Jak se chladí Fukušima
Vladimír Wagner
V době, kdy se pořád pracuje na vyřešení situace s chlazením jaderných reaktorů ve Fukušimě, může být zajímavé si shrnout, jak se chladí zmíněné reaktory ve standardní situaci a jak chlazení probíhá nyní v situaci havarijní. Dnes se také poprvé od začátku krize podařilo zaměstnancům alespoň na chvíli opět vkročit do vnitřních částí reaktorové budovy prvního bloku.
Schématický nákres různých chladících obvodů ve varném reaktoru.
Standardní chlazení
Stejně jako u všech lehkovodních reaktorů se i u varných reaktorů používá pro chlazení demineralizovaná voda. Jsou pro to dva hlavní důvody. Prvním je, že zde nejsou příměsi s prvky, které by se jadernými reakcemi s neutrony mohly měnit na radioaktivní. Druhým pak nutnost zabránění usazování a poškozování povrchů trubek a dalších součástí chladícího systému. Jednotlivé chladící okruhy jsou zobrazeny na obrázku. Při normální pracovní funkci reaktoru teplo produkované v aktivní zóně mění tuto vodu na páru, která se zbavuje zbytků vody ve vysoušeči páry a suchá pára se pak vede do turbíny (červená barva). Tam dochází k jejímu ochlazení a vyvedení do kondenzátoru, kde zkondenzuje. Vzniklá voda se vrací do reaktorové nádoby (špinavě zelená barva), čímž se celá smyčka uzavře. V tlakové nádobě reaktoru je tlak 7,6 MPa. Pro tuto hodnotu tlaku je teplota varu 285oC. Cirkulace vody v tomto případě je podpořena příslušnými pumpami.
V případě odstavení reaktoru se vede pára mimo turbínu přímo do kondenzátoru (fialová barva). Tak se voda chladí do té doby, než přestane vytvářet páru. Úplné dochlazení se provádí pomocí systému odvodu zbytkového tepla (velmi světle modrá barva), který prochází přes výměník. Tento systém má vstup do a výstup z reaktoru přes recirkulační obvod (trochu tmavší světlá barva), aby se omezil počet průchodek do reaktorové nádoby.
Schéma kontejnmentu MARK 1.
Havarijní dochlazování
Že se možnosti havarijního dochlazování se liší u prvního reaktoru a ostatních dvou, jsem psal už minule. První reaktor je staršího typu a má pouze nouzový kondenzátor. V tomto případě byly možnosti chlazení po výpadku napájení velmi omezené. Jakmile dodávka proudu z dieselových agregátů zničených cunami 11. března 2011 v 15:41 JST ustala, ztratila se možnost předávat vyvíjené teplo do mořské vody. Chlazení částečně zajišťoval zmíněný nouzový kondenzátor. Kdyby se včas podařilo zajistit elektřinu, bylo možné využít klasického havarijního chlazení, které má dvě možnosti. Jedna z nich je určena pro případ vysokého tlaku v reaktorové nádobě a druhá pro případ nízkého tlaku. To se však nepodařilo, brzy se vybily i baterie a chlazení se tak velmi brzy stalo velmi nedostatečným. Došlo k odhalení paliva, prudkému nárůstu teploty a k intenzivní produkci vodíku hlavně reakcí se zirkoniem povlaku palivových článků. Výsledkem bylo, že již druhý den brzy ráno tlak v kontejmentu začal vlivem pronikání vodíku prudce stoupat a souběžně chlazení pomocí nouzového kondenzátoru ve 4:00 JST přestalo fungovat úplně. Bylo proto nutné provést vypouštění páry a vodíku z kontejnmentu. To začala v 10:17 JST a v 15:36 JST došlo k výbuchu vodíku v horní části budovy reaktoru. Teprve v 20:20 se podařilo začít pumpovat pomocí hasícího systému mořskou vodu do reaktoru a pokračovat v chlazení. Problémem byl hlavně vysoký tlak, který v reaktoru byl.
