Awaria elektrowni atomowej w Fukushimie wywołana trzęsieniem ziemi i falą tsunami Zygmunt Szefliński Wydział Fizyki, UW Letnia Szkoła Fizyki, 4 lipca 2011
Fakt 13 marca Atomowy strach przed chmurą
Atomowy strach przed chmurą
Odkrycie reakcji rozszczepienia uranu-235 rok 1938 Otto Hahn Lisa Meitner Fritz Strassmann
Łańcuchowa reakcja rozszczepienia
Pierwszy reaktor jądrowy Pierwszy, naturalny reaktor jądrowy odkryto w Ohlo w Gabonie; Pierwszy reaktor jądrowy zbudowany przez ludzi uruchomiono w Chicago, w grudniu 1942 roku. Jako paliwo zastosowano naturalny uran metaliczny i tlenek uranu naturalnego. Jako moderator grafit
Pierwszy prąd z energii jądrowej W sierpniu 1951 roku uruchomiono Experimental Breeder Reactor Number One EBR-1, do produkcji plutonu oraz do badań fizycznych. W grudniu 1951 roku Połączona do obiegu chłodzenia turbina wytworzyła prąd z paliwa jądrowego. Reaktor ten jest zlokalizowany w USA w stanie Idaho około miejscowości Arco
Pierwsza elektrownia jądrowa W 1955 roku w Fizyko Energetycznym Instytucie w Obninsku koło Moskwy uruchomiono pierwszy reaktor energetyczny prototyp RBMK z moderatorem grafitowym i wodnym chłodzeniem. Reaktor współpracował z turbiną 5 MW
Energetyka jądrowa kwiecień 2011 Calder Hall 1956-2003
Rozwój energetyki jądrowej
Energia promieniowania naturalnego Przy rozpadzie 1 grama toru jest generowana energia 73,17 GJ; Przy rozpadzie 1 grama uranu jest generowana energia 83,75 GJ; W Polsce, średnio w 1 tonie gleby znajduje się 2 gramy uranu i 7 gramów toru. Rozpad tych pierwiastków wytworzy energię 680 GJ równoważną spaleniu 27 ton węgla!! Energetyka jądrowa marzec 2011
Energia z atomu Energia 1 J (1 W sek) - 3,3 10 10 rozszczepień - 1,6 10 18 reakcji atomu węgla z dwoma atomami tlenu Do wytworzenia 145 TWh energii elektrycznej wytwarzanej z paliw stałych w Polsce rocznie wykorzystuje się 50 Mton węgla kamiennego i ponad 60 Mton węgla brunatnego. W wyniku spalenia takiej ilości węgla powstaje około 140 Mton CO 2. Do wytworzenia takiej ilości energii elektrycznej potrzeba około 360 ton paliwa jądrowego uzyskanego z 3 500 ton uranu naturalnego. 360 ton 7 wagonów 100 Mton 2 miliony wagonów x 20 m= 40 tys km
Uran w środowisku Uran naturalny: 99,29 % - U-238 0,71 % - U-235 0,0055%- U-234 produkt rozpadu U-238 Średnia zawartość uranu na powierzchni Ziemi: 2,8 g/tonę
Uran w środowisku
Produkcja Absorpcja Ucieczka = 0 Materiał moderatora: -Lekkie jądra: możliwie duża strata energii neutronu przy zderzeniu; -Duży przekrój czynny na zderzenia sprężyste; -Mały przekrój czynny na absorpcję. Woda H 2 O; Ciężka woda D 2 O; Grafit - C Beryl - Be Jakie warunki musi spełnid jednorodny układ złożony z uranu i moderatora aby otrzymad w nim samopodtrzymującą reakcję łaocuchową?
Energetyka jądrowa Jądrowy blok energetyczny reaktor jądrowy z turbiną i generatorem (Nuclear power unit) Elektrownia jądrowa jeden lub kilka jądrowych bloków energetycznych (Nuclear power plant) umiejscowionych na wydzielonym obszarze z wspólną infrastrukturą techniczną.
Elektrownia atomowa Fukushima 1 Fukushima Daiichi, 6 reaktorów typu BWR, uruchamiane w latach 1970-79 Reaktor wodny wrzący, w skrócie BWR (ang. Boiling Water Reactor) reaktor moderowany i chłodzony wodą cyrkulującą w jednym obiegu pod ciśnieniem 7,6 Mpa (75 atm). Temperatura wrzenia 285 0 C. Lekka woda pełni jednocześnie funkcje moderatora i czynnika roboczego; wytworzona w reaktorze para jest kierowana do turbiny.
Reaktor BWR
Zbiornik reaktora 1. Podczas przejścia przez rdzeń odparowuje około 20% wody. 2. Para oddzielana jest od wody w separatorze. 3. Pozostała woda jest zawracana ponownie do rdzenia poprzez pompy strumieniowe
Kasety paliwowe Temperatura topnienia Cyrkonu T=1900 0 C Pręty paliwowe
Bariery bezpieczeństwa Zbiornik Zbiornik reaktora reaktora Koszulka Koszulka Obudowa bezpieczeństwa Paliwo Paliwo produkty produkty rozszcz. rozszcz.
Fukushima Daiici przed trzęsieniem ziemi
11 marca o 14.46 Trzęsienie ziemi o sile 9.0 w skali Richtera Wszystkie pracujące reaktory w Onagawa, Fukushima I (Daiici) i II (Daini) oraztokai Daini zostały wyłączone W przewidzianym czasie włączyły się siłownie dieslowskie i rozpoczęły zasilanie awaryjne systemów reaktora
11 marca o 15.42 Wszystkie źródła zasilania awaryjnego poza akumulatorami zostały utracone, co zostało zgodnie z procedurami określonymi ustawowo natychmiast przekazane Rządowi O 15.45 stwierdzono zmycie przez falę tsunami zbiorników z paliwem dieslowskim O 16.10 Komisja Bezpieczeństwa Jądrowego zwołała Zespół Doradztwa Technicznego na wypadek awarii jądrowej
Awaria utraty zasilania Zasilanie pochodzi z: Sieci elektroenergetycznej Generatorów diesla (2x) Akumulatorów (tylko najważniejsze systemy) Całkowita utrata zasilania stanowi jeden z najtrudniejszych scenariuszy!
Ciepło powyłączeniowe 1. Po wyłączeniu w reaktorze nadal wydzielają się znaczne ilości ciepła 2. Konieczne jest zapewnienie jego odbioru
12 marca wybuch w bloku nr 1
Uszkodzenie koszulki paliwa Brak chłodzenia Zr+2H 2 O>2H 2 +ZrO 2 Produkty rozszczepienia 3UO 2 +2H 2 O>2H 2 +U 3 O 8 M T P T Wrzenie chłodziwa Korozja koszulek Zr
Stan awarii:15 marca godz. 12:00 Wybuch wodoru w reaktorze nr 1-12 marca Wybuch wodoru w reaktorze nr 3-14 marca Wybuch wodoru w reaktorze nr 2-15 marca 0:36 Zapłon w składowisku paliwa przy reaktorze nr 4 * Moc dawki skutecznej 400 msv/h * ( * Tomasz Jackowski, kierownik Zespołu Analiz Reaktorowych Centrum Informatycznego IPJ w Świerku http://www.jaif.or.jp/english/index.php) Moc dawki naturalnej 0,3 Sv/h Dawka roczna ~2,5 +1=3,5 msv/rok (Polska) ~ 30 msv/rok (Plaże Brazylii) ~300 msv/rok (Ramsar, Iran)
ESBWR pasywne chłodzenie Działanie operatora sprowadza się do otwarcia pirozaworów; Zapas wody w basenie wystarcza na 72h; Analogiczny system służy chłodzeniu obudowy. ESBWR - Economic Simplified Boiling Water Reactor
Obudowa typu MARK I Obudowa dzieli się na dwie części: Górną (drywell) Dolną w kształcie torusa (wetwell) Część dolna (torus) mieści zapas wody Reszta budynku pozostaje poza obudową
Fukushima Daiichi parametry reaktorów Reaktor Typ Obudowa Moc Moc Rok cieplna elektr. Podł. [MWt] [MWe] do sieci Daiichi1 BWR-3 Mark-I 1380 460 1970 Daiichi2 BWR-4 Mark-I 2381 784 1973 Daiichi3 BWR-4 Mark-I 2381 784 1974 Daiichi4 BWR-4 Mark-I 2381 784 1978 Daiichi5 BWR-4 Mark-I 2381 784 1977 Daiichi6 BWR-5 Mark-II 3293 1100 1979
Tue Mar 15 2011, 13:02 hrs: 13:02 Promieniowanie w elektrowni Fukushima I jest zbyt silne, aby pracownicy mogli bezpiecznie przebywać w centrum kontroli - poinformowała agencja Kyodo. MAEA podaje, że poziom radiacji w okolicy elektrowni najprawdopodobniej spada. 13:00 Poziom promieniowania w Tokio jest 10 razy wyższy od standardowego - podały władze miasta i uspokoiły, że nie stanowi to zagrożenia dla zdrowia i życia ludzi.
Japan Atomic Industrial Forum (JAIF)
Japan Atomic Industrial Forum http://www.jaif.or.jp/english/index.php People who live between 20km to 30km from the Fukushima Dai-ichi NPS are to stay indoors. 30 workers has been exposed to radiation more than 100 msv as of 5/11. *Emergency exposure dose limit has been set to 250mSv NPS border: 490 μsv/h at 16:30, Mar. 15 NPS border: 6308 μsv/h at 23:35, Mar. 15 NPS border: 3391 μsv/h at 11:00, Mar. 16 NPS border: 1472 μsv/h at 16:20, Mar. 16 NPS border: 646 μsv/h at 11:10, Mar. 17 The Main Gate: 287μSv/h at 12:00, Mar. 18 The Main Gate: 269.5μSv/h at 05:40, Mar. 20 The Main Gate: 121 μsv/h at16:00, Apr. 04 The Main Gate: 108 μsv/h at 09:00, Apr. 07 The Main Gate: 42 μsv/h at 09:00, May. 25 The Main Gate, 35μSv/h at 09:00, July, 4 Dziś!!! Moc dawki naturalnej 0,3 Sv/h - 30 Sv/h
Japan Atomic Industrial Forum Cesium Level Considered Safe for Swimming at Under 50Bq: No Highly Radioactive Materials Detected in Seawater On June 23, Japan s Ministry of the Environment provisionally set radiation safety levels for swimming in the ocean, rivers and elsewhere this summer. Those levels were then finalized after approval at a meeting of the Nuclear Safety Commission (NSC) of Japan that was held the same day. The limits are 50Bq per liter for radioactive cesium, and 30Bq per liter for radioactive iodine, both deemed safe based on the assumption of swimming five hours in such water every day. The guidelines will apply only for 62 days in July and August this summer. The ministry will address the matter again for the summer of 2012.
Minerały zawierające uran-przykłady Uran w środowisku Pitchblenda UO 2 Carnolit K 2 (UO 2 ) 2 (VO 4 ) 2 3H 2 O Autunit-CaO(UO 3 ) 2 P 2 O 5 12H 2 O Występuje w Polsce Góry Świętokrzyskie Miedzianka Sklodowskit Mg(UO 2 ) 2 (HSiO 4 ) 2 5H 2 O
Zasoby, tys. ton U3O8 Światowe rozpoznane zasoby uranu mln ton U 3 O 8 Wydobycie uranu <80 $/kgu <130 $/kgu Australia 1,074 1,910 Kazachstan 0,662 0,957 Kanada 0,439 0,532 Poł. Afryka 0,298 0,369 Namibia 0,213 0,287 Rosja 0,158 0,218 Brazylia 0,143 0,309 USA 0,102 0,355 Uzbekistan 0,093 0,153 Pozostali 0,480 0,526 Ogółem 3,622 5,834 6 000 4 000 2 000 0 40 80 130 Koszt wydobycia $/kg U
Wydobycie uranu Przy wydobyciu miedzi Australia Olimpic Dam; Przy wydobyciu złota Rep. Południowej Afryki; Kopalnie odkrywkowe 27%; Kopalnie głębokie ~ 50%; Ługowanie głębokie In Situ Leach (ISL) 20%