tsunami, ale i uderzenie samolotu
Reaktory AP1000 i ESBWR mogą pracować bez zasilania elektrycznego. W EPR zasilanie
autonomiczne jest zapewnione i odporne na katastrofy.
Reaktory III generacji zostały zaprojektowane przed awarią w Japonii. Ale wnioski z
poprzednich awarii wystarczyły, aby były one odporne na zagrożenia takie, jakie były w tym
kraju.