Jaderná havárie v Japonsku: Blesk z čistého nebe?

14. 3. 2011

Havarijní stav byl vyhlášen na pěti reaktorech, přičemž nejhůře postiženy byly čtyřicet let staré horkovodní reaktory (Boiling Water Reactors, BWRs) Fukušimy Dai-iči 240 km severně od Tokia. Tyto reaktory byly zastaveny, když byly řídící tyče automaticky zasunuty, aby utlumily jadernou reakci (SCRAM). Přinejmenším dva reaktory byly postiženy místním výpadkem proudu, který zabránil chladícímu systému ve funkci (ztráta chladiva, LOCA).

Bez možnosti chladit jádro reaktoru hrozí riziko roztavení, s potenciálními explozemi způsobenými párou nebo vodíkem. Dokonce i po přerušení jaderné řetězové reakce dál vzniká teplo z radioaktivního rozpadu a toto teplo je třeba rozptýlit, aby se zabránilo roztavení komponent uvnitř reaktoru. Dělníci se zoufale snaží chladit jádra reaktoru u jednotek 1 a 3, ale na Fukušimě 1 už došlo k explozi. Záběry z elektrárny ukazují, že z budovy zůstaly pouze zbytky armatury. Evakuační zóna byla rozšířena z 10 km na 20 km a z oblasti bylo evakuováno takřka 200 000 lidí.

Reaktory jsou v souladu s konstrukčním principem mnohonásobného jištění vybaveny několikanásobnými chladícími systémy. Podstata spočívá v tom, že je třeba mít redundantní systémy bez společných prvků a tak (teoreticky) vyloučit možnost všeobecného selhání. Každý systém by měl být schopen nezávisle zabránit plánované nehodě (design-basis accident - největší havárie, pro kterou jsou navrženy bezpečnostní systémy).

Japonsko je sofistikovaná země s dlouhou historií rozvoje jaderné energetiky a také s dlouhou historií seismické aktivity. Někdo by mohl tvrdit, že toto je japonský hurikán Katrina, kdy navzdory možnosti velmi vážných důsledků nebyl předem adekvátně připraven předvídatelný scénář.

Plánovaná havárie pro Fukušimu nezahrnovala zemětřesení v síle odpovídající této události (nedávno přeřazené do kategorie 9,0 stupně Richterovy škály). Firemní dokumenty ukazují, že společnost Tokyo Electric testovala elektrárnu Fukušima na maximální seismický otřes menší než pátečních 8,9 stupně. Poslední bezpečnostní test jaderné elektrárny č. 1 - té, které nyní hrozí roztavení - byl proveden na úrovni, kterou společnost považovala za maximální možnou, ale ve skutečnosti se ukázala být nižší než páteční zemětřesení. Informace pocházejí z japonských dokumentů nazvaných "Doplněná bezpečnostní opatření pro Fukušimu č.1 a č.2" z let 2010 a 2009.

Dokumenty byly kontrolovány Dow Jonesem. Společnost zde prohlašuje, že největší hodnota, pro niž testovala jaderné elektrárny č.1 a č.2 ve Fukušimě, dosáhla 7,9 stupně. Současná seismická aktivita podél tří tektonických desek v moři východně od elektráren - v epicentru pátečního zemětřesení - podle prezentace hodnotu 7,9 nepřesáhne. Společnost založila své modely částečně na předchozí seismické aktivitě v dané oblasti, včetně zemětřesení v síle 7,0 z května 1938 a dvou současných zemětřeseních v síle 7,3 a 7,5 z 5. listopadu téhož roku.

