Nuklearna kriza u Japanu šta se zaista dešava?

Sve oči uprte su ka nuklearkama u Japanu. Saopštenja nisu konzistentna između Vlade Japana i Tepco-a, kao i svetskih medija i Međunarodne agencije za nuklearnu energiju (IAEA) i WNN-a.

Danas na CNN-u voditelj nije ispuštao reč Černobilj iz usta. Šta se tačno dešavalo do sada i koji su moguću scenariji? Bez apokaliptične priče.

Ovaj tekst objavljujem jer, kao i ceo svet, ovih dana netremice pratim vesti iz Japana. Međutim, čak i saopštenja japanskih zvaničnika nisu usaglašena — Vlade Japana, Ministra za vanredne situacije i kompanije Tepko (Tokio Electric Power Co.), u čijem je vlasništvu elektrana i koja njome upravlja. Vodeći domaći sajtovi prenose agencijske vesti, brutalno prevedene na srpski, te sam juče u Blicu pročitao da je do eskplozije došlo usled „mešanja hidrogena i oksidžena„. Međutim, i vodeće svetke medijske kuće objavljuju pogrešne podatke. Tako na CNN web-stranici opisuju rad reaktora broj 1 nuklearke Fukušima, sa ilustracijom procesa — gde se opisuje rad nuklearke drugog tipa

(Fukušima je BWR, na slici je bio reaktor tipa PWR). O skraćenicama će biti reči u daljem tekstu.

Prizivaju se najgora iskustava: Černobilj u Ukrajini, gde se desilo potpuno topljenje jezgra; mnogi u hronologiji havarija zaboravljaju na Ostrvo tri milje u Pensilvaniji, SAD (Three Mile Island), gde se 1979. dogodilo delimično topljenje jezgra. Videćemo koliko je situacija u Japanu slična ovim havarijama i da li je ekvivalentna atomskoj bombi, što sam takođe pročitao u tiražnoj stranoj štampi.

Izdvojio bih još nekoliko crtica: reaktori 1 i 3 u pogođenoj nuklearki Fukušima u Japanu bili su spremni za trajno isključivanje i demontažu na leto ove godine. Inače su stari više od 30 godina i radni vek im je istekao. Projektovani su da izdrže zemljotres do 8,2 stepena po Rihterovoj skali. Zemljotres je bio 8,9 stepeni, što je oko 7 puta jači udar (Rihterova skala je logaritamska)! Nakon 7 puta jačeg udara i cunamija, koji nije predviđen, praćenim serijom udara od 6-7 stepeni narednih dana, počele su da se dešavaju nepredviđene okolnosti. Tehnologija rekatora je 50 godina stara, u pitanju je General Electric model izgrađen u Japanu, koji je kako-tako preživeo najveći zemljotres i cunami u poslednjih 100 godina!

Tekst koji sledi ljubazno mi je ustupio profesor Beri Bruk (Barry Brook), kojem se zahvaljujem. Prikaz je napisao Dr Josef Oehmen, dobar poznavalac nemačke nuklearne industrije, naučnik i predavač na Tehnološkom institutu u Masačusetsu (MIT) iz Bostona. Napisan je 12. marta, i sažima sve raspoložive podatke do tog trena. Bitno je razumeti rad nuklarne centrale i sisteme zaštite, kako bi se izbegao nepotrebni strah od nepoznatog. Najbolje smo ga osetili u Srbiji 1999. u vreme pomračenja Sunca, kada su ulice u celoj zemlji bile puste, šaloni spušteni, roletne navučene — iz straha od kraja sveta.

Tekst ostavljam u izvornom obliku, bez prevoda.

Fukushima Nuclear Accident – a simple and accurate explanation

I am writing this text (Mar 12) to give you some peace of mind regarding some of the troubles in Japan, that is the safety of Japan’s nuclear reactors. Up front, the situation is serious, but under control. And this text is long! But you will know more about nuclear power plants after reading it than all journalists on this planet put together.

There was and will not be any significant release of radioactivity.

By “significant” I mean a level of radiation of more than what you would receive on – say – a long distance flight, or drinking a glass of beer that comes from certain areas with high levels of natural background radiation.

I have been reading every news release on the incident since the earthquake. There has not been one single (!) report that was accurate and free of errors (and part of that problem is also a weakness in the Japanese crisis communication). By “not free of errors” I do not refer to tendentious anti-nuclear journalism – that is quite normal these days. By “not free of errors” I mean blatant errors regarding physics and natural law, as well as gross misinterpretation of facts, due to an obvious lack of fundamental and basic understanding of the way nuclear reactors are build and operated. I have read a 3 page report on CNN where every single paragraph contained an error.

We will have to cover some fundamentals, before we get into what is going on.

Construction of the Fukushima nuclear power plants

The plants at Fukushima are so called Boiling Water Reactors, or BWR for short. Boiling Water Reactors are similar to a pressure cooker. The nuclear fuel heats water, the water boils and creates steam, the steam then drives turbines that create the electricity, and the steam is then cooled and condensed back to water, and the water send back to be heated by the nuclear fuel. The pressure cooker operates at about 250 °C.

The nuclear fuel is uranium oxide. Uranium oxide is a ceramic with a very high melting point of about 3000 °C. The fuel is manufactured in pellets (think little cylinders the size of Lego bricks). Those pieces are then put into a long tube made of Zircaloy with a melting point of 2200 °C, and sealed tight. The assembly is called a fuel rod. These fuel rods are then put together to form larger packages, and a number of these packages are then put into the reactor. All these packages together are referred to as “the core”. The Zircaloy casing is the first containment. It separates the radioactive fuel from the rest of the world.

The core is then placed in the “pressure vessels”. That is the pressure cooker we talked about before. The pressure vessels is the second containment. This is one sturdy piece of a pot, designed to safely contain the core for temperatures several hundred °C. That covers the scenarios where cooling can be restored at some point.

The entire “hardware” of the nuclear reactor – the pressure vessel and all pipes, pumps, coolant (water) reserves, are then encased in the third containment. The third containment is a hermetically (air tight) sealed, very thick bubble of the strongest steel.

The third containment is designed, built and tested for one single purpose: To contain, indefinitely, a complete core meltdown.

For that purpose, a large and thick concrete basin is cast under the pressure vessel (the second containment), which is filled with graphite, all inside the third containment. This is the so-called “core catcher”. If the core melts and the pressure vessel bursts (and eventually melts), it will catch the molten fuel and everything else. It is built in such a way that the nuclear fuel will be spread out, so it can cool down.

This third containment is then surrounded by the reactor building. The reactor building is an outer shell that is supposed to keep the weather out, but nothing in. (this is the part that was damaged in the explosion, but more to that later).

BWR model reaktora

Fundamentals of nuclear reactionsThe uranium fuel generates heat by nuclear fission. Big uranium atoms are split into smaller atoms. That generates heat plus neutrons (one of the particles that forms an atom). When the neutron hits another uranium atom, that splits, generating more neutrons and so on. That is called the nuclear chain reaction.

Now, just packing a lot of fuel rods next to each other would quickly lead to overheating and after about 45 minutes to a melting of the fuel rods. It is worth mentioning at this point that the nuclear fuel in a reactor can *never* cause a nuclear explosion the type of a nuclear bomb. Building a nuclear bomb is actually quite difficult. In Chernobyl, the explosion was caused by excessive pressure buildup, hydrogen explosion and rupture of all containments, propelling molten core material into the environment (a “dirty bomb”). Why that did not and will not happen in Japan, further below.

In order to control the nuclear chain reaction, the reactor operators use so-called “control rods”. The control rods absorb the neutrons and kill the chain reaction instantaneously. A nuclear reactor is built in such a way, that when operating normally, you take out all the control rods. The coolant water then takes away the heat (and converts it into steam and electricity) at the same rate as the core produces it. And you have a lot of leeway around the standard operating point of 250°C.

The challenge is that after inserting the rods and stopping the chain reaction, the core still keeps producing heat. The uranium “stopped” the chain reaction. But a number of intermediate radioactive elements are created by the uranium during its fission process, most notably Cesium and Iodine isotopes, i.e. radioactive versions of these elements that

will eventually split up into smaller atoms and not be radioactive anymore. Those elements keep decaying and producing heat. Because they are not regenerated any longer from the uranium (the uranium stopped decaying after the control rods were put in), they get less and less, and so the core cools down over a matter of days, until those intermediate radioactive elements are used up.

