Awarie w makroskali

Dwie największe awarie radiacyjne w historii (poziom 7 w skali INES) miały miejsce w Elektrowni Jądrowej Fukushima Dai-Ichi w Japonii w 2011 r. oraz w Elektrowni Jądrowej w Czarnobylu w 1986 r. Jakie były ich przyczyny, a jakie są skutki?

Obecnie energetyka jądrowa pokrywa 16% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną i należy do najczystszych źródeł pozyskiwania energii [1]. Stosowanie nowoczesnych rozwiązań technologicznych nie tylko zwiększa opłacalność tej metody i zapewnia jej większą niezawodność, lecz także przyczynia się do zapewnienia możliwie wysokiego poziomu ochrony środowiska. Niemniej jednak energetyka jądrowa nie jest w pełni bezpieczna…

Awaria w czarnobylskiej elektrowni atomowej, do której doszło 26 kwietnia 1986 r., wynikała z niefortunnie przeprowadzonego eksperymentu. Polegał on na odłączeniu dopływu pary wodnej do turbiny generującej elektryczność, by sprawdzić, jak długo pompy chłodzenia obiegu reaktora mogą pracować, korzystając tylko z bezwładności turbin. W przypadku elektrowni jądrowej w Fukushimie przyczyną awarii 11 marca 2011 r. było trzęsienie ziemi. Wywołało ono falę tsunami, ta zaś doprowadziła do uszkodzenia awaryjnych systemów zasilania. To spowodowało unieruchomienie systemów awaryjnego chłodzenia kilku bloków energetycznych. Efektem było przegrzanie i uszkodzenie rdzeni reaktorów oraz basenów wypalonego paliwa jądrowego.

Ani jedna, ani druga awaria nie wynikała z usterek konstrukcji reaktorów. W pierwszym przypadku zawinił człowiek, w drugim - nieokiełznane siły natury. Konsekwencją obu tych zdarzeń było niekontrolowane uwolnienie znacznych ilości substancji promieniotwórczych, m.in. jodu-131 (¹³¹I), cezu-134 (¹³⁴Cs), cezu-137 (¹³⁷Cs), strontu-90 (⁹⁰Sr), co spowodowało m.in. skażenie środowiska naturalnego. Ponadto na skutek awarii japońskiej elektrowni jądrowej do atmosfery i środowiska przedostały się znaczne ilości toksycznego i silnie promieniotwórczego izotopu plutonu-239 (²³⁹Pu), który jak dotąd po awariach jądrowych nigdy w powietrzu nie występował. Jest on szczególnie niebezpieczny dla człowieka, ponieważ wchłonięcie drogą wziewną zaledwie miliardowych części grama tego izotopu wystarcza, by wywołać chorobę popromienną.

Zdarzenie w Czarnobylu dotyczyło jednego reaktora i zostało w stosunkowo krótkim czasie opanowane. Awaria w Fukushimie objęła cztery reaktory, które zawierały dziesięć razy więcej substancji promieniotwórczych niż reaktor w Czarnobylu [2].

Budowa reaktorów typu RBMK i BWR

Decyzję o budowie elektrowni jądrowej z sześcioma blokami reaktorów lekkowodnych kanałowych o dużej mocy typu RBMK, w odległości około 15 km na południowy wschód od Czarnobyla, podjęto 15 marca 1966 r. Prace przy pierwszym bloku rozpoczęto w 1971 r., a jego uruchomienie nastąpiło sześć lat później. Blok nr 2 zaczął funkcjonować w 1978 r., w kolejnych latach uruchomiono bloki nr 3 (1981) i nr 4 (1984) - wszystkie typu RBMK.

