Windscale , 1957, W.Brytania. Awarie obiektów jądrowych. Ciepło Wignera cd. Ciepło Wignera

Transkrypt

1 Awarie obiektów jądrowych Ι) Niekontrolowana nadkrytyczność (criticality accidents) Z powodów oczywistych ich konsekwencje mogą być skrajnie groźne. Jednak dotąd, po ponad 14 tys. lat działania cywilnych reaktorów energetycznych chłodzonych i nych wodą, Ŝaden taki wypadek nie nastąpił. /Naturalne ujemne sprzęŝenia zwrotne dowodzą swej niezawodności, a w Czarnobylu moderator był inny - grafitowy/. Zatem doświadczenie uczy, Ŝe prawdopodobieństwo niekontrolowanej nadkrytyczności jest b.małe. Jest dostatecznie małe, by nie ograniczać się do omawiania tego typu awarii. ΙΙ) Wypadki radiacyjne (skaŝenie otoczenia skutkiem uszkodzenia obiektu) MoŜe nastąpić w wyniku utraty zdolności chłodzenia n.p.: brak cyrkulacji chłodziwa LOFA (awaria pompy, zatkanie kanału) ucieczka chłodziwa (rozerwanie rurociągu lub zbiornika, takŝe jeszcze się nie zdarzyło) tzw. LOCA (loss of coolant accident) Typ reaktora: Rodzaj awarii ΙΙ: Widok ściany bocznej reaktora , 1957, W.Brytania Reaktor grafitowy dla celów wojskowych /do produkcji Pu/, chłodzony powietrzem Uwolnienie substancji promieniotwórczych (skutkiem poŝaru moderatora) Ciepło Wignera To ciepło utajone sieci krystalicznej grafitu (po napromieniu np. neutronami) Rozproszenia neutronów na atomach sieci przenoszą je na wyŝsze poziomy energii Sieć krystaliczna grafitu Model Foto Podniesienie temperatury stymuluje wydzielenie energii Wignera w postaci ciepła neutron Wzbudzenie sieci atom wytrącony z sieci nośnikiem energii Uwaga: akumulowanie energii Wignera moŝliwe jedynie w niskich temperaturach < ca. 400 K Ciepło Wignera cd. Najczęściej spotykane wartości energii Wignera = J/g Ciepło właściwe grafitu C w = 1.8J g -1 K -1 Oznacza to przy przemianie adiabatycznej wzrost temperatury rzędu 300 K Jednak obserwowano wzrost nawet o 1500 K Wygrzewanie Wzrost temperatury grafitu o setki stopni moŝe być niebezpieczny Przy dostępie powietrza grozi zapłonem! Proces wygrzewania grafitu dla wydzielenia energii Wignera musi być precyzyjnie kontrolowany

2 Reaktor grafitowy dla celów wojskowych /do produkcji Pu/ Wybrane dane 2000 ton grafitu 3440 kanałów poziomych 21 elementów paliw./kan. (łącznie ok ) paliwo: uran metaliczny komin rozładunek powietrze woda załapodgląd rdzeń powietrze dunek winda Typ reaktora: Reaktor grafitowy dla celów wojskowych /do produkcji Pu/, chłodzony powietrzem Rodzaj awarii: PoŜar moderatora z uwolnieniem substancji promieniotwórczych Scenariusz cel: Wygrzewanie reaktora dla planowanego wydzielenia ciepła Wignera (wygrzewanie po wypaleniu 40 GW dni zamiast 30 GW dni, jak dotąd) Podniesienie mocy reaktora dla podwyŝszenia temperatury; wobec miernego jej wzrostu dalsze podniesienie mocy (Rzadka sieć termopar nie pokazuje lokalnych przegrzewów) Mierniki pokazują (oczekiwany) wzrost temperatury rano Sonda u wylotu chłodzącego powietrza pokazuje silne skaŝenie, wskazujące na uszkodzenie elementu(ów) paliwa. Inspekcja wzrokowa pokazała niektóre elementy rozgrzane "do czerwoności". To był juŝ niekontrolowany wzrost temperatury wiecz. Próby zwiększenia chłodzenia powietrzem i usuwania paliwa z rdzenia bezskuteczne wiecz. Próby zwiększenia chłodzenia powietrzem i usuwania paliwa z rdzenia bezskuteczne rano. Zapłon grafitu liczne uszkodzenia elementów paliwowych (11t uranu "w płomieniach", temperatura lokalnie do 1300 C) "w nocy" Próby gaszenia przy pomocy CO 2 nieskuteczne Gaszenie przez uŝycie duŝych ilości wody TMI Elektrownia THREE MILE ISLAND, Pennsylvania, USA Następstwa: Uwolnienie promieniotwórczości do otoczenia Ci czyli Bq Straty ludzkie: Skutki środowiskowe: SkaŜenie okolicznych pastwisk wstrzymanie produkcji mleka & wylanie do morza miesięcznej produkcji z ok. 500 km 2 wokół Windscale Wnioski: Grafit dość niebezpieczny Fragment reaktora po poŝarze

