Ciężkie awarie reaktorów jądrowych i współczesna obrona przed nimi.pdf

ROZDZIAŁ XVI. CIĘŻKIE AWARIE REAKTORÓW JĄDROWYCH

I WSPÓŁCZESNA OBRONA PRZED NIMI

16.1 Wstęp

Z całości naszego dotychczasowego wykładu wynika, że konstrukcje reaktorów są

maksymalnie bezpieczne, a w zasadzie jedynymi reaktorami, które miały w sobie wbudowane

niebezpieczeństwo były reaktory typu RBMK, obecnie niemal w całości wycofane z

użytkowania na terenie byłego Związku Radzieckiego. Nie oznacza to jednak, że w historii

energetyki jądrowej nie wydarzyły się poważne awarie. Było ich bardzo niewiele, a każda z

nich dawała kolejną lekcję konstruktorom i obsłudze reaktorów. W niniejszym rozdziale

chcemy przedstawić cztery najpoważniejsze awarie jakie miały miejsce w historii energetyki

jądrowej. Była to awaria około Harrisburga w stanie Pensylwania w USA w elektrowni Three

Miles Island, w Czarnobylu (Ukraina), a także pożar w wojskowej elektrowni jądrowej

Brown’s Ferry. Ostatnia poważniejsza awaria nastąpiła podczas przepalania paliwa podczas

jego oczyszczania poza reaktorem w 2004 r. w elektrowni jądrowej w Paksz na Węgrzech.

Przypomnijmy, że podstawowymi elementami bezpieczeństwa reaktora są:

• ujemna wartość współczynnika termicznego, tj. ujemne sprzężenie zwrotne

powodujące, że wzrostowi temperatury rdzenia towarzyszy zmniejszanie

reaktywności reaktora;

• istnienie prętów bezpieczeństwa wpuszczanych automatycznie w głąb rdzenia w

sytuacji nadmiernego jego grzania;

• utrzymanie dobrego chłodzenia rdzenia aż dop całkowitego wychłodzenia reaktora

• istnienie systemu barier z obudową bezpieczeństwa i systemu obrony w głąb

uniemożliwiającego wydostawanie się produktów rozszczepienia poza budynek

reaktora nawet w wypadku awarii.

Jak mówiliśmy w rozdziale VIII, bezpieczeństwo reaktora powierza się układom pasywnym,

działającym w oparciu o naturalne procesy fizyczne, czego przykładem może być

umieszczenie zbiornika zapasowej wody chłodzącej powyżej zbiornika reaktora,

automatyczne systemy wykrywające i usuwające powstający wodór itp. Układy

bezpieczeństwa są zwielokrotniane i zróżnicowane, aby uniemożliwić ich wspólną awarię z

jednej przyczyny. Ten wzgląd każe ostrożnie patrzeć na możliwość powierzenia

bezpieczeństwa reaktora systemowi komputerowemu, gdyż zaawansowany system

komputerowy może zawierać trudno zauważalny błąd, który w odpowiednich warunkach

spowoduje awarię instalacji.

Normy bezpieczeństwa jądrowego w różnych krajach są różne. Wymagania opracowane

przez Europejskie Towarzystwa Energetyczne (European Utility Requirements) i

zatwierdzone jako wystarczające przez Urzędu Dozoru Jądrowego w krajach Unii

Europejskiej przewidują, że w wypadku maksymalnej awarii projektowej (a więc takiej, którą

można opanować środkami bezpieczeństwa przewidzianymi przez konstruktora) strefa

zagrożeń obejmować ma nie więcej niż 800 m wokół reaktora. Częstość takiej awarii dla

obecnie projektowanych reaktorów winna być mniejsza niż raz na 100 000 lat, a njlepsze

obecne projekty zapewniają, że będzie ona rzędu raz na 10 milionów lat.

Oczywiście w rozwoju na świecie energetyki jądrowej zdarzały się i zdarzają się drobne

awarie polegające np. na pojawieniu się wycieków cieczy promieniotwórczej. Tego typu

awarie są z reguły szybko usuwane przez obsługę i nie zagrażają środowisku naturalnemu, w

tym samej obsłudze. Wszystkie awarie są starannie analizowane, by znaleźć ich przyczyny

pierwotne i wyeliminować możliwość ich ponownego wystąpienia. Dzięki temu eksploatacja

reaktorów staje się bezpieczniejsza, a projekty doskonalsze. Bada się przy tym nie tylko

awarie, ale i wydarzenia mogące prowadzić do awarii, nawet jeśli niebezpieczeństwo wykryto

w porę i układy reaktora lub operatorzy opanowali sytuację bez uszkodzeń obiektu i

wydzielenia radioaktywności. Informacje o takich wydarzeniach, zwanych „zwiastunami

awarii” (w ang. – precursors ), przekazuje się do Międzynarodowej Agencji Energii

Atomowej wraz z analizami ich przyczyn.