Lekkowodne reaktory kanałowe RBMK z wrzącą wodą i moderatorem grafitowym były projektowane i budowane jedynie w Związku Radzieckim. Rdzeń reaktora RBMK to cylindryczny układ grafitu o średnicy 12 m, wysokości 7 m i masie około 1700 t. Był on zbudowany z 2488 bloczków grafitowych z osiowymi otworami o średnicy 88 mm. W każdym z nich (łącznie 1661) umieszczono dwa zestawy paliwowe zawierające po 18 prętów paliwowych o długości 3,65 m. Całkowita ilość paliwa o wzbogaceniu 2% w uran-235 (²³⁵U) była równa 190 t. Rdzeń z dołu i z góry osłaniały płyty stalowe o grubości 200-250 mm. Całość, z konieczności ogromna (np. objętość rdzenia reaktora RBMK wynosi 825 m³, zaś w przypadku reaktora typu BWR - 75 m³) znajdowała się w betonowej komorze o podstawie 21,6 m x 21,6 m. Ze względu na stosunkowo duże rozmiary trudno było cały reaktor otoczyć obudową bezpieczeństwa, więc konstruktorzy zrezygnowali z pełnej obudowy, zamykając w szczelnych pomieszczeniach tylko część obiegu chłodzenia reaktora, bez rdzenia i bez przylegających do niego rur pierwotnego obiegu chłodzenia.

Wadą tego typu reaktorów jest przede wszystkim dodatni temperaturowy współczynnik reaktywności (wraz ze wzrostem temperatury chłodziwa - wody wzrasta temperatura paliwa) oraz obecność grafitu jako moderatora, który pracuje w bardzo wysokiej temperaturze (750^°C), tj. znacznie powyżej temperatury zapłonu w powietrzu. Obecnie działa na świecie 12 reaktorów typu RBMK [3].

Powszechnie eksploatowane są jednak reaktory lekkowodne wrzące typu BWR. Znajdowały się one także w elektrowni Fukushima Dai-Ichi. Zestawy paliwowe reaktora omywa woda, ulegając procesowi wrzenia i parowania. Reaktor BWR ma jednobiegowy system: powstała para wodna przepływa przez systemy osuszania umieszczone nad rdzeniem i następnie odprowadzana jest do turbin, gdzie po wykonaniu pracy i skropleniu w chłodnicy powraca do reaktora. Główną zaletą tego rozwiązania jest znaczne uproszczenie konstrukcji reaktora, polegające na braku konieczności stosowania wytwornic pary. Wewnątrz rdzenia panują względnie niskie temperatury i ciśnienie, co pozwala na ograniczenie grubości ścian stalowych reaktora do 16 cm. Pręty paliwowe zbudowane są z rurek cyrkonowych, w których wnętrzu znajdują się pastylki uranowe. Zestaw prętów 7 x 7 lub 9 x 9 to zestaw paliwowy (tzw. kaseta), który umieszcza się w rdzeniu reaktora. Inną cechą charakterystyczną reaktorów typu BWR jest obecność elementów sterujących w dolnej części rdzenia. W przypadku awarii pręty regulacyjne są wypychane do góry i blokowane automatycznie, co powoduje zatrzymanie reakcji jądrowych i włączenie układu awaryjnego chłodzenia. Ponad kasetami (w górnej części obudowy) znajdują się elementy bezpieczeństwa: zraszacz dostarczający wodę w momencie jej nagłego ubytku oraz elementy uzdatniające parę przed przedostaniem się jej do turbiny (uzyskuje się w nich parę nasyconą). Odseparowana woda powraca do obiegu wraz z dostarczoną wodą chłodzącą. Ta doprowadzana jest do kanałów chłodzących, a po osiągnięciu dna kieruje się ją do przestrzeni między kasetami, w których zachodzi proces wrzenia. Obieg wody wymuszony jest przez zestaw pomp znajdujących się wewnątrz zbiornika. Basen skroplonej pary jest układem bezpieczeństwa reaktora. Podczas pracy reaktor jest przysłonięty od góry pokrywą betonową o grubości nie mniejszej niż 1,5 m [1, 2].

