Fukushima a energetyka jądrowa

JAK DZIAŁA ELEKTROWNIA JĄDROWA?

Elektrownia jądrowa działa podobnie jak inne elektrownie cieplne: wytwarza prąd dzięki turbinom napędzanym przez parę wodną. Różnica polega na tym, że para powstaje podczas odbierania za pomocą wody ciepła generowanego przez reaktor jądrowy. Źródłem ciepła jest reakcja rozszczepienia zachodząca w paliwie jądrowym umieszczonym w rdzeniu reaktora.

Paliwem stosowanym w elektrowniach jądrowych jest uran. Znajduje się w nim nieulegający rozszczepieniu uran U-238 oraz uran U-235, który rozszczepia się po uderzeniu neutronu. Aby zapewnić odpowiednią ilość uranu U-235 w paliwie, uran musi zostać sztucznie wzbogacony. Proces ten polega na zwiększeniu udziału izotopu U-235 w paliwie do 3-5%. 

Paliwo jądrowe z uranem jest uformowane w cylindryczne pastylki o średnicy i wysokości około centymetra. Pastylki są umieszczone w długich metalowych rurach (koszulkach), czyli prętach paliwowych. Cyrkonowe koszulki uniemożliwiają przedostanie się gazowych produktów rozszczepienia uranu do chłodziwa, w którym pręty paliwowe będą zanurzone w rdzeniu reaktora.

Pręty paliwowe nie trafiają do rdzenia reaktora pojedynczo, lecz w specjalnych kasetach, po kilkadziesiąt sztuk w każdej. Między kasetami w rdzeniu znajdują się przestrzenie do wsuwania i wysuwania elementów konstrukcyjnych służących do kontrolowania przebiegu reakcji jądrowej. Elementy te są wykonane z węgliku boru, który silnie pochłania neutrony.  

Do rozszczepienia jądra uranu U-235 dochodzi, gdy trafi w nie neutron. Powstaje wtedy niestabilne jądro uranu U-236, które rozpada się emitując promieniowanie gamma i dwa lub trzy neutrony. Produkty rozpadu poruszają się z dużymi prędkościami, czyli mają dużą energię kinetyczną. Pozbywają się jej w zderzeniach z materią w pobliżu, co prowadzi do wzrostu temperatury paliwa, prętów paliwowych i ich chłodziwa.  

Neutrony uwalniane podczas rozpadu jąder w paliwie mają tak dużą prędkość, że przelatują koło jąder uranu U-235 nie powodując kolejnych rozszczepień. Aby zostały przez nie pochłonięte, muszą najpierw zostać spowolnione w wodzie.  

Woda jest niezbędna dla podtrzymania reakcji łańcuchowej. Gdy wody zabraknie — lub gdy zamieni się częściowo w parę — neutrony nie zostaną spowolnione i nie spowodują rozszczepień, a moc reaktora zacznie spadać. Takie własności fizyczne mają reaktory z moderatorem wodnym, proponowane dla Polski.

PRZEBIEG WYDARZEŃ W ELEKTROWNI FUKUSHIMA I

Fukushima I należała do starej, drugiej generacji elektrowni jądrowych. W jej skład wchodziło sześć bloków jądrowych z reaktorami wodnymi wrzącymi (Boiling Water Reactor, BWR). W dniu katastrofalnego trzęsienia ziemi pracowały trzy z nich. Paliwo jądrowe z czwartego reaktora było wyładowane do pobliskiego basenu.  

11 marca 2011 roku o godzinie 14:46 czasu lokalnego u wschodnich wybrzeży Japonii doszło do rekordowo silnego trzęsienia ziemi. W jego wyniku zostały zerwane wszystkie linie energetyczne zasilające układy bezpieczeństwa elektrowni Fukushima I (było ich siedem, w tym jedna w remoncie). Automatycznie uruchomiły się procedury alarmowe i wszystkie reaktory zostały wyłączone. Równocześnie podjęły pracę agregaty prądotwórcze, odpowiedzialne za zasilanie układów bezpieczeństwa odprowadzających ciepło z reaktorów. Sytuacja była pod pełną kontrolą.  