Poważniejszymi awariami była wczesna awaria reaktora Windscale w 1957 roku związana z

tzw. efektem Wignera. Awaria ta spowodowała wyemitowanie pewnych ilości materiałów

promieniotwórczych do atmosfery. W tym samym roku w instalacji wojskowej w Kisztymie

na Południowym Uralu nastąpiła awaria zbiornika na wypalone paliwo, zawierającego sporo

wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych. Wówczas emisja materiałów

promieniotwórczych do atmosfery, która objęła obszar o długości około 80 km i szerokości

ok. 8 km, wyniosła 7,4·10 16 Bq. Mimo poważnej aktywności uwolnionej do atmosfery nie

zanotowano nie tylko przypadków śmiertelnych, ale także negatywnych skutków

zdrowotnych wśród potencjalnie narażonej ludności.

Pożar reaktora w elektrowni Brown’s Ferry spowodował rozległe uszkodzenia kabli i roczny

przestój reaktora, a awaria w Three Miles Island (TMI) spowodowała zniszczenie reaktora.

Żadna z nich jednak nie spowodowała poważniejszych skutków zdrowotnych ani wśród

obsługi na zewnątrz elektrowni. Niewątpliwie najpoważniejsza awaria zdarzyła się w 1986 r.

w Czarnobylu. Natomiast poważna awaria z daleko idącymi skutkami radiologicznymi i

zdrowotnymi zdarzyła się w 1986 roku w Czarnobylu. Awarie w TMI i Czarnobylu bardzo

poważnie nadwyrężyły zaufanie społeczeństw do energetyki jądrowej, choć te psychologiczne

skutki zostały zwielokrotnione przez lata negatywnej kampanii antynuklearnej i

powszechnemu wyznawaniu naukowo nie uzasadnionej zasady liniowej bezprogowej (LNT).

Rys. 16.1 Międzynarodowa Skala Zdarzeń Jądrowych INES

W celu ujednolicenia kwalifikowania wszystkich sytuacji awaryjnych w obiektach jądrowych

na całym świecie, wprowadzono Międzynarodową Skalę Zdarzeń Jądrowych INES (od ang.

International Nuclear Events Scale ) określającą stopień zagrożenia przy awarii lub

wydarzeniu odbiegającym od normalnych warunków pracy. Skalę tę przedstawia rys. 16.1, a

szczegółowe kryteria zaliczenia zdarzenia do określonej kategorii opisane są w Uzupełnieniu

do niniejszego rozdziału. W tabeli tej podane są także przykłady zaistniałych zdarzeń.

Przyjęta struktura poziomów skali INES przedstawia się następująco:

1. anomalia , naruszająca zatwierdzone warunki eksploatacji

2. incydent , znaczne skażenie, nadmierne narażenie pracowników

3. poważny incydent , narażenie ludności na napromienienie dawką graniczną, poważne

skażenie, ostre skutki napromienienia u pracownika(ów)

4. awaria bez znacznego zagrożenia poza obiektem , narażenie ludności na

napromienienie dawką graniczną – przykładem awaria w wojskowym zakładzie

przerobu paliwa w Windscale, Wielka Brytania, w roku 1973 - znaczne uszkodzenie

rdzenia reaktora, narażenie pracownika(ów) na napromienienie dawką śmiertelną –

przykładem awaria doświadczalnego zestawu krytycznego w Buenos Aires

(Argentyna) w 1983 r.

5. awaria z zagrożeniem poza obiektem , możliwa konieczność częściowego

wprowadzenia planowanych przeciwdziałań, poważne uszkodzenie reaktora –

przykładem awaria reaktora wojskowego Windscale (Wielka Brytania) oraz awaria

reaktora wojskowego w TMI (USA) w r. 1957

6. poważna awaria , znaczne uwolnienie materiałów promieniotwórczych do atmosfery,

możliwa konieczność pełnego wprowadzenia planowanych przeciwdziałań –

przykładem awaria zbiornika w wojskowym zakładzie przerobu paliwa w Kysztymie

(na Południowym Uralu) w r. 1957

7. wielka awaria , wielkie uwolnienie substancji promieniotwórczych, rozległe skutki

zdrowotne i środowiskowe – przykładem awaria w Czarnobylu (Ukraina) w r. 1986

W elektrowniach jądrowych z reaktorami projektowanymi zgodnie z zasadami

bezpieczeństwa obowiązującymi w krajach OECD wystąpiła tylko jedna awaria stopnia 5, tj.

awaria w TMI w USA, która nie spowodowała żadnych skutków zdrowotnych ani w

elektrowni, ani poza jej obszarem. Inne awarie w elektrowniach jądrowych były stopnia 4 lub

niższego.