Przebieg awarii

W momencie awarii reaktora w czarnobylskiej elektrowni jądrowej pracowały wszystkie cztery bloki. Bezpośrednią przyczyną katastrofy był eksperyment prowadzony w bloku nr 4, opisany na początku artykułu. Rezerwowym źródłem energii w jego trakcie były prądnice napędzane silnikami Diesla, które moc znamionową uzyskiwały dopiero po około 30-60 s. Dlatego też powstał pomysł wykorzystania w tym czasie energii wytwarzanej siłą bezwładności turbogeneratora. W związku z tym, że pompy cyrkulacyjne były zasilane z generatora, na skutek jego wybiegu (czasu, który upłynął od momentu wyłączenia reaktora do jego całkowitego zatrzymania) obroty pomp zaczęły spadać, zmniejszając natężenie przepływu wody przez kanały paliwowe. Niekorzystny wpływ na przebieg wydarzeń miała ponadto wcześniejsza dłuższa praca reaktora na zaniżonej mocy, która spowodowała zatrucie reaktora ksenonem-135 (¹³⁵Xe). Zaburzało to kontrolę jego mocy i doprowadziło do jeszcze większego spadku energii. Ponadto w trakcie eksperymentu odłączono zabezpieczenie uruchamiające układ awaryjnego chłodzenia rdzenia reaktora.

Wszystko to spowodowało wzrost temperatury i doprowadziło do gwałtownego kilkusetkrotnego wzrostu mocy reaktora, a następnie podwójnego wybuchu gazów (głównie wodoru) oraz pożaru 1700 t grafitu pochodzącego z reaktora. Temperatura w reaktorze wzrosła do około 5000^°C, a paliwo uranowe uległo stopieniu. Potężny wybuch w komorze reaktora spowodował zrzucenie betonowej pokrywy o masie 2000 t przykrywającej od góry jego rdzeń. Do atmosfery przedostało się około 10¹⁹ Bq materiałów promieniotwórczych. Należy wyraźnie podkreślić, że był to wybuch chemiczny gazów oraz pożar, a nie wybuch jądrowy. Jednocześnie rozrzucone wskutek wybuchu żarzące się kawałki grafitu spowodowały powstanie kilkudziesięciu pożarów, z którymi walczyło ponad 100 strażaków z elektrowni i wezwani z sąsiednich miejscowości ludzie. Otrzymali oni największe dawki promieniowania. Pożar reaktora trwał 10 dni, przez cały ten czas prowadzona była akcja gaśnicza, która miała na celu ugaszenie żarzącego się grafitu w szczątkach rdzenia reaktora. Wojskowe helikoptery zrzuciły bezpośrednio na zniszczony reaktor wiele ton piasku, dolomitu, węglika boru i ołowiu. Ogółem wykonano 1800 przelotów helikopterami nad reaktorem nr 4. Pozostałe bloki reaktora w czasie tej awarii nie uległy zniszczeniu. Blok nr 2 został wyłączony z eksploatacji dopiero w 1992 r., wskutek pożaru turbogeneratora w maszynowni, blok nr 1 wyłączono w 1996 r., a przyległy do zniszczonego awarią reaktora blok nr 3 - w 2000 r. [3].

Zupełnie inne były przyczyny i przebieg awarii elektrowni jądrowej Fukushima Dai-Ichi, jednej z czterech elektrowni położonych nad Pacyfikiem. 11 marca 2011 r. doszło do trzęsienia ziemi o sile 9 stopni w skali Richtera (R) u północno-wschodnich wybrzeży Japonii [1,4]. W historii badań sejsmologicznych zarejestrowano trzy trzęsienia ziemi o sile większej niż w Fukushimie, a mianowicie: w maju 1960 r. (Chile ­ 9,5 st. R), w marcu 1964 r. (Alaska, USA ­ 9,2 st. R) i grudniu 2004 r. (Sumatra, Indonezja oraz Indie ­ 9,1 st. R). Tak więc trzęsienie w Fukushimie było czwartym pod względem siły trzęsieniem na Ziemi. Według oceny naukowców z NASA było ono tak silne, że spowodowało przyspieszenie rotacji Ziemi, a na skutek tego nastąpiło skrócenie czasu trwania doby o koło 1,8 μs [5]. Ponadto doszło do przesunięcia osi Ziemi o 17 cm [6, 7]. Jednak to nie ono było główną przyczyną awarii jądrowej w Fukushimie, ponieważ po wystąpieniu wstrząsów doszło do automatycznego wyłączenia bloków 1, 2 i 3, a systemy awaryjne zostały włączone i pracowały prawidłowo. Nie zarejestrowano żadnych uszkodzeń w elektrowni. Uległy im jedynie cztery niezależne linie energetyczne łączące elektrownię Fukushima Dai-Ichi z podstacją Shin - Fukushima dołączoną do sieci krajowej.

