Egyetem

A japán atomerőmű-katasztrófa 2. rész + VIDEÓ, FOTÓK

2011. március 17., csütörtök

Egy atomkatasztrófa anatómiája

Egyre kritikusabb a helyzet Fukusimában, ahol magyar idő szerint szerda hajnalban ismét tűz ütött ki, ezúttal azonban a négyes blokkban, ami igen veszélyes, mert ugyan a földrengés idején ez a blokk nem üzemelt, de itt jelentős mennyiségű használt fűtőelemet tároltak egy úgynevezett pihentető medencében. De mi is játszódott le Fukusimában a korábbi, 9-es erősségű földrengést követően? Erre ad választ Aszódi Attila, a BME Nukleáris Technikai Intézet igazgatójának összefoglalója. A legfrissebb híradások szerint leállították az atomerőmű hármas blokkjainak hűtésére vizet szállító Chinook katonai helikoptert, miután 15-én, magyar idő szerint 21.45-kor újra tűz ütött ki a Fukusima-Daiicsi atomerőmű négyes számú blokkjánál, amely mintegy 30 perc után kialudt. A vizet azonban továbbra is hordják az erőmű ötös és hatos reaktorára. Ez azonban sziszifuszi munkának tűnik, mivel óránként ötven tonna víz kellene a biztonságos utóhűtési folyamathoz. Az üzemeltető TEPCO cég közlése szerint leállt a négyes blokk pihentető medencéjének hűtőrendszere is, ezért fennáll a lehetősége annak, hogy rosszabbodik a helyzet. Jelenleg fehér füst áramlik ki a 3-as vagy 4-es blokk környékéről. A helyszínt egyelőre nem tudják megközelíteni, így nem tudják ellenőrizni sem a kialakult helyzetet. A fűtőelemek nem a reaktortartályban, hanem a pihentető medencében vannak, és az azt körülvevő épületen a korábbi robbanások következtében két helyen is jelentős sérülés keletkezett, így közvetlenül a légkörbe juthat a radioaktív szennyeződés. A TEPCO közleménye szerint 70% az esélye annak, hogy károsodott a nukleáris fűtőanyag az egyes blokkban, és 30% a kettes számú blokkban. A korábban már közölt tervek szerint láncreakció megakadályozása érdekében helikopterről bórsavat – melynek neutronelnyelő hatásával próbálják megakadályozni az ellenőrizhetetlen láncreakció beindulását – juttatnának a pihentető medencébe, mellyel az ott lévő üzemanyagkazettákat szórják be. Március 16-án, magyar idő szerint 02.00 órakor a Fukusima-Daiicsi atomerőmű hármas blokkja felett fehér füstöt észleltek

A földrengés után

Rendkívül nagy földrengés érte Japánt, melyet jelentős cunami (szökőár) követett. Azóta is – így többek között az atomerőművek üzemzavarainak kezelése közben – több mint húsz hatos magnitúdójúnál nagyobb utórengés következett be, melyek további műszaki problémákat okozhattak. A villamos- és gázhálózat, a vasúti rendszer, a közúti közlekedési utak súlyosan károsodtak. A természeti csapások következtében az atomerőművek terhelése – vélhetően – meghaladta azt a szintet, amit a tervezés során feltételeztek. A Fukusima-Daiicsi atomerőműben a hatból négy darab forralóvizes atomerőmű működött a földrengés idején, ezek automatikusan leálltak, azonban a reaktorokat – a leállítást követően – hosszú távon is hűteni kell. A hűtés következtében nőtt a nyomás a hermetikus védőépületben, ami miatt úgy döntöttek, hogy mind a négy blokkon a védőépületben lévő levegő és gőz keverékének egy részét kiengedik a környezetbe. A fukusimai erőműben összesen hat reaktorblokk van, ezek közül három karbantartáson állt a földrengés idején, melyeken nem tudunk problémáról. A három működő reaktor automatikusan leállt, és elindultak az üzemzavari rendszerek. A reaktorok hosszú távú hűtésében fontos szerepet játszanak az üzemzavari dízelgenerátorok, melyek mintegy egy órán keresztül ellátták feladatukat. A Nemzetközi Atomenergia Ügynökség jelentése szerint azonban kb. 1 órával az események kezdete után a dízelgenerátorok működésképtelenné váltak az erőművet elérő cunami miatt. Ezt követően a Fukusima-Daiicsi atomerőmű 1. és 2. reaktoránál komoly hűtési problémák léptek fel. Nagyjából kilenc órával a földrengés után négy darab mobil dízelgenerátor érkezett a telephelyre, és légi úton továbbiak odaszállítását tervezték. Mivel a helyzet további problémákkal fenyeget, először az erőmű 3 km-es, később a 10 km-es, majd a 20 km-es körzetéből kitelepítették a lakosságot. Az egyes blokkon további nyomásnövekedést érzékeltek a hermetikus védőépületben. Feltételezhető, hogy a hermetikus téren belül a reaktor hűtőrendszere megsérülhetett. További jelentések érkeztek arról, hogy a telephely környékén a környezetben a normál szintnél magasabb jód- és cézium aktivitást találtak. Ez arra utal, hogy a reaktorban üzemanyag pálca vagy pálcák megsérülhettek, és egyes hírekben kisebb-nagyobb mértékű üzemanyag olvadásáról is beszélnek.

