Stopienie rdzenia to nie koniec świata

Największym zagrożeniem wiążącym się z awarią elektrowni atomowej w Fukushimie, jest stopienie rdzenia reaktora (core meltdown). Co to znaczy?

Jak zbudowany jest reaktor jądrowy

Reaktory z Fukushimy są reaktorami typu BWR (Boiling Water Reactor - reaktor wodny wrzący). Sercem takiego reaktora jest ciśnieniowy kocioł w którym znajduje się rdzeń reaktora zanurzony w wodzie. Kocioł (obudowa reaktora ) wykonany jest z 15-centymetrowej warstwy stali. Rdzeń reaktora to zestaw pakietów paliwowych składających się z prętów paliwowych - szczelnie zamkniętych rurek ze stopu cyrkonu, w których znajdują się pastylki paliwa - tlenku uranu . Na skutek reakcji jądrowych zachodzących w paliwie, pręty paliwowe rozgrzewają się,. podgrzewając otaczającą je wodę. Podczas pracy wnętrze obudowy reaktora wypełnione jest niesamowitym, błękitnym światłem - promieniowaniem Czerenkowa.

 

Oprócz prętów paliwowych, do rdzenia reaktora wprowadzane są pręty sterujące i pręty bezpieczeństwa. W odróżnieniu od prętów paliwowych nie są trwałymi elementami rdzenia, lecz mogą być wsuwane i wysuwane na rozkaz ze sterowni. Wykonane są z materiałów pochłaniających neutrony (trucizn neutronowych ) i ich zadaniem jest sterować intensywnością reakcji jądrowej.

Pręty sterujące reaktora typu PWR. Fot. Nic Ransby / Wikimedia Commons

Im więcej neutronów zostanie pochłoniętych, tym więcej nie trafi w atomy uranu i nie rozszczepi ich, produkując ciepło i następne neutrony podtrzymujące reakcję łańcuchową.

 

Pręty bezpieczeństwa działają podobnie, ale mają nieco inne zadanie - w sytuacji awaryjnej zostają jak najszybciej wprowadzone do rdzenia, aby stłumić reakcję jądrową i wygasić reaktor. W niektórych reaktorach obie te role pełni jeden zestaw prętów w innych są to osobne mechanizmy, albo zamiast wsuwania prętów bezpieczeństwa, płynną truciznę neutronową wstrzykuje się wprost do wody wypełniającej reaktor.

Paliwo w pastylkach paliwowych jest skoncentrowane dużo słabiej niż paliwo w głowicach jądrowych, elektrownia atomowa nie może wybuchnąć.

W normalnych warunkach eksploatacji, reakcje jądrowe rozgrzewają pręty paliwowe, a te - podgrzewają wodę, która wrze. W kotle reaktora ciśnienie wynosi około 75 atmosfer, a temperatura pracy to 250-280 stopni Celsjusza. Gorąca para jest odprowadzana do turbogeneratorów produkujących prąd, a schłodzona i skroplona woda jest pompowana z powrotem do kotła.

Obudowa reaktora wraz ze wszystkimi systemami potrzebnymi do podtrzymania jego działania, jest zamknięta w obudowie bezpieczeństwa - stalowym pancerzu mającym za zadanie zatrzymać wewnątrz skażenie, jakie może nastąpić w wyniku awarii reaktora.

Obudowa bezpieczeństwa zamknięta jest w solidnym budynku reaktora, którego zadaniem jest chronić reaktor przed zewnętrznymi zagrożeniami, takimi jak spadające samoloty.

Zabezpieczenia reaktora jądrowego

* Konstrukcja reaktora

Już sama konstrukcja reaktora jest projektowana pod kątem ograniczania skażeń. Paliwo jądrowe odizolowane jest od wody chłodzącej przez zamknięcie w prętach paliwowych. W reaktorach z wodą wrzącą, woda ta staje się nieznacznie radioaktywna, jednak skażenie wiążące się z ewentualnym wyciekiem wody lub pary wodnej nie jest trwałe - zawarte w wodzie radioaktywne izotopy rozpadają się najdalej po kilkunastu dniach.