This residual heat is causing the headaches right now.

So the first “type” of radioactive material is the uranium in the fuel rods, plus the intermediate radioactive elements that the uranium splits into, also inside the fuel rod (Cesium and Iodine).

There is a second type of radioactive material created, outside the fuel rods. The big main difference up front: Those radioactive materials have a very short half-life, that means that they decay very fast and split into non-radioactive materials. By fast I mean seconds. So if these radioactive materials are released into the environment, yes, radioactivity was released, but no, it is not dangerous, at all. Why? By the time you spelled “R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D-E”, they will be harmless, because they will have split up into non radioactive elements. Those radioactive elements are N-16, the radioactive isotope (or version) of nitrogen (air). The others are noble gases such as Xenon. But where do they come from? When the uranium splits, it generates a neutron (see above). Most of these neutrons will hit other uranium atoms and keep the nuclear chain reaction going. But some will leave the fuel rod and hit the water molecules, or the air that is in the water. Then, a non-radioactive element can “capture” the neutron. It becomes radioactive. As described above, it will quickly (seconds) get rid again of the neutron to return to its former beautiful self.

This second “type” of radiation is very important when we talk about the radioactivity being released into the environment later on.

What happened at FukushimaI will try to summarize the main facts. The earthquake that hit Japan was 7 times more powerful than the worst earthquake the nuclear power plant was built for (the Richter scale works logarithmically; the difference between the 8.2 that the plants were built for and the 8.9 that happened is 7 times, not 0.7). So the first hooray for Japanese engineering, everything held up.

When the earthquake hit with 8.9, the nuclear reactors all went into automatic shutdown. Within seconds after the earthquake started, the control rods had been inserted into the core and nuclear chain reaction of the uranium stopped. Now, the cooling system has to carry away the residual heat. The residual heat load is about 3% of the heat load under normal operating conditions.

The earthquake destroyed the external power supply of the nuclear reactor. That is one of the most serious accidents for a nuclear power plant, and accordingly, a “plant black out” receives a lot of attention when designing backup systems. The power is needed to keep the coolant pumps working. Since the power plant had been shut down, it cannot produce any electricity by itself any more.

Things were going well for an hour. One set of multiple sets of emergency Diesel power generators kicked in and provided the electricity that was needed. Then the Tsunami came, much bigger than people had expected when building the power plant (see above, factor 7). The tsunami took out all multiple sets of backup Diesel generators.

When designing a nuclear power plant, engineers follow a philosophy called “Defense of Depth”. That means that you first build everything to withstand the worst catastrophe you can imagine, and then design the plant in such a way that it can still handle one system failure (that you thought could never happen) after the other. A tsunami taking out all backup power in one swift strike is such a scenario. The last line of defense is putting everything into the third containment (see above), that will keep everything, whatever the mess, control rods in our out, core molten or not, inside the reactor.

When the diesel generators were gone, the reactor operators switched to emergency battery power. The batteries were designed as one of the backups to the backups, to provide power for cooling the core for 8 hours. And they did.

Within the 8 hours, another power source had to be found and connected to the power plant. The power grid was down due to the earthquake. The diesel generators were destroyed by the tsunami. So mobile diesel generators were trucked in.

This is where things started to go seriously wrong. The external power generators could not be connected to the power plant (the plugs did not fit). So after the batteries ran out, the residual heat could not be carried away any more.

At this point the plant operators begin to follow emergency procedures that are in place for a “loss of cooling event”. It is again a step along the “Depth of Defense” lines. The power to the cooling systems should never have failed completely, but it did, so they “retreat” to the next line of defense. All of this, however shocking it seems to us, is part of the day-to-day training you go through as an operator, right through to managing a core meltdown.

It was at this stage that people started to talk about core meltdown. Because at the end of the day, if cooling cannot be restored, the core will eventually melt (after hours or days), and the last line of defense, the core catcher and third containment, would come into play.

But the goal at this stage was to manage the core while it was heating up, and ensure that the first containment (the Zircaloy tubes that contains the nuclear fuel), as well as the second containment (our pressure cooker) remain intact and operational for as long as possible, to give the engineers time to fix the cooling systems.

Because cooling the core is such a big deal, the reactor has a number of cooling systems, each in multiple versions (the reactor water cleanup system, the decay heat removal, the reactor core isolating cooling, the standby liquid cooling system, and the emergency core cooling system). Which one failed when or did not fail is not clear at this point in time.

So imagine our pressure cooker on the stove, heat on low, but on. The operators use whatever cooling system capacity they have to get rid of as much heat as possible, but the pressure starts building up. The priority now is to maintain integrity of the first containment (keep temperature of the fuel rods below 2200°C), as well as the second containment, the pressure cooker. In order to maintain integrity of the pressure cooker (the second containment), the pressure has to be released from time to time. Because the ability to do that in an emergency is so important, the reactor has 11 pressure release valves. The operators now started venting steam from time to time to control the pressure. The temperature at this stage was about 550°C.

This is when the reports about “radiation leakage” starting coming in. I believe I explained above why venting the steam is theoretically the same as releasing radiation into the environment, but why it was and is not dangerous. The radioactive nitrogen as well as the noble gases do not pose a threat to human health.

At some stage during this venting, the explosion occurred. The explosion took place outside of the third containment (our “last line of defense”), and the reactor building. Remember that the reactor building has no function in keeping the radioactivity contained. It is not entirely clear yet what has happened, but this is the likely scenario: The operators decided to vent the steam from the pressure vessel not directly into the environment, but into the space between the third containment and the reactor building (to give the radioactivity in the steam more time to subside). The problem is that at the high temperatures that the core had reached at this stage, water molecules can “disassociate” into oxygen and hydrogen – an explosive mixture. And it did explode, outside the third containment, damaging the reactor building around. It was that sort of explosion, but inside the pressure vessel (because it was badly designed and not managed properly by the operators) that lead to the explosion of Chernobyl. This was never a risk at Fukushima. The problem of hydrogen-oxygen formation is one of the biggies when you design a power plant (if you are not Soviet, that is), so the reactor is build and operated in a way it cannot happen inside the containment. It happened outside, which was not intended but a possible scenario and OK, because it did not pose a risk for the containment.

So the pressure was under control, as steam was vented. Now, if you keep boiling your pot, the problem is that the water level will keep falling and falling. The core is covered by several meters of water in order to allow for some time to pass (hours, days) before it gets exposed. Once the rods start to be exposed at the top, the exposed parts will reach the critical temperature of 2200 °C after about 45 minutes. This is when the first containment, the Zircaloy tube, would fail.

And this started to happen. The cooling could not be restored before there was some (very limited, but still) damage to the casing of some of the fuel. The nuclear material itself was still intact, but the surrounding Zircaloy shell had started melting. What happened now is that some of the byproducts of the uranium decay – radioactive Cesium and Iodine – started to mix with the steam. The big problem, uranium, was still under control, because the uranium oxide rods were good until 3000 °C. It is confirmed that a very small amount of Cesium and Iodine was measured in the steam that was released into the atmosphere.

It seems this was the “go signal” for a major plan B. The small amounts of Cesium that were measured told the operators that the first containment on one of the rods somewhere was about to give. The Plan A had been to restore one of the regular cooling systems to the core. Why that failed is unclear. One plausible explanation is that the tsunami also took away / polluted all the clean water needed for the regular cooling systems.

The water used in the cooling system is very clean, demineralized (like distilled) water. The reason to use pure water is the above mentioned activation by the neutrons from the Uranium: Pure water does not get activated much, so stays practically radioactive-free. Dirt or salt in the water will absorb the neutrons quicker, becoming more radioactive. This has no effect whatsoever on the core – it does not care what it is cooled by. But it makes life more difficult for the operators and mechanics when they have to deal with activated (i.e. slightly radioactive) water.

But Plan A had failed – cooling systems down or additional clean water unavailable – so Plan B came into effect. This is what it looks like happened:

In order to prevent a core meltdown, the operators started to use sea water to cool the core. I am not quite sure if they flooded our pressure cooker with it (the second containment), or if they flooded the third containment, immersing the pressure cooker. But that is not relevant for us.

