Dlaczego w elektrowni Fukushima-Daiichi doszło do awarii?

Gdy 11 marca 2011 roku o godz. 14:46 ziemia w Japonii zadrżała, systemy bezpieczeństwa bez zwłoki wyłączyły wszystkie reaktory pracujące na zagrożonym terenie w elektrowniach Onagawa, Fukushima I (Daiichi) i II (Daini) oraz Tokai Daini. Dlaczego więc doszło do awarii? Czy wyłączony reaktor może być groźny?

Ciepło powyłaczeniowe reaktorów 2 i 3 Fukushima Daiichi
Ciepło powyłączeniowe 2. i 3. reaktora Fukushima Daiichi (reaktor 1. miał mniejszą moc, a reaktory 4., 5. i 6. nie pracowały)

Źródła ciepła w reaktorze to:

  • reakcja łańcuchowa,
  • rozpady promieniotwórcze produktów tej reakcji.

Awaryjne wyłączenie reaktora trwa 1-2 s i oznacza przerwanie reakcji łańcuchowej, czyli wyłączenie głównego, potężnego źródła ciepła, ale pozostają promieniotwórcze produkty reakcji, których atomy nadal się rozpadają i nadal produkują ciepło, choć w znacznie mniejszej ilości. Jest to tak zwane ciepło powyłączeniowe, które stanowi niewielki procent pełnej mocy pracującego reaktora:

czas od wyłączenia % mocy
zaraz po wyłączeniu 7,00%
po godz 4,00%
po 24 godz 0,40%
po 100 dniach 0,10%

Pierwotną przyczyną wszystkich nieszczęść, które spadły na elektrownię jądrową Fukushima-Daiichi i na całą Japonię było trzęsienie ziemi, ale nie ono doprowadziło do awarii reaktorów. Gdyby nie fala tsunami, która zniszczyła zbiorniki paliwa i przerwała pracę generatorów diesla zasilających układy awaryjnego chłodzenia, nie byłoby żadnej awarii i do dziś mało kto by wiedział o istnieniu elektrowni jądrowej w japońskiej prefekturze Fukushima.

11 marca 2011,

14:46

trzęsienie ziemi i wyłączenie pracujących reaktorów

przerwanie zasilania z sieci krajowej

start generatorów diesla

  bezproblemowe awaryjne chłodzenie reaktorów
15:42

fala tsunami

15:45

utracenie zbiorników z paliwem dieslowskim

jedynym źródłem zasilania systemów chłodzenia pozostały akumulatory

 

rozgrzewanie się reaktorów na skutek ciepła powyłączeniowego;

parowanie wody i wzrost ciśnienia pary

odsłanianie koszulek prętów paliwowych i produkcja wodoru w reakcji pary wodnej z zircaloyem (stopem, z którego są wykonane koszulki)*

12 marca 2011,

9:07

otworzenie się zaworu bezpieczeństwa w obudowie bezpieczeństwa Fukushima Daiichi
15:36 wybuch wodoru w reaktorze 1
14 marca 2011, 11:01 wybuch wodoru w reaktorze 3

*Zircaloy to stop cyrkonu, ok. 1,5–2,5% cyny z niewielkimi dodatkami niklu, chromu, niobu i żelaza, który wytrzymuje warunki w rdzeniu reaktora i jest prawie przezroczysty dla neutronów termicznych (bardzo mały przekrój czynny na reakcję neutronów termicznych z zircaloyem).

W temperaturze powyżej 600 ºC w reakcji cyrkonu z parą wodną zaczyna być produkowany wodór; w temperaturze 900 ºC reakcja zaczyna być burzliwa:
Zr + 2H2O → ZrO2 + 2H+ 6420 kJ/kgZr   (intensywność reakcji zależy od temperatury).

Wodór jest w reaktorze produkowany również w kilku innych reakcjach, lecz w znacznie mniejszych ilościach.

Fala tsunami spowowowała utratę zasilania i zanik chłodzenia, co stało się przyczyną przegrzania reaktorów.

W elektrowni Fukushima nie było wybuchu jądrowego, ale wskutek wysokich temperatur doszło do reakcji chemicznej cyrkonu z parą wodną, która spowodowała wydzielenie wodoru poza pierwotną obudowę bezpieczeństwa.

W reaktorach japońskich nie było pasywnych autokatalitycznych układów rekombinacji wodoru, które działają samoczynnie bez dopływu energii z zewnątrz. Takie układy już od połowy lat 90-tych wprowadzano w reaktorach Unii Europejskiej i instalowano sukcesywnie w Rosji i innych krajach. W Fukushimie operator polegał na rekombinacji wodoru w układach wymagających doprowadzenia energii elektrycznej. Ponieważ po tsunami wszelkie źródła energii elektrycznej zostały utracone, wodoru nie można było rekombinować i przy uwalnianiu gazów z obudowy doszło do niekontrolowanych reakcji wodoru z tlenem, które przekształciły się w wybuchy i zniszczyły wtórną obudowę reaktorów.

Rdzenie reaktorów zostały uszkodzone, bo po utracie zasilania elektrycznego po kilku godzinach utracono możliwości chłodzenia paliwa. Poziom wody wciąż się obniżał i w końcu doszło do odsłonięcia rdzeni reaktorów 1-3. Znajdujące się w nich pręty paliwowe zaczęły się topić. Gorące paliwo spłynęło na dno zbiornika reaktora. W reaktorach 2 i 3 dno nie przetopiło się, jednak przez otwory technologicznie w dnie prawdopodobnie doszło do wycieków do wnętrza obudowy bezpieczeństwa. W reaktorze 1 stopione paliwo przepaliło zbiornik i trafiło do chłodzonego wodą chwytacza rdzenia, ale obudowa pierwotna wytrzymała i materiały stopione w rdzeniu nie wypłynęły poza obudowę.

Natomiast poza obudowę wydostały się lotne produkty rozszczepienia, wydzielone z uszkodzonego paliwa, takie jak cez, jod, krypton i ksenon. Uwolnienia te były znacznie mniejsze niż w Czarnobylu, bo uszkodzenia rdzenia były mniejsze, a obudowa wytrzymała, ale wystąpiły w czterech reaktorach i w związku z tym wydzielenia poza elektrownię były znaczne.

 

Miejsce: 
Ciepło powyłaczeniowe reaktorów 2 i 3 Fukushima Daiichi
Zalanie reaktorów 1 - 4 przez falę tsunami