Dwa lata po Fukushimie

Katastrofa w elektrowni jądrowej w Fukushimie, jak wiele zdarzeń tego typu, obrosła szeregiem mitów, dlatego warto na spokojnie przyjrzeć się co się tam naprawdę stało, dlaczego doszło do wypadku i jakie z niego można wyciągnąć wnioski na przyszłość.

Reaktory zastosowane w EJ Fukushima dai-ichi reprezentowały tzw. II generację reaktorów jądrowych. Mianem tym określane są reaktory budowane masowo w latach 60., 70. i 80. Generację I stanowią pierwsze instalacje pilotażowe z przełomu lat 50. i 60. Obecnie budowane reaktory reprezentują generację III lub III+, która odróżnia się od poprzedniej głównie znacznie bardziej rozbudowanymi systemami bezpieczeństwa.

Elektrownia Fukushima dai-ichi stanowi własność japońskiego koncernu energetycznego Tokyo Electric Power Company (TEPCO). Poza nią TEPCO posiada także dwie inne elektrownie jądrowe: Fukushima dai-ni (4 bloki) oraz Kashiwazaki-Kariwa (7 bloków).

W czasie trzęsienia ziemi w EJ Fukushima dai-ichi pracowały trzy z sześciu zainstalowanych w niej bloków energetycznych (nr 1, nr 2 i nr 3). Bloki nr 4, 5 i 6 były odstawione do planowych remontów, przy czym w reaktorze nr 4 nie było w ogóle paliwa jądrowego, które na czas prac remontowych przeniesiono w całości do basenu paliwa wypalonego. Tego rodzaju basen znajduje się przy każdym reaktorze jądrowym i służy do tymczasowego (kilkuletniego) przechowywania zużytego paliwa po jego usunięciu z reaktora. Jest to konieczne ze względu na wydzielanie się w elementach paliwowych ciepła powyłączeniowego (o czym dalej). Baseny wypalonego paliwa są otwarte, zabezpieczenie przed promieniowaniem wewnątrz budynku stanowi odpowiednia warstwa wody. Ochrona taka umożliwia załodze elektrowni bezpieczne przebywanie nawet nad brzegiem takiego basenu.

W momencie wystąpienia trzęsienia ziemi pracujące bloki elektrowni zostały automatycznie wyłączone. Również automatycznie rozpoczęły pracę układy odprowadzania ciepła powyłączeniowego, czyli układy chłodzenia reaktorów. Praca takich systemów jest konieczna ze względu na fundamentalne prawa fizyki rządzące pracą reaktora jądrowego, którym warto bliżej się przyjrzeć aby lepiej zrozumieć zagadnienie.

Każda reakcja rozszczepienia jądra materiału rozszczepialnego (w reaktorze przede wszystkim izotopu uranu 235, U-235) powoduje wydzielenie energii. W skali mikroskopowej odbywa się to poprzez powstanie cząstek poruszających się z wysoką prędkością. Ponieważ jednak reakcja taka nie zachodzi w próżni, tylko w materiale stanowiącym paliwo (w większości przypadków jest to ceramiczny dwutlenek uranu), cząstki te bardzo szybko napotykają na inne cząstki i zderzają się z nimi przekazując im część swej energii. Jeśli reakcje rozszczepienia zachodzą masowo w ciele stałym, to efektem jest wzrost intensywności drgań wszystkich cząstek w tym ciele, co w skali makro obserwujemy jako wzrost temperatury. Z punktu widzenia elektrowni pracujący reaktor jądrowy jest zatem niczym innym jak dużą grzałką. Jego jedyną rolą jest podgrzewanie wody, która przezeń przepływa. Trudność polega jednak na tym, że takiej dużej grzałki nie da się w mgnieniu oka schłodzić nawet po tym jak się ją wyłączy.