Awaria reaktora została spowodowana przez falę tsunami wywołaną trzęsieniem ziemi, na skutek której uszkodzone zostały awaryjne systemy zasilania. Miejscami wysokość fal przekraczała 12,5 m wysokości, a zabezpieczenia przeciwko falom przy elektrowni od strony morza miały wysokość do 10 m. Tak wysoka fala powstała w związku z wystąpieniem zjawiska, którego nie był nikt w stanie wcześniej przewidzieć, a mianowicie tak silne trzęsienie ziemi spowodowało jednoczesne obsunięcie się (tąpnięcie) trzech płyt tektonicznych, na którym położone są tamtejsze tereny. Doprowadziło to do unieruchomienia systemu chłodzenia i przerwania funkcjonowania instrumentów kontrolujących reaktory. Brak chłodzenia doprowadził też do uszkodzenia jednego z basenów wypalonego paliwa w pobliżu reaktorów. Znajdująca się w nim woda była nieustannie podgrzewana, stopniowo odparowywała i w krótkim czasie jej lustro opadło poniżej zanurzonych prętów. Ich temperatura wzrosła i uległy stopieniu, czemu towarzyszyło powstanie znacznych ilości wodoru. Następstwem stopienia prętów paliwowych i zniszczenia koszulek cyrkonowych było uszkodzenie rdzeni reaktorów. We wnętrzu budynków reaktorów pojawiła się znaczna ilość wodoru. Doszło wówczas do wybuchu budynków reaktora 1, 3 i 5. Ponadto w pierwszych dniach po trzęsieniu ziemi w obiektach elektrowni jądrowej powstało kilka pożarów, także w przechowalnikach wypalonego paliwa jądrowego. Próbowano je ugasić oraz schłodzić blok reaktora 3 i basen wypalonego paliwa jądrowego poprzez zrzut wody ze śmigłowców oraz zastosowanie armatek wodnych straży pożarnej. Prowadzono także prace związane z wpompowywaniem wody morskiej do reaktorów i uzupełnianiem wody w basenach wypalonego paliwa.

W kilka dni po awarii udało się przywrócić zasilanie i przyłączyć elektrownie do krajowej sieci energetycznej. Pozwoliło to ustabilizować stan reaktorów i doprowadzić je do stanu zimnego wyłączenia, czyli obniżyć ich temperaturę poniżej 100°C.

Skutki

Awarie jądrowe w Czarnobylu i Fukushimie osiągnęły najwyższy możliwy poziom - 7 w Międzynarodowej Skali Zdarzeń Jądrowych i Radiologicznych (International Nuclear and Radiological Event Scale - INES). Określa się je jako wielkie awarie jądrowe. Warto zauważyć, że po raz pierwszy w historii awarii w elektrowniach jądrowych, w Fukushimie określono stopień awarii w skali INES dla każdego bloku osobno (do tej pory wielkość awarii określano dla całej elektrowni w sposób jednolity - tak było np. w Czarnobylu). I tak awarie bloków 1, 2, 3 oceniono na 7 stopień w skali INES, a awarię bloku 4 określono jako incydent 3 stopnia w skali INES.