Elektrárna Fukušima byla vybavena 13 záložními dieselovými generátory určenými k pohonu nouzového systému chlazení reaktorového jádra (Emergency Core Cooling System, ECCS), ale všechny selhaly. K dispozici jsou záložní baterie, ale ty fungují pouze několik hodin. Pokud nemáte možnost chladit reaktor, výsledkem je jeho roztavení, k němuž může po selhání chlazení dojít velice rychle:

• Odkrytí jádra reaktoru (Core uncovery). Pro případ přechodného selhání, selhání způsobeného únavou materiálu, mimořádného či omezujícího selhání jsou teplovodní reaktory navrženy tak, aby se automaticky zastavily (SCRAM - okamžité a plné zasunutí všech řídících tyčí) a spustily systém havarijního chlazení (Emergency Core Cooling System, ECCS). To významně omezuje tepelný výkon reaktoru (ale zcela ho neodstraňuje); a zpomaluje proces "odkrytí" jádra reaktoru, které je definováno jako okamžik, kdy palivové tyče už nejsou zaplaveny chladivem a mohou se začít přehřívat... obecně začíná přibližně hodinu poté, co se objevil menší únik chladiva. Pokud čerpadla systému chlazení reaktoru neběží, horní část jádra bude vystavena páře a jádro se začne přehřívat. Nicméně pokud čerpadla běží, jádro bude chlazeno dvoufázovou směsí páry s vodou a přehřívání palivových tyčí bude odloženo do okamžiku, kdy takřka veškerá voda v dvoufázové směsi bude odpařena...
• Přehřívání před poškozením (Pre-damage heat up). Pokud jádrem reaktoru neprochází dvoufázová směs nebo do něj není přidávána voda, aby nahradila odpar, palivové tyče obklopené párou se budou přehřívat tempem přibližně 0,3 - 1 K/s.
• Nafouknutí a prasknutí obalu paliva (Fuel ballooning and bursting). Během necelé půlhodiny maximální teplota jádra dosáhne 1 100 Kelvina. Při této teplotě se může obal palivových tyčí ze zirkonové slitiny nafouknout a prasknout. To je první fáze poškození jádra reaktoru. Nafouknutí obalu může zablokovat podstatnou část chladicích kanálů v jádru a omezit průtok chladiva. Nicméně úplné zablokování jádra je nepravděpodobné, protože ne všechny palivové tyče se nafouknou na tomtéž místě na svém obvodu. V takovémto případě může tedy dostatečný přísun vody chladit jádro reaktoru a zastavit další poškozování.
• Rychlá oxidace. Další fází poškození jádra reaktoru začínající přibližně při 1 500 Kelvinech je rychlá oxidace zirkonové slitiny párou. Během oxidačního procesu vzniká vodík a je uvolňováno velké množství tepla. Nad hranicí 1 500 Kelvinů produkce tepla vznikající oxidací převyšuje množství tepla uvolňovaného radioaktivním rozpadem, dokud není rozsah oxidace omezován buď nedostatkem slitiny, nebo páry.
• Vznik odpadových usazenin na dně reaktoru (Debris bed formation). Když teplota jádra dosáhne zhruba 1 700 Kelvinů, roztavené řídící materiály začnou téct a tuhnout v prostoru mezi spodními částmi palivových tyčí, kde je teplota poměrně nízká. Nad úrovní 1 700 K může teplota v jádru během několika minut kvůli zvýšené oxidaci eskalovat až k bodu tání zirkonové slitiny (2 150 K). Když se zoxidovaný obal rozpadne, roztavená zirkonová slitina spolu s rozpuštěným oxidem uraničitým UO₂ stéká dolů a tuhne v chladnější spodní části reaktorového jádra. Přemístěná zirkonová slitina a oxid uraničitý spolu s tuhnoucími kontrolními materiály z předchozí fáze vytvoří spodní vrstvu vznikající soudržné vrstvy usazenin.
• Přemisťování jádra reaktoru do spodního odtokového potrubí. Ve scénářích zahrnujících malý únik chladiva v době, kdy dochází k přemisťování jádra, existuje obecně kaluž vody ve spodním odtokovém potrubí. Uvolňování roztavených materiálů z jádra do vody vždy vede ke vzniku velkého množství páry. Pokud se roztavený proud materiálů z jádra ve vodě rychle rozkládá, existuje také nebezpečí parní exploze. Během přemisťování jádra může být jakýkoliv zbylý zirkon v roztaveném materiálu také zoxidován párou, a při tomto procesu vzniká vodík. Pokud v jádru zůstávají kontrolní materiály a přemístěný materiál se rozkládá ve spodním odtokovém potrubí ve vodě neobsahující bór, může také existovat obava z opětovného vzniku řetězové reakce...

Incident je popisován jako výbuch vodíku. Oficiální linie tvrdí, že byla zničena budova vnějšího kontejnmentu, ale že reaktorová nádoba samotná zůstala intaktní... Únik vodíku je podstatnou součástí scénáře zahrnujícího tavení reaktoru, a je obtížné si představit scénáře zahrnující výbuch vodíku v měřítku, jaké jsme viděli ve Fukušimě 1, které by nezahrnovaly poškození tlakové nádoby reaktoru...

Jedním ze spekulativních scénářů by mohlo být selhání typu alfa (alpha-mode failure). To by zahrnovalo explozi postačující k odpálení víka tlakové nádoby reaktoru, která by je vrhla proti vnějšímu kontejnmentu, jenž by byl v důsledku toho proražen. Pravděpodobnost takové události je považována za nízkou, ale v jaderných zařízeních už došlo k mnohým událostem považovaným za velmi málo pravděpodobné.

Vzhledem k objevení radioaktivního cesia, které může pocházet pouze z palivových tyčí zbavených obalu a začínajících hořet, a následné mohutné explozi, je těžké si představit scénáře nezahrnující podstatné poničení reaktoru... (Zvýraznil KD.)

Ve Fukušimě 1 je šest reaktorů a v nedaleké Fukušimě 2 další čtyři. Tokyo Electric (TEPCO) nyní hlásí, že existují problémy s chlazením a nebezpečným nárůstem tlaku v některých z těchto jednotek... Zdá se, že společným problémem je ztráta schopnosti chladit...

Budovy kontejnmentu jsou v zoufalém úsilí zaplavovány mořskou vodou a kyselinou boritou, aby byla snížena teplota a zničena kapacita pro další jadernou aktivitu. Kyselina je důležitá kvůli pohlcování neutronů, aby se zabránilo vzniku řetšzové jaderné reakce během tavení. Taková událost by potenciálně mohla způsobit mnohem větší úniky radioaktivity.

To vypadá na významné důkazy o tom, že jsme spíše na začátku této katastrofy než na konci, a už teď je co do rozsahu takřka bezprecedentní... (Zvýraznil KD.)

Objevují se srovnání s nehodou v Černobylu, ale existuje řada velmi důležitých rozdílů, zejména v oblasti konstrukce reaktoru a tedy i následků nehody... Netechnická srovnání mezi Fukušimou a Černobylem jsou případnější, zejména pokud jde o řízení jaderného průmyslu a samolibé riskování. Jaderní insideři jsou v řadě jurisdikcí známi jako neřízené střely a selhávají při zveřejňování kriticky důležitých informací... (Zvýraznil KD.)

Sovětská nukleární byrokracie ignorovala zřejmá rizika a tajila nehody, kdykoliv to bylo možné. I když v Japonsku v minulosti nedošlo k ničemu, co by se tomu alespoň vzdáleně blížilo, Fukušima 1 byla už v centru problémů japonského jaderného průmyslu s transparencí. V roce 2002 museli předseda správní rady a čtyři manažeři společnosti Tokyo Electric Power Corporation (TEPCO) rezignovat kvůli falšování záznamů o opravách... Kromě toho byla japonská vláda opakovaně varována před seismickými riziky...