3 TMI , THREE MILE ISLAND, Pennsylvania, (USA) Typ reaktora: Rodzaj awarii: Scenariusz: Niesprawność 1. Reaktor energetyczny (wodny ciśnieniowy) Utrata chłodziwa (LOCA) Zatrzymanie pomp w obiegu wtórnym, (czyli odbioru ciepła) skutkujące wzrostem ciśnienia w obiegu pierwotnym, a to z kolei: 1) wyłączeniem reaktora. 2) zadziałaniem stabilizatora ciśnienia otwarciem zaworu zrzutowego w obiegu pierwotnym. Po spadku ciśnienia zawór ten powinien się zamknąć. Niesprawność 2. Zawór zrzutowy pozostał otwarty. Nastąpił wypływ wody z obiegu pierwotnego! Wada projektu 1 Brak sygnalizacji połoŝenia zaworu. Wada projektu 2 Brak sygnalizacji poziomu wody w rdzeniu. Błąd 1: TMI Nie zauwaŝono wypływu wody z reaktora. (W stabilizatorze ciśnienia wody nie brakowało) Błąd 2: Zmniejszenie chłodzenia reaktora! Częściowe odsłonięcie rdzenia Rozszczelnienie i częściowe stopienie paliwa (Pojawienie się wodoru z reakcji H 2 O z cyrkonem) Wypuszczanie H 2 kwiecień 1979 Stopniowe stygnięcie zniszczonego rdzenia lipiec 1980 Wypuszczenie ok. 43kCi izotopu 85 Kr Pierwsze wejście do wnętrza budynku Usuwanie paliwa ze zniszczonego reaktora 1991 Odparowanie resztek wody 1993 Rozpoczęcie stałego monitoringu TMI Następstwa: Średnia dawka 2 milionów mieszkańców w otoczeniu: ok Sv (dla porównania dawka roczna od źródeł naturalnych: ok Sv czyli jest 100 razy większa) Straty materialne: Ogromne zamknięcie elektrowni Reaktor TMI-2 i elektrownia po Następstwa pozytywne: 1) Wykazanie nonsensu tzw. "China syndrom" czyli nie moŝności przedziurawienia zbiornika reaktora przez stopione paliwo. 2) Wykazanie szczelności budynku reaktora 3) Wykazanie moŝliwości unieszkodliwienia wodoru 4) Usunięcie wad projektowych 5) PołoŜenie nacisku na poziom wyszkolenia

4 Dane ogólne: typ reaktora - Reaktor energetyczny RBMK-1000 (grafitowy wodny wrzący kanałowy) moc znamionowa: 3200 MWt, 1000 MWel ~1500 kanałów; wymiary: Ø=12m, H=7m, 211 prętów sterowniczych (ręcznie + automatycznie) Elektrownia: 4 bloki parami 2 x 2, chłodzenie z jeziora połączonego z Prypecią - dopływem Dniepru najbliŝsze miasto: Prypeć, mieszkańców Przed planowym wyłączeniem reaktora, na dzień przewidziano doświadczenie: czy po odcięciu dopływu pary do turbin starczy energii w układzie na uruchomienie 5.5 MW agregatu Diesla do awaryjnego zasilania elektrowni. Reaktor miał pracować na poziomie 25-30% mocy znamionowej tzn MWt Scenariusz :06 Rozpoczęcie obniŝania mocy ze znamionowych 3200 MW 13: Moc wynosi ok.1600 MW; 14:00 ObniŜanie mocy wstrzymane na 9 godzin na Ŝądanie krajowego dyspozytora mocy z Kijowa Odcięcie (planowe!) Awaryjnego Układu Chłodzenia Uwaga: Odcięcie AUC tu bez znaczenia 23:10 Wznowienie obniŝania mocy 24:00 Moc wynosi ok. 700 MW; Eksperyment kontynuuje nocna zmiana (znaczące?) ~0:30 Moc spada do 500 MW - Przejście na sterowanie automatyczne - Spadek mocy do ok. 30 MW (1%)!! Błąd 1 tzn. praktycznie aŝ do wyłączenia reaktora! Następne ~½ h Stopniowy wzrost zatrucia reaktora ksenonem - " - - " - Próby (nieudolne) podniesienia mocy przez wyciąganie Złamanie (1) prętów sterujących (pozostawienie ~20) przepisów zejście < 26 bez zgody głównego inŝyniera! ~1:00 Moc w końcu osiąga ok. 200 MW ~1.00 Decyzja o wykonaniu planowanego doświadczenia Błąd 3 Niezgodność z planem! 200 MW zamiast > 700MW! Załączenie (planowe!) dodatkowo 2 pomp ukł. chłodzenia Spadek ciśnienia w obiegu pierwotnym; ustanie wrzenia Uwaga: /W tych warunkach, w razie pojawienia się pary - szybki wzrost reaktywności/ Złamanie Odcięcie automatycznego wyłączania reaktora przepisów 2!! 1:00 1:20 Celem podniesienia mocy - wyciąganie kolejnych prętów Złamanie sterowniczych aŝ do pozostawienia ~ 8!! przepisów 3!! (wymagane minimum = 15!) Uwaga: Praktyczna utrata sterowności reaktora! 26/ 1:21:40 Zmniejszenie przepływu (do poniŝej normalnego!) wody w reaktorze 26/ 1:22:10 Początek wrzenia, Błąd 4 Uznanie stanu za stabilny, ostateczna decyzja o wykonaniu testu 26/ 1:23:04 Odcięcie dopływu pary do turbin, początek samego eksperymentu!

5 zły projekt :23:10 Stopniowe zwiększanie Wzrost strumienia intensywności wrzenia 1:23:20 Początek gwałtownego wrzenia neutronów 1:23:35 Coraz szybszy wzrost mocy! i mocy Niekontrolowany wzrost ciśnienia! 1:23:40 Naciśnięcie czerwonego guzika! 200 prętów rusza w głąb rdzenia reaktora (H=7 m!) z prędkością 40 cm/s! "Wypalanie trucizny" - ksenonu zły Początkowy odcinek prętów ~0.5m grafitu wzrost projekt! reaktywności)! Coraz gwałtowniejszy wzrost mocy i ciśnienia! 1:23:44 Moc = ~100 x Moc znamionowa!! Oswobodzenie prętów - spadają swobodnie! Deformacja kanałów sterowania! Za późno... zablokowane! 1:23:45 Pękają koszulki paliwowe! 1:23:49 Pękają kanały paliwowe! Wybuch (1) Para rozsadza konstrukcję (górny reflektor) Wybuch (2) chemiczny, reakcje : Zr + H 2 O ZrO+H 2 C + H H 2 + O H 2 O 2 O CO +H 2 8 ze 140 ton paliwa wyrzucone z reflektorem :24 Pierwsza ofiara śmiertelna w budynku reaktora pod gruzami /ciała nie znaleziono/; poŝary wokół elektrowni (maszynownia) "natychmiast" powiadomienie nadzoru w Moskwie 1:28 Przyjazd straŝy poŝarnej (14 straŝaków) z Prypeci Powiadomienie szpitala w Prypeci ok. 4 Przyjazd 250 straŝaków + 70 wspomagających ok. 5 Pracownicy elektrowni otrzymują tabletki z jodem O.K.! PoŜary wokół elektrowni ugaszono, (prócz reaktora!) wyłączono blok 3 ok. 6 Druga ofiara śmiertelna /skutkiem oparzeń cieplnych/ Powiadomienie rządu w Moskwie "rankiem" Apel do mieszkańców Prypeci o pozostawanie w domach i zamknięcie okien O.K.! 11: Komisja rządowa odlatuje z Moskwy "w ciągu Z obszaru skaŝonego wojsko wywozi ok sztuk dnia" bydła?!! od 20: Rozdawanie tabletek z jodem mieszkańcom Prypeci 21: Podjęcie decyzji ewakuacji miasta Prypeci (zbyt późno!) "w ciągu Organizowanie transportu /ok.1000 autobusów/ nocy" : Wyłączenie bloku 1 1: Powiadomienie mieszkańców Prypeci o ewakuacji : Wyłączenie bloku : Ewakuacja osób Ewakuacja osób ze strefy o promieniu 30 km do 9.05 Gaszenie poŝaru grafitu w elektrowni; ZuŜyto ok.: 1800 t piasku, 600 t dolomitu, 2400 t Pb, 40 t B 2 C Dalsze 29 ofiar śmiertelnych /wszystkie spośród straŝaków i personelu elektrowni/ skutkiem oparzeń cieplnych i radiacyjnych (17) oraz choroby popromiennej (12)