Godzinę po trzęsieniu w nabrzeże przy Fukushimie I uderzyło tsunami. Betonowy falochron elektrowni był przygotowany na odparcie fal o wysokości do 6,5 m. Tsunami z 11 marca było dwukrotnie wyższe. Woda przelała się i zniszczyła agregaty dieslowskie zasilające pompy, które odprowadzały ciepło powyłączeniowe z reaktora. Ocalały tylko dwa agregaty. Jeden był jednak niezdatny do użytku z uwagi na zalaną rozdzielnię. Drugi zasilał reaktory 5 i 6 i nie udało się go przełączyć na zasilanie układów chłodzenia reaktorów 1-3. Co gorsza, tsunami zniszczyło również część baterii, które były ostatnim źródłem prądu w elektrowni.  

Wskutek braku prądu układy odbierające ciepło powyłączeniowe z wyłączonych reaktorów nie działały poprawnie i rdzenie zaczęły się przegrzewać. W temperaturze powyżej 900 stopni Celsjusza cyrkon, z którego są zrobione koszulki paliwowe, zaczął reagować z wodą. W wyniku reakcji były wydzielane duże ilości wodoru, co skutkowało wzrostem ciśnienia w obudowie bezpieczeństwa.  

Wodór powinien być spalany w rekombinatorach wodoru, ale w elektrowni Fukushima I wymagały one dopływu energii elektrycznej (w nowych elektrowniach działają one pasywnie, bez dopływu energii z zewnętrz). Zawartość wodoru i ciśnienie pary wewnątrz budynków reaktorów rosły. Sytuacja pogarszała się z każdą chwilą. Próby zalania rdzeni reaktorów wodą morską skończyły się niepowodzeniem. W wyniku reakcji wodoru z tlenem zawartym w powietrzu, w budynku każdego reaktora doszło w końcu do konwencjonalnego wybuchu. Żadna z eksplozji nie uszkodziła obudowy bezpieczeństwa.  

Scenariusz wydarzeń prowadzących do wybuchów w reaktorach 1-3 był ten sam. Zagadką pozostawała eksplozja pozbawionego paliwa reaktora 4. Zdalnie sterowany robot, który po pewnym czasie sfilmował paliwo w basenie reaktora 4, nie wykrył żadnych śladów stopienia prętów paliwowych. Obecnie uważa się, że wodór dostał się do wnętrza budynku reaktora 4 poprzez system wentylacyjny wspólny z reaktorem 3.  

Po upływie dziesięciu godzin od wyłączenia każdy reaktor w elektrowni Fukushima I wciąż generował osiem megawatów mocy cieplnej. Taka ilość ciepła wystarcza, aby w godzinę odparować tonę wody, której nie było jak uzupełniać. Poziom wody wciąż się obniżał i w końcu doszło do odsłonięcia rdzeni reaktorów 1-3. Znajdujące się w nich pręty paliwowe zaczęły się topić. Gorące paliwo spłynęło na dno zbiornika reaktora. W reaktorach 2 i 3 nie przetopiło się, jednak przez otwory technologicznie w dnie prawdopodobnie doszło do wycieków do wnętrza obudowy bezpieczeństwa. W reaktorze 1 stopione paliwo przepaliło zbiornik i trafiło do chłodzonego wodą chwytacza rdzenia. W żadnym reaktorze stopione paliwo nie wydostało się poza obudowę bezpieczeństwa.  

29 września 2011 roku poinformowano, że wszystkie trzy reaktory osiągnęły stan zimnego wyłączenia.  

Według obecnych planów zarządcy elektrowni, firmy TEPCO, usuwanie wypalonego paliwa z basenów przy reaktorze 4 zacznie się od roku 2014. Stopione paliwo jądrowe, które obecnie stygnie wewnątrz obudów bezpieczeństwa reaktorów 1-3 (obecnie przykrytych dodatkowymi konstrukcjami) będzie można usunąć dopiero po roku 2021. Całkowita rozbiórka elektrowni Fukushima I zajmie co najmniej 30 lat.

SKUTKI AWARII W ELEKTROWNI FUKUSHIMA I

Oddziaływanie promieniowania jonizującego na organizmy żywe mierzy się w jednostkach nazywanych siwertami (Sv). W Polsce średnia roczna dawka promieniowania pochodzącego ze źródeł naturalnych wynosi 2,4 milisiwerta (mSv). Podczas prześwietlenia rentgenowskiego otrzymujemy dawkę 0,7 mSv, a roczny pobyt w niewietrzonym domu na podłożu granitowym wiąże się z przyjęciem dawki 20 mSv. W irańskim mieście Ramsar (ponad 30 tys. mieszkańców) roczna dawka naturalna to 300 mSv.  