Druhý a třetí reaktor mají navíc systém izolovaného dochlazování aktivní zóny (anglická zkratka RCIC). Skládá se z turbočerpadla poháněného parou z reaktoru, které nasává vodu z komory potlačení a pod tlakem ji žene do reaktorové nádoby. Tato komora potlačení je v dolní části kontejnmentu, má toroidální tvar (viz obrázek reaktoru a kontejnmentu Mark 1) a je v ní zásoba několik tisíc tun studené vody, která slouží i pro kondenzaci páry z turbíny v tomto systému izolovaného dochlazování aktivní zóny. Teplo, které pára přinese, však vodu v komoře pomalu ohřívá. V okamžiku, kdy její teplota stoupne na sto stupňů, přestane celý systém tohoto dochlazování fungovat. Ovšem funkce systému se zhoršuje už dříve.
U druhého reaktoru bylo chlazení nestabilní a došlo i k odhalení aktivní zóny. Růst tlaku vedl k nutnosti vypouštění páry 13. března 2011 v 11:00 JST. Jak už jsem zmínil v minulém článku o Fukušimě, vydrželo u tohoto reaktoru izolované dochlazování aktivní zóny déle než u reaktoru třetího, až do 14 března v 11:30 JST. Mořskou vodu se podařilo začít pumpovat už v 16:34 JST, i tak však došlo k poškození paliva a produkci vodíku. Nárůst tlaku vedl k nutnosti odpouštění páry, které začalo 15. března ve 12:02 JST. Později došlo pravděpodobně k výbuchu vodíku uvnitř kontejnmentu a jeho poškození, které bylo doprovázeno ztrátou tlaku. Právě to bylo příčinou hlavního úniku radioaktivity z elektrárny.
U třetího reaktoru se také spustilo chlazení pomocí systému izolovaného dochlazování aktivní zóny, 12. března se ve 13:00 podařilo začít pumpovat chladící vodu systémem havarijního chlazení při vysokém tlaku. To se dařilo do 13. března 5:00 JST, v té době už nefungoval ani systém izolovaného dochlazování. Tlak začal prudce růst a v 8:41 bylo nutné zahájit odpouštění páry. Následně se do reaktoru začala v 13:12 pumpovat mořská voda. Dalšího dne 14. března nastal v 11:01 výbuch vodíku v horní části reaktorové budovy.
Čtvrtý reaktor byl prázdný, všechno palivo bylo čerstvě přesunuto do vodního bazénu pro přechodné skladování vyhořelého paliva. Tyto bazény jsou v budovách každého reaktoru nad samotným kontejnmentem. S jejich chlazením také začaly být velké problémy a i v současnosti se řeší přerušovaným doplňováním pomocí stříkaček a pump. Právě čtvrtý reaktor, ve kterém je paliva nejvíce a je i nejčerstvější představuje největší komplikaci.
Pátý a šestý blok jsou umístěny trochu stranou. V době zemětřesení byly vypnuty, takže jejich tepelný výkon produkovaný rozpadem radioaktivních izotopů, který bylo třeba odvádět, byl mnohem menší. Také tam jeden dieselagregát cunami přežil. To byly hlavní důvody, proč se podařilo udržet havarijní chlazení. Nemuselo se přejít k zalévání reaktoru mořskou vodou. Situace se plně stabilizovala po přivedení napětí. V současné době jsou bloky v tzv. „studeném odstavení“. I když cirkulace při chlazení bazénů s vyhořelým palivem byla také na jistou dobu přerušena, nevedlo to k problémům a i z tohoto hlediska je situace na těchto blocích plně pod kontrolou.
Chlazení prvních tří reaktorů v současné době.
Od okamžiku, kdy se podařilo v konkrétních třech případech vyřešit problém s pumpováním vody do tlakové nádoby reaktoru, se chladí tak, že se neustále dodává další voda. Jak bylo zmíněno, nejdříve se jednalo o vodu mořskou, nyní už o užitkovou. Ta se vypařuje, pára kondenzuje v kontejnmentu a voda se hromadí v jeho mokré části. Celkový objem kontejnmentu je dost velký na to, aby se tam vlezlo velmi velké množství vody. U prvního a třetího reaktoru, u nichž nebyla narušena hermetičnost kontejnmentu, by se pára ani radioaktivní voda z něj neměly dostávat. U druhého reaktoru se pára i voda z kontejnmentu ven dostávají. Potvrdil to i robot, který byl poslán do prvního patra reaktorové budovy druhého reaktoru a zjistil velice vysokou vlhkost a teplotu.