The point is that the nuclear fuel has now been cooled down. Because the chain reaction has been stopped a long time ago, there is only very little residual heat being produced now. The large amount of cooling water that has been used is sufficient to take up that heat. Because it is a lot of water, the core does not produce sufficient heat any more to produce any significant pressure. Also, boric acid has been added to the seawater. Boric acid is “liquid control rod”. Whatever decay is still going on, the Boron will capture the neutrons and further speed up the cooling down of the core.

The plant came close to a core meltdown. Here is the worst-case scenario that was avoided: If the seawater could not have been used for treatment, the operators would have continued to vent the water steam to avoid pressure buildup. The third containment would then have been completely sealed to allow the core meltdown to happen without releasing radioactive material. After the meltdown, there would have been a waiting period for the intermediate radioactive materials to decay inside the reactor, and all radioactive particles to settle on a surface inside the containment. The cooling system would have been restored eventually, and the molten core cooled to a manageable temperature. The containment would have been cleaned up on the inside. Then a messy job of removing the molten core from the containment would have begun, packing the (now solid again) fuel bit by bit into transportation containers to be shipped to processing plants. Depending on the damage, the block of the plant would then either be repaired or dismantled.

Now, where does that leave us?• The plant is safe now and will stay safe.• Japan is looking at an INES Level 4 Accident: Nuclear accident with local

consequences. That is bad for the company that owns the plant, but not for anyone else.

• Some radiation was released when the pressure vessel was vented. All radioactive isotopes from the activated steam have gone (decayed). A very small amount of Cesium was released, as well as Iodine. If you were sitting on top of the plants’ chimney when they were venting, you should probably give up smoking to return to your former life expectancy. The Cesium and Iodine isotopes were carried out to the sea and will never be seen again.

• There was some limited damage to the first containment. That means that some amounts of radioactive Cesium and Iodine will also be released into the cooling water, but no Uranium or other nasty stuff (the Uranium oxide does not “dissolve” in the water). There are facilities for treating the cooling water inside the third containment. The radioactive Cesium and Iodine will be removed there and eventually stored as radioactive waste in terminal storage.

• The seawater used as cooling water will be activated to some degree. Because the control rods are fully inserted, the Uranium chain reaction is not happening. That means the “main” nuclear reaction is not happening, thus not contributing to the activation. The intermediate radioactive materials (Cesium and Iodine) are also almost gone at this stage, because the Uranium decay was stopped a long time ago. This further reduces the activation. The bottom line is that there will be some low level of activation of the seawater, which will also be removed by the treatment facilities.

• The seawater will then be replaced over time with the “normal” cooling water• The reactor core will then be dismantled and transported to a processing facility,

just like during a regular fuel change.• Fuel rods and the entire plant will be checked for potential damage. This will take

about 4-5 years.• The safety systems on all Japanese plants will be upgraded to withstand a 9.0

earthquake and tsunami (or worse)• I believe the most significant problem will be a prolonged power shortage.

About half of Japan’s nuclear reactors will probably have to be inspected, reducing the nation’s power generating capacity by 15%. This will probably be covered by running gas power plants that are usually only used for peak loads to cover some of the base load as well. That will increase your electricity bill, as well as lead to potential power shortages during peak demand, in Japan.

If you want to stay informed, please forget the usual media outlets and consult the following websites:

• http://www.world-nuclear- news.org/RS_Battle_to_stabilise_earthquake_reactors_1203111.html

• http://bravenewclimate.com/2011/03/12/japan-nuclear-earthquake/ • http://ansnuclearcafe.org/2011/03/11/media-updates-on-nuclear-power-stations-

in-japan/

Hrvatsko nuklearno društvo

Autor Zdenko Šimić Četvrtak, 17 Ožujak 2011 01:04

Stvari ne izgledaju nimalo dobro u nuklearnoj elektrani Fukushima I. Nuklearna regulatorna agencija SAD-a (NRC) objavila je da prema njihovim informacijama bazen s istrošenim gorivom u reaktoru 4 nema vode i da svojim građanima savjetuju da se udalje 80 km od ugrožene elektrane. Stanje u elektrani su karakterizirali kao ekstremno radioaktivno. Ovo je evidentno u raskoraku sa službenom pozicijom u Japanu. Kritika ukupnom pristupu ovoj nesreći sve više raste.

Rano ujutro po lokalnom vremenu najnoviji objavljeni izvještaj o stanju u rektorima i bazenima za istrošeno gorivo prikazuje da je stanje u prva tri rektora nepromijenjeno, ali da se stanje u bazenima za istrošeno gorivo pogoršava: za 3. reaktor nivo vode je smanjen i pripremaju ubrizgavanje vode; za 4. reaktor spominju niski nivo vode, pripremu ubrizgavanja i sumnju da je istrošeno gorivo oštećeno; za 1. i 2. reaktor nemaju informaciju, a za 5. i 6. se navodi da temperatura u bazenima raste. CNN je prikazao video kako su iza ponoći (rano ujutro po njihovu vremenu) počeli sipati vodu iz helikoptera po reaktorima (spominje se olovna zaštita na dnu helikoptera koja štiti pilota). Do sada (jutro po našem vremenu) su imali 4 naleta, a potreban broj može biti 100. No, izgleda da to ne ide i sada idu na ubrizgavanja vode sa zemlje (što vjerujemo da je bolje jer smanjuje dozu za ljude i omogućava dodavanje bora).

Što to znači ne može se reći na temelju informacija jer one nedostaju, ali se sigurno može reći da predstavlja razvoj situacije u najgorem smjeru. Postoje indicije da oni i dalje nemaju riješeno napajanje električnom energijom. To može značiti da će uskoro cijela lokacija biti izuzetno opasno radioaktivna što će dodatno otežati, ako ne onemogućiti ozbiljno djelovanje. Trenutno je na lokaciji izgleda 180 ljudi. Najgori scenarij znači da će se, sada primarni problem sa bazenima za istrošeno gorivo, pojaviti i u ostalim reaktorima i količine ispuštene radioaktivnosti drastično povećati.

Ovakavim razvojem situacije nesreću u elektrani Fukashima I sigurno je najveća nakon Černobilja. Teško je u ovom trenutku dati bilo kakvu precizniju procjenu. Jasno je da ovo predstavlja preveliku izloženost radijaciji ljudi koji pokušavaju sanirati situaciju i da će oni imati neposrednih zdravstvenih problema sa ozbiljnim rizicima po zdravlje i moguće život.

Narednom informacijom koju planiramo objaviti ćemo pokušati dati procjenu posljedica ovako lošeg razvoja situacije. No, odmah se može ponoviti da sve rečeno jučer u procjeni o potencijalnim posljedicama na Hrvatsku i ostatak svijeta i dalje stoje. Dakle, nema nikakvog razloga za brigu, strah ili paniku.

Autor Zdenko Šimić Petak, 18 Ožujak 2011 00:41

Fukushima Daiichi

Situacija – četvrtak 18 h (CET)

Ugroženi reaktori (1, 2 i 3) u Fukushima I Daiichi su u stabilnom stanju i hlade se morskom vodom. Najvažnija aktivnost osoblja je nastojanje da se dodaje hladna voda u bazene s istrošenim gorivom u reaktorima 3 i 4.

Stanje je sigurno bolje nego li dan prije kada je izgledalo da skoro ništa ne stoji na putu prema najgorem. No, još ima do toga da se može odahnuti. Kada se smiri situacija u bazenu za istrošeno gorivo reaktora 3 i 4 vjerujem da će se moći malo odahnuti.

Slijedi malo detaljniji status reaktora u nastavku (bilo bi i detaljnije da se može dobiti):

1. reaktor – vjeruje se da je primarni kontejnment (beton oko metalnog plašta) čitav, a reaktor u stabilnom stanju. Ubrizgavanje morske vode se nastavlja. (Volio bih znati zašto nema informacija o stanju bazena za istrošeno gorivo u ovom i reaktoru 2.)

2. reaktor - je u stabilnom stanju s nastavljanjem ubrizgavanja morske vode. Prema današnjim (četvrtak) izjavama TEPCO-a i WANO-a, tlak u kontejnmentu od 450 kPa indicira da nije došlo do popuštanja. Problemi pristupa su usporili priključivanje privremenih kabela za vanjsko napajanje. To je neophodno za instrumentaciju, baterije i kontrolnu sobu. Napajanje nije bilo dostupno u elektrani od petka (kada je bio potres i tsunami).