16.2 Awaria w Windscale

W Windscale (Wielka Brytania) działały od 1951 r. dwa reaktory (w tych latach mówiono na

nie stosy ) wojskowe o mocy 180 MWt, moderatorze grafitowym i chłodzeniu powietrzem,

nastawione na produkcję plutonu militarnego (ok. 30 kg rocznie). Paliwem był naturalny uran

w koszulkach ze stopu litu z aluminium. Sam wypadek zdarzył się 8 października 1957 r.,

kiedy to w wyniku błędu ludzkiego popełnionego podczas wyżarzania grafitu 1 sam grafit

zapalił się 2 . Błąd polegał na tym, że w procesie wyżarzania miast trzymania prętów

1 Podczas pracy w reaktorze uszkodzenia radiacyjne w graficie powodują zmiany strukturalne, polegające na

tworzeniu się licznych dyslokacji) i puchnięcie grafitu (tzw. efekt Wignera ). Tego rodzaju deformacje sieci

krystalicznej oznaczają kumulację w niej pewnej energii, tzw. energii Wignera , która może spontanicznie ulec

wyzwoleniu w postaci impulsu cieplnego. Aby więc uniknąć niekontrolowanych skoków termicznych w rdzeniu

reaktora, uczeni brytyjscy wpadli na prosty pomysł wyżarzania co pewien czas grafitu w temperaturze 250 o C,

aby ten powrócił do swej oryginalnej pierwotnej struktury. Niestety urządzenia monitorujące i sterujące w

reaktorach w Windscale nie były nastawione na kontrolę tego, co dzieje się w trakcie wyżarzania, a więc i na

pełną skuteczność tego procesu.

2 W normalnych warunkach chłodzenia powietrzem, jak w Windscale, zapalenie grafitu zapewne by nie

nastąpiło, niemniej jednak w warunkach ekstremalnych, przy nadmiarze tlenu taka reakcja grafitu jest możliwa i

tak się właśnie stało.

sterujących w dole, operator, który stwierdził, że wyzwalana energia Wignera zachowuje się

eratycznie wyciągnął pręty sterujące do góry, aby zwiększyć temperaturę wewnątrz rdzenia.

Operator nie zdawał sobie sprawy (gdyż nie było odpowiednich monitorów), że w niektórych

partiach rdzenia temperatura jest już znacznie wyższa niż w tych, z których rutynowo

zbierano informację o temperaturze. Wszystkie przyczyny awarii nie są do dziś dobrze znane

i nie miejsce tu, aby podawać możliwe hipotezy. W każdym razie w efekcie awarii 150

kanałów paliwowych uległo rozszczelnieniu. Chłodzenie palącego się grafitu powietrzem

stało się niemożliwe, gdyż dostawa powietrza tylko by zwiększała pożar. Próbowano więc

chłodzenia dwutlenkiem węgla, co z kolei powodowało wydzielanie się trującego tlenku

węgla (CO). Po trzech dniach użyto wreszcie do gaszenia wody, co ostatecznie pozwoliło po

czterech dniach stłumić pożar, choć w zamyśle było czynnością bardzo ryzykowną: stopiony

metal w kontakcie z wodą utlenia się zabierając z wody tlen, a uwalniając wodór, który w

kontakcie z powietrzem mógł eksplodować i rozerwać obudowę bezpieczeństwa.

W wyniku awarii uwolniła się do atmosfery stosunkowo duża aktywność, szczególnie izotopu

131 I (740 TBq), prowadząca ostatecznie do skażenia terenu na obszarze ok. kilkuset km 2 .

Spośród 238 osób, których poddano badaniu ze względu na wchłonięcie promieniotwórczego

jodu przez tarczycę, około połowa z nich otrzymała dawkę rzędu 160 mSv na tarczycę, co jest

około trzykrotnie mniejszą dawką od dopuszczalnej.

Oba reaktory w Windscale zostały po opisanej awarii wycofane z eksploatacji.

16.3 Pożar w Browns Ferry

Pożar w elektrowni jądrowej Brown Ferry wybuchł 22 marca 1975 roku w największej

wówczas elektrowni jądrowej w USA z dwoma reaktorami BWR o mocy po 1100 MWe.

Trwał on przez 7 godzin, spowodował szkody szacowane na około 10 milionów USD i roczne

wyłączenie z eksploatacji obu bloków elektrowni.

Rys. 16.2 Przepust kablowy przez obudowę bezpieczeństwa w elektrowni jądrowej

Browns Ferry (1. Pomieszczenie kablowe, 2. Warstwa ognioodporna, 3. Masa wypełniajaca,

4. Przepływ powietrza, 5. Beton, 6. Hala reaktora, 7. Kable, 8. Obszar do wypełnienia)

W chwili awarii oba bloki pracowały na pełnej mocy, a trzeci blok był w fazie budowy.