Donedávna byla snaha pumpovat vody co nejméně. Právě tolik, aby se udržela její hladina v reaktorové nádobě a zajistilo chlazení. Do reaktoru se tak dodává šest až osm tun vody za hodinu. Nyní se začíná uplatňovat napřed u prvního reaktoru a později u třetího jiný přístup. Vychází se z toho, že hermetičnost kontejnmentu je zachována a tak může být postupně vyplněn vodou. Voda by měla dosáhnout takové výšky, aby v ní byla ponořena reaktorová nádoba až po úroveň horního konce palivových článků. Tím by se zlepšil odvod tepla z reaktorové nádoby, snížila se její teplota (v současné době je mezi 120 až 140oC ve výšce, kde do reaktoru vstupuje napájecí voda z kondenzátoru) a chlazení se tak více stabilizovalo.
Nutnou podmínkou pro toto vyplnění kontejmentu je, aby byl hermetický a tato hermetičnost nebyla velkou hmotností vody ohrožena. Proto se nic takového zatím neplánuje u druhého reaktoru. U něho by se musel nejdříve kontejnment utěsnit zabetonováním všech trhlin. Připravuje se tak zalití vodou jen u prvního a třetího reaktoru. U prvního je zatím příprava nejdále. Zátěž velkého množství vody by neměla ohrožovat kontejment v normální situaci. Problémem je jeho chování při silném zemětřesení. Kontejment vyplněný vodou se bude chovat jinak než kontejnment v normálním stavu. Musí se tak udělat velice pečlivé studie, zda nebude celistvost kontejnmetu zemětřeseními ohrožena. Zároveň se musí velice pečlivě sledovat a ověřit, zda opravdu není někde v kontejnmentu netěsnost, kterou by po dosažení vyšší úrovně vody v něm pronikala radioaktivní voda do budovy reaktoru. Podmínkou je tedy důkladná prohlídka vnitřních částí reaktorové budovy v nižších patrech. První byla provedena radiově řízeným robotem 17. dubna, který zjistil poměrně vysokou radioaktivitu jak v prvním tak ve třetím reaktoru. Ta zatím znemožňuje práci lidí v těchto místech.
Robot na prvním patře uvnitř budovy prvního reaktoru (zdroj TEPCO).
Začátkem května bylo u prvního reaktoru testováno zvýšení objemu dodávané vody z šesti tun za hodinu na deset tun za hodinu. To se projevilo snížením teploty v horní části reaktorové nádoby na 107oC, tedy téměř o 25oC, a i poklesem tlaku. Později se zkoušelo i pumpování čtrnácti tun vody za hodinu. Zároveň je do kontejnmentu vháněn dusík, aby znemožnil výbuch vodíku, který se tam může hromadit. Robot pak opět ověřoval, zda nedochází někde v reaktorové budově k průsaku vody či páry z kontejnmentu. Že se jako první bude stabilizovat první reaktor je dáno i tím, že poškození jeho aktivní zóny je patrně největší, i když nedávno byla na základě nových dat revidován odhad míry poškození ze sedmdesáti procent na padesát.
Kromě kontroly vnitřních částí budovy reaktoru je potřeba instalovat nový systém měření hladiny vody uvnitř kontejnmentu a později i systém umožňující cirkulovaný oběh vody, který by úplně stabilizoval situaci s chlazením. Předpokládá se využití části původního potrubí a pára z reaktoru bude posílána do tepelného výměníku, který má být instalován nedaleko vstupu do reaktorové budovy. Už ve formě vody pak do chladící věže mimo reaktorovou budovu a pak potrubím opět do kontejnmentu.