3. reaktor – u stabilnom stanju sa ubrizgavanjem vode. Vjeruje se da je primarni kontejnment čitav. Tlak u kontejnmentu fluktuira uslijed ispuštanja i iznosio je do 570 kPa. TEPCO dužnosnici su izjavili na temelju zračnih fotografija od 17. ožujka da, iako je jedna strana betonskog zida strukture bazena istrošenog goriva kolapsirala, čelični omotač je ostao čitav. Bazen još uvijek ima vode koja pruža neko hlađenje za istrošeno

gorivo, helikoptera je ispustio vodu na reaktora četiri puta tijekom jutra (lokalno vrijeme) 17. ožujka.

4. reaktor – u bazen za istrošeno gorivo su dolijevali vodu s visokim topovima pod tlakom. Ovdje je jezgra reaktora također u bazenu za istrošeno gorivo.

Reaktori 5 i 6 – Obustavljeni prije potresa, ali s jezgrom u reaktorskoj posudi. Primarni i sekundarni kontejnmenti su netaknuti na oba reaktora. Mjerenje temperature u bazenima za istrošeno gorivo je u funkciji za oba reaktora i temperatura se održava na oko 62 o C. TEPCO nastavlja nastojanja da uspostavi napajanje u reaktoru 5.

Stanje na nuklearki Fukushima II Daini

Sva četiri reaktora u elektrani Fukushima II Daini dostigla su stanje tzv. hladne obustave s održavanjem normalnog hlađenja uz pomoć sustava za odvođenje ostatne topline.

Dodatak prikazuje sliku BWR reaktora s oznakama.

Izvor: NEI Update - March 17, 11:35 a.m. EDT

Što je bazen za istrošeno gorivo i što će biti s gorivom koje se tamo nalazi u NE Fukushima?

Autor Davor Grgić Četvrtak, 17 Ožujak 2011 02:06

Ovih dana šira je javnost prisiljena upoznavati termine inače korištene među onima koji se nuklearnom energetikom bave. Jedan od takvih termina je i bazen za istrošeno gorivo. Neko minimalno razumijevanje njegovog značaja nam je potrebno da bi shvatili što će biti najveći prioriteti idućih dana u NE Fukushima I. Tekst je namijenjen ljudima s nekim stupnjem tehničke naobrazbe i nije mišljen da bude od direktne koristi općoj populaciji.

(više u nastavku)

Bazen za istrošeno gorivo (Spent Fuel Pool/Pit) je prostor gdje se odlaže gorivo koje je boravilo u nuklearnom reaktoru u funkciji proizvodnje snage. Odlaganje može imati trajniji karakter ili je samo za vrijeme izmjene goriva u reaktoru. Bazen može biti unutar reaktorske zgrade (kao u NE Fukushima) ili u posebnoj zgradi (kao u NE Krško). Povezan je kanalom za transfer goriva s reaktorskom posudom. U osnovi ima izgled kao i bilo koji drugi bazen s betonskim zidovima, s unutrašnje strane presvučenim nehrđajućim čelikom (slika 1). Veličina bazena ovisi o strategiji čuvanja istrošenog goriva za koji se elektrana opredjelila. Neke elektrane su se odlučile da imaju mogućnost spremiti svo gorivo iskorišteno za vrijeme života elektrane i te imaju veliki bazen za istrošeno gorivo. Druge su se odlučile da gorivo dugoročno drže u suhim spremnicima, nakon što je gorivo provelo potrebno minimalno vrijeme u bazenu za istrošeno gorivo da mu se smanji ostatna toplina i aktivnost. Zemlje koje imaju mogućnost za preradu goriva (Japan je jedna od njih) se odlučuju za manje bazene u kojima se gorivo drži do trenutka kad je moguć siguran transport do postrojenja za preradu goriva. Minimalni kapacitet bazena je bar jedna cijela jezgra i bar 3-5 godišnjih izmjena goriva (od trećine do polovine jezgre se mijenja tijekom jedne izmjene goriva), ako pretpostavimo da se gorivo ne bi trebalo transportirati bez 3 do 5 godina hlađenja i da je trajanje ciklusa izgaranja jedna godina. Neovisno od kapaciteta bazena za istrošenog gorivo (određuje njegovu površinu) bitan je podatak njegova dubina. Ona iznosi tipično 12 m. Gorivo se u bazenu nalazi unutar metalne konstrukcije koja ga drži u vertikalnom položaju i podupire (slika 3). Konstrukcija osim što mora izdržati težinu goriva mora osigurati i odgovarajući razmak da je moguće hlađenje. Razmak ovisi i o drugom bitnom parametru bazena njegovoj podkrtičnosti. Multiplikacijski faktor bazena mora biti dovoljno manji od jedan da nije moguća njegova kritičnost (u bazenu ne smije biti nuklearne reakcije). Podkrtičnost se osim razmakom garantira i izborom materijala konstrukcije (nehrđajući čelik s dodatkom bora) i otopinom borne kiseline u vodi bazena (bor apsorbira neutrone i time onemogućuje reakciju fisije). Visina konstrukcije je tipično nešto više od 4 m jer je i visina gorivnih elemenata tipično 3.6 do 4.2 m. Obično se predpostavlja da nam je potrebno bar 3 m vode iznad gornjeg ruba goriva da bi brzine doze (uglavnom gama) iznad bazena bile prihvatljive. Kako se to mora garantirati i tijekom umetanja gorivnog elmenta u ćeliju strukture, iznad gornjeg ruba moramo imati bar 4 (visina gorivnog

elementa) + 3 m vode, a to s visinom konstrukcije od oko 4 m i udeljenošću njenog donjeg ruba od reda 0.2 m daje dubinu bazena od oko 12 m.

Istrošeno gorivo je uvjetan pojam i koristimo ga za ono gorivo koje je bilo bar neko kratko vrijeme u reaktoru na snazi. Nakon toga ono je radioaktivno i u konačnici predstavlja i izvor topline pa je bazen potrebno hladiti. Tipično se samo gorivo u bazenu hladi prirodnom cirkulacijom (topla se voda diže uzduž gorivnog elementa, miješa se s hladnijom vodom u sloju iznad goriva i spušta se prema dnu bazena u području van gorivnog elementa). U normalnim uvjetima proces je potpomognut sustavom hlađenja koji odvodi toplinu iz bazena, tipično na način da uzme topliju vodu pri vrhu bazena i vrati hladnu vodu pri dnu bazena. Hlađenje ide preko jednog ili više izmjenjivača topline koji u konačnici od bazena preuzetu toplinu moraju odbaciti na konačni ponor topline. Obično je izmjenjivač hlađen ili vodom iz sustava za hlađenje komponenata (Component Cooling) ili direktno bitnom rashladnom vodom (Essential Service Water). Ovisno o broju istrošenih gorivnih elemenata u bazenu i vremenu hlađenja nakon konačnog vađenja iz reaktora potrebno je odvesti između par MW i 10 MW topline. Osim o vremenu hlađenja goriva (efektivno je to vrijeme koje gorivo provede u bazenu nakon zadnjeg boravka u reaktoru) proizvedena toplina ovisi i o odgoru gorivnog elementa (specifična energija proizvedena dok je gorivo bilo u reaktoru MWd/TU), na način da veći odgor tipično znači veću inicijalnu ostatnu toplinu. Gorivo s malim odgorom zovemo svježe gorivo a ono s velikim odgorom staro odnosno istrošeno gorivo. Svježe gorivo u bazenu povećava ukupni multiplikacijski faktor bazena i time njegovu kritičnost. Ukratko bazen mora biti podkritičan, hlađen i pokriven s dovoljno vode da bi doze na gornjem rubu bazena bile prihvatljive.