6 "maj - Budowa podziemnej ściany przy elektrowni, - czerwiec" montaŝ urządzeń dekontaminacyjnych przy głównym ujęciu wodnym Kijowa, spryskiwanie terenu skaŝonego celem zapobieŝenia powstawaniu pyłu, rozpoczęcie zabetonowywania bloku 4 usuwanie wierzchniej warstwy terenów najbardziej skaŝonych koniec IX Ponowne uruchomienie bloku 1 koniec X Ponowne uruchomienie bloku 2 koniec XI Zakończenie budowy sarkofagu /zuŝyto t betonu/ XII 1987 Ponowne uruchomienie bloku 3 V 1988 Ponowne zasiedlenie 16 wiosek w strefie 30 km 1988 Zasiedlenie m. Czarnobyl Zasiedlenie 20 wiosek przez 1000 (starszych) osób "na własną odpowiedzialność" Oszacowania globalnych skutków zdrowotnych wybuchu reaktora RBMK w Czarnobylu Skutki wczesne zgony: 31 (3 z oparzeń + 28 z choroby popromiennej) łącznie: 134 przypadki ostrej choroby popromiennej 19 zgonów (późniejszych) Ocena liczby somatycznych skutków późnych /liczba dodatkowych zgonów z chorób nowotworowych/ Liczba osób ~ 6 mln ~ 10 msv (średnio) w tym: ~ 200 tys. ~200 msv - - (likwidatorzy) ~ 300 tys. ~ 70 msv - - Liczba zgonów na choroby nowotworowe z przyczyn naturalnych populacja " półkula płn Oszacowania globalnych skutków zdrowotnych wybuchu reaktora RBMK w Czarnobylu Ocena liczby somatycznych skutków późnych /liczba dodatkowych zgonów z chorób nowotworowych/ cd. a) ZałoŜenie karcinogenezy progowej (pomijamy skutki najmniejszych dawek) ( mSv mSv) /msv 3000 zgonów b) ZałoŜenie bezprogowej zaleŝności (uwzględniamy dodatkowo 5.5 mln naraŝonych) /msv 2750 zgonów na tle ogółu zgonów z chorób nowotwor. = ~1.2 mln, wykrycie tych dodatkowych niepewne. Dawka dla całej ludności półkuli północnej Ile wynosi średnio na osobę? 10-1 msv? 10-2 msv? przyjmijmy msv zgonów przy σ = wykrycie dodatkowych - nie do udowodnienia Wielkie problemy psycho-społeczno-ekonomiczne