Aby to bylo možné, je potřeba zlepšit podmínky pro práci lidí v reaktorové budově. Hlavně snížit radioaktivitu. Proto by se tam měl umístit systém pro filtrování vzduchu, který jej bude čistit od radioaktivních částic. Čištění vzduchu bude doprovázeno velmi pečlivým monitorováním radioaktivity. Dnes (ve čtvrtek 5. května) ráno vstoupili poprvé po explozi vodíku do vnitřních částí reaktorové budovy prvního bloku dva pracovníci s dýchacími přístroji. Spolu s dalšími pracovníky by v ní měli umístit čtyři filtrační zařízení, která by měla radioaktivitu ve vzduchu postupně snížit o 95 procent. To by mělo umožnit dlouhodobější práci pracovníků v těchto prostorách. Práce na instalaci filtračního zařízení bude trvat několik dní. Předpokládá se, že instalace zařízení pro cirkulaci vody by uvnitř budovy mohla začít 16. května. I pak se může objevit řada komplikací, protože radioaktivita není jen ve vzduchu ale i na zařízeních. Bude tak třeba je před opravami vyčistit. Je tak možné, že se pracovníci neobejdou bez olověných ochranných oděvů či pomůcek.
Co s radioaktivní vodou?
Odhaduje se, že v současnosti je celkové množství radioaktivní vody v turbínových halách a několika podzemních prostorách téměř 70 000 tun. Zatím se do nádrže zařízení pro zpracování odpadu v areálu začala transportovat voda z turbínové haly druhého reaktoru, jejíž radioaktivita je největší. Od 19. dubna do konce tohoto měsíce se podařilo přečerpat 2560 tun. Připravují se podmínky pro zahájení odčerpávání vody ze třetího reaktoru, kde voda stoupá. Také by se měly postavit další potřebné zásobníky na tuto vodu. Proběhlo také odčerpávání relativně malého množství radioaktivní vody, která je v šestém reaktoru.
Firma AREVA by měla přímo ve Fukušimě postavit dekontaminační zařízení. Její odborníci už zkoumali situaci na místě. Měly by se používat chemické metody, se kterými má AREVA dobré zkušenosti a už je použila ve svých zařízeních v Marcoule a LaHavru. Příslušné zařízení by mělo zahájit činnost v červnu bude používat reakce iontové výměny pro vysrážení radioaktivních prvků. Radioaktivita vody by se tak měla snížit na tisícinu až desetitisícinu současné hodnoty. Pak by se měla začít používat pro chlazení reaktorů a bazénů. Předpokládá se že po rozběhnutí by zařízení AREVY dekontaminovalo 1200 tun vody denně. Takže do poloviny května by se měla velká část radioaktivní vody přečerpat do míst, kde se bude dekontaminovat a pak bude probíhat přečerpávání další vody a v červnu pak proběhne u ní (alespoň její části) dekontaminace.
Další novinky z elektrárny
Velice intenzivně pokračuje budování opatření, které zabezpečí funkci všech systému i při zásahu velkým zemětřesením a následnou vlnou cunami. Je třeba také zabezpečit, aby cunami nesmetla zásobníky s radioaktivní vodou a ta se nedostala do moře. Proto se mají stavět ochranné zdi.
Daří se uklízet radioaktivní trosky v okolí reaktorových budov pomocí automatických a na dálku řízených strojů. Speciálními postřiky, které fixují radioaktivní materiály a zabraňují jejich rozšiřování větrem z areálu elektrárny se už ošetřily rozsáhlé plochy. Po vyřešení problémů s chlazením by se měly postavit hermetické kryty, které by nahradily zničené budovy reaktorů. Všechna zmíněná opatření by měla zabránit úniku radioaktivních částic z areálu elektrárny a jejich dokončení je základní podmínkou pro návrat civilního obyvatelstva do jejího okolí.
V současnosti v elektrárně pracuje okolo tisíce pracovníků. Efektivní uplatňování metod ochrany před radiací pomohlo k tomu, že zatím pouze třicet pracovníků obdrželo dávku větší než 100 mSv a žádný nepřekročil dávku 250 mSv. Společnost TEPCO plánuje poslat do elektrárny další pracovníky, aby mohla zajistit častější střídání a tím i menší dávku pro jednotlivé pracovníky. Měli by to být pracovníci s dostatečnými zkušenostmi, kteří už v této nebo v jiných jaderných elektrárnách pracovali. Předpokládá se, že by se mohlo vybírat zhruba s tří tisíc lidí.