Prihvatljivo je da bazen neko vrijeme ostane bez vanjskog hlađenja. Bazen se normalno nalazi na atmosferskom tlaku i na temperaturi ne puno višoj od temperature okoline. Kad ostane bez vanjskog hlađenja počinje se grijati tipično maksimalnom brzinom od 2-5 C/h (ovisi o izvoru topline i masi vode u bazenu). Temperature vode koje se još daju tolerirati su do 80 C. Iznad toga povećano je odvođenje topline isparavanjem i odgovarajući gubitak vode (voda u bazenu počinje sve više i više ključati kako se približavamo temperaturi zasićenja od 100 C). Ako situacija potraje dovoljno dugo (ovisno o ostatnoj toplini/količini goriva i veličini bazena to može biti od par dana do gotovo 7 dana) i počnemo otkrivati gorivo njegovo nedovoljno hlađenje rezultirat će pregrijavanjem i oksidacijom košuljice. Slično kao što se to događa kad se gorivo pregrijava u reaktoru (samo je ovdje tlak tipično niži) na temperaturama košuljice gorivne šipke od oko 900 C počet će egzotermna reakcija koja proizvodi vodik. Rađene su analize koliko je brzo zagrijavanje potpuno otkrivenog goriva i da li je moguće njegovo hlađenje prirodnom cirkulacijom zrakom i radijativnim prijenosom topline. Slika 4 pokazuje da je moguće postići vremena i do 20 sati od potpunog otkrivanja do neprihvatljivog pregrijavanja košuljice za gorivo hlađeno duže od 3 godine. Za gorivo hlađeno 1 godinu dana to je oko 5 sati, dok je za kraća vremena hlađenja to ispod 1 sata. Da hlađenje zrakom nije previše

efikasno za gorivo koje je nedavno izvađeno iz reaktora vidimo na slici 5 gdje je uspoređeno vrijeme zagrijavanja za hlađenje zrakom i bez ikakvog hlađenja. Pregrijano gorivo tijekom oksidacije gubi strukturni integritet i ispušta iz zazora tamo prisutne plinovite fisijske produkte. Ako još generirani vodik nakupljen iznad bazena detonira ili se zapali dobit ćemo kratkotrajno i sporadično izgaranje koje će povećati tlak u zgradi s gorivom, moguće je oštetiti i u struji toplog zraka i vodene pare transportirati radioaktivne plinovite efluente u atmosferu.

Moglo bi reći da je nakon zapaljenja vodika i ispuštanja radioaktivnog materijala koji je napustio zgradu kroz pukotine nastale eksplozijom pravo vrijeme da dođemo do bazena i dodamo vodu koja će riješiti problem pregrijanja. Na slici 6 prikazane su brzine doze na površini bazena za potpuno otkriveno gorivo. Doze su smrtonosne ne samo direktno iznad goriva nego i po svim kutevima parcijalne vidljivosti sadržaja bazena. Čak i kad ne bi postojao taj problem dodavanje vode na pregrijano gorivo moglo bi voditi do naglog isparavanja, povećane oksidacije i dodatnog generiranja vodika, mehaničkog naprezanja još neoštećenih košuljica i oslobađanja tamo prisutnog radioaktivnog plina. To je jasno situacija vezana za potpuno otkriveno i pregrijano gorivo. Dobra je stvar da ovisno od tipa potporne strukture gorivne šipke mogu biti zaštićene od direktnog impakta vode. Ta zaštita bi bila posebno važna ako se voda baca s veće visine iako pozicije neposredno iznad otkrivnog bazena nisu dobre ni zbog radijacije ni zbog toplinskog fluksa za nisko lebdeći helikopter. Kad kažemo dodavanje vode moramo reći da to mora biti borirana voda jer je inače moguća kritičnost bazena i umjesto ostatne topline dobijemo punu fisijsku toplinu i tada ovisno o postignutoj snazi može doći do fragmentacije goriva. To se mora spriječiti pod svaku cijenu, do uključivo toga da se bazen ostavi suhim. Parcijalno hlađeni bazen oscilirat će između gore opisanog slučaja potpuno otkrivenog goriva i nešto prihvatljivije situacije. Ako je otkrivanje dugotrajnije broj oštećenih šipki i dužina oštećenja pojedine šipke će rasti. To može uzrokovati više parcijalnih zapaljenja i vršnih oslobađanja radioaktivnosti. U konačnici ako dođe do topljenja goriva počet ćemo gubiti strukturu koju je uopće moguće hladiti i rastopljena masa će se relocirati prema dnu bazena. To će biti praćeno potpunim oslobađanjem plinovitih fisijskih produkata iz tablete goriva.

Vratimo se kratko NE Fukushima i bazenima s istrošenim gorivom. Reaktor broj 4 prvi je pokazao oštećenje goriva u bazeno za istrošeno gorivo. Prije toga nije pokazivao nikakve znake problema jer je bio u obustavi i sva je pažnja bila posvećena reaktorima 1 do 3. Nije jasno koliko je goriva u bazenu 4, ali je to minimalno jedna cijela jezgra. Prema izvještajima nivo vode je tamo nizak i košuljice goriva su već značajno oštećene što se da zaključiti i iz oslobođene radioaktivnosti i eksplozija vodika. Struktura reaktorske zgrade je već oštećena tako da postoji direktna veza s atmosferom. Predloženo zalijevanje vodenim topovima moglo bi biti prihvatljivo rješenje i s tim treba neodložno početi (jasno voda mora biti borirana). Bazen s istrošenim gorivom reaktora 3 je vjerojatno u tek nešto boljem stanju i postoji direktna veza s okolinom obzirom na stupanj oštećenja

zgrade. Bazeni za istrošeno gorivo u reaktorima 1 i 2 se zasad tamo ne spominju ali sigurno sadrže gorivo i ne mogu biti daleko od problema. Reaktori 5 i 6 su formalno netaknuti ali se njihovi bazeni s istrošenim gorivom također zagrijavaju (još imaju vode). Jasno je da cijela lokacija nema konačni ponor topline i time ni mogućnost odgovarajućeg hlađenja bazena s istrošenim gorivom. Ako je moguće i shvatiti inicijalnu situaciju s bazenom za istrošeno gorivo reaktora 4 (pod pretpostavkom da je bazen doživio oštećenje i gubio vodu) zanemarenje stanja u ostalim bazenima nije shvatljivo. Vjerojatno je vezano za incijalnu fokusiranost na reaktore 1-3 i kasnije mali broj ljudi. Situacija s bazenima se mogla sanirati na puno relativno improviziranih i jednostavnih načina dok je voda u bazenu. To pod hitno treba učiniti za bazene 5 i 6 i koliko je moguće za 1 i 2. To će biti otežano jer brzine doze relativno blizu smještenih reaktora 3 i 4 čine taj posao rizičnim. (Osim mnogih drugih pitanja na koja će trebati odgovorit ova će nesreća imati utjecaja i na lokacije s više reaktora i pravila njihovog smještanja.) Ako se to napravi uskoro uz paralelno bar djelomično pokrivanje vodom bazena u reaktorima 3 i 4 i bar održavanje stanja u reaktorima 1-3 situacija se može zadržati pod kontrolom. Broj od 50 ljudi nije dovoljan za takvu aktivnost i njihova će žrtva biti uzaludna ako se taj broj bitno ne poveća i to su izgleda shvatili u TEPCO-u tijekom prošlog dana. 180 ljudi je puno primjereniji broj. Potrebno je bar 9 ekipa da pokrije sva kritična mjesta. Svaka ekipa treba minimalno 10 ljudi i za svaku ekipu treba bar jedna rezervana ekipa da mogu bar kako tako izdržati napor i pokriti rastegnute linije snabdjevanja vodom i strujom. Pogled kroz prozor jutros mi je nametnuo još jedno pitanje. Bar su tri bazena izložena atmosferskim utjecajima. Zahlađenje i padavine su povoljne što se tiče hlađenja ali mogu dovesti do kritičnosti bazena. Bilo kakva fisijska proizvodnja u bazenima nije prihvatljiva. Iako je pri isparavanju vode bor trebao ostati u bazenu to ne treba prepustiti slučaju. Padavine će utjecati i na preraspodjelu kontaminacije između same lokacije i okolnih područja na način da će pogoršati situaciju u elektrani a olakšati onu dalje od nje. Bit će problem i s pitkom vodom. Prostora za greške sve je manje ako ga više uopće ima. Ja ovo ne shvaćam kao njihovu borbu, borbu ljudi u toj elektrani i u Japanu, ja to shvaćam kao našu borbu i sa čisto ljudskog stajališta i sa stajališta ljudi koji dijele iste znanja i shvaćanja.

Status reaktora (i reaktorska posuda i bazen za istrošeno gorivo) pregledno je vidljiv iz zadnjeg JAIF izvještaja u prilogu.