Reaktorok hűtés nélkül

Ha a reaktor hűtését nem tudják hosszú távon biztosítani, és nagymértékű zónaolvadás következik be, akkor ez számottevő hidrogénfejlődéshez vezethet és a hermetikus védőépület sérülése sem kizárható. Ez komolyabb kibocsátást eredményezhet, de ennek európai kihatása nem lehet. A szombati robbanás során vélhetően a reaktorban lévő üzemanyag burkolat egy része túlhevült, melynek következtében a vízgőzzel lezajlott reakcióban hidrogén keletkezett. A hermetikus védőépület lefúvatása során ez a hidrogén berobbanhatott, és megrongálta a hermetikus tér fölötti reaktorcsarnokot, de – a japán hivatalos közlések szerint – az elsődleges hermetikus védőépület nem károsodott. A reaktorokban igen alacsony a vízszint, ezek pontos állapotát nem ismerik, a reaktor vízszintről csak egy ideiglenes áramellátással rendelkező rendszeren keresztül vannak információik. Ezért próbálják most helikopterekkel odahordott, valamint tengervíz beszivattyúzásával tovább hűteni a blokkok belsejét. Olyan nagyságú és hatású nukleáris baleset, mint ami 1986-ban Csernobilban történt, itt teljességgel kizárt. Az érintett japán atomerőművek forralóvizes reaktorok (BWR), melyekben nincs grafit, így nagy kiterjedésű tűz nem lehetséges. A reaktorok leállítása óta az elszállítandó maradékhő jelentősen lecsökkent, így ha van áram a telephelyen és be tudnak juttatni hűtővizet, a hűtés megoldható.

A leállt reaktorokat is hűteni kell

Az atomreaktorok leállítása után sem szűnik meg az üzemanyagban a hőtermelés a hasadóanyagban lévő hasadási termékek bomlása miatt. A reaktor leállítása pillanatában a hőteljesítmény a névleges érték 7-8%-a, ami körülbelül 4 óra elteltével 1% alá, 2 nap után pedig 0,5% alá csökken. Ennek a hőnek az elvonása csak úgy lehetséges, ha az üzemzavari hűtőrendszerek vizet juttatnak a reaktorba, vagy hőcserélőkön keresztül a hermetikus védőépületből elszállítják a hőt. Az egyik legfontosabb alapelv szerint egy atomerőművet akkor tekintünk biztonságosnak, ha belőle nem kerül ki a környezetet meg nem engedhető mértékben szennyező radioaktív anyag. Az erőmű felépítéséből következik, hogy a normális üzem során ilyen kibocsátás nem történhet. Nem zárhatók ki azonban üzemzavarok, amelyek során a reaktor hermetikussága megsérül, és emiatt radioaktív anyagok kerülhetnek ki belőle. A várhatóan fellépő nyomások és kiszabaduló anyagtömegek miatt egy közönséges épület nem lenne képes ezeket lokalizálni. Ezért írták elő, hogy minden atomerőművi reaktort egy konténmenttel (védőburkolattal) kell körülvenni, amely a várható nyomásoknak ellenállva a radioaktív anyagokat lokalizálja, és így a környezet megvédi. A legnehezebb helyzetben lévő Fukusima-Daiicsi 1. blokk 1971-ben lépett üzembe, a forralóvizes reaktorok BWR/3-as sorozatának egyik első darabja (mai definíciónk szerint egy második generációs reaktor). A reaktortartályt egy acél konténment tartály veszi körül (ez a hermetikus védőépület első védvonala), amelyet egy betonszerkezet vesz körül (ez a hermetikus védőépület második védvonala). Ezeket arra méreteztek, hogy a reaktor hűtőrendszerének sérülése esetén is bent tartsák a radioaktív gőzt. Ilyen esetekre nagy mennyiségű víz található a hermetikus védőépületben, ahova csöveken keresztül bejut a kiszabadult gőz, és ott kondenzálódik, ezzel csökkentve a hermetikus védőépületen belüli nyomást. Ha az üzemzavari hűtőrendszerek működnek, ebből a térrészből a hőt el tudják szállítani. Mivel az üzemzavari dízelgenerátorok a földrengést követő cunamiban megsérültek, ez a biztonsági funkció vélhetően nem állt rendelkezésre, emiatt nem tudták a hermetikus tér nyomását a szükséges korlátok között tartani ellenőrzött lefúvatás nélkül. A forralóvizes reaktor működéseA Fukusima-Daiicsi atomerőmű blokk sematikus rajza (1) reaktortartály; (2) üzemanyag-kazetták; (3) reaktor hűtővíz; (4) vízszint a reaktorban; (5) frissgőzvezeték; (6) főgőzszelep; (7) turbina; (8) generátor; (9) kondenzátor; (10) tápszivattyú; (11) tápvízvezeték; (12) hermetikus védőépület acél fala; (13) hermetikus védőépület első beton fala; (14) hermetikus védőépület külső beton fala; (15) reaktortartály üzemzavari lefúvató vezeték; (16) reaktortartály üzemzavari lefúvató szelep; (17) vizes akna; (18) konténment lefúvató vezeték; (19) konténment lefúvató szelep; (20) reaktorcsarnok; (21) pihentető medence A rendszer működését mutatja – erősen leegyszerűsítve – a sematikus ábra. A normál üzemben az (1) reaktorban megtermelt gőz az (5) jelű vezetéken jut el a turbinába, ahol munkát végez és meghajtja a (8) generátort. A turbinából kilépő gőz a (9) hőcserélőben (kondenzátorban) lecsapódik, majd ezt a (10) tápszivattyú juttatja vissza a reaktortartályba. Az érintett japán reaktorok forralóvizes (BWR) típusúak, így a paksi atomerőműben alkalmazott technológiától eltérően itt nincs primer és szekunder kör: a reaktorban gőz keletkezik, ami közvetlenül a turbinára áramlik. Amikor a földrengés bekövetkezett, az automatika a Fukushima-Daiichi 1. reaktort is leállította: a (6) főgőzszelep bezárt, a (7) turbina leállt. Mivel itt a szabályzórudakat elektromágnes tartja kiemelt állapotban, vészleállás esetén ezek automatikusan leereszkednek a fűtőrudak közé, megszakítva ezzel a láncreakciót. A keletkező hőt ilyenkor úgy lehet elszállítani a reaktorból, hogy a névleges üzeminél jóval kisebb mennyiségű gőzt a (22) üzemzavari hőcserélőkön keresztül kondenzálják, majd a (23) üzemzavari tápszivattyún keresztül juttatják vissza a reaktorba.