Awaria została zapoczątkowana działaniem elektryka, który sprawdzał szczelność przepustów

w obudowie bezpieczeństwa przy pomocy testu stosowanego wówczas standardowo przy

badaniach szczelności skraplacza turbiny. W teście tym przybliżało się do badanego miejsca

płonącą świecę i obserwowało zachowanie płomienia. Przepusty były wypełnione piaqnką

poliuretanową tworzącą uszczelnienie między pomieszczeniem kablowym a wnętrzem

obudowy bezpieczeństwa (rys. 16.2).

Początkowo, podczas budowy elektrowni, przepust był pokryty powłoką zabezpieczającą

przed pożarem, nałożoną po obu stronach przepustu. Jednakże badany w dniu pożaru przepust

utracił tę oryginalną powłokę, gdy rozszczelniono go celem przeprowadzenia dodatkowych

kabli. Test szczelności przeprowadzano przed położeniem nowej powłoki ochronnej. Co

więcej, piankę poliuteranową zamieniono na piankę innego rodzaju, znacznie łatwiej palną.

Ciśnienie powietrza w obudowie bezpieczeństwa jest z reguły niższe niż na zewnątrz, co

zapobiega możliwości wydostawania się produktów promieniotwórczych na zewnątrz

reaktora. Ponieważ w sprawdzanych przewodach tuż za sterownią reaktora rzeczywiście była

dziura, płomień został zassany do wnętrza otworu i zapalił gąbkę poliuteranową w otworze, a

to z kolei pociągnęło za sobą zapalenie się izolacji kabli, z których niektóre stanowiły część

układu bezpieczeństwa reaktora.

Próby ugaszenia pożaru bez użycia wody okazały się nieskuteczne, a wody nie chciano użyć,

ponieważ trzeba by ją nalać do otworu, w którym znajdowały się kable elektryczne. Gaśnice

CO 2 nie pomagały, bo silny prąd powietrza zasysanego do obudowy usuwał dwutlenek węgla

z miejsca pożaru. W miarę rozprzestrzeniania pożaru i przepalania kolejnych kabli sterowanie

chłodzeniem reaktora stawało się coraz trudniejsze i groziło odsłonięcie i przepalenie rdzenia.

Ostatecznie po 16 godzinach podjęto ryzykowną decyzję użycia wody. Kierownik prac

nakazał ewakuację obiektu i osobiście skierował wąż strażacki do wnętrza przepustu. Udało

się: pożar ugaszono bez większych komplikacji. Niemniej jednak około 1600 kabli zostało

spalonych, w tym 628 kabli należących do układu bezpieczeństwa. Na szczęście awaria nie

spowodowała uwolnienia do atmosfery materiałów promieniotwórczych, ale w wyniku lekcji

wyciągniętej z tej awarii wprowadzono bardzo daleko idące zmiany we wszystkich

elektrowniach jądrowych na całym świecie, wymagające wielomiesięcznych przestojów i

przebudowy pomieszczeń.

Obecnie we wszystkich elektrowniach jądrowych prowadzi się systematyczną analizę

zagrożeń pożarowych oraz wprowadza pasywne systemy zabezpieczeń przeciwpożarowych.

Kable mają izolację nie podtrzymującą palenia, co nie zmienia faktu, że ich odporność na

pożar jest systematycznie badana. Jeśli w jakiejś chwili stwierdzi się, że izolacja nie spełnia

odpowiednich wymagań, kable wymienia się. Zespoły kabli zasilania umieszcza się w

odrębnych trasach oddzielonych przegrodami lub odległością od tras kabli sterujących, a

każdy z trzech lub czterech równoległych i niezależnych systemów bezpieczeństwa posiada

odrębne trasy kablowe. Dzięki temu pożar w jednym ciągu kabli nie może pozbawić

elektrowni zasilania i sterowania w dwóch pozostałych systemach bezpieczeństwa.

Dodatkowo, ciągi kabli przepuszczane są co parę metrów prze przegrody betonowe

uniemożliwiające propagowanie się ognia wzdłuż kabli. Niezależnie od tych zabezpieczeń

działa rozbudowany system detekcji pożaru, układ gaszenia wodą i innymi mediami (gazem,

pianą, proszkiem). System wentylacji zapewnia skuteczne usuwanie dymu, który bardzo

utrudnia akcję gaśniczą. Poszczególne rejony ogniowe oddziela się przegrodami (np.

drzwiami przeciwpożarowymi), wytrzymującymi pożar przez pół godziny do godziny. Poza

nurtem bezpośredniej ochrony przeciwpożarowej prowadzi się ścisłą ewidencję materiałów

łatwopalnych. Oczywiście wszystkie te prace i zabezpieczenia są kosztowne, jednak można

powiedzieć, że między innymi dzięki tym pracom budowane dziś elektrownie jądrowe są

dobrze zabezpieczone przed pożarem.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: