Havárie elektrárny Fukušima

Vladimír Wagner a redakce časopis ÚJV Jaderník

Dne 11. března 2011 zasáhlo Japonsko jedno z největších zemětřesení v historii. Jeho velikost dosáhla momentové magnitudo 9,0 (přibližně odpovídá devítce v starší, ve veřejnosti známější Richterově stupnici). Zemětřesení a hlavně následné cunami, kdy vlna v některých místech dosáhla výšky až dvaceti metrů, způsobily obrovskou katastrofu na severovýchodním pobřeží Japonska. Jedním z důsledků byla i havárie v jaderné elektrárně Fukušima I. Následky havárie řešily speciální týmy složené z pracovníků jaderné elektrárny, hasičů i vojenských specialistů a v současné době se jimi dále zabývají početné skupiny odborníků.

Technická data

Elektrárna Fukušima I má dohromady šest varných reaktorů. První z nich je typu BWR-3 o elektrickém výkonu 460 MW (spuštěný v roce 1971), čtyři pak typu BWR-4 s 784 MW (spuštěné v letech 1974 až 1978) a jeden typu BWR-5 o elektrickém výkonu 1 100 MW (spuštěný v roce 1979). V době zemětřesení byly v činnosti první tři reaktory, čtvrtý byl bez paliva a čerstvě vytažené palivo bylo ve vodním bazénu. Další sice byly s palivem ale vypnuty.

Úkol č. 1 – rychle zastavit štěpné reakce

Tím prvořadým pro jadernou elektrárnu zasaženou zemětřesením nebo jinou potenciálně nebezpečnou situací je rychlé zastavení štěpné reakce. Teplo, které se při ní uvolňuje, představuje nejvyšší riziko. Ve většině případů se používají havarijní tyče z materiálu, který intenzivně pohlcuje neutrony. Ty se při problémech zasunou do reaktoru a odstaví jej. V tomto ohledu japonské reaktory zapracovaly perfektně. Všechny byly odstaveny, štěpná reakce se zastavila, kritické části elektráren přežily v této fázi vše bez větších problémů. Pouze v jaderné elektrárně Onagawa vypukl v důsledku zemětřesení požár v hale turbíny, tedy nejaderné části, který se podařilo rychle uhasit. Elektrárny se přepojily na náhradní dieselové zdroje, které zajišťovaly elektrickou energii pro pumpy pracující v chladicích systémech. Je třeba zdůraznit, že v této fázi všechny systémy splnily to, co se od nich očekávalo, i když intenzita zemětřesení překročila nejvyšší předpokládané hodnoty. Byl to jeden z klíčových okamžiků. Zastavením štěpné řetězové reakce se odstranilo největší riziko – vypnul se nejvýkonnější zdroj energie. Další procesy už uvolňují méně energie a i tím se značně prodlužuje doba umožňující obsluze řešit případné problémy.

Cunami

Po zhruba hodině dorazila vlna cunami. Její velikost přesáhla všechny představy, zdevastovala severovýchodní pobřeží Japonska a zasáhla i zmíněné elektrárny. V oblasti elektrárny Fukušima I byla vlna vysoká 14 m, zatímco elektrárna byla dimenzována na nejvyšší hodnotu 6 m. Když se ale podíváme na obrázky z jiných míst, kudy se cunami převalila, je vidět, že elektrárny jsou vskutku odolnými stavbami. Přesto však došlo zásahem vlny k úplnému nebo částečnému zničení náhradních energetických zdrojů. Hlavně dieselových agregátů. A to způsobilo následující velmi vážné problémy.

Úkol č. 2 - Dochlazení reaktoru

I po vypnutí štěpné jaderné reakce se v palivu stále produkuje energie rozpadem radioaktivních jader, která v palivu i okolním materiálu vznikla v průběhu činnosti reaktoru. Většinou jde o rozpad beta. Takže po zastavení řetězové štěpné reakce je teplo produkováno právě přeměnou energie uvolněné v těchto reakcích. I když je velikost takto produkovaného tepla řádově menší než je produkce tepla pracujícího reaktoru, i tak jde o dost vysoký tepelný výkon. Největší je radioaktivita krátce žijících radioizotopů, které se však rychle rozpadají, takže produkovaný tepelný výkon exponenciálně a zpočátku velmi rychle klesá. Už po hodině je jeho hodnota jen zhruba něco přes setinu provozního tepelného výkonu. První reaktor elektrárny Fukušima I měl elektrický výkon zhruba 460 MW, což reprezentuje tepelný výkon 1 400 MW a po hodině po odstavení měl zhruba 25 MW. U druhého a třetího reaktoru jsou tato čísla přibližně 780 MW, 2 400 MW a 40 MW, viz obrázek: (citace Dušan Kobylka serveru Technet)

Tento tepelný výkon je nezbytně nutné odvádět a reaktor stále chladit. I když v nových typech reaktorů bývá přirozená cirkulace, která takové dochlazování ulehčuje i při výpadku pump, v případě reaktorů ve Fukušimě je chlazení závislé na cirkulaci právě pomocí pump. Ty byly po úspěšném odstavení reaktoru během zemětřesení přepnuty na zásobování elektřinou z náhradních zdrojů, kterých je v záloze celá řada. Vše v pohodě fungovalo a odvádělo se i teplo, které se nahromadilo během činnosti reaktoru v jeho komponentách. Až se zhruba po hodině se dostal tepelný výkon na hodnoty uvedené na začátku škály v grafu. V tomto okamžiku zasáhla elektrárnu nečekaně velká vlna cunami a veškeré náhradní zdroje elektrické energie vyřadila. Přežil jediný dieselagregát u pátého a šestého bloku, které jsou trochu stranou. Systém se přepnul na záložní baterie, které v omezené míře umožnili i činnost havarijního chlazení. Ty však mají omezenou dobu činnosti v řádu hodin.

I po jejich výpadku dochází k odvodu tepla z aktivní zóny reaktoru, ovšem už ne tak efektivně a dochází k jeho ohřívání. Tím se zvyšuje tlak uvnitř reaktoru a obsluha se snažila zároveň o dvě věci, odvod tepla z aktivní zóny a udržení tlaku tak, aby nebyl ohrožován reaktor a kontejnment, který brání úniku radioaktivity. Bohužel neúspěšně.

Explozivní vodík

V případě reaktorů ve Fukušimě, ale i u dalších typů, se palivové proutky pokrývají vrstvou zirkonia. Jeho hlavním úkolem je zachycovat radioaktivní jádra, která vznikají ve štěpných reakcích. V případě normálního stavu funguje zirkoniové pokrytí jako první překážka před proniknutím radioaktivních jader z paliva. Problém nastane v okamžiku, kdy teplota palivových článků začne stoupat v situaci, kdy jsou odhalené a nejsou ponořeny a chlazeny vodou. Dostane-li se teplota nad 800 °C, začne vrstva pokrytí oxidovat a vzniká oxid zirkoničitý a vodík, který pronikal spolu s párou při řízeném odpouštění z primárního kontejnmentu do reaktorové budovy. To bylo také příčinou exploze a zničení této reaktorové budovy. Při tomto výbuchu nedošlo k poškození primárního kontejnmentu a ztrátě jeho hermetičnosti. Zároveň se objevila radioaktivita jódu 131 a cesia 137 jako další známka, že se pára setkala s obnaženým palivem, ze kterého se do ní dostaly produkty štěpení. Podobné známky obnažení paliva se objevily také u reaktoru tři, kde vodík v reaktorové budově explodoval 14. března a zničil ji. Při explozi došlo k poškození agregátů využívaných k pumpování vody do druhého reaktoru. Na něm pak také došlo k explozi vodíku, ale v primárním kontejnmentu. Úplně přesný průběh a následky těchto událostí však bude možné určit až po důkladné analýze v budoucnosti.

Bazény vyhořelého paliva

V případě bazénů s vyhořelým palivem je jiný časový vývoj situace než v případě reaktoru. Jejich tepelný výkon je už relativně malý, ale i jeho pokles je v rámci dnů nepatrný. Ve vyhořelém palivu jsou totiž i dlouhodobé radioaktivní izotopy s poločasem rozpadu v řádu stovek dní až několik let. Bez cirkulace se tak voda v bazénu ohřívá a vypařuje. Proces je sice pomalejší, takže je více času pro jeho řešení, ale nelze je odkládat příliš dlouho. Ve vodním bazénu čtvrtého reaktoru však bylo vyhořelé palivo relativně čerstvě vytažené z reaktoru, takže tam tyto procesy probíhaly o něco rychleji.

Vody je v bazénech dostatečné množství, ale přesto když selže její cirkulace, začne se ohřívat. Kritická byla hlavně situace ve čtvrtém reaktoru, kde bylo relativně nedávno, 10. prosince minulého roku, umístěné vyhořelé palivo. A také se třetím. Situace je v tomto případě vážná z toho důvodu, že palivo není uvnitř primárního kontejnmentu.

Krizové chlazení reaktorů a bazénů vyhořelého paliva

Stejně jako u všech lehkovodních reaktorů se i u těch varných používá pro chlazení demineralizovaná voda. Vzhledem ke skutečnosti, že bloků 1 až 3 postupně selhalo standardní i havarijní chlazení (rozdíly mezi reaktory pomíjíme), bylo nutno přistoupit ke krizovému chlazení mořskou vodou. U pátého a šestého reaktoru se díky tomu, že byly v době zemětřesení odstaveny a přežil tam jeden dieselagregát, nemuselo ke krizovému chlazení přistoupit a v současnosti jsou reaktory i bazény s vyhořelým palivem ve studeném odstavení.

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. Objem kontejnmentu pojme velmi velké množství vody. Zda se radioaktivní voda dostává ven, závisí na těsnosti kontejnmentu. To, že se dostává ven u druhého reaktoru, potvrdil i robot, který byl poslán do prvního patra budovy druhého reaktoru a zjistil velice vysokou vlhkost a teplotu. Donedávna se předpokládalo, že těsnost kontejnmentu u prvního a třetího reaktoru narušena není. Ovšem, jak postupně pokračují práce na prvním reaktoru, zjišťuje se, že tam došlo k tavení aktivní zóny, pravděpodobně i proděravění reaktorové nádoby a poškození kontejnmentu. Vzhledem k tomu bylo potřeba změnit původní plány na obnovení cirkulovaného chlazení tohoto reaktoru.

U bazénů vyhořelého paliva se doplňuje voda většinou pomocí speciálních stříkacích zařízení. I u nich se pracuje na obnovení cirkulace vody.

Obnovení cirkulovaného chlazení

Jde o velmi důležitý krok. Původní plán byl kontejnment prvního reaktor zaplnit po relativně vysokou hladinu vodou a čerpat ji do nově vybudovaného tepelného výměníku. V současnosti se však pracuje na nové variantě plánu, který předpokládá čerpání vody z kontejnmentu bez zaplnění z nižší hladiny a její filtraci před vstupem do tepelného výměníku. Daleko větší poškození reaktorů tak určitě povede k náročnější cestě k obnovení chlazení pomocí cirkulovaného toku vody. Právě toto úterý tak společnost TEPCO zveřejnila nový plán postupu stabilizace a vyřešení situace v elektrárně.

Úkol č 3: Co s radioaktivní vodou?

Odhaduje se, že v současnosti je celkové množství radioaktivní vody v turbínových halách a několika podzemních prostorách téměř 100 000 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 2 560 tun. Vytvářejí se podmínky pro zahájení odčerpávání vody ze třetího reaktoru, kde voda stoupá. To si vyžádá vybudovat pro ni další zásobníky. K Fukušimě také míří přebudovaný tanker, který by měl být schopen pojmout 10 000 tun vody. 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 získané ve vlastních zařízeních v Marcoule a LaHavru. Tento systém dekontaminace by měl být dokončen a zpuštěn 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 1 200 tun vody denně.

Radiační situace

V samotné elektrárně se fixuje radioaktivita pomocí polymerů. Odklízejí se radioaktivní trosky a připravuje se stavba jednoduchých budov, které by nahradily zničené reaktorové budovy a zabránily únikům radioaktivity z reaktorů a bazénů. Radioaktivita zatím poměrně rychle i když stále pomaleji klesá. Příspěvek k dávkovému příkonu od Fukušimy I v Tokiu klesl téměř na polovinu přirozeného pozadí a stále se snižuje. Na území mimo evakuovanou zónu už většinou radioaktivita klesla hluboko pod jeden mikrosievert za hodinu. Horší je situace v severozápadním směru od Fukušimy I, kde je pořád ještě několik mikrosievertů za hodinu. To je důvod, proč v některých oblastech probíhá evakuace nyní. Jde o to, aby kumulovaná roční dávka civilního obyvatelstva nemohla překročit 20 milisievertů. Na hranicích elektrárny lze sledovat situaci u hlavní brány, tam se snížil dávkový příkon na 43 mikrosievertů za hodinu, a u západní brány, tam klesl na 15 mikrosievertů za hodinu. Efektivnímu poločas poklesu aktivitybyl na počátku května zhruba okolo měsíce, což potvrzuje, že k radioaktivitě stále přispívaly zejména relativně krátkodobé izotopy. Proto i nadále můžeme očekávat výrazný pokles, než jako zdroj záření zůstane hlavně cesium 137. Právě sledování aktivity cesia a jeho pohybu v životním prostředí se stává nejdůležitější součástí radiačního monitorování.

V moři radioaktivita rozředěním klesla pod povolený limit. Překračuje ho jedině v blízkosti jímky u druhého reaktoru, kde byla trhlina, kterou unikala vysoce radioaktivní voda. Toto místo je ohrazeno a monitorováno, aby byla jistota, že se úniky podařilo zastavit. Ovšem situace se může měnit a je nutné ji sledovat. Nedávno byly například zjištěny úniky radioaktivní vody u třetího reaktoru. Pracuje se tak na řadě opatření, které mají zabránit dalším únikům radioaktivity.

Závěr

Havárie v jaderné elektrárně Fukušima je druhou největší havárií jaderné elektrárny. Přesto jsou její dopady pouze lokální a nepřevyšují dopady jiných průmyslových havárií. A jsou velmi malé vzhledem k jiným následkům extrémní přírodní katastrofy, která za ní stála.

Základní podmínkou pro návrat civilního obyvatelstva do evakuované zóny je vyřešení všech problémů s chlazením reaktorů v elektrárně. Je nezbytné vyloučit všechna rizika úniků radioaktivity z elektrárny. Společnosti TEPCO předpokládá, že by to mohla stihnout do konce roku. Jak je vidět i z posledního vývoje, nelze ale předvídat všechna nemilá překvapení, která povedou ke zpoždění. Poměrně rychlý pokles radioaktivity poskytuje naději, že v době stabilizace situace v elektrárně už bude prostředí alespoň ve větší části evakuované zóny bezpečné. Podle nynějších předpokladů by se lidé mohli začít vracet do svých domovů začátkem příštího roku, i když monitorování šíření radionuklidů v životním prostředí a bezpečnostní opatření budou dlouhodobější.

V Řeži 28. 5. 2011

---