Reference:

1. NUREG/CR-0649, US NRC 19792. NUREG-1738, US NRC 20013. Reducing the Hazards from Stored Spent Power-Reactor Fuel in the United

States, Robert Alvarez, Jan Beyea, Klaus Janberg, Jungmin Kang, Ed Lyman, Allison Macfarlane, Gordon Thompson, Frank N. von Hippel

4. JAIF

(19.3.2011.)

Dnevno izvješće HND-a o razvoju događaja u NE Fukushima Daiichi (19.3.2011.)

Autor Igor Vuković Subota, 19 Ožujak 2011 20:41 Pripremio: dr. sc. Igor Vuković

Izvješće odražava status u trenutku: subota, 19. ožujka 2011. u 18:00 h CET

Na tiskovnoj konferenciji tajnik japanskog premijera Yukio Edano izvijestio je kako se nastavlja ubrizgavanje morske vode u reaktore 1, 2 i 3 NE Fukushima Daiichi. Provedene su i pripreme za dodavanje vode u bazene za istrošeno nuklearno gorivo (ING) reaktora 4, a daljinski upravljanim vozilom raspršeno je tijekom sedam sati preko 5.600 litara (1.500 galona) vode iznad bazena za ING. Također, Edano smatra kako se stabilizira i situacija s bazenom za ING reaktora 3.

Nakon što su dopremljena dva diesel-generatora do jedinice 6 uspostavljena je opskrba električnom energijom jedinica 5 i 6 za hlađenje vode u bazenu za ING.

Inženjeri su također uspjeli staviti u funkciju sustav za odvođenje ostatne topline jedinice 5, čime je omogućeno odvođenje topline iz jezgre nuklearnog reaktora (reaktori 5 i 6 iako nisu bili na snazi u trenutku potresa imaju gorivo u reaktoru) u more (konačan ponor topline za termoelektrane na moru). Tijekom 11-satne akcije preventivno su napravljena tri otvora (promjera 7 cm) na krovu reaktorske zgrade jedinica 5 i 6 kako bi se omogućilo prirodno ventiliranje unutrašnjosti zgrade. Na taj bi se način onemogućilo nakupljanje vodika (nastalog reakcijom vode i vrelih obloga gorivnih šipki /gorivnog elementa/ izrađenih od legure zircaloy) unutar reaktorske zgrade i izbjegla nova eksplozija smjese vodik-zrak. (više u nastavku vijesti)

TEPCO, elektroprivreda koja upravlja s NE Fukushima, objavila je kako je temperatura u bazenima za ING pala na oko 60°C.

Edano dodatno govori o ostvarenom napretku za uspostavu napajanja električnom energijom NE Fukushima Daiichi iz vanjske mreže, te očekuje uspostavu napajanja u reaktorima 1 i 2 tijekom današnjeg dana, odnosno sutra u reaktoru 3.

Brzina (ekvivalentne) doze na zapadnom ulazu NE Fukushima Daiichi iznosila je 0,83 mSv/h u 00:10 h CET (83 mrem/h; rem je stara jedinica te vrijedi: 1 Sv = 100 rem), a dodatno je pala na 0,36 mSv/h u 01:00 h CET. Razina radioaktivnog zračenja nastavlja padati još od 16. ožujka. Premda su i dalje više od normalnih razina radioaktivnog zračenja, zračenje je u blizini reaktora u opsegu doza koje omogućuju radnicima nastavak radova na terenu, javljaju iz Međunarodne agencije za atomsku energiju (IAEA).

Prema njihovim navodima, brzine doze u Tokiju i drugim područjima izvan 30 kilometarske zone oko elektrane bitno su ispod razine koja bi zahtijevala provođenje mjera zaštite za stanovništvo. Drugim riječima, ova razina zračenja nije opasna po ljudsko zdravlje.

Sva četiri reaktora NE Fukushima Daini nalaze se u stanju tzv. hladne obustave. Drugim riječima, reaktori su obustavljeni (potkritični – prekinuta je samoodržavajuća lančana reakcije fisije), tlak i temperatura su niski, te nema pokazatelja da bi nešto moglo ovdje ugrozili nuklearnu sigurnost.

Razina radioaktivnog zračenja porasla je u nekim prehrambenim proizvodima u prefekturi Fukushima i obližnjim područjima iznad granice određene federalnim propisima. Povišene razine zračenja detektirane se u uzorcima mlijeka u prefekturi Fukushima te u šest uzoraka špinata u susjednoj prefekturi Ibaraki, o čemu je na svojim internetskim stranicama izvijestio Forum japanske nuklearne industrije (JAIF). Edano je rekao da bi u slučaju konzumacije ovih proizvoda unutar godine dana, ukupna unesena doza zračenja bila ekvivalentna dozi primljenoj tijekom jednog postupka snimanja uređajem za računalnu tomografiju (CT). Nastavlja se kontinuirani nadzor prehrambenih proizvoda u ovim područjima.

U ovom je trenutku najkritičnije i dalje stanje s bazenom za istrošeno nuklearno gorivo jedinice 4. Voda u bazenu za ING ima dvojaku ulogu – (1) odvodi ostatnu toplinu iz istrošenih gorivnih elementa (koji se hlade na lokaciji elektrane nekoliko godina) i tako sprječava njihovo prekomjerno zagrijavanje i (2) služi kao biološki štit koji sprječava djelovanje radioaktivnog zračenja u neposrednoj okolici. Otkrivanje istrošenih gorivnih elemenata uzrokuje visoku razinu radioaktivnog zračenja koje otežava posao polijevanja vodom i pristup iz neposredne blizine bazenu za ING. Stoga se od ekipa na terenu očekuje zatvaranje mjesta curenja na bazenu za ING (ako takva postoje), kontinuirana nadopuna vode i osiguravanje prekrivenosti ING vodom do konačne stabilizacije stanja.

Očekivano vrijeme sljedećeg dnevnog izvješća HND-a: nedjelja, 20. ožujka 2011. oko 18 h

Dnevno izvješće HND-a o razvoju događaja u NE Fukushima Daiichi (20.3.2011.)

Autor Igor Vuković Nedjelja, 20 Ožujak 2011 18:28

Izvješće odražava status na temelju dostupnih informacija u trenutku: nedjelja, 20. ožujka 2011. u 17:00 h CET

Doze zračenja na lokaciji NE Fukushima Daiichi i dalje su u opadanju. Brzina ekvivalentne doze zračenja na granici (ogradi) lokacije elektrane u opsegu su od 0,01 do 0,03 mSv/h. Zračenje se nadzire na osamnaest lokacija oko elektrane u prstenu radijusa od 30 do 60 km. Najveća danas izmjerena brzina ekvivalentne doze na jednoj od ovih mjernih postaja iznosila je 0,14 mSv/h.

TEPCO, elektroprivreda koja upravlja s NE Fukushima, objavila je kako su uspjeli postavite energetski kabel i povezati obližnji prijenosni vod s jedinicama 1 i 2. Očekuje se uspostava napajanja tijekom današnjeg dana. Prioritet je dovesti izmjenično (AC) napajanje do sustava za odvođenje ostatne topline (Residual Heat Removal, RHR) i recirkulacijskim pumpama reaktora. Plan je sutra dovesti i visokonaponske energetske kabele i do jedinica 3 i 4. Radnici TEPCO-a ulažu napore kako bi dovodili vodu do bazena za istrošeno nuklearno gorivo u jedinici 4.

Američki Nuclear Energy Institute (NEI) objavio je izvješće o dizajnu (projektnoj osnovi) reaktora BWR s (primarnim) kontejmentom (zaštitnom posudom) Mark-I i naknadnim regulatornim zahtjevima koji su za posljedicu imali poboljšanja ovog dizajna. Tekst izvješća na engleskom jeziku nalazi se u dodatku ove obavijesti, a namijenjen je tehnički obrazovanim čitateljima. (više u nastavku) Prema dostupnim, ne nužno posve jasnim, informacijama, (re)cirkulira se voda u bazenima za istrošeno nuklearno gorivo (ING) jedinica 5 i 6, napajanje kojih se vrši iz diesel-generatora.

Dodaje se i voda u bazen za ING jedinice 3 nakon što su tokijski vatrogasci trinaest sati uz pomoć posebnog vozila s vodenim topovima morskom vodom posipali bazen. (Upitno je koliko je te vode zaista i završio u bazenu.)

Prema izviješću JAIF-a (Forum japanske nuklearne industrije) energetski kabeli spojeni su u razdjelni ormar u rasklopnim postrojenjima jedinice 1 i 2. Trenutno se provodi inspekcija za otkrivanje potencijalnih problema (npr. dio opreme je u kratkom spoju, zaglavljeni mehanički dijelovi aktivnih komponenti i sl.) prije uključenja napajanja. Inženjeri TEPCO-a nastoje uspostaviti napajanje i u glavnoj upravljačkoj sobi (Main Control Room, MCR) kako bi pokušali steći čim bolju sliku o stanju reaktora i pojedinih sustava na temelju dijela instrumentacije koja još uvijek ispravno radi, a s ciljem donošenja odluka o daljnjim postupcima. Do kraja dana očekuje se dovođenje vanjskog izmjeničnog napajanja i do preostalih jedinica.

Ono što je neizvjesno je stanje u kojemu se nalaze pumpe (kao i ostala oprema koja za svoj pogon treba napajanje) i hoće li one proraditi uspostavom napajanja. Dva diesel-generatora napajaju jedinice 5 i 6. Pumpe sustava za odvođenje ostatne topline cirkuliraju vodu u bazenima za istrošeno nuklearno gorivo jedinica 5 i 6. Prema informacijama IAEA, temperatura u bazenu za ING jedinice 5 iznosila je 35°C, odnosno 30°C u u bazenu za ING jedinice 6 (danas u 6 h CET). Timovi na lokaciji elektrane i dalje upumpavaju morsku vodu u reaktore 1, 2 i 3.

Počeo se stabilizirati tlak u (primarnom) kontejmentu reaktora 3 te se odustalo od ispuštanja pare kako bi se smanjio tlak u kontejmentu. (Sekundarni je kontejment/reaktorska zgrada značajno oštećen u eksploziji vodika 14. ožujka.)

Prema zadnjem dostupnom JAIF-ovom izvješću br. 18 (13 h CET), danas je u dva navrata obavljeno ubacivanje više od 100 tona vode u području bazena za ING jedinice 4.

Tehnički opis trenutnog stanja sustava i opreme u elektrani i stručno tumačenje, ilustrirano shemama glavnih pogonskih i sigurnosnih sustava, iznose se detaljno u obavijesti koju su danas pripremili kolege Grgić i Bašić (članak dolje).

Vezano uz situaciju u NE Fukushima Daiini, sva su četiri reaktora na toj lokaciji u stanju tzv. hladne obustave i normalno se nastavlja hlađenje i odvođenje ostatne topline iz reaktorske jezgre.

Pripremio: dr. sc. Igor Vuković

Što se mijenja s uspostavljanjem vanjskog napajanja na lokaciji NE Fukushima-Daiichi?

Autor Davor Grgić Nedjelja, 20 Ožujak 2011 14:32

Jedna od prvih dobrih vijesti za NE Fukushima od nailaska tsunamija bi mogla biti vijest o pripremama za uspostavljanje AC napajanja iz vanjske mreže koje je u tijeku. Iako je definitivno to korak u dobrom smjeru treba biti svjestan da je konačni cilj još daleko i da su na putu moguća još i lokalna pogoršanja i dodatna oslobađanja radioaktivnosti, jednom riječju usponi i padovi. Kolega Bašić i ja smo odlučili podijeliti dio svojih razmišljanja s vama. Kao i obično vijesti kojima raspolažemeo su prilično šture i često kontradiktorne bar s pozicije našeg poznavanja objekta i stanja na lokaciji. Izgleda da je postavljen privremeni energetski kabel koji vjerojatno spaja sigurnosne sabirnice vlastite potrošnje jedinica 1 i 2 s vanjskom mrežom. Sabirnice još nisu pod naponom nego se obavljaju pripremne aktivnosti prije spajanja. Slično se namjerava napraviti za ostale jedinice na lokaciji. Da se uspostava vanjskog napajanje dogodila unutar prvih 8 sati od razornog djelovanja potresnog vala ili tijekom prvog dana odgovor o uspješnosti takve akcije bio bi prilično izvjestan. U kakvoj smo situaciji danas? Da se podsjetimo naš je problem odvođenje ostatne topline iz jezgre reaktora i bazena za istrošeno gorivo. Dugoročno u tu svrhu u svim nuklearnim elektranama, pa i NE Fukushima, postoji sustav za odvođenje ostatne topline (RHR Residual Heat Removal). Sustav je uvjetno rečeno spojen paralelno glavnom sustavu za hlađenje reaktora i čine ga pumpa za cirkuliranje vode, izmjenjivač topline, ventili i pripadni cjevovodi. Toplinu odvedenu s nuklearnog goriva ovaj sustav u izmjenjivaču predaje vodi sustava za hlađenje komponenata (Component Cooling) koji u svom izmjenjivaču topline predaje toplinu sustavu bitne vode i konačnom ponoru topline (Ultimate Heat Sink). Dakle postoje 2 ili 3 međusobno odvojena hidraulička kruga. U ovom slučaju konačni ponor topline je vjerojatno more. Ako su sve komponente navedenih sustava ispravne i ako raspolažemo s električnom energijom i ako nam mjesto usisa i ispusta vode konačnog ponora topline nije oštećeno još uvijek ovisimo o uvjetima koji vladaju u reaktorskoj posudi. RHR je niskotlačni sustav i njegovo je spajanje na reaktorsku posudu moguće samo ako je tlak u reaktoru dovoljno nizak. Rashladna moć sustava je ograničena i u BWR reaktoru s vanjskim recirkulirajućim petljama moramo imati vode bar do visine donjeg priključka recirkulacijskog cjevovoda. Ako pretpostavimo da je spajanje kabela na sabirnice izvršeno uspješno i da raspolažemo s dovoljnom električnom snagom, direktna je korist od navedene akcije je to da bi nam na raspolaganju trebao stajati širi spektar mogućnosti hlađenja (do uključivo originalno predviđenih sigurnosnih sustava) i da posada elektrane ne bi trebala bdjeti na svakim komadom neovisno energizirane opreme niti bi morali brinuti o dobavi goriva za dizel agregate. Na taj način su slobodni za daljnje djelovanje. Prije spajanja na napon, treba provjeriti stanje kabelskog razvoda do pojedine sigurnosne opreme, stanje pojedinih rasklopnih ormara i

