Zamiast prowadzić badania nad schnącą farbą postanowiłem udać się na Wydział Fizyki UW by wziąć udział w spotkaniu z ekspertami z Instytutu Problemów Jądrowych pod tytułem „Co wydarzyło się w Fukushimie?”.
Spotkanie było, z mojego punktu widzenia, owocne. Prelegenci opisali dokładnie budowę reaktora BWR wraz ze szczegółami technicznymi, które zazwyczaj umykają uwadze postronnego obserwatora (nawet mającego pojęcie jak działa reaktor BWR i czym różni się od PWR). Zrelacjonowano też przebieg wydarzeń oraz opisano ich przyczyny oraz skutki. Przy okazji można było dowiedzieć się kilku ciekawostek na temat tego jak budowane i eksploatowane są reaktory.
Zawiodłem się tylko na eko-terrorystach, którzy nie przyszli skonfrontować swoich hasełek z rzeczywistą wiedzą i praktyką energetyki atomowej.

Informacja dla fizyków SDD była nabita jak na pierwszych wykładach na pierwszym roku. Ludzie siedzieli nawet na schodach :D.

Zatem krótko na temat tego co się nie stało, a co się stało w ostatnich dniach w elektrowniach w Fukushimie.

Co się stało

Było trzęsienie ziemi o sile 9 stopni w skali Richtera. Ile to jest… Skala Richtera jest skalą wykładniczą, to oznacza, że pomiędzy trzęsieniem o sile 1 i 2 rzeczywista różnica w ilości wyzwolonej energii jest dziesięciokrotna. Czyli jak porównamy stopień 1 i 3 to różnica jest już 100 krotna. Oczywiście w uproszczeniu, bo matematyka skali jest trochę bardziej skomplikowana! Siłę trzęsienia mierzy się w odległości 100 km od epicentrum. Pozwala to na ujednolicenie informacji. Zatem mamy 9 na skali. Dla porównania najmocniejsza bomba atomowa CarW wywołała trzęsienie o sile około 8.1. By nie było miała moc 50-60 megaton trotylu. 9 oznacza 500 milionów ton trotylu. Dużo? W trakcie całej wojny w Wietnamie zrzucono około 1,5 miliona ton bomb. Na DreznoW zrzucono około 4000 ton bomb. Na Hiroszimę spadła bomba o mocy około 20 kiloton. Zatem 9 to jak to się mówi „w chuj dużo”. Elektrownia przetrwała trzęsienie. Zginął jeden pracownik przygnieciony przez spadającą suwnicę.
Następnie pojawiła się fala tsunami. Elektrownia jest zabezpieczona przed falami o wysokości do 6,5 metra. tj. sięgających drugiego piętra w typowym „wielkopłytowcu”. Fala, która przyszła miała około 8 metrów. W 1997 roku we Wrocławiu woda sięgała do wysokości 3 metrów. W wyniku uderzenia fali zaginęło dwóch pracowników elektrowni. Reaktory były nienaruszone! Niestety fala zmyła zbiorniki z paliwem do awaryjnych układów zasilania. I tu pojawił się problem…

Jak zbudowany jest reaktor BWR i jak jest zabezpieczony

Budowa reaktora BWR jest prosta jak budowa czajnika. Woda zostaje podgrzana w trakcie przepływania przez reaktor, przegrana para po oczyszczeniu z wody jest kierowana do turbiny, która napędza generator. Następnie para jest kierowana do chłodnicy gdzie skrapla się i jest przepompowana do reaktora. Reaktor jest zamknięty w specjalnej osłonie. Nadmiar pary (przy za dużym ciśnieniu) jest

  • Olewany – zakładamy, że konstrukcja osłony wytrzyma bardzo duże ciśnienie. Tego się nie stosuje!!!
  • Kierowany do specjalnego układu chłodzącego znajdującego się wewnątrz osłony reaktora gdzie para jest chłodzona w wodzie.