 

* SCRAM

Scram to system samoczynnego wygaszania reakcji jądrowej zachodzącej w rdzeniu reaktora, włączający się w sytuacji zakłócenia działania reaktora.

Procedurę SCRAM można też uruchomić ze sterowni, naciskając wielki czerwony guzik awaryjnego wyłączenia. Scram polega na wsunięciu do rdzenia reaktora prętów bezpieczeństwa, albo wstrzyknięciu do chłodziwa trucizny neutronowej. Po SCRAM-ie reaktor należy chłodzić przez dłuższy czas, gdyż na skutek rozpadów jądrowych w pozostałościach zużytego paliwa, reaktor dalej produkuje ciepło.

 

* Systemy awaryjnego chłodzenia

W sytuacji w której grozi przegrzanie reaktora, do jego wnętrza automatycznie pompowane są duże ilości wody dla jego schłodzenia.

* System awaryjnego obniżania ciśnienia

Jeśli ciśnienie pary wodnej wewnątrz obudowy reaktora przekroczy wartość bezpieczną, para jest wypuszczana - ale nie do atmosfery. Specjalny rurociąg doprowadza ją do znajdującego się wewnątrz obudowy bezpieczeństwa basenu z wodą, gdzie zostaje schłodzona i przechwycona.

* Zasilanie awaryjne

W razie wyłączenia reaktora, zasilanie systemów chłodzenia jest dostarczane z akumulatorów, a następnie z awaryjnych generatorów spalinowych.

* Obudowa bezpieczeństwa

Częścią obudowy bezpieczeństwa jest stalowo-betonowy basen umieszczony pod obudową reaktora. Jeśli nie uda się odzyskać kontroli nad reaktorem i dojdzie do stopienia rdzenia, zadaniem tej części obudowy bezpieczeństwa jest przechwycenie jądrowej lawy ze stopionego rdzenia (corium ), rozprowadzenie jej na dużej powierzchni i powolne schłodzenie.

* Budynek reaktora

Ma za zadanie wytrzymać trzęsienie ziemi - co w Fukushimie się udało - i ochronić obudowę bezpieczeństwa i reaktor.

* Szkolenie

Załoga elektrowni przechodzi długie szkolenia, w czasie których uczą się jak radzić sobie ze wszystkimi możliwymi sytuacjami, w tym ze stopieniem rdzenia.

 

Co się dzieje w Fukushimie

Elektrownia w Fukushimie wytrzymała trzęsienie ziemi, mimo że było ono około 7 razy silniejsze, niż takie na jakie została zaprojektowana. Poprawnie przeprowadzono procedurę SCRAM (awaryjnego wyłączenia reaktora), problem pojawił się dopiero po kilku godzinach, kiedy zostały wyczerpane akumulatory zapewniające zasilanie dla systemów chłodzenia reaktora, a generatory zapasowe zostały zniszczone przez tsunami. Operatorzy reaktora rozpoczęli chłodzenie rdzenia reaktora wodą morską zmieszaną z kwasem bornym (trucizną neutronową), jednak działanie to zostało przerwane przez niewielki wstrząs tektoniczny.

Prawdopodobnie na skutek reakcji wody z przegrzanymi obudowany prętów paliwowych wydzielił się wodór, który wybuchł, uszkadzając budynki reaktorów 1 i 2, jednak obudowy bezpieczeństwa nie zostały naruszone. Doszło także do wycieku radioaktywnej pary wodnej co spowodowało ewakuację okolicznych mieszkańców.

Jeśli nie uda się schłodzić przegrzanych reaktorów, może dojść do stopienia rdzenia. Wówczas radioaktywna lawa może przepalić obudowę reaktora i wyląduje w basenie przechwytującym, gdzie będzie stygła. Budynek zniszczonego reaktora trzeba będzie zamknąć na wieki.

Stopienie rdzenia to niebezpieczne zdarzenie, ale projektanci elektrowni liczą się z taką możliwością i specjaliści nie są w takiej sytuacji bezradni.

Janusz A. Urbanowicz