Řada zemí právě uvažuje o jaderné energii, která by převzala břemeno, když energetická produkce z konvenčních fosilních paliv klesá... Proponenti tvrdí, že čistá energie (EROEI) jaderné energetiky je dost vysoká na to, aby poháněla naše společnosti, že sektor jaderné energie může být dost rychle rozšiřován, zatímco nabídka fosilních paliv se zmenšuje, že bude dost uranových zásob pro masivní rozšíření kapacit, že jádro je jedinou možností, jak snížit emise oxidu uhličitého, a že jadernou energetiku lze provozovat bez obav z bezpečnosti na základě pravděpodobnostního hodnocení bezpečnosti (probabilistic safety assessment, PSA).

S každým z těchto tvrzení nesouhlasím. S ohledem na energetické vstupy kompletního životního cyklu jaderné energie je EROEI sotva nad minimální úrovní nutnou k udržení společnosti, a náklady (co do peněz i energie) jsou soustředěny na počátek celého procesu.

Rozšíření kapacit vyžaduje mimořádné množství času i peněz. I když výstavbu lze urychlit, tam kde k tomu došlo (a bylo to v Rusku), to mělo zhoubný účinek na stavební standardy. Uranové rezervy, zejména u kvalitní rudy, jsou rychle vyčerpávány. Snížení emisí oxidu uhličitého během celého životního cyklu na mě nedělá žádný dojem. Navíc jaderné úřady přijímají riskantní rozhodnutí bez toho, aby informovaly veřejnost. Soustavně provádějí vyhodnocení rizik tak, že značně podhodnocují možnost nehod toho typu, které mohou mít dopady v měřítku generací.

Z mého pohledu představuje jaderná energetika neodůvodněnou víru v to, že lidské společnosti dokáží kontrolovat extrémně složité technologie během velmi dlouhé doby. Jakákoliv aktivita vyžadující značnou porci složitého a kooperativního řízení se bude v ekonomicky těžkých dobách provozovat velmi špatně.

Žádná lidská společnost také ještě nikdy nevydržela tak dlouho, jak je třeba dohlížet na jaderné palivo. Je třeba je uchovávat v bazénech na místě snad sto let, aby dost vychladlo pro potřeby trvalého uložení, za předpokladu, že forma trvalého uložení bude vymyšlena, povolena a vyvinuta. Během tohoto období bude třeba uchovávat znalosti o tom, jak se to dělá, a to může být složitější, než si dnes myslíme.

Musíme vyhodnotit potenciál pro jadernou budoucnost ve světle katastrofy v Japonsku. Nebyla nepředvídatelná a měla by být zahrnuta do každého realistického vyhodnocení jaderného potenciálu. Není možno ji realisticky hodnotit jako blesk z čistého nebe (black swan event). (Zvýraznil KD.)

Japonsko má málo energetických alternativ, protože postrádá domácí energetické rezervy a musí dovážet 80% své energetické spotřeby. Bylo tedy připraveno podepsat faustovskou smlouvu navzdory rizikům, která měla být zřejmá. Dopad ztráty tak velké kapacity, velké části z ní patrně natrvalo, na dostupnost elektrické energie po nehodě velmi pravděpodobně poškodí schopnost Japonska vzpamatovat se z této katastrofy, což potenciálně posiluje paralely s americkým hurikánem Katrina.

Musíme vyhodnotit rizika zahrnutá ve využití jaderné energie na jiných místech, ať už riziko, jemuž čelí, je seismické, nebo ne... Rizika existují v řadě oblastí, z nichž většina souvisí s lidským chováním, ať už ve stádiu konstrukce zařízení, nebo v operační fázi. Lidské chování může snadno změnit to, co by mělo být událostí, k níž dojde na jediném reaktoru za sto tisíc let, v cosi, k čemu dost pravděpodobně dojde během jediné generace. Jaderná energie nám možná dovolí ztlumit nadcházející pokles dostupnosti fosilních paliv, ale jen za potenciálně velmi vysokou cenu.

Celý článek v angličtině: ZDE

Vytisknout