Poslední vývoj v situaci s radiací v okolí
Pokles radioaktivity pokračuje. Předchozí vývoj jsem popsal v dřívějších článcích (zde, zde, zde a zde). Od posledního článku uplynulo zhruba půl měsíce. Za tu dobu klesl příspěvek k dávkovému příkonu od Fukušimy 1 v Tokiu z 42 mikrosieverů za hodinu na 32 mikrosievertů za hodinu. Přirozené pozadí je zde zhruba 36 mikrosievertů za hodinu. Je tak vidět, že už příspěvek Fukušimy klesl pod hodnotu přirozeného pozadí a stále klesá. V zóně, která je mimo evakuovanou zónu už většinou radioaktivita klesla hluboko pod jeden mikrosievert za hodinu. V jednom z nejpostiženějších sídel - Iitate v severozápadní části této oblasti – klesl dávkový příkon z 5 na 3,5 mikrosievertů za hodinu. Na hranicích elektrárny sledujeme situaci u hlavní brány, tam se snížil dávkový příkon ze 70 na 46 mikrosievertů za hodinu, a u západní brány, tam klesl ze 30 na 18 mikrosievertů za hodinu. O situaci v evakuované zóně si lze udělat trochu představu z videa, které jsem prezentoval v předchozím článku. Ledacos nám řekne i měření radioaktivity v areálu jaderné elektrárny Fukušima 2, která je v této zóně. Tam je v současnosti dávkový příkon 1,7 mikrosievertů za hodinu. V době, kdy jsem psal poslední článek o Fukušimě, byl 2,3 mikrosievertů. Poměr mezi hodnotami je ve všech uvedených místech velmi podobný, zhruba mezi 0,6 až 0,7. To odpovídá efektivnímu poločasu poklesu aktivity v současné době zhruba 26 dní. To ukazuje, že pořád tvoří značnou část radioaktivity relativně krátkodobé izotopy a pořád ještě můžeme čekat docela slušný pokles než zůstane hlavně cesium 137.
Rozbíhají se intenzivní práce na odstraňování trosek a následků cunami a zemětřesení i v evakuované zóně. Tam se musí zjišťovat radioaktivní znečištění těchto trosek a zohlednit naměřené výsledky při ukládání a likvidaci těchto trosek. Japonské úřady uzavřely tyto oblasti a dovolují pouze organizované, limitované a odůvodněné návštěvy místních obyvatel do míst, které nejsou blíže k elektrárně než tři kilometry.
V moři se radioaktivita velice rozředila a klesla pod povolené limity. Jediné místo, kde je stále vysoká, je ohrazená část v blízkosti jímky u druhého reaktoru, kde byla trhlina, kterou unikala vysoce radioaktivní voda. Toto místo, je neustále kontrolováno, aby byla jistota, že se úniky určitě podařilo zastavit.
Závěr
Jak už jsem několikrát zdůrazňoval, základní podmínkou pro návrat civilního obyvatelstva do evakuované zóny je vyřešení všech problémů s chlazením reaktorů v elektrárně. Další nutností je zastavení všech byť jen možných úniků radioaktivity z elektrárny. Plán společnosti TEPCO předpokládá, že by to mohla stihnout zhruba do konce roku. Ovšem pořád se může objevit řada nemilých překvapení, které povedou ke zpoždění. Jak jsem se snažil ukázat, tak stále ještě probíhá poměrně rychlý pokles radioaktivity. Je dobrá vyhlídka, že v době stabilizace situace v elektrárně už bude prostředí v evakuované zóně zcela bezpečné. Pochopitelně však musí být radioaktivita v oblasti velmi pečlivě zkontrolována. Do té doby by mohly proběhnout úklid a rekonstrukce po zemětřesení a cunami v této oblasti. Začátek příštího roku je tak pravděpodobná doba návratu evakuovaných do svých domovů.
Zajímavé video z elektrárny Fukušima I je na stránkách:
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=dEUh7_1i_dg
V Řeži 6. 5. 2011