A katasztrófa anatómiája

A reaktorok a földrengést követően azonnal, automatikusan leálltak, és megindult a vészforgatókönyv szerinti utóhűtés. Mivel a telephely leszakadt a külső villamos hálózatról, a biztonsági rendszerek működtetéséhez rendben elindultak a dízelgenerátorok, a fenti hűtési funkció megindult. A telephelyet elérő extrém cunami azonban egy óra elteltével tönkretette az üzemzavari dízelgenerátorokat. A dízelek kiesése, az áramellátás megszűnése az üzemzavari hűtés meghiúsulásához vezetett. Ez nagyon súlyos esemény egy atomerőműben, hiszen az üzemzavari hűtőrendszereket redundánsan (megtöbbszörözve) építik be, ezeknek egyszerre történő tönkremenetelével nem számolnak a biztonsági elemzésekben. Itt vélhetően az óriási erejű földrengés, majd a nagy cunami mint két erős, közös okú hiba vezetett a redundáns biztonsági rendszerek működésképtelenségéhez. Nem lehet jelenleg tudni, mi okozta az összes dízelgenerátor egyidejű tönkremenetelét; ezeket a rendszereket ezen a telephelyen kötelező volt cunamira méretezni, így feltételezhető, hogy a méretezési alapban szereplőnél nagyobb vagy más jellegű terhelések léptek fel. A külső áramellátás hiányában a hűtés nem lehetetlen, de sokkal bonyolultabb. Az ábrán (15) jellel szereplő vezetéken keresztül a reaktorban keletkező gőz a (17) medence vizében kondenzálható. Ez hosszú távra biztosítja a hűtést, azonban ezen a módon a reaktorban termelt hő ugyan kikerül a reaktortartályból, de a hermetikus védőépületen ((12) és (13) jelű szerkezet) belül marad. Ez vezethetett oda, hogy a hermetikus térben egy idő után a gőznyomás túl magas értékre nőtt, ami már veszélyeztette a (12) acél fal épségét. Ezért dönthetett úgy az üzemeltető, hogy csökkenti a hermetikus téri nyomást. Erre a (18) vezetéken keresztül a (19) lefúvató szelep nyitásával nyílik lehetőség. Mivel a reaktor hűtővizében mindenképpen van radioaktivitás, ez a lefúvatás feltétlenül radioaktív kibocsátással járt. Feltételezhető, hogy a március 13., szombati robbanás akkor következhetett be, amikor a (18)-(19) lefúvatórendszeren keresztül a gőz a környezetbe távozott a hermetikus térből, és a gőzben lévő hidrogén keveredett a levegőben lévő oxigénnel. A néhány interneten elérhető videó és fényképfelvétel, valamint a japán kormány hivatalos közleménye alapján vélelmezzük, hogy a robbanás nem a (12) hermetikus védőépületi falon, és nem a (14) külső betonfalon belül, hanem az ábrán (20) jellel szereplő reaktorcsarnokon belül következhetett be A robbanás során tehát a (20) reaktorcsarnok fala dobódhatott le. Mivel ebből a csarnokból kezelik a kiégett kazetták (21) pihentető medencéjét, a robbanás a pihentető medencében tárolt üzemanyag sérülését is okozhatta.

Összeállította: Illés Tibor

Az előző részben: A japán atomerőmű-katasztrófa A következő részben: Óvintézkedések és hatásokForrás:BME Nukleáris Technikai Intézet Országos Atomenergia HivatalA fukushimai probléma: