Nowe elektrownie jądrowe bezpieczne nawet po awarii

Transkrypt

1 Nowe elektrownie jądrowe bezpieczne nawet po awarii Autor: dr inż. Andrzej Strupczewski, prof. nadzw. w Narodowym Centrum Badań Jądrowych ( Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 2/2014) W poprzednim artykule wykazaliśmy, że możemy się nie obawiać elektrowni jądrowej przy normalnej pracy. Ale jak się zabezpieczyć przed awarią? Wbrew rozpowszechnianym plotkom, awarie w elektrowniach jądrowych zdarzają się rzadko, a każde zdarzenie, które spowodowało lub mogło spowodować awarię jest starannie analizowane. Wyniki analiz są przekazywane do organizacji międzynarodowych i do wszystkich operatorów elektrowni na całym świecie, tak by wykluczyć zagrożenie w razie ponownego wystąpienia podobnego wydarzenia w innej elektrowni. Bilans wpływu elektrowni jądrowych na zdrowie człowieka i na środowisko w przypadkach awarii, które rzeczywiście wystąpiły w ciągu ponad pół wieku przedstawimy poniżej, a wraz z nim wyjaśnienie jakie mogą być konsekwencje awarii w nowych elektrowniach jądrowych proponowanych dla Polski.. W Polsce budowane będą elektrownie jądrowe z reaktorami III generacji. Warto sobie wyjaśnić, co to znaczy. Otóż po pierwszych prototypowych reaktorach energetycznych, mających często słabe punkty wynikające z braku doświadczenia, w latach 70-tych i 80-tych budowano reaktory drugiej generacji, zgodne z ówczesnymi wymaganiami bezpieczeństwa i pracujące do dziś pomyślnie w USA i w Unii Europejskiej. Reaktory te miały wiele cech pozytywnych, na przykład ich konstrukcja rdzenia zapewniała, że w razie awarii w układzie odbioru ciepła moc ich malała, co zapobiegało szybkiemu nagrzewaniu reaktora. Układy bezpieczeństwa były projektowane tak, by jeden tylko układ wystarczał dla wyłączenia i wystudzenia reaktora, a dla zapobieżenia utracie układu wskutek uszkodzeń jego elementów budowano reaktory z trzema równoległymi wzajemnie się rezerwującymi układami. Co więcej, aby zapobiec możliwej jednoczesnej awarii w dwóch lub trzech układach, wprowadzono zasadę różnorodności, tak by np. pompy były napędzane nie tylko silnikami elektrycznymi, ale i turbinkami parowymi, by sygnały alarmowe pochodziły z rożnych źródeł, np. nie tylko od zbyt wysokiej temperatury ale i od zbyt wysokiego ciśnienia itd. Wykorzystywano też naturalne siły przyrody na przykład silę przyciągania ziemskiego, zapewniającą niezawodny spadek prętów bezpieczeństwa do rdzenia reaktora, jak widać na rys. 1.

2 - 220 V A B Rys. 1 Przykład wykorzystania sił naturalnych układ wyłączenia awaryjnego reaktora. A- normalne położenie prętów nad rdzeniem podczas pracy reaktora, B awaryjny zanik napięcia na cewce elektromagnesu pręty bezpieczeństwa spadają do rdzenia i gaszą reakcję łańcuchową., Ponadto doświadczenie z eksploatacji i zdarzających się pożarów wskazało, że równoległe i niezależne od siebie układy muszą być rozdzielone przestrzennie lub oddzielone przegrodami, a praca układów bezpieczeństwa powinna być samoczynna, niezależnie od reakcji operatora. Układy powstrzymujące uwolnienia radioaktywności budowano w postaci systemu czterech kolejnych barier, z potężną obudową bezpieczeństwa stanowiącą ostatnią niezawodną przegrodę oddzielającą reaktor od otoczenia (rys. 2 ). obudowa bezpieczeństwa materiał paliwowy granica ciśnieniowa obiegu pierwotnego koszulka Rys. 2 Układ czterech kolejnych barier powstrzymujących ucieczkę produktów rozszczepienia z elektrowni jądrowej

3 W EJ istnieje układ kolejnych barier materiał pastylek paliwowych, koszulki paliwowe, granica ciśnieniowa obiegu pierwotnego, obudowa bezpieczeństwa powstrzymujących wydzielanie produktów rozszczepienia z rdzenia do środowiska. Awarie powodujące tylko przegrzanie paliwa bez uszkodzenia obiegu pierwotnego np. na skutek utraty przepływu chłodziwa - powodują zniszczenie pierwszych dwóch barier, ale bariera trzecia i czwarta pozostają nienaruszone. Najgroźniejsze są awarie z rozerwaniem obiegu pierwotnego, bo oznaczają one natychmiastową utratę trzeciej bariery i gwałtowny wypływ wody z obiegu. Woda pod ciśnieniem 15 MPa i o temperaturze około 330 o C po rozszczelnieniu obiegu gwałtownie rozpręża się do ciśnienia atmosferycznego i ulega odparowaniu. Prowadzi to do szybkiego opróżnienia obiegu pierwotnego a w szczególności do osuszenia rdzenia reaktora, w którym proces odparowywania wody jest najbardziej intensywny. Jeśli nie dostarczymy wody do rdzenia, nastąpi stopienie paliwa i otaczającej je koszulki, a więc utrata dwóch pierwszych barier. Jedyną ochroną pozostaje wówczas obudowa bezpieczeństwa. Dlatego projektanci reaktorów zapewniają wysokie zapasy bezpieczeństwa w projekcie obiegu pierwotnego i wykluczają wszelkie przewidywalne przyczyny jego uszkodzenia, a operatorzy kontrolują, czy nie uległ on osłabieniu w toku eksploatacji. Jednocześnie wyposaża się EJ w układy bezpieczeństwa mające z najwyższą niezawodnością zapewnić dostarczenie wody do rdzenia nawet w mało prawdopodobnym przypadku rozerwania obiegu pierwotnego. Wymagana niezawodność jest bardzo wysoka uszkodzenie rdzenia powinno zdarzać się nie częściej niż raz na 100 tysięcy lat pracy reaktora (nowoczesne reaktory pracują 60 lat). Jednego reaktora a jeśli będzie pracowało pięć tysięcy reaktorów to raz na 200 lat. Dwa wieki historii pomyślmy ile w tym czasie zdarzyło się wojen, zniszczeń miast i wsi, trzęsień ziemi, huraganów, epidemii... A reaktory projektowane są tak, by uszkodzenie rdzenia wcale nie powodowało zgonów ludzi. I środki ostrożności stosowane w energetyce jądrowej przyniosły dobre rezultaty. Bilans pracy ponad czterystu reaktorów energetycznych budowanych na świecie od pół wieku może służyć jako wzór dla innych gałęzi przemysłu. Dostarczają one bowiem tanią energię elektryczną przy zachowaniu czystego powietrza, wody i gleby, a z wyjątkiem reaktorów RBMK pracujących w Czarnobylu żadne ich awarie nie spowodowały wskutek promieniowania utraty ani życia ani zdrowia kogokolwiek z personelu lub ludności. Widać to na rys. 3 przedstawiającym bilans kosztów zdrowotnych przy ciężkich awariach w różnych gałęziach energetyki. Dzięki tym zabezpieczeniom reaktory II generacji mogły bez szkody dla ludności wytrzymać nawet tak rzadko występujące awarie, jak pełne rozerwanie głównego rurociągu obiegu pierwotnego z natychmiastowym wypływem wody z obu końców rozerwanego docinka rury.

4 Częstość takich awarii oceniano na jeden raz na 10 tysięcy lub na 100 tysięcy lat pracy danego reaktora, a awarie powodujące stopienie rdzenia były jeszcze mniej prawdopodobne. Zagrożenie było więc rzeczywiście minimalne. Rys. 3 Wczesne zgony powodowane przez ciężkie awarie w systemach energetycznych. 1.Uwaga dane w dziale Hydro poza OECD nie obejmują awarii hydroelektrowni Banqiao w Chinach, w której w r zginęło ludzi 2 Dlatego w reaktorach II generacji nie instalowano układów bezpieczeństwa, mających nas zabezpieczyć przed awariami ze stopieniem rdzenia. Uważano, że będą one zdarzać się tak rzadko, że lepiej przeznaczyć środki techniczne i finansowe na uchronienie społeczeństwa przed innymi zagrożeniami, bardziej realnymi i powodującymi rzeczywiście co roku wiele zgonów. Ponadto nie było łatwo opracować takie zabezpieczenia, które mogłyby gwarantować zatrzymanie wewnątrz obudowy bezpieczeństwa stopionego rdzenia, a więc dziesiątków ton dwutlenku uranu i metali o wysokiej temperaturze, sięgającej oc. Jednakże osiągnięcia techniczne i badania ostatnich lat sprawiły, że potrafimy dziś zapewnić zatrzymanie wewnątrz obudowy bezpieczeństwa nawet takiego stopionego rdzenia. Równolegle z tymi badaniami rosła świadomość, że społeczeństwo znacznie bardziej boi się jednej ciężkiej awarii w elektrowni jądrowej niż wielu drobnych wypadków w innych dziedzinach życia, choćby ginęło w nich dużo więcej ludzi. Dlatego twórcy reaktorów zdecydowali się na wprowadzenie reaktorów III generacji, w których zachowuje się wszystkie 1 Hirschberg S., Strupczewski A.: Comparison Of Accident Risks In Different Energy Systems IAEA Bulletin, 1/ Yi S. The World's Most Catastrophic Dam Failures. The August 1975 collapse of the Banqiao and Shimantan dams. In: D. Qing, J. Thiboleau, and P. B. Williams (ed) The River Dragon Has Come! The Three Gorges Dam and the Fate of China's Yangtze River and its People, pp pp M.E. Sharpe, 1998.

5 te zabezpieczenia, które okazały się tak skuteczne w przeszłości, ale mimo to zakłada się, że w reaktorze może dojść do stopienia rdzenia i wymaga się, by takie stopienie rdzenia nie powodowało zagrożenia poza niewielką strefą otaczającą reaktor. To uwzględnienie możliwości stopienia rdzenia stanowi zasadniczą różnicę między reaktorami III generacji a wszystkimi poprzednio budowanym reaktorami jądrowymi. Warto przy tym wyjaśnić, czemu zdarzyły się awarie w Czarnobylu i Fukushimie. Otóż reaktor czarnobylski był zupełnie odmienny od reaktorów budowanych w innych krajach i nie byłby licencjonowany ani w Europie Zachodniej i USA, ani w Polsce. Reaktor ten nie spełniał obowiązującego powszechnie podstawowego wymagania bezpieczeństwa, by w razie wzrostu temperatury rdzenia moc reaktora samoczynnie malała. To wymaganie jest spełnione dzięki występującemu w naturalny sposób we wszystkich reaktorach moderowanych wodą procesowi spowalniania neutronów poprzez zderzenia z atomami wodoru w wodzie. W razie wzrostu temperatury wody jej gęstość maleje i neutrony są spowalniane mniej skutecznie. Maleje wtedy liczba rozszczepień a więc i moc reaktora. Tego naturalnego mechanizmu regulacji mocy zabrakło w Czarnobylu, co więcej wskutek odmiennej konstrukcji reaktora po wzroście temperatury moc jego rosła. Było to sprzeczne z zasadami bezpieczeństwa. Elektrownia w Czarnobylu nie miała też obudowy bezpieczeństwa niezbędnego elementu systemu barier, powstrzymujących rozchodzenie się produktów rozszczepienia w przypadku awarii. Gdy wskutek samorzutnego gwałtownego wzrostu mocy rdzeń reaktora uległ zniszczeniu, nie było żadnej bariery, która mogłaby powstrzymać wypływ produktów rozszczepienia do atmosfery. Operatorzy w Czarnobylu popełnili błędy, ale takie same błędy w reaktorze PWR spowodowałyby tylko jego wyłączenie a nie gwałtowną awarię. Reaktory PWR jak mówimy wybaczają błędy a reaktory RBMK stukrotnie wzmacniały wszelkie negatywne procesy w rdzeniu. Reaktory takie jak w Czarnobylu nie były budowane poza dawnym Związkiem Radzieckim i oczywiście nie są nigdzie budowane obecnie i nie będą budowane w przyszłości. Zupełnie inny charakter miała awaria w Fukushimie. Była ona ubocznym skutkiem największego w dziejach Japonii trzęsienia ziemi i tsunami, które łącznie spowodowały zniszczenia takie jak działania wojenne na wielką skalę. Wskutek zniszczenia wszystkich linii energetycznych poza elektrownią i zalania wodą generatorów awaryjnych na terenie elektrowni układy bezpieczeństwa w elektrowni zostały pozbawione wszelkiego zasilania, co spowodowało przerwę w odbiorze ciepła z reaktora a po kilkunastu godzinach doprowadziło do przegrzania i częściowego stopienia rdzenia. Reaktory zostały zniszczone, ale ludzie nie stracili życia ani zdrowia, mimo że kataklizm naturalny zabił ponad 20 tysięcy ludzi. Porównanie skutków trzęsienia ziemi i tsunami ze skutkami działania promieniowania ze zniszczonych reaktorów pokazano w tabeli 1

6 Tabela 1 Skutki trzęsienia ziemi i tsunami w marcu 2011 r. Trzęsienie ziemi i Tsunami Skutki: zgonów Kompletne zniszczenie prowincji Przesunięcie poziome całej wyspy o 2 metry. Zniszczenie 4 reaktorów Reaktory nie spowodowały żadnego zgonu! Skutki promieniowania: Dawki efektywne dla dzieci od 0,01 do 1,2 msv - nie groźne. Wstrzymanie jedzenia zebranego na powierzchni zaledwie kilku km 2 Nawet największe dawki (230 msv) otrzymane przez pracowników elektrowni nie są groźne dla zdrowia, nie przekraczają dawek dopuszczalnych W wyniku badań prowadzonych przez UNSCEAR (Komitet Naukowy ONZ ds. Skutków Promieniowania Jądrowego), Komitet stwierdził w końcu maja 2013 r. co następuje: - w Fukushimie nie było zgonów związanych z promieniowaniem jonizującym, ani z ostrymi chorobami, które mogłoby to promieniowanie wywołać - nie należy spodziewać się wystąpienia późnych (stochastycznych) efektów, jako że otrzymane dawki są poniżej dawek progowych - dla najbardziej narażonych mieszkańców prefektury Fukushima, Komitet ocenia dawki życiowe na poniżej 10 msv. Jak dotąd nie ma żadnych wskazań, aby takie dawki mogły być przyczynami nowotworów pracowników otrzymało dawki na tarczycę w granicach 2 do 12 Gy i u tych pracowników występuje podwyższone ryzyko zachorowania na raka tarczycy pracowników otrzymało dawki na poziomie większym od 100 msv, co może spowodować nieznaczny wzrost ryzyka raka tarczycy. - najistotniejszym efektem zdrowotnym są traumatyczne przeżycia ludności i pracowników, związane z utratą bliskich, dobytku i miejsca bytowania, niepewności przyszłości i obawami przed promieniowaniem. W sumie, ograniczone w czasie i w przestrzeni ewakuowanie okolicznej ludności jest dowodem, że nawet stare reaktory w Fukushima mimo awarii spowodowały skutki zdrowotne i środowiskowe które można określić jako małe w porównaniu z katastrofalnymi skutkami trzęsienia ziemi i tsunami na terenie całej największej wyspy Japonii.

7 Na tym kończą się awarie reaktorowe, przy których zagrożenie radiacyjne sięgało poza obszar samej elektrowni. Natomiast typowe awarie, które rejestruje się i analizuje, to zdarzenia takie jak wystąpienie osłabienia rurek w obiegach chłodzenia, zacięcie zaworów, drgania elementów, wycieki wody zwierającej niewielkie stężenie substancji radioaktywnych lub zjawiska korozji w różnych elementach elektrowni. Najpoważniejsze zdarzenia to pożary wewnątrz elektrowni lub zaniki zasilania z zewnętrznej sieci energetycznej. Takie awarie traktowane są jako poważne sygnały ostrzegawcze i po ich analizie odpowiednie raporty przesyłane są do innych operatorów elektrowni jądrowych, by ostrzec ich i zapobiec powtórzeniu się takich wydarzeń w innych obiektach jądrowych. Jak powiedzieliśmy na wstępie, elektrownie jądrowe, które mają powstać w Polsce, będą jednak wyposażone w reaktory III generacji, dużo bezpieczniejsze od pracujących obecnie reaktorów II generacji. Reaktory te były projektowane już po atakach terrorystycznych na World Trade Centre, i skonstruowano je tak, by wytrzymywały zagrożenia zewnętrzne aż do uderzenia największego samolotu włącznie. Wytrzymują one również trzęsienie ziemi i powódź, a oceny bezpieczeństwa przeprowadzone przez urzędy dozoru jądrowego po trzęsieniu ziemi w Japonii wykazały, że reaktor EPR wytrzymuje także tsunami. W Polsce nie może wystąpić takie trzęsienie ziemi jak w Japonii, tsunami też jest mało prawdopodobne, chyba że meteor uderzyłby w Bałtyk, a odporność budowanego u nas reaktora na zagrożenia zewnętrzne będzie starannie sprawdzana. Dla ludności wokoło elektrowni najważniejsza jest wysoka skuteczność barier powstrzymujących ucieczkę radioaktywności z elektrowni. W reaktorach III generacji stosowane są różne rozwiązania, a wszystkie mają na celu ochronę ludności w razie awarii projektowych bez stopienia rdzenia a nawet w razie ciężkiej awarii ze stopieniem rdzenia. Na przykład w reaktorze EPR w razie stopienia rdzenia co jest zdarzeniem wysoce nieprawdopodobnym stopiona masa spłynie do obszernego basenu zwanego chwytaczem rdzenia i rozpłynie się na dużej powierzchni, tworząc płytką gorącą warstwę skutecznie schładzaną z dołu, z boków i z góry przez układy wodne, działające samoczynnie i nie wymagające zasilania elektrycznego. Produkty rozszczepienia uwalniane z rdzenia będą zatrzymywane w wewnętrznej powłoce obudowy bezpieczeństwa, a ewentualne przecieki będą spływały do pierścieniowej przestrzeni między pierwszą i drugą powłoką obudowy.

8 Rys. 4 Obudowa bezpieczeństwa EPR podwójna, potężna wytrzymuje uderzenie samolotu i zatrzymuje bardzo skutecznie substancje radioaktywne Z tej przestrzeni pierścieniowej powietrze wraz z zawartymi w nim substancjami radioaktywnymi będzie zasysane przez układ filtrów o wysokiej skuteczności, zatrzymujących 99,9% radioaktywności. Dzięki tak wysokiej skuteczności obudowy bezpieczeństwa, nawet jeśli w reaktorze EPR dojdzie do stopienia rdzenia, to na zewnątrz poza obudowę bezpieczeństwa wydostanie się bardzo mało produktów rozszczepienia. Analizy reaktora UK EPR zatwierdzone przez brytyjski dozór jądrowy udowodniły, że po takiej najcięższej awarii zagrożenie radiacyjne jest bardzo małe. Po awariach uwzględnionych w projekcie (aż do rozerwania obiegu pierwotnego) nie potrzeba żadnych działań dalej niż 800 m od EJ. Nawet po hipotetycznych ciężkich awariach nie ma zagrożenia dla ludności poza strefą wyłączenia EJ: Nie potrzeba wczesnych działań ochronnych po awarii dalej niż 800 m od EJ (granica strefy wyłączenia wokoło EJ) Nie potrzeba działań średnio terminowych dalej niż 3 km od EJ Nie potrzeba działań długoterminowych ( ewakuacja, ograniczenie spożycia płodów rolnych) dalej niż 800 m od EJ Skutki ekonomiczne ograniczone Takie bezpieczeństwo zapewniają EJ z EPR budowane w Finlandii, w Chinach i we Francji, oraz zaaprobowane przez dozór brytyjski dla Wielkiej Brytanii, lub reaktory AP 1000 i ABWR (USA) Reaktory III generacji wymagają większych nakładów inwestycyjnych niż pracujące obecnie reaktory II generacji. Ale za to ich układy bezpieczeństwa zapewniają bezpieczeństwo ludności nawet w razie ciężkiej awarii ze stopieniem rdzenia. Wybieramy elektrownie III generacji właśnie po to, by zapobiec wszelkim zagrożeniom ludności.