Awaria w Czarnobylu spowodowała ogromne straty gospodarcze i śmierć kilkudziesięciu osób. Dwie osoby zginęły podczas wybuchu i pożaru, a trzecia zmarła prawdopodobnie z powodu zatoru tętnicy wieńcowej. Na skutek ostrej choroby popromiennej w ciągu trzech miesięcy od wypadku śmierć poniosło 28 strażaków. Ogółem w pierwszej fazie katastrofy 31 osób straciło życie, po otrzymaniu dawek obciążających od 4000 mSv do 16 000 mSv. Poza przypadkami opisanymi powyżej 237 osób trafiło do szpitala, u 134 z nich wykryto ostrą chorobę popromienną. Wszyscy poszkodowani zostali wyleczeni i opuścili szpital w ciągu kilku tygodni lub miesięcy. Według oficjalnych danych Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej w Wiedniu do końca 2004 r. wskutek awarii w Czarnobylu śmierć poniosło 56 osób, w tym dziewięcioro dzieci z powodu raka tarczycy [3]. Ponadto szacuje się, że średnio 6% substancji promieniotwórczych stanowiących 10¹⁹ Bq materiałów promieniotwórczych znajdujących się w rdzeniu reaktora przedostało się do atmosfery, powodując skażenie środowiska naturalnego i konieczność ewakuacji około 116 tys. osób mieszkających w promieniu 30 km od elektrowni. Około 70% opadów promieniotwórczych znalazło się na Białorusi, a duża część pozostałych opadów na terytorium Ukrainy, Rosji oraz pozostałej części półkuli północnej. Obszar o powierzchni 10 tys. km² (Ukraina, Rosja, Białoruś) uległ skażeniu cezem (¹³⁷Cs) do poziomu 550-1500 kBq/m² i stanowi on strefę nadal znajdującą się pod stałą kontrolą [3].

W przypadku awarii elektrowni jądrowej Fukushima Dai-Ichi aktywność materiału promieniotwórczego, który przedostał się do powietrza w pierwszych dniach po katastrofie, oscylowała w granicach od 3,7 x 10¹⁷ Bq do 6,3 x 10¹⁷ Bq [1, 2]. Ze względu na pojawienie się w powietrzu atmosferycznym znacznych ilości ¹³¹J i ¹³⁷Cs władze administracyjne zarządziły ewakuację ludności najpierw z trzykilometrowej strefy bezpośrednio przylegającej do elektrowni jądrowej, potem w promieniu 20 km, a ostatecznie w strefie 30 km. Doszło do skażenia gleby, wody pitnej i żywności W raporcie TEPCO (Tokyo Electric Power Company) z czerwca 2011 r. stwierdzono, że w pierwszych czterech dobach po trzęsieniu ziemi do atmosfery przedostały się poza jodem i cezem śladowe ilości izotopów: strontu ⁹⁰Sr, plutonu - ²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu (około 50 g), neptunu ²³⁹Np (około 1 mg) i teluru ¹²⁹Te. Szacuje się, że podczas całej awarii jądrowej do atmosfery przedostały się znaczne ilości cezu ¹³⁷Cs o aktywności rzędu 10¹⁷ Bq. Ponadto według oficjalnych danych TEPCO do końca marca 2011 r. dawkę skuteczną powyżej 100 mSv otrzymało 21 pracowników. Ilość substancji radioaktywnej, która przedostała się do atmosfery w trakcie awarii w Fukushimie, była według szacunków dziesięć razy mniejsza, niż miało to miejsce podczas awarii w Czarnobylu [1].

Co teraz?

Po katastrofie cesarz Japonii podjął decyzję o rezygnacji kraju z dalszej eksploatacji elektrowni jądrowych, ale pół roku później wycofał się z tego stanowiska i zapowiedział, że na miejsce zniszczonej elektrowni w Fukushimie (największej w tym czasie elektrowni jądrowej na świecie) zostaną zbudowane dwie nowe elektrownie.

Awarie jądrowe, do których doszło w Czarnobylu i Fukushimie, nie spowodowały znacznego wyhamowania rozwoju energetyki jądrowej na świecie. Wynika to z rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną oraz możliwości wykorzystania energetyki jądrowej do produkcji wodoru i konwersji węgla na paliwa ciekłe i gazowe. Obecnie działają na świecie 442 reaktory energetyczne (o pięć więcej niż przed katastrofą w Fukushimie, choć wiele reaktorów znajduje się w procesie likwidacji, gdyż zastępowane są reaktorami III generacji, które są znacznie bardziej bezpieczne), a nowo budowanych jest 64 [8]. Krajem, który konstruuje największą liczbę reaktorów energetycznych, są Chiny.