To drugie rozwiązanie jest powszechnie stosowane w reaktorach BWR.
Pręt paliwowy ma długość około 3,7m i jest wykonany z cyrkonu. W środku znajdują się pastylki z dwutlenkiem uranu.
Tyle o budowie. Co z zabezpieczeniami. Wspomniałem już o zabezpieczeniach przed próbą ingerencji z zewnątrz. Zarówno osłona reaktora jak i sam budynek są projektowane tak by wytrzymać zarówno trzęsienie ziemi, tsunami, pożar jaki uderzenie samolotu (a to dzięki Osamie) czy atak rakietowy. W praktyce jedyną metodą na zniszczenie osłony reaktora jest bezpośrednie bombardowanie.
Druga grupę zabezpieczeń stanowią zabezpieczenia na wypadek awarii lub błędu ludzkiego. W Fukushimie znajdowały się trzy niezależne i zdublowane układy awaryjne oraz układ chłodzenia działający standardowo w trakcie wyłączenia. Wszystkie te układy wymagają zasilania ze względu na zastosowanie pomp. Jak już wspomniałem tsunami zabrało zbiorniki z olejem napędowym do pomp jak i same pompy. Działał tylko jeden układ awaryjny zasilany z akumulatorów. Czas jego działania to około 6 godzin.
Współczesne reaktory mają dodatkowe zabezpieczenia m.n. układ chłodzenia oparty o naturalną cyrkulację wody. Pozwala to na chłodzenie reaktora przez około 72 godziny nawet w przypadku awarii zasilania.

Co dzieje się w trakcie awarii

Wnętrze osłony reaktora jest wypełnione azotem oraz wodą w postaci pary wodnej oraz cieczy. W momencie awarii układu chłodzenia reaktora woda, która w normalnych warunkach jest chłodzona zaczyna się gotować. Nadmiar pary wodnej jest odprowadzany do układu chłodzenia. Spada jednak poziom wody w rdzeniu. Woda najzwyczajniej wygotowuje się. W momencie gdy zostaną odsłonięte pręty paliwowe dzieje się kilka rzeczy na raz.
Po pierwsze rozpoczyna się proces produkcji wodoru. Skąd ten wodór? Mówi wam coś pojęcie rdzewienie? Cyrkonowe obudowy prętów paliwowych zaczynają w ekspresowym tempie rdzewieć pod wpływem rozgrzanej pary wodnej dla tych co nie mieli na chemii reakcji rdzewienia Zr+2H2O → ZrO2 + 2H2. Reakcja ta jest egzotermiczna, czyli jest wydzielane ciepło. Czy ja już wspomniałem, że nie mamy chłodzenia… Całość jest swoistym chemicznym perpetuum mobile. Woda odparowała odsłaniając obudowę pręta, ta zaczyna się utleniać przy okazji produkując ciepło, które powoduje, że woda szybciej paruje i szybciej odsłania pręt. Do tego mamy coraz więcej wodoru. W pewnym momencie zostają otworzone zawory bezpieczeństwa i nadmiar pary i wodoru zostaje uwolniony do budynku reaktora. Tu już mamy powietrze, a w nim tlen… JEEEBUT! Oglądałeś start promu kosmicznego? Silniki wykorzystują tą samą reakcję. We współczesnych reaktorach instalowany jest specjalny system do rekombinacji wodoru, czyli bezpiecznego łączenia go z tlenem w celu uzyskania wody. W Europie wszystkie reaktory mają ten system. Nawet ten w Temelinie, który jest typu „czarnobylskiego”.
Po drugie gwałtownie rośnie temperatura. Stopieniu ulegają pręty paliwowe i taki „glut” lawy zaczyna powoli, pod wpływem ciążenia i wraz ze spadkiem ilości wody kierować się na dno reaktora. „Glut” otoczony jest przez warstwę stężałego metalu. Przypomina to trochę kulę z farby. Z zewnątrz już stężała wewnątrz nadal płynna. W jego skład wchodzą osłona prętów, paliwo, produkty rozpadu elementy prętów chłodzących. Po dotarciu do dna reaktora do mieszanki dołącza stal z osłony. Następnie taki glut spada na dno reaktora gdzie powoli studzi się. Tak też wygląda obecnie dno reaktora w Czarnobylu. W nowoczesnych konstrukcjach jest możliwość chłodzenia tego typu odpadu poprzez zalanie dna reaktora wodą z układu chłodzenia pary. Cały proces wędrówki trwa około doby.