W reaktorze jądrowym problemem nie jest przerwanie jego normalnej pracy. W pracującym reaktorze jądrowym każda reakcja rozszczepienia wywołuje kolejną, jest to tzw. samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowa. Dzieje się tak dlatego, że każde rozszczepienie powoduje powstanie swobodnych neutronów, które w odpowiednich warunkach (a takie są utrzymywane podczas pracy reaktora) mogą spowodować kolejną taką samą reakcję. Zatrzymanie pracy reaktora polega zatem na przerwaniu tego mechanizmu. Odbywa się to poprzez wprowadzenie do reaktora materiałów pochłaniających swobodne neutrony, na ogół w postaci tzw. prętów sterujących i regulacyjnych. W przypadku nagłego wsunięcia wszystkich prętów do wnętrza reaktora reakcja łańcuchowa jest przerywana w ciągu kilku sekund. Dla zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa prętów służących do wyłączenia reaktora zawsze jest więcej niż teoretycznie potrzeba, a ich wprowadzenie nie wymaga żadnego zasilania zewnętrznego (przeciwnie, zaprojektowane jest tak, by przerwa w zasilaniu powodowała wyłączenie reaktora).

Przerwanie reakcji rozszczepienia nie kończy jednak procesu wyłączania reaktora. Jest tak dlatego, że produkty reakcji rozszczepienia są nietrwałe i samoczynnie dalej się rozpadają. Niektóre szybciej, inne wolniej. Z tego powodu wypalone paliwo jądrowe jest silnie radioaktywne, ale innym skutkiem ubocznym jest fakt wydzielania w nim ciepła nawet po przerwaniu reakcji rozszczepienia. Sekundę po wyłączeniu reaktora wytwarza on jeszcze kilkanaście procent energii, którą generował w trakcie pracy. Minutę później jest to około 5%, godzinę później - 1%, dobę później - 0,5% i tak dalej. Nie jest to oczywiście wiele, ale warto przełożyć to na konkretne liczby.

Reaktory zainstalowane w blokach 2-5 EJ Fukushima dai-ichi miały moc cieplną po 2381 MW. Oznacza to, że godzinę później, w momencie w którym do elektrowni dotarła fala tsunami, reaktory 2 i 3 wytwarzały jeszcze po około 24 MW ciepła. To mniej więcej tyle, ile wytwarza spalanie węgla kamiennego w tempie 1 kg/s. W skali elektrowni to wartość niewielka, niemniej musi być bezwzględnie odprowadzona z reaktora. W przeciwnym przypadku wnętrze reaktora zacznie się rozgrzewać. Powoduje to wzrost ciśnienia w zamkniętym układzie chłodzenia, a poza tym rozgrzewanie samego paliwa. Może to doprowadzić do dwóch niebezpiecznych zjawisk:

1. Utraty integralności paliwa (jego stopienia). Stopione paliwo w bardzo wysokiej temperaturze może teoretycznie spaść na dno reaktora, stopić jego ściankę i wydostać się na zewnątrz powodując uwolnienie zawartych w nim izotopów promieniotwórczych.

2. Wytwarzania wodoru. Wodór powstaje w wyniku zachodzącej w wysokiej temperaturze reakcji pomiędzy zewnętrzną powierzchnią elementów paliwowych (tzw. koszulką) wykonaną ze stopu cyrkonu a wodą. Wodór uwolniony z reaktora może w skrajnym wypadku stworzyć zagrożenie eksplozją. Poza tym sama reakcja jest egzotermiczna, a więc pogłębia tylko problem z przegrzewaniem wyłączonego reaktora.

Z tych powodów chłodzenie wyłączonego reaktora jest uznawane za jedno z najbardziej kluczowych zagadnień związanych z bezpieczeństwem eksploatacji instalacji jądrowej. Każdy reaktor jest zaopatrzony w szereg układów chłodzenia zarówno dla sytuacji normalnych, jak i awaryjnych. Nie inaczej było w Fukushimie. Problem polega jednak na tym, że - szczególnie w przypadku starszych konstrukcji - układy te wymagają zasilania.

Wróćmy zatem do przebiegu wydarzeń w Japonii. W czasie trzęsienia ziemi reaktory wyłączyły się, a układy ich chłodzenia rozpoczęły pracę. Trzęsienie ziemi spowodowało zerwanie linii łączących elektrownię z japońską siecią elektroenergetyczną, w związku z czym uruchomiły się awaryjne generatory prądotwórcze przewidziane specjalnie na taką sytuację. Takie maszyny, oparte o specjalnie zaprojektowane silniki wysokoprężne dużych mocy, znajdują się w każdej elektrowni jądrowej. Podlegają niezwykle wyśrubowanym wymaganiom technicznym i jakościowym. Muszą być zdolne do zasilenia kluczowych odbiorników w ciągu kilkunastu sekund od automatycznego sygnału rozruchu, pełną moc osiągają typowo w ciągu minuty. Oczywiście także tutaj stosowane jest wzajemne rezerwowanie: agregatów zawsze instaluje się więcej, niż teoretycznie potrzeba. Bloki w Fukushimie miały po dwa takie agregaty (z wyjątkiem bloku nr 5, który miał trzy).

Ogólnie zatem elektrownia przechodziła normalną procedurę nagłego odstawienia przez ok. 50 minut po trzęsieniu ziemi. Wtedy jednak do terenu elektrowni, położonego bezpośrednio na brzegu morza, dotarła fala tsunami. Fala w rejonie instalacji miała wysokość 13-15 m i była znacznie wyższa od niespełna sześciometrowego falochronu osłaniającego elektrownię. Teren instalacji został zatem zalany, a wraz z nim niektóre budynki i obiekty. Co najważniejsze zalaniu uległy budynki maszynowni, w których zainstalowane były elementy układu awaryjnego zasilania. Kolejno przerywały pracę poszczególne agregaty prądotwórcze. Na domiar złego na skutek zalania uszkodzeniu uległy także baterie akumulatorów oraz rozdzielnie prądu stałego zapewniające zasilanie układów sterowania i części urządzeń pomiarowych. W tym momencie prawidłowe chłodzenie wszystkich trzech reaktorów zostało przerwane. Następował stopniowy wzrost temperatury, którego operatorzy nie byli w stanie skompensować nawet uwolnieniami pary powstałej z reaktorów z uwagi na brak zasilania układów sterujących. Wskutek nadmiernego wzrostu ciśnienia para z reaktorów została samoczynnie uwolniona do wnętrza obudów bezpieczeństwa (odpowiednie zawory reagują na wzrost ciśnienia samoczynnie i nie wymagają zasilania). W reaktorach zaczął wytwarzać się wodór, który wraz z parą przedostał się także do obudów bezpieczeństwa, a następnie przez ich nieszczelności do budynków reaktorów. Instalacje w Fukushimie zaopatrzone były co prawda w układy rekombinacji wodoru mające zapobiegać powstaniu w obudowach i budynkach reaktorów stężeń zagrażających eksplozją, jednak także i te układy wymagały zasilania, a zatem nie działały.

Mimo trwających przez cały czas działań mających na celu schłodzenie reaktorów przy użyciu dostępnej wody, w tym wody morskiej, doszło do stopienia paliwa w reaktorach 1, 2 oraz 3. Przy tym w reaktorze nr 1 paliwo przetopiło się przez obudowę reaktora i trafiło do basenu z wodą w dolnej części obudowy bezpieczeństwa. W reaktorach 2 i 3 paliwo spłynęło na dno reaktorów, jednak przez otwory technologiczne część wydostała się także do obudów. W takim stanie reaktory udało się ostatecznie ustabilizować i schłodzić.

Wskutek wzrostu poziomu promieniowania zarządzono ewakuację ludności. 11 marca po godzinie 19 władze prefektury nakazały ewakuację mieszkańców z obszaru w promieniu 2 km od elektrowni. W późniejszych godzinach wieczornych strefę rozszerzono do 3 km, a nad ranem 12 marca (jeszcze przed pierwszą eksplozją) do 10 km. W godzinach wieczornych tego dnia strefę rozszerzono do 20 km. Rządy innych państw wezwały swoich obywateli do opuszczenia znacznie większego obszaru: Amerykanie zalecili 50 mil (ok. 80 km), Hiszpanie 120 km, a Niemcy zarekomendowali swoim obywatelom nawet opuszczenie odległego o przeszło 250 km Tokio. 25 marca władze japońskie zaleciły dobrowolną ewakuację w promieniu 30 km od instalacji. W maju rozszerzono strefę ewakuacji na niektóre rejony o nieregularnym kształcie na postawie rzeczywistych pomiarów promieniowania.

Co jednak oznacza to 100 mSv i jak to się ma do dawek otrzymanych przez ludność w Fukushimie? Sv (siwert) jest jednostką miary równoważnych i skutecznych dawek promieniowania oddziałujących na organizmy żywe. Uwzględnia ona przy tym z odpowiednimi przelicznikami wszystkie rodzaje promieniowania jonizującego. Sam siwert jest jednostką dość dużą, dlatego do określania dawek typowo stosuje się jego tysięczne lub nawet milionowe części (mili- i mikrosiwerty).

W Japonii obowiązujący w chwili katastrofy limit dawki od energetyki jądrowej wynosił 1 mSv na rok, czyli odpowiadał temu w Polsce. Za kryterium do wytyczenia obszaru ewakuowanego przyjęto natomiast 20 mSv, co odpowiada polskiemu limitowi dla osób pracujących z promieniowaniem i jest przyjmowane za dawkę niezagrażającą zdrowiu.

Wedle wspomnianego raportu WHO typowe dawki przyjęte przez mieszkańców prefektury Fukushima w ciągu pierwszego roku od katastrofy wyniosły od 1 do 10 mSv. W dwóch niewielkich obszarach zarejestrowano dawki na poziomie 10-50 mSv. W sąsiednich prefekturach dawki mieściły się w zakresie 0,1-10 mSv, a w pozostałych rejonach Japonii nie przekroczyły 1 mSv. Przy tym oszacowano, że dawki te stanowić będą około 30% całkowitych dawek pochłoniętych wskutek katastrofy w ciągu całego życia dotkniętych osób.

Zagadnieniem rozpatrywanym osobno są dawki pochłonięte przez tarczycę osób narażonych na skutki katastrofy. Dzieje się tak ze względu na naturalną zdolność tarczycy do zatrzymywania i akumulowania izotopów jodu. W przypadku narażenia na kontakt z radioaktywnym izotopem I-131, a jest on jednym z radioaktywnych produktów rozszczepienia, ludzka tarczyca akumuluje go, narażając się tym samym na podwyższone lokalnie promieniowanie, które może doprowadzić do nowotworu tego narządu. Dokładnie z tego powodu po katastrofie czarnobylskiej prowadzono w Polsce tzw. profilaktykę jodową polegającą na podawaniu ludności izotopu nieradioaktywnego dla "zablokowania" tarczycy i zapobiegania akumulacji groźnej substancji. Zagrożenie akumulacją I-131 jest uznawane za szczególnie groźne dla dzieci, choć na szczęście ok. 95% przypadków jest uleczalnych.

Ta ostatnia wartość oznacza wzrost z naturalnego poziomu ryzyka zapadnięcia na tego rodzaju nowotwór w ciągu całego życia na poziomie 0,75% do łącznego poziomu 1,25%.

Dla osób narażonych w ciągu pierwszego roku na dawki w zakresie 5-12 mSv ryzyko określono jako o połowę niższe, a dla tych, które otrzymały dawki w zakresie 3-5 mSv - trzy- lub czterokrotnie niższe.

Poza kwestią dawek, krytyka Greenpeace dotyczyła też sposobu prezentacji danych w postaci narażenia procentowego zamiast konkretnej liczby narażonych osób. WHO jednak twierdzi, że był to zabieg celowy, jako że "celem raportu jest wskazanie poziomu ryzyka a nie liczb bezwzględnych. Chodzi o prawdopodobieństwo".