Energetyka jądrowa od kilku lat jest uważana za strategiczny element polityki bezpieczeństwa energetycznego wielu państw świata, a wynika to z nałożenia się kilku zjawisk, takich jak:

• gwałtowne wahania cen ropy i gazu, wywołane szybko rosnącym zapotrzebowaniem na surowce energetyczne,
• niestabilna sytuacja w ważnych dla rynków surowcowych krajach (Irak, Iran, Nigeria, Wenezuela),
• coraz częstsze wykorzystywanie surowców jako instrumentu nacisku w stosunkach międzypaństwowych,
• wzrastające uzależnienie największych konsumentów (UE, USA, Japonia, Chiny, Indie) od importu nośników energii, co zapowiada nasilenie konkurencji między tymi państwami o dostęp do kurczących się zasobów [9].

W światowej energetyce jądrowej zebrano już dostatecznie dużo doświadczeń, aby patrzeć na bezpieczeństwo działania elektrowni jądrowych z mniejszymi emocjami i oceniać tę technologię według racjonalnych kryteriów naukowych [9]. Kraje, w których wykorzystuje się energetykę jądrową, przeznaczają ogromne środki finansowe na poprawę bezpieczeństwa reaktorów uruchamianych we współczesnych elektrowniach.

Literatura

[1] Rzymkowski K., Energetyka jądrowa Japonii, „Postępy Techniki Jądrowej” 2008, nr 4, s. 32-39.
[2] Grzesik J., Fukushima - 25 lat po Czarnobylu, „Medycyna Środowiska - Environmental Medicine” 2011, nr 14 (4), s. 9-19.
[3] http://www.cire.pl/pliki/2/20latpoczer.pdf
[4] The 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake, dostępne: http://jma.go.jp/jma/en/2011_Earthquake.
[5] Sejsmologia - Trzęsienia ziemi na podstawie amplitudy drgań wstrząsów sejsmicznych, wprowadzona w Charlesa F. Richtera, dostępne: http//zgapa.pl/zgapedia/Skala_Richtera
[6] Japan earthquake accelerated Earth’s rotation, dostępne: http//signpostsofthetimes.blogspot.com/.../japan-earthq
[7] Najsilniejsze trzęsienia ziemi w historii, dostępne: http//pl.wikipedia.org/wiki/Najsilniejsze_trzęsienia_ziemi_w_historii
[8] Rzymkowski K., Energetyka Jądrowa Japonii po katastrofie w elektrowni Fukushima Dai-ichi, PTJ vol. 59, z.1, 2016
[9] Energetyka jądrowa - perspektywy rozwoju w Polsce. Raport przygotowany przez MDI Strategic Solutions i Polskie Towarzystwo Nukleoniczne, styczeń 2009, Warszawa

dr Aneta Łukaszek-Chmielewska jest kierownikiem Zakładu Fizyki i Chemii w SGSP,
autorką lub współautorką wielu publikacji naukowych dotyczących m.in. skażeń promieniotwórczych środowiska

Krzysztof Isajenko jest zastępcą dyrektora Centralnego Laboratorium Ochrony Radiologicznej (CLOR) w Warszawie,
kierownikiem Zakładu Dozymetrii CLOR i akredytowanego Laboratorium Pomiarów Promieniotwórczości Naturalnej

{gallery}galeria/01-17/awarie{/gallery}

Fot. 1. Widok ogólny elektrowni jądrowej w Czarnobylu, fot. PAP
Fot. 2. W miejscowości Kashiwa oddalonej o ponad 200 km od Fukushimy zanotowano wysoki poziom promieniowania (2012 r.), fot. Abasaa/Wikimedia Commons

styczeń 2017