Promieniowanie w bezpośrednim sąsiedztwie elektrowni jądrowej zwiększa dawkę roczną o mniej niż 0,001 mSv.  

Wskutek promieniowania jonizującego uwolnionego podczas wypadku w elektrowni Fukushima I nikt nie zginął. Wydarzenie jest więc klasyfikowane nie jako katastrofa (ta musi skutkować śmiercią co najmniej sześciu osób), lecz jako poważny wypadek przemysłowy.  

W energetyce jądrowej zawsze najważniejsza jest ochrona zdrowia i życia ludzkiego. Dlatego zaraz po awarii w Fukushimie zarządzono ewakuację w 20-kilometrowej strefie wokół elektrowni, a następnie rozszerzono ją do 30 km. Wśród 220 tys. osób z terenów skażonych nie stwierdzono ani jednego przypadku uszczerbku na zdrowiu wywołanego promieniowaniem jonizującym.

Dzieci w okolicy Fukushimy nie są zagrożone. W grupie 11 dzieci, które otrzymały największe dawki promieniowania, dawki na tarczycę wynosiły od 5 do 35 mSv, co odpowiada dawce na całe ciało od 0,2 do 1,4 mSv. Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej zaleca podawanie stabilnego jodu przy dawce na tarczycę powyżej 50 mSv.  Dla porównania: według przepisów stosowanych w USA dawka po awarii na granicy strefy wyłączenia nie powinna przekraczać 3000 mSv na tarczycę. W Polsce zgodnie z Rozporządzeniem Rady Ministrów z 2004 roku zaleca się podanie preparatów ze stabilnym jodem, jeżeli u dowolnej osoby z zagrożonego terenu zachodzi możliwość otrzymania na tarczycę dawki pochłoniętej równej co najmniej 100 mSv. Przy mniejszych dawkach żadne działania interwencyjne nie są potrzebne. Z danych wynika więc, że mimo chwilowych wzrostów promieniowania podczas awarii w Fukushimie, ostateczne skutki radiologiczne awarii są pomijalnie małe.  

Rejestrowana poza elektrownią moc promieniowania kilkukrotnie wzrosła ponad dopuszczalne normami dawki roczne. Wzrosty te nigdy nie trwały dłużej niż dzień i dlatego nie miały wpływu na zdrowie ludności. Aby stanowiły zagrożenie, powinny utrzymywać się na poziomie przekraczającym normę przez rok.  

Pierwsi mieszkańcy wrócili do strefy ewakuacji między 30. a 20. km od elektrowni już po sześciu miesiącach od awarii.  

Największe skażenie na obszarach poza elektrownią Fukushima I dochodzi obecnie do 20 mSv w skali roku. Tereny skażone są poddawane dekontaminacji, polegającej na usunięciu wierzchniej warstwy gleby, pyłu oraz gruzów. Celem dekontaminacji jest obniżenie długoterminowej dodatkowej dawki rocznej poniżej 1 mSv.  

Japońska Komisja Energii Atomowej oszacowała, że nawet po uwzględnieniu kosztów wydarzeń związanych z trzęsieniem ziemi i tsunami, w tym kosztów ewakuacji, odszkodowań i likwidacji elektrowni Fukushima I, energetyka jądrowa pozostaje najtańszym źródłem energii w Japonii.  

Należy podkreślić, że skażenie produktami rozszczepienia z biegiem czasu maleje, ponieważ każdy atom po wyemitowaniu promieniowania przestaje być promieniotwórczy. Dlatego z czasem skażenie promieniotwórcze samoczynnie spada niemal do zera. W przypadku skażeń chemicznych zanieczyszczenia często się nie rozkładają i jeśli nie zostaną zutylizowane, mogą być śmiercionośne nawet przez miliony lat.

BEZPIECZEŃSTWO ELEKTROWNI JĄDROWYCH

Zobacz komentarze (42)..

Wyślij mailem..

Wersja do druku    PDF    MS Word