Możliwe scenariusze

Najgorszy możliwy scenariusz to sytuacja, w której następuje rozerwanie osłony reaktora. Odsłonięty zostaje wtedy rdzeń reaktora, a produkty rozpadu mogą być wyrzucone do atmosfery. W wersji całkowicie katastrofalnej wybuch rozrywa też osłonę rdzenia i wyrzuca na zewnątrz elementy rdzenia. Coś takiego stało się w Czarnobylu. Przy czym pomysł na reaktor RBMKW był już od początku trefny.
Kolejnym scenariuszem, częściowo zrealizowanym w Japonii, jest eksplozja wodoru w wyniku uwolnienia go poza beztlenowe środowisko osłony reaktora. W wersji pesymistycznej wraz z wodorem mogą zostać uwolnione znaczne ilości radioaktywnych izotopów cezu i jodu. Należy jednak pamiętać, że zarówno jod jak i cez są stosunkowo ciężkie, a zatem uszkodzeniu musiała by ulec obudowa reaktora i pręty paliwowe. W Japonii wybuchł wodór, ale nie zostały uwolnione znaczne ilości materiałów promieniotwórczych.
Trzeci scenariusz, najbardziej optymistyczny, to sytuacja w której system chłodzenia zostaje uszkodzony w taki sposób, że pojawia się naturalny wymiennik ciepła. Przykładowo budynek reaktora zostaje zalany bieżącą wodą. W takim układzie zadaniem operatora jest przywrócenie wewnętrznego systemu chłodzenia. W nowoczesnych reaktorach, o czym wspomniałem, buduje się systemy zabezpieczające wykorzystujące naturalna cyrkulację wody.

W Japonii został częściowo zrealizowany drugi scenariusz. Ekipom ratowniczym udało się jednak zorganizować system chłodzenia reaktora.

FAQ

Czas odpowiedzieć na kilka pytań. Pytania te padły w trakcie dyskusji po prezentacji jak i znajdowały się w mailach do prelegentów. Są też pytania, które pojawiają się w mediach.

Dlaczego stosuje się cyrkon jako osłonę prętów?

Ponieważ najlepiej łączy w sobie właściwości potrzebne w tego typu urządzeniach. Zachowuje dobre właściwości mechaniczne w dużym zakresie temperatur, ma niewielki przekrój czynny zatem nie tłumi reakcji. Do tego ma dobre przewodnictwo cieplne.

Czy elektrownia może wybuchnąć jak bomba?

Nie. Paliwo w reaktorze to dwutlenek uranu w którym ilość wzbogaconego izotopu 235 to około 4%. W bombie atomowej stężenie wynosi około 90%. Dodatkowo w reaktorze nie można wytworzyć odpowiednich warunków do zainicjowania reakcji na skalę bomby.

Co z plutonem w reaktorze numer 3?

Zużyte paliwo jest oczyszczane i wzbogacane o pluton. Dzięki temu można je jeszcze wykorzystać. To właśnie dzieje się w reaktorze numer 3.

Dlaczego wyłączone reaktory trzeba chłodzić?

Po wyłączeniu reaktora jeszcze przez długi czas trwają reakcje rozpadu. Produkowane jest też ciepło, które należy odprowadzać by stopieniu nie uległ rdzeń reaktora. Ile jest tego ciepła? W przypadku Fukushima Daichi reaktor numer 1 o mocy 480 MW po około 100 godzinach od wyłączenia będzie produkował jeszcze około 2 MW energii. Dla porównania pojedyncza turbina wiatrowa może produkować maksymalnie 1MW.

Dlaczego chłodzenie wodą morską zaczęto tak późno?

Lubisz chrupki w kawie lub herbacie? Chrupki takie jakie pływają na dnie czajnika? Woda morska jest brudna i słona. Wpompowanie jej do reaktora oznacza, że ten reaktor nie będzie już więcej działał ponieważ jego wnętrze pokryje się kamieniem.

Co z innymi starymi reaktorami w Japonii

Fukushima Daichi to były najstarsze działające reaktory. W marcu miały być i tak wyłączone.

Co z terenem po elektrowni? Czy będzie tam strefa zamknięta?

Odpowiedź brzmi, ku wielkiemu smutkowi eko-terrorystów, nie. Elektrownię atomową po zamknięciu można spokojnie rozebrać. Niebezpieczne fragmenty czyli osłona reaktora i jej zawartość jest utylizowana, a teren przywracany naturze.

No to na dziś tyle.