stanje same električne opreme. Zanimaju nas motorni pogoni ventila, električni motori pumpi, ventilatori u sustavu ventilacije, instrumentacija i upravljanje i rasvjeta. Dio navedene opreme može biti oštećen ili je bio izložen djelovanju koje je moglo oštetiti električnu izolaciju ili mehanički pokretne dijelove opreme. Kvar se može manifestirati kao kratki spoj koji bi izbacio napajanje dijela sustava ili cijelog sustava. Jasno da mora biti ispravna i mehanička oprema svih sustava koje namjeravamo koristiti za hlađenje (ventili, pumpe, izmjenjivači topline, cjevovodi). Trebamo reći da mi zapravo ne znamo stupanj oštećenja električnog sustava elektrane. Simptomatično je da je dosad uspio start samo 2 dizel agregata na jedinici 6. Oni se trenutno koriste u funkciji hlađenja bazena za istrošeno gorivo jedinice 5 i 6. Zbunjuje da se u JAIF (Japan Atomic Inustrial Forum) eksplicitno navodi da se RHR pumpa koristi u režimu cirkuliranja vode u bazenu jedinice 6, ne hlađenja, što u pitanje dovodi raspoloživost konačnog ponra topline. Unatoč tome temperatura vode je reducirana na 52 C u bazenu 6 i na 40 C u bazenu 5. Nije jasno ni zašto su otvorene dodatne rupe na krovu ove dvije jedinice da se spriječi nakupljanje vodika i eventualna eksplozija. Ako su vršne temperature vode bile do 80 C do pregrijavanja košuljice goriva pa time ni do produkcije vodika nije moglo ni doći. Ako na trenutak zaboravimo te dileme sjetimo se da je prvi neposredni cilj uspostave AC napajanja hlađenje bazena jedinica 1 i 2 s idejom da se isto pokuša naknadno s trenutno najkritičnijim bazenima 3 i 4 (nastavljeni su pokušaji dodavanja vode u ova dva bazena izvana). Normalno bi svaki bazen trebao imati sustav za cirkuliranje vode s pumpom i pripadnim izmjenjivačem topline. Izmjenjivač topline treba biti hlađen vodom za hlađenje komponenata uz raspoloživ konačni ponor topline. Sustav za hlađenje bazena ima svoj dio koji je zadužen za dopunu vode u bazen iz vanjskog spremnika (upitan je kapacitet i raspoloživost ovog spremnika). Bez dovoljno vode u bazenu hlađenje ima samo ograničenu smislenost. Za očekivati je da će se, da bi se što prije sanirala situacija, koristiti i RHR sustav koji je u stanju napraviti redirekciju dijela svoje vode u bazen za istrošeno gorivo i nakon toga učestvovati u odvođenju ostatne topline preko svog izmjenjivača topline (sustav ima veći raspoloživi protok hladioca). Ako sve dosad rečeno funkcionira za bazene koje imaju značajno otkriveno i oštećeno gorivo suočit ćemo se s još jednim problemom. Kad se nivo vode u bazenu počne dizati relativno hladna voda će početi oplakivati pregirjane košuljice otkrivenog goriva. Doći će do naglog isparavanja vode i ovisno o temperaturi košuljice dodatne proizvodnje vodika. Termičko naprezanje može izazvati mehaničko oštećenje dosad neoštećenih košuljica i time oslobađanje dodatnih plinovitih radioaktivnih efluenata. Uz dovoljnu količinu raspoložive vode na kraju ćemo ipak poplaviti bazen za istrošeno gorivo. S dovoljno velikom količinom hladne vode generiranje pare će prestati i gama zračenje na rubu bazena će se svesti na razumnu mjeru. Sustav mora nastaviti raditi u režimu odvođenja topline. Taj zadatak je dugoročan a znamo da uvjeti u mreži tog dijela Japana nisu optimalni. Nakon stabiliziranja stanja ispadi će morati biti kratkotrajni (unutar termičke inercije bazena za istrošeno gorivo). U konačnici će trebati osposobiti kran i manipulatore iznad bazena i pokušati relocirati gorivo (posebno ono oštećeno) pod vodom u posebne transportne kontejnere.

Situacija će biti slična ali dodatno izazovna za značajno oštećene bazene 3 i 4. Za jednog od njih je konstatirano da je dio betonskog zida kolapsirao ali se metalni plašt bezena drži. Treba reći da taj metalni plašt nije napravljen da podnese težinu vode punog bazena. Nisu jasna ni curenja iz bazena koja bi mogla biti izazov za dobavni kapacitet sustava za nadoknađivanje gubitka vode. Vratimo se sada koristi koju može imati gorivo u jezgri reaktora 1 i 2 (3 će slijediti prva dva) od uspostave vanjskog AC napajanja. Nije potpuno jasno koji sistem za ubrizgavanje vode u jezgru je moguće koristiti čak i nakon uspostave električnog napajanja. Inicijalno je zamišljeno da ovaj reaktor koristi visokotlačni sustav za dodavanje vode koja bi se naknadno isparila i bila ispuštena iz rektorske posude kroz rasteretni ventil u primarni kontejnment. Za trajanje ispuštanja iznad toplinskog kapaciteta kontejnmenta sadržaj bi se ispuštao u okoliš. Kako se taj pristup pokazao u praksi imali smo prilike vidjeti u proteklih 7 dana (iako su njegov osnovni problem zapravo bile eksplozije vodika). Jedino trajno rješenje je korištenje RHR sustava koje je moguće tek na nižem tlaku. Očitanja instrumentacije koja su raspoloživa su prilično konfuzna i nije jasno da li se radi o oštećenju instrumentacije ili problemima s napajanjem. Za sva tri reaktora su na snazi mjere za suzbijanje teških posljedica (ubrizgavanje morske vode i u reaktor i u kontejnement (osim za jedinicu 2). Stanje je stabilno i ne pogoršava se ali gorivo je i dalje djelomično ili potpuno otkriveno. Ni jedna od tih informacija nije dovoljna za cjelovitu ocjenu uspješnosti mogućeg vanjskog ubrizgavanja vode u jezgru postojećim sistemima jer ne znamo o kojem se tlaku u primarnom krugu radi a upravo o tome ovisi uspješnost ubrizgavanja vode. Čini se da je ipak tlak u reaktorskoj posudi dovoljno nizak da bi RHR pumpe mogle ubacivati vodu. Ako to nije tako trebat će dodatno otvoriti rasteretne ventile da se tlak snizi. Vode u jezgri nema dovoljno za rad RHR sustava. Potrebno ju je dodati. Normalno je prediđeno da RHR pumpe uzmu usis iz donjeg dijela kontejnmenta (bazen za kondenzaciju pare i prigušenje tlaka). Bar jedan kontejnmentski bazen (onaj u reaktoru 2) je oštećen ali vjerojatno je u stanju držati vodu. Obzirom na potrebe dodavanja vode i u bazen za istrošeno gorivo u ovom će slučaju vrlo vjerojatno trebati iskoristiti mogućnost spajanja na spremnik kondenzata (Condensate Storage Tank) ili vode za izmjenu goriva (Refueling Water Storage Tank) ili neki od spremnika u sustavu za zaštitu od požara. RHR pumpe mogu dodati vodu u recirkulacijski cjevovod reaktorske posude, te u sprej sustav suhog i mokrog dijela kontejnmenta. Postoji mogućnost da se raspršena voda doda i neposredno iznad vrha reaktorske jezgre. U svakom slučaju, prema raspoloživim izvještajima, bar je dio jezgre potpuno otkiven. Neovisno o načinu dodavanja vode dio će je odmah ispariti, to će izazvati porast tlaka i jedno vrijeme njegovo oscilatorno ponašanje dok se ne uspostavi stabilno pokrivanje. Slično kao i u slučaju bazena moguće je povećano generiranje vodika (zapaljenje?), dodatno oštećenje košuljica i ispust plinovitih fisijskih produkata. Obzirom na status reaktorske posude i kontejnmenta vjerojatno je ispuštanje u okoliš. U konačnici ako sve bude radilo i ne bude dodatnih oštećenja moguće je dostići stabilne uvjete hladne obustave unutar par sati do 24 sata (ostatna toplina je već značajno smanjena). Tijekom opisanih procesa moguća su mnoga iznenađenja jer slična operacija nije

još rađena. Osim uvjeta vezanih za ponovno poplavljivanje jezgre upitan je i status recirkulacijskih cjevovoda i raspoloživost sistema za hlađenje komponenata, bitne pojne vode i konačnog ponora topline. Jednom postignuto stanje trebat će trajno održavati dok ne počne sanacija.

Slika 1 Tipični izgled sustava 1E vlastite potrošnje BWR reaktora

Slika 2 Mogući načini dobave vode i hlađenja bazena za istrošeno gorivo

Slika 3 Mogućnosti za dodavanja vode na niskom tlaku i odvođenje ostatne topline Niskotlačni (LP) system je, na osnovi pojednostavljenih shema raspoloživih u generičkim materijalima o BWR elektrani, zatvoren sustav koji se napaja odnosno recirkulira vodu iz kontejnmenta i hladi je preko izmjenjivača topline sa birnom vodom (SW) vjerojatno iz oceana. Da bi operacija potencijalnog ubrizgavanja vode LP crpkama bila učinkovita u primjeru da nema većeg oštećenja donjeg torusnog dijela (znači vode u spremniku za recirkulaciju ima) te da nema opstrukcije zatvorenog kruga recirkulacije, bitna je raspoloživost sistema pojne vode (SW) koja rashlađuje vodu LP sistema. Druga mogućnost je ubrizgavanje vode preko crpke spreja jezgre koja također koristi vodu iz kontejnmenta. Tu vjerojatno postoji mogućnost spajanja vanjskog izvora vode (vatrogasnih spremnika, ili samog oceana). Tim sistemom bi se puno učinkovitije poplavila jezgra i prekinulo pregrijavanje goriva.

Slika 4 Alternativni način dodavanja vode u jezgru reaktora

Slika 5 Način na koji je trebalo biti izvedeno ventiliranje kontejnmenta (obzirom na eksplozije vodika vjerojatno nije)

Slika 6 Presjek kroz reaktorsku zgradu, bazen za istrošeno gorivo i kontejnment

Slika 7 Izgled primarnog kontejnmenta tijekom gradnje