Mimo wszelkich sprzeczności należy podkreślić, że do tej pory podwyższone poziomy promieniowania nie doprowadziły do żadnych udokumentowanych skutków zdrowotnych. Warto o tym pamiętać w kontekście ogólnej sytuacji w Japonii - zdarzenie w Fukushimie było wszak tylko jednym ze skutków ogromnego kataklizmu, w którym życie straciło łącznie 19 tysięcy ludzi.

Jeśli chodzi o tereny skażone wokół elektrowni, zaplanowano prowadzenie dekontaminacji obszaru, w którym dawki promieniowania przekraczają 20 mSv rocznie. Działania sprowadzają się do usuwania zakumulowanych na tym obszarze substancji radioaktywnych i polegają m.in. na zmywaniu powierzchni dachów i ścian budynków oraz dróg i innych powierzchni utwardzonych, mycie drzew, usuwanie wierzchnich warstw gleby oraz rozsiewanie zeolitu. W szerszej strefie prowadzony jest wzmożony nadzór poziomów promieniowania i skażenia substancjami promieniotwórczymi. Te działania prowadzone są przez japońskie władze.

Osobną kwestią jest przyszłość energetyki jądrowej w Japonii. Obecnie praca elektrowni tych jest zawieszona do czasu potwierdzenia bezpieczeństwa ich eksploatacji przez zreorganizowane służby dozoru jądrowego. Wedle pojawiających się ocen ponowne uruchomienie pierwszych bloków będzie możliwe dopiero w roku 2014. Jest to zagadnienie niezwykłej wagi dla Japonii, która jest krajem ubogim w surowce energetyczne. Odstawienie praktycznie wszystkich bloków jądrowych po katastrofie zmusiło Kraj Kwitnącej Wiśni do znacznego zwiększenia importu paliw kopalnych, co z kolei skutkuje znaczącym wzrostem cen energii elektrycznej i istotnym pogorszeniem bilansu handlu zagranicznego. Z tego powodu japońskie władze planują przywrócenie do eksploatacji istniejących bloków, choć dopiero po przeprowadzeniu drobiazgowych analiz bezpieczeństwa. Istnieje spore prawdopodobieństwo, że nie dla wszystkich instalacji analizy te zakończą się pomyślnie, ze względu na ostrzejsze niż wcześniej przyjmowane kryteria związane ze zjawiskami sejsmicznymi.

Z europejskiego - a szczególnie polskiego - punktu widzenia istotniejsze jest jednak pytanie czy takie zdarzenie może się powtórzyć w naszym rejonie świata i czy może wystąpić także w nowej elektrowni? W celu uzyskania odpowiedzi Komisja Europejska niezwłocznie po katastrofie zaleciła przeprowadzenie szczegółowych analiz. Wykazały one celowość wprowadzenia pewnych ulepszeń w istniejących blokach po to, by zabezpieczyć je lepiej przed skutkami skrajnie mało prawdopodobnych zdarzeń zewnętrznych, choć jednocześnie potwierdziły dobry poziom bezpieczeństwa jądrowego w krajach UE. Warto przy tym odnotować, ze w przypadku nowych instalacji projektanci przyjmują z góry założenie możliwości utraty zasilania zewnętrznego i konieczności zmagania się z gwałtownymi zjawiskami naturalnymi. W nowoczesnych blokach układy awaryjnego zasilania są lepiej chronione i bardziej rozbudowane (np. w budowanych obecnie we Francji i Finlandii blokach zastosowane są po cztery niezależne układy lokalnego awaryjnego zasilania instalowane w oddzielnych dobrze zabezpieczonych budynkach). W coraz większym stopniu wykorzystywane są także systemy pasywne, które zapewniają chłodzenie reaktora (a także rekombinację wodoru) bez zasilania energią elektryczną - w przypadku niektórych typów reaktorów założona jest możliwość samoczynnego chłodzenia naturalnego bez działań operatorów przez 48 lub 72 godziny od wyłączenia reaktora, co daje załodze elektrowni czas na poradzenie sobie z bezpośrednimi skutkami zaistniałego zdarzenia. W Fukushimie operatorzy jednak tyle czasu nie mieli.