Strupczewski_Reaktory po tsunami
